Burst of turboengine disks

Éclatement des disques de turbomachines

Matthieu Mazière (1)

1 CDM - Centre des Matériaux

During design of turboshaft engines, regulation rules impose to manufacturers to prove integrity of rotating parts (disks and compressor impellers) by overspeed experiments : parts should burst under mechanical and thermal loads beyond the rotation speed imposed by the regulation. This requirement guarantees a safety margin of at least 20 % between burst rotation rate and operating conditions. The regulation evolution will make it possible to use numerical predictions, validated beforehand by experimental testings. Simulations, performed using large deformations elastoplastic finite element calculations, over-estimate at the moment the burst speed of disks designed in Udimet 720, a Nickel based super-alloy. More reliable predictions of burst speeds required a detailed knowledge of the elastoviscoplastic behavior of the material. The prediction of the burst speed of a rotating disk is obtained by limit analysis. Material parameters which affect the most this limit speed are provided in this work. For operating conditions the average temperature of disks is close to 500C. At this temperature, Portevin Le Chatelier (PLC) effect appears during tensile tests on specimens in Udimet 720. Simulation of this effect requires to use a model taking into account dynamic strain ageing. This model generally implies a localization of strain rate in bands. A localization analysis has been performed in order to use this model for rotating disks. Two main results are provided in this work about simulation of burst of disks designed in Udimet 720 : (i) at ambient temperature, the burst speed is mostly affected by yield criterion and ultimate stress. (ii) at high temperature (500°C), PLC effect changes the global response of disks without significantly modifying their burst rotation speed. This work forms a part of the concerted research project between Turboméca, Onéra, Snecma and the Centre des Matériaux - Mines Paris - ParisTech entitled "Durée De Vie" (service life). This project is supported by the DGA and the DPAC.

Lors du dimensionnement des turbomachines, les motoristes sont tenus par la réglementation de démontrer l'intégrité des pièces tournantes (disques et compresseurs) par un essai de survitesse : la pièce ne doit pas éclater sous l'effet du chargement mécanique et thermique avant la vitesse imposée par la réglementation. Cette exigence permet de garantir une marge de s'ecurité d'au moins 20 % entre la vitesse d'éclatement et les conditions normales de fonctionnement. L'évolution réglementaire permettra à terme d'utiliser des prévisions numériques préalablement validées par des essais. Les simulations, réalisées à l'aide de calculs élastoplastiques par éléments finis en grandes déformations, surestiment à l'heure actuelle la vitesse d'éclatement pour des pièces réalisées en Udimet 720, un superalliage à base de Nickel. Une prévision plus fiable de la vitesse d'éclatement nécessite une connaissance détaillée du comportement elasto-visco-plastique et du type de rupture du matériau. La prévision de la vitesse d'éclatement d'un disque en rotation est obtenue par analyse limite. Les paramètres du matériau influents sur cette vitesse limite sont dégagés dans cette étude. En conditions normales de fonctionnement, la température moyenne des disques est proche de 500°C. A cette température, l'effet Portevin Le Chatelier (PLC) apparait lors d'essais de traction sur des éprouvettes en Udimet 720. La simulation de cet effet nécessite l'utilisation d'un modèle de comportement tenant compte du vieillissement dynamique. Ce modèe entraine généralement une localisation de la vitesse de déformation sous forme de bandes. Une analyse de localisation a été effectuée dans le but d'utiliser ce modèle pour des disques en rotation. Il est démontré dans cette thèse deux résultats principaux au sujet de la simulation de l'éclatement des disques en Udimet 720 : (i) à la température ambiante, la vitesse d'éclatement est principalement influencée par le choix du critère de plasticité et par la contrainte limite à la rupture. (ii) à haute température (500°C), l'effet PLC change la réponse globale des disques sans pour autant modifier significativement leur vitesse d'éclatement. Cette thèse constitue le thème 3 du projet de recherche concerté entre Turboméca, l'Onéra, Snecma et le Centre des Matériaux - Mines Paris - ParisTech intitulé "Durée De Vie". Ce projet est supporté financièrement par la DGA et la DPAC.

Mots clés: burst; turboengine disk

Mots clés: éclatement; disque de turbomachine; survitesse; chargement; mécanique

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]

Matthieu Mazière. Burst of turboengine disks. Mechanics [physics.med-ph]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2007. English. ⟨NNT : 2007ENMP1492⟩. ⟨tel-00230172⟩