Composition du jury proposé :

Résumé

Les joints labyrinthe sont des composants mécaniques largement utilisés dans les turbopompes de moteurs spatiaux. Par une succession de dents et cavités, ils sont placés entre le rotor et le stator pour limiter les fuites de gaz et la recirculation, optimisant ainsi l’efficacité des turbopompes. La réduction du jeu rotor-stator, combinée à l’allègement des structures, soumet ces joints à des instabilités aéroélastiques, pouvant engendrer des vibrations violentes et endommager les structures internes. D’où la nécessité d’outils de calcul capables de les prédire de manière fiable, pour prévenir les défaillances et garantir la durabilité des moteurs. Cette étude vise à développer un modèle analytique décrivant la dynamique du stator sous l’effet de l’écoulement traversant le joint, en supposant un stator flexible, un rotor rigide et un fort couplage fluide-structure. Les équations de Navier-Stokes sont reformulées selon trois hypothèses énergétiques (température variable, isotherme, isentropique), différentes lois de fuite axiale et modèles de frottement. L’objectif est de caractériser l’influence de ces choix et paramètres de fonctionnement sur la stabilité du joint. L’équation de la dynamique du stator est développée par éléments finis, puis couplée au modèle fluide pour former un système global soumis à une analyse de sensibilité. Parallèlement, une base de données expérimentales est nécessaire pour valider les modèles et mieux comprendre les instabilités. Une campagne expérimentale est ainsi menée sur un banc d’essai issu de l’optimisation du Minotaur 2, développé par Fleury à la suite de Dairien. Par rapport à la version précédente, ce banc permet une meilleure caractérisation des instabilités, une acquisition de données plus précise et l’exploration d’un plus large éventail de paramètres, incluant une composante tangentielle du flux due à la rotation de l’arbre. Les résultats expérimentaux sont comparés aux prévisions du modèle.

Abstract

Labyrinth seals are a widely used mechanical component of space engines turbopumps. Characterized by a sequence of teeth and cavities, they are placed in the gap between rotor and stator to minimize leakage and recirculation phenomena, in order to optimize the efficiency of the turbopumps. The significant pressure and velocity fluctuations resulting from the minimization of the clearance between rotating and stationary parts, together with the trend toward lighter structures, subject labyrinth seals to aeroelastic instabilities. These instabilities can lead to severe vibrations that can damage the internal components of turbopumps. This requires the development of computational tools capable of reliably predicting aeroelastic instabilities to prevent failures and ensure durability and correct engine operation. The objective of this study is to develop an analytical model describing the dynamics of the turbine stator in response to its interaction with the airflow passing through the labyrinth seal, under the assumptions of a flexible stator, rigid rotor and strong fluid-structure coupling. The flow is governed by the Navier-Stokes equations, which are reformulated under three different energy assumptions (variable temperature, isothermal, and isentropic), several models for axial leakage flow and different friction coefficient formulations. The goal is to characterize how these assumptions and operating parameters influence the stable or unstable behavior of a labyrinth seal. For the structural part, the stator dynamic equation is developed with the support of a finite element analysis. Finally, the fluid and structural equations are coupled to obtain the global system, which is then subjected to a sensitivity analysis with respect to multiple parameters. At the same time, an experimental database is essential for validating the analytical models and for gaining deeper physical insight into aeroelastic instabilities. To this end, an experimental campaign is conducted on a test bench derived from an optimized version of the Minotaur 2, developed by Fleury [36] during her doctoral research, based on the design by Dairien [31]. Compared to its previous version, the current bench enables more accurate characterization of the instability, improved data acquisition, and the exploration of a wider range of influencing parameters, including a tangential component of flow velocity induced by rotor rotation. The experimental results are ultimately compared with the model predictions

Mots-clés :

Joints labyrinthes, Stabilité, Expérimentale

Keywords:

Labyrinth seals,Stability,Experimental