Experimental investigation of the blade/seal interaction

International audienceThe use of dynamic seals to reduce the rotor/stator dynamic clearance in jet engine compressor stages leads to a higher rubbing occurrence between each blade and the coated inside of the casing. This article describes the development of a test rig capable to investigate forces and wear at the dynamic blade/seal interaction, in conjunction with blade kinetics. Testing conditions are consistent with those of low-pressure compressor stages of jet engines: high-speed rubbing occurs between a TA6V blade substitute and an aluminium-silicon/boron nitride abradable seal. The platform is instrumented to allow a dynamic measurement of forces and displacements as well as high-speed imaging of the blade/seal interaction zone throughout the experiment. The experiments showed that the blade incursion speed and penetration depth in the abradable seal both affect the amplitude and frequency of blade vibration. The amount and severity of blade incursions into the abradable seal have an impact on seal wear type and intensity, which can in turn increase blade excitation

Caractérisation de l'usure et de l'échauffement par frottement de matériaux métalliques et composites à matrice organique, lors des atterrissages d'urgence

International audienceAviation is one of the safest public transport means today. To reach such a performance, aircraft safety mainly relies on experience feedbacks and a set of constantly evolving rules which concern the flying products and operations. This also works for emergency landings or crash situations wherein the aircraft "belly" is directly in contact with the runway (Figure 1). For this purpose, a four years research project (PHYSAFE) funded by the French DGAC started in August 2015. Part of the research aims at experimentally studying and characterizing various phenomena which may have a noticeable influence on aircraft passengers' safety in case of emergency landing or crash. Among these experimental studies, the development of test means and facilities to characterize the dynamic wear behavior of aircraft primary structure materials once in contact with the ground was selected as being of common interest for aircraft and rotorcraft airframes. The part of the PhD work to be presented is notably focusing on the study and characterization of wear and heat phenomena, for metallic and composites aircraft structural materials (reference materials: Au2024, T700/M21) during emergency landing situations. It aims at estimating (through "pin on disc" tests [1]) the main phenomena and principles to be taken into account for an experimental protocol (test bench, specimens, instrumentation, etc.) dedicated to the study of wear and heat of materials in representative conditions, followed by a first comparison of metallic and composite reference materials performances. The methodology set up to partially answer the studied problematic, starts with pin-on-disc tests using a concrete pad and discs made of aluminum or composite material. The preliminary experimental design permits to observe the results of interactions between concrete and the materials like in an aircraft fuselage. A first identification of the tribological systems representing the studied contact, aims at defining the first bodies and the third body produced within the studied contacts. Once the tribological mechanisms identified (by post mortem and in-situ analysis), an estimated dissipated energy may be linked to those mechanisms through the writing of material and energy balances [2,3]. A future step of the work would concern the study of possible similitude rules (through non-dimensional numbers establishment relying on the Vaschy-Buckingham's theorem [4]), for a selection of identified wear and abrasion mechanisms, to check the possible extrapolation of experiments at a laboratory scale at full-scale level.Les transports aériens sont de nos jours assez fiables en matière de sécurité et cela grâce aux avancées constamment faites dans le domaine. Pour continuer l'amélioration de cette sécurité, nombreuses sont les études faites autour différentes thématiques, dont le crash et les atterrissages d'urgence (situations où les aéronefs peuvent se retrouver sur le "ventre").Le projet de recherche (PHYSAFE) de la DGAC a ainsi été lancé à l'ONERA depuis 2015 pour une durée de 4 ans. Il a pour objectif principal d'apporter des éléments de compréhension du contact fuselage/piste via différentes études et notamment la conception d'un banc dédié à l'étude du frottement du fuselage sur la piste.La partie présentée des travaux de thèse, viendra rendre compte de l'étude et la caractérisation de l'usure et de l'échauffement produits dans le contact entre la piste (en béton) et les composants structuraux représentatif du fuselage (alliage d'aluminium Al2024/T3 et composite carbone epoxy T700/M21). Les travaux s'appuient sur des essais de type "pion/disque" qui permettront l'identification d'un système tribologique représentatif afin de pouvoir définir et caractériser le 3ème corps produit dans le contact.Une fois les mécanismes tribologiques identifiés (analyses post-mortem et in-situ), il s'agira d'écrire des équations de bilan de matière et d'énergie pour établir la corrélation entre les mécanismes tribologiques et la dissipation de l'énergie liée à la vitesse.L'étape suivante du travail consistera à étudier l'existence de règles de similitude (nombres adimensionnels définis via le théorème de Vaschy-Buckingham), pour vérifier, dans le cas de certains mécanismes tribologiques, la possibilité d'extrapoler les expériences faîtes en laboratoire à une échelle supérieure

