UPThèses

Cette thèse a pour objectif d’étudier expérimentalement l’effet Morton pour différents types de paliers et un rotor rigide ou flexible. L’effet Morton est un phénomène d’instabilité thermique se produisant dans les paliers hydrodynamiques qui a pour conséquence d’influencer le comportement vibratoire du système rotor-palier. L’introduction permet d’évoquer les différents phénomènes d’instabilité thermique, en se concentrant dans un premier temps sur l’effet Newkirk pour en décrire mathématiquement son fonctionnement et comprendre la philosophie des phénomènes d’instabilité thermique. L’étude bibliographique de l’effet Morton est ensuite détaillée (cas industriels, modélisation numérique et analyse expérimentale). La première analyse expérimentale est réalisée pour un rotor rigide supporté par un palier cylindrique. Avant l’analyse des essais dans cette configuration, le banc d’essais est détaillé, les caractéristiques dynamiques du palier sont identifiées expérimentalement. Les essais réalisés à vitesse constante montrent la présence de l’effet Morton « stable ». La seconde étude est conduite avec un rotor flexible et permet de mettre en évidence l’influence du temps de démarrage sur l’apparition d’un comportement instable. La dernière étude expérimentale est réalisée avec le rotor flexible supporté par un palier à patins oscillants à pivots flexibles. Le palier étant d’une conception particulière, une étude bibliographique permet de comprendre son fonctionnement, ses points forts et ses applications. Sa conception, son dimensionnement et sa caractérisation expérimentale sont ensuite détaillés, puis les résultats expérimentaux montrent l’influence du balourd initial sur la stabilité. Pour finir, les résultats expérimentaux de chaque configuration sont comparés et permettent de mieux appréhender le comportement de l’effet Morton dans les paliers hydrodynamiques et son influence sur la dynamique du rotor.

Dans le domaine de machine tournante (turbines à vapeurs, turbocompresseurs et autres turbomachines), l’effet Morton désigne la création d’une source d’excitation synchrone due à la déformation thermique du rotor dans les paliers hydrodynamiques. Par abus de langage, cette source phase des vibrations synchrones du rotor évoluent progressivement dans le temps. Dans la plupart des cas, l’effet Morton reste stable et les influences du balourd thermique sur les vibrations ne sont pas nuisibles au fonctionnement de la machine. Cependant, si les conditions sont favorables, le comportement dynamique du rotor devient instable et l’instabilité de la vibration synchrone, autrement dit l’effet Morton, pourrait se produire. Pour mieux comprendre et analyser les conditions du déclenchement de ce scénario destructif, il est nécessaire de simuler l’effet Morton de manière précise. Cette simulation nécessite de faire intervenir plusieurs phénomènes physiques et coupler plusieurs modèles mathématiques. Ce sont le modèle de la lubrification hydrodynamique, le modèle thermomécanique du rotor et le modèle de la dynamique du rotor. Ce couplage multi-physique n’est pas simple à cause des échelles de temps différentes du phénomène thermomécanique et de la dynamique du rotor. La stratégie du flux thermique moyenné sur une période de rotation permet de surmonter cette difficulté et de réduire le temps de calcul. La modélisation de l’effet Morton est validée par une confrontation entre les résultats numériques et les résultats expérimentaux obtenus à l’Institut Pprime. Une méthode basée sur les coefficients d’influence est ensuite exploitée pour analyser la stabilité de l’effet Morton. Les applications de cette méthode sur des cas concrets permettent de mettre en évidence les phénomènes physiques responsable de l’effet Morton instable.