UPThèses

L'objectif de cette thèse est l’étude expérimentale d’un rotor vertical, complexe supporté par deux paliers à roulements et deux paliers aérostatiques. Le fort comportement non-linéaire du rotor est dû aux jeux fonctionnels existants entre les bagues extérieures des roulements et les pièces du carter en vis-à-vis. Les paliers aérostatiques sont destinés à simuler la présence des joints d’étanchéité annulaires et d’apporter de l’amortissement au rotor. Le boitier d’essai est composé d'un rotor représentatif en termes de dimensions, de masse et de répartitions des inerties d’une machine réelle. Il est constitué d’un arbre et de trois disques représentant les rouets et la turbine. Le rotor est entrainé en rotation par une turbine-Pelton et guidé par deux paires de roulements et deux paliers aérostatiques à injection radiale. Le poids du rotor monté verticalement est supporté par une butée aérostatique. Un jeu fonctionnel est prévu entre les bagues extérieures des roulements et leur logement. Les essais ont visé trois valeurs de ce jeu radial (faible, modéré et élevé). L’instrumentation du banc permet la mesure des déplacements radiaux des trois disques suivant deux directions perpendiculaires et des bagues extérieures des roulements suivant une seule direction. Les analyses vibratoires sont représentées sous formes des diagrammes « waterfalls », des diagrammes « full-spectrum » et des orbites. Les réponses dynamiques des disques et des bagues extérieures des roulements ont montré l’instauration d’un comportement non-linéaire du rotor avec l’augmentation du jeu fonctionnel.

La conception des turbomachines à haute densité énergétique nécessite de plus en plus la maîtrise d'un plus grand nombre de paramètres fonctionnels. La moindre défaillance d'un composant conduit quasi immédiatement la machine à la rupture. C'est en particulier le cas pour le comportement des composants à films minces. L'appellation "film mince" correspond à tout espace de très faible épaisseur situé entre le rotor et le stator de la turbomachine. Leur but est soit de limiter les fuites de manière à optimiser les performances intrinsèques de la machine, soit alors à supporter et stabiliser le rotor. Ces derniers cas sont plus appelés communément "joints lisses ou annulaires" et "paliers fluides". Lorsqu'un fluide circule dans un espace de très faible épaisseur, typiquement quelques centièmes de millimètres sur une distance très longue, son champ de vitesses, donc de pression, dépend fortement des phénomènes visqueux aux parois dont l'une est mise en rotation et l'autre est immobile. Les efforts fluides sur ces parois peuvent être alors importants et doivent être pris en compte dans le dimensionnement de la machine. La connaissance précise de ces écoulements très complexes est indispensable pour déterminer les efforts statiques et dynamiques appliqués au rotor de manière à pouvoir dimensionner un fonctionnement calme.