Représentativité thermique d'essais tribologiques à échelle réduite

La conception et l'analyse des performances d'un système de freinage nécessite la caractérisation de son comportement tribologique. Pour réaliser cette caractérisation en fonction de paramètres d'arrêt tels que la pression apparente de contact, le temps de freinage ou la vitesse de glissement, les essais sur tribomètre de freinage à échelle réduite sont plus adaptés que les essais à l'échelle 1, à condition de respecter les sollicitations thermiques de surface rencontrées à l'échelle 1. A partir d'une discussion sur les facteurs d'échelle et d'une analyse des flux de chaleur et d'énergie, tout un ensemble de conditions expérimentales peuvent être définies, qui respectent la même réponse théorique en température de surface. Une série d'essais simulant des freinages d'arrêt à partir de 140 km/h a été réalisée. Elle montre la très bonne corrélation entre prédictions et mesures expérimentales

Analyse tribologique du rôle de constituants dans les performances de matériaux composites organiques pour garnitures de frein

Le rôle des constituants au sein des matériaux de friction pour garniture de frein est encore mal connu du fait, d une part de la complexité des formulations de ces matériaux composites organiques, d autre part de la sollicitation induite par le freinage qui engendre de multiples phénomènes physiques. Il s avère donc particulièrement difficile d établir les liens entre la composition d une garniture et ses performances. Les travaux ont concerné une garniture de frein industrielle pour véhicule poids lourd. Une étude préalable a été réalisée du point de vue de sa microstructure et de ses constituants, de ses propriétés, de son élaboration et de ses performances en freinage. La démarche expérimentale adoptée a reposé sur le développement i) d une formulation modèle , déduite de la formulation industrielle par simplification de la composition, ii) d un essai d usure représentatif de sollicitations de freinage, pour aborder le fonctionnement tribologique des constituants dans une configuration simplifiée. Deux constituants ont été plus particulièrement étudiés, des particules de laiton et des fibres de verre introduites dans la formulation modèle prise en référence. L analyse des performances a porté sur la compréhension des liens entre les mécanismes de frottement et d usure, la microstructure et les propriétés des matériaux et leur comportement tribologiqueThe role of the constituents within friction materials for brake lining still largely unknown due to the complexity of these organic composite formulations and to the induced solicitation by braking which generates multiple physical phenomena. Therefore, it is especially difficult to establish the relationship between the composition of a brake lining and its performance. The work has concerned an industrial brake lining for heavy vehicle. A preliminary study was conducted in terms of its microstructure, constituents, properties, elaboration and its braking performance. The experimental approach was based, on the one hand, on the development of a model formulation, derived from the simplification of the industrial one and, on the other hand, on a specific wear test representative of braking solicitations, to take up the tribological behaviour of constituents in the framework of a simplified configuration. Brass particles and glass fibres have been particularly studied, introduced into the model formulation taken as a reference. The analysis of performance has focused on understanding the relationship between friction and wear mechanisms, microstructure and properties of materials, and their tribological behaviourVILLENEUVE D'ASCQ-ECLI (590092307) / SudocSudocFranceF

Study of the wear process in an experimental simulation of a fuselage/runway rubbing contact

In this work, the authors tackle the problem of laboratory simulation of frictional contact in wheels-up emergency landing conditions. To design a novel tribometer simulating the contact between an aircraft structure and a runway, one must carry two complementary main tasks: the understanding of the underlying physical mechanisms and the scaling up of the in-lab results to the scale of interest. The authors propose to progress on the first task by conducting exploratory work using existing resources. Their contribution consists of a multi-scale methodology to reconstruct the wear process in a tribological system within wheels-up emergency landing conditions. This could provide guidance for safer aircraft and runway design. The study falls within the framework of three-body tribology. The proposed multi-scale characterisation methodology is made up of four steps. After describing the whole tribological system, its mechanical response is measured and analysed. This measurement is complemented by surface observations and physicochemical analyses. Finally, all the measurements and observations are discussed to come across a phenomenological wear scenario that revealed friction and wear as system responses with the key role of the third body

Modélisation thermomécanique du contact aube-abradable dans les turboréacteurs.

