[en] Climate change and resource scarcity pose increasingly difficult challenges for the aviation industry requiring a reduction in fossil fuel consumption. To address these problems and increase the efficiency of aircraft engines, some of their parts are now manufactured in one piece. For example, a rotor of the compressor stage of an airplane engine consist of a drum with a large number of blades and is called BluM. These structures are lightweight and feature low structural damping and high modal density. Their particular dynamic characteristics require sophisticated solutions for vibration mitigation of these structures.
This is precisely the starting point of this thesis. Based on a digital realization of piezoelectric shunt circuits, we provide a damping concept that is able to tackle the complex dynamics of bladed structures and to mitigate their vibrations. To this end, multiple digital vibration absorbers (DVAs) are used simultaneously. Two new strategies to tune these DVAs are proposed in the thesis, namely the isolated mode and mean shunt strategies. These strategies not only take advantage of the fact that multiple absorbers act simultaneously on the structure, but they also address the problem of closely-spaced modes. In order to target multiple families of BluM modes, these strategies are incorporated in a multi-stage shunt circuit. The concepts are demonstrated experimentally using two bladed structures with increasing complexity, namely a bladed rail and a BluM. Both methods exhibit excellent damping performances on multiple groups of modes. In addition, they prove robust to changes in the host structure which could, e.g., be due to mistuning. Thanks to their digital realization, DVAs are also easily adjustable.
Finally, this thesis reveals the parallel that exists between resonant piezoelectric shunts with a negative capacitance and active positive position feedback (PPF) controllers. Based on this comparison, a new H∞ norm-based tuning rule is found for a PPF controller. It is demonstrated using both numerical and experimental cantilever beams. To this end, a method that accounts for the influence of modes higher in frequency than the targeted one is developed. [fr] Le changement climatique et la raréfaction des ressources posent des défis de plus en plus complexes à relever pour l'industrie aéronautique. Un de ces défis est la réduction de la consommation en énergies fossiles. Pour accroître l'efficacité des moteurs d'avion, certains de leurs composants sont désormais fabriqués en une seule pièce. Dans le cas des compresseurs, ces pièces monoblocs sont appelées BluMs et sont constituées d’un tambour avec un grand nombre d'aubes. Ce type de structures bénéficie d'un allègement significatif, ce qui conduit à un faible amortissement structurel. De plus, ces pièces monoblocs présentent une densité modale élevée en raison du nombre important de diamètres nodaux. Ces caractéristiques dynamiques particulières nécessitent des solutions d'amortissement sophistiquées.
Cette thèse de doctorat aborde cette problématique. En exploitant le concept d'absorbeur de vibration digital (DVA), nous proposons une nouvelle technique d'amortissement des structures aubagées. Deux nouvelles stratégies d'accordage de ces DVA sont développées dans cette thèse, à savoir la stratégie du mode isolé et la stratégie du shunt moyen. Ces méthodes tirent non seulement parti du fait que plusieurs absorbeurs agissent simultanément sur la structure, mais elles s'attaquent aussi au problème des modes proches en fréquence. Afin de cibler plusieurs familles de modes, ces stratégies ont été incorporées dans un circuit de shunt à plusieurs étages. Les concepts sont testés expérimentalement sur deux structures aubagées de complexité croissante, à savoir un rail à aubes et un BluM comme application finale. Ces méthodes permettent d'obtenir d'excellentes performances d'amortissement sur plusieurs groupes de modes. Elles s'avèrent également robustes face à des variations de la structure, dues par exemple à un désaccordage de celle-ci. Il est à noter que, grâce à leur caractère digital, ces méthodes sont facilement adaptables.
Finalement, nous révélons le parallèle qui existe entre les shunts piézoélectriques résonants avec une capacitance négative et le contrôleur actif à rétroaction positive de position (PPF). Sur base de cette comparaison, de nouvelles règles d'accordage basées sur la norme H∞ sont développées pour le contrôleur PPF. Leur efficacité est démontrée à la fois numériquement et expérimentalement sur une poutre encastrée-libre. Dans ce but, une méthode prenant en compte l'influence des modes dont la fréquence est supérieure au mode ciblé a été mise sur pied au moyen de facteurs de correction.
Disciplines :
Mechanical engineering
Author, co-author :
Dietrich, Jennifer ; Université de Liège - ULiège > Aérospatiale et Mécanique (A&M)
Language :
English
Title :
Piezoelectric digital vibration absorbers for vibration mitigation of bladed structures
Defense date :
28 November 2023
Number of pages :
177
Institution :
ULiège - Université de Liège [Faculté des Sciences appliquées], Liège, Belgium
Degree :
Doctor of Philosophy (Phd) in Engineering Science
Promotor :
Kerschen, Gaëtan ; Université de Liège - ULiège > Département d'aérospatiale et mécanique > Laboratoire de structures et systèmes spatiaux
President :
Salles, Loïc ; Université de Liège - ULiège > Département d'aérospatiale et mécanique > Mechanical aspects of turbomachinery and aerospace propulsion
Collette, Christophe ; Université de Liège - ULiège > Département d'aérospatiale et mécanique > Active aerospace structures and advanced mechanical systems
Denoël, Vincent ; Université de Liège - ULiège > Département ArGEnCo > Analyse sous actions aléatoires en génie civil
Deraemaeker, Arnaud; ULB - Université Libre de Bruxelles [BE] > Building Architecture and Town Planning (BATir) Department
Thouverez, Fabrice; École Centrale de Lyon > MSGMGC > LTDS