Pour répondre aux challenges des motoristes aéronautiques concernant l'optimisation des performances des turboréacteurs, il est nécessaire de s'intéresser à la maîtrise des jeux entre rotor et stator. Une solution technologique couramment employée consiste à déposer un revêtement, dit abradable, par projection thermique sur les parois internes du carter. L'objectif est de réduire le jeu à l'extrémité des aubes tournantes tout en garantissant la fiabilité de la turbomachine en cas de contact. Le matériau utilisé offre des propriétés d'abradabilité, jouant le rôle de fusible afin de préserver les étages mobiles du moteur lors d'éventuelles interactions. Cependant, certaines conditions de fonctionnement défavorables peuvent conduire à l'endommagement des structures suite à des phénomènes vibratoires divergents résultants des interactions, des échauffements sévères localisés et une usure du revêtement. L'approche dynamique est insuffisance pour expliquer ces phénomènes et nécessite d'être complétée avec l'introduction des aspects thermomécaniques dans l'étude des conditions de contact aube-abradable. En effet, les phénomènes dynamiques sont couplés aux phénomènes thermomécaniques [1], les dilatations thermiques résultent directement des échauffements et peuvent modifier les mécanismes physiques au contact. L'objectif est de proposer des outils de modélisations numériques pour représenter les physiques thermiques et mécaniques mises en jeu. La compréhension des phénomènes thermomécaniques suggère une approche énergétique locale de l'interaction [2,3] pour quantifier notamment la part d'énergie générée qui est convertie en chaleur. Les premiers éléments de réponse ont été apportés avec la réalisation d'essais expérimentaux pour reproduire une configuration simplifiée d'interaction entre une aube en titane et un tambour rotatif recouvert d'abradable selon le dispositif développé dans [4]. Des méthodes directes de recalage en flux permettent de remonter aux quantités de chaleur et de suivre l'évolution de la partition du flux entre les deux corps en interaction. Différentes configurations d'interaction ont été étudiées pour prédire l'influence des paramètres procédés et matériaux qui pilotent la distribution de flux de chaleur et qui sont à considérer dans le cadre de simulations thermomécaniques. Le partage de flux est introduit dans une approche numérique thermomécanique en éléments finis découplée afin d'étudier l'influence des dilatations thermiques sur la dynamique du contact rotor-stator. La participation des phénomènes thermomécaniques est mise en évidence avec la simulation d'essais d'interaction types. Les échauffements localisés en surface d'abradable conduisent à postériori à des déformations d'ensemble résultant de la diffusion du gradient thermique dans le reste du carter. Les dilatations thermiques sont prises en compte pour mettre à jour la géométrie déformée du carter dans la résolution du problème dynamique de contact. Les effets sur la dynamique ne sont pas instantanés car les dilatations thermiques ne sont pas maximales sous le contact, et peuvent s'amplifier dans le temps avec le cumul d'énergie. L'ouverture ou la fermeture du jeu sont conditionnées par le temps de diffusion, la forme du chargement thermique à l'interface, la géométrie du carter et les conditions aux limites considérées. Les échelles spatiales et temporelles des dilatations thermiques sont étudiées sur des dynamiques plus complexes mettant en jeux des essais d'interaction échelle 1 entre un disque complet aubagé et son carter. L'objectif à terme est d'essayer d'expliquer les conditions qui différencient les cas d'interaction divergents et non-divergents sur la divergence vibratoire.  Références [1] A. Millecamps et al. (2009) « Influence of thermal effects during blade-casing contact experiments. », In ASME 2009 , 855?862. American Society of Mechanical Engineers [2] W.F Laverty. (1982) « Rub energetics of compressor blade tip seals. », Wear, 75 :1?20 [3] M. Banjac, A. Vencl, S. Otovi?. (2014) « Friction and Wear Processes ? Thermodynamic Approach. », Tribology in Industry, Vol. 36, No. 4 (2014) 341?347 [4] R. Mandard and al. (2015) « Identification expérimentale des mécanismes d'accommodation de l'incursion aube-abradable », JIFT 201

An energy balance of blade-casing interaction

International audienc

Etude expérimentale du contact aube/abradable (contribution à la caractérisation mécanique des matériaux abradables et de leur interaction dynamique sur banc rotatif avec une aube)

L utilisation de revêtements abradables pour assurer l étanchéité dynamique des turboréacteurs est une solution répandue qui permet d augmenter la fiabilité et le rendement aérodynamique des turboréacteurs. En fonctionnement, des touches inévitables entre le revêtement et le bout d aubes de rotor peuvent être à l origine d une usure excessive du revêtement abradable et/ou de la rupture d aube. La simulation numérique de tels incidents butte sur un manque de connaissance des interactions aube/carter et des forces mises en jeu au contact, forces qui résultent notamment de couplages entre le frottement, l usure du revêtement et des phénomènes vibratoires.Cette thèse a pour objectif de mieux appréhender les mécanismes d interaction entre l aube et le revêtement abradable. Elle résulte d une collaboration entre l ONERA de Lille et le Laboratoire de Mécanique de Lille et concerne le revêtement de type Al-Si/hbN (Metco 320NS), couramment utilisé dans les compresseurs à basse pression.Les propriétés physico-chimiques et le comportement mécanique notamment en dynamique du revêtement abradable sont étudiés. Compte-tenu d une asymétrie du comportement en traction et en compression, l exploitation en corrélation d images numériques d un essai original inspiré de l essai Brésilien permet de rendre compte des mécanismes de dégradation. Le comportement tribologique est étudié sur tribomètre dans différentes configurations de contact. L interaction entre l aube et le revêtement ainsi que les couplages avec les vibrations d aube sont investigués et caractérisés dans une configuration simplifiée et fortement instrumentée, sur un banc rotatif spécifique développé à l ONERA de LilleAbradable seals are extensively used in jet engines to ensure smaller rotor/stator dynamic clearances and lead to higher aerodynamic efficiencies. However, the resulting reduced rotor/stator gap can cause excessive seal wear and/or a significant increase in rotor blades solicitation, both of which can be highly detrimental to the engine s structural integrity. To allow numerical modelling of such accidental scenarios, there is a need to better comprehend the blade/seal interactions as well as the contact forces involved and that can be influenced by the couplings occurring between friction, seal wear and blade vibration.This thesis aims at contributing to a better understanding of the blade/seal interaction mechanisms, in the framework of a cooperation between ONERA de Lille and the Laboratoire de Mécanique de Lille. The abradable material is of Al-Si/hBN type (Metco 320NS), commonly used in low pressure compressors. The physicochemical properties and the mechanical behaviour under static and dynamic loading of this abradable material are tested. Given the anti-symmetry of its tension and compression behaviour, use of the Digital Image Correlation technique to analyze an experiment derived from the Brazilian test allows qualification of the damage mechanisms. The friction behaviour of the abradable seal is studied on a tribometer using different contact configurations. Characterisation of the blade/seal interaction and of some of the associated coupling phenomena is done on a dedicated and instrumented device developed at ONERA de LilleVILLENEUVE D'ASCQ-ECLI (590092307) / SudocSudocFranceF

Caractérisation expérimentale du contact frottant disque garniture sous sollicitations sévères de freinage (Prise en compte des interactions tribologie, thermique et physico-chimie)

LILLE1-BU (590092102) / SudocVILLENEUVE D'ASCQ-ECLI (590092307) / SudocSudocFranceF

Downscaling for disc-brake wear testing using a thermomechanical approach

Brake wear has been identified to be an important source of non-exhaust emissions in transportation. The high dissipated energy in the contact not only results in large frictional heat dissipation in the brake components but also in the generation of debris, particles and gases produced by the wear of both pads and disc. Numerical simulation or tribological tests at the material scale are still not sufficient to predict wear. Experiments at the original scale of the brake system are necessary, with a significant implementation time, high costs and with a limited scope. The aim of the present work is a downscaling strategy to design experiments at reduced scale (i.e. pin-on-disc tribometer scale) taking care of the thermomechanical characteristics of the full-scale braking situation in the case of a railway application. This approach requires a complete understanding of the thermomechanical processes occurring during braking, with respect to the contact loading, the thermal localizations (migrating hot bands), the kinematics of contact opening and closing, and the couplings with the tribological circuit and the wear processes. Their apprehension is based on tests carried out on a full-scale bench equipped with the studied railway brake. A numerical model has been developed to interpret the experiment with respect to the kinetics of contact location and opening-closing, and to identify the relative determinants, key to wear. The transposition of the brake configuration to the tribometer configuration is based on these determinants in the design of a wear-preserving tribosystem. For example, the design of the disc has been adjusted on the reduced scale pin-on-disc system to fit with the kinetical parameters of contact location previously described related to the wear determinants