UPThèses

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.

Le travail présenté dans cette thèse est effectué sur deux bancs d'essais différents. Avec le premier banc d'essais, les caractéristiques dynamiques d'un palier aérostatique à air sont étudiées expérimentalement pour une configuration en rotor rigide. Le rotor est entraîné en rotation à 60 krpm par une turbine Pelton et monté horizontalement sur deux paliers aérostatiques identiques alimentés en air jusqu'à des pressions de 11 bar. La charge dynamique est appliquée soit par l'impact d'un marteau, soit par un balourd additionnel. Le banc d'essais permet la mesure de la pression et du débit d'alimentation des paliers, de la vitesse de rotation, la force d'impact, des déplacements dans les deux paliers, et de l'accélération des paliers. Ces données expérimentales et les équations du PFD appliquées au rotor permettent l'identification des coefficients dynamiques des paliers. Une validation de ces coefficients dynamiques expérimentaux est réalisée grâce à la réponse au balourd. La seconde partie, sur le second banc d'essais, présente les résultats d'une étude expérimentale des caractéristiques statiques et dynamiques d'un palier à feuilles de génération 1. Le banc d'essais est de type palier flottant, et peut atteindre des vitesses de 40 krpm. Deux modules différents sont utilisés pour mesurer les grandeurs de démarrage et les coefficients dynamiques. Avec le premier module, le banc d'essais peut mesurer les couples de démarrage. Dans sa seconde configuration, un module différent permet l'identification des coefficients dynamiques du palier à feuilles. Les coefficients de raideur et d'amortissement sont identifiés à partir des impédances complexes et permettent le calcul des fréquences propres. Les résultats expérimentaux montrent que les caractéristiques du palier testé ont une faible dépendance à la vitesse de rotation, mais varient avec la fréquence d'excitation.

Les étanchéités annulaires à bagues flottantes permettent de réduire de manière significative les fuites dans les machines tournantes fonctionnant avec des gaz ou des fluides cryogéniques. Leur intégration dans la machine n'est pas simple car le fonctionnement correct suppose que la bague flottante soit capable de suivre les vibrations du rotor. Le travail présenté est constitué de deux parties. La première partie consiste de l'analyse du comportement statique et dynamique du joint annulaire qui constitue l'étanchéité principale. Le modèle développé est basé sur un modèle de film mince dominé par des forces d'inertie accompagné d'une forme en enthalpie totale de l'équation de l'énergie. Ce modèle permet la prise en compte du changement de phase dans les fluides cryogéniques. La réponse dynamique du joint annulaire est exprimée sous forme des coefficients dynamiques linéaires. Ces coefficients varient avec le régime de fonctionnement du joint annulaire (excentricité, pression amont/aval et vitesse de rotation) mais ne dépendent pas de la fréquence d'excitation. La deuxième partie est dédiée à la mise au point d'un modèle dynamique. La bague flottante est soumise aux forces fluides engendrées par l'écoulement dans le joint annulaire (l'étanchéité principale), aux forces de frottement mixte entre son nez et le stator (l'étanchéité secondaire est similaire à un joint à faces radiales) et aux forces d'inertie dues à son poids propre. Le rotor joue le rôle d'une excitation externe. Un modèle approprié est développé pour chacune des ces forces. Sont développés deux modèles dynamiques. Le premier modèle est basé sur l'hypothèse que la bague flottante suit le rotor suivant...

La présente étude consiste à analyser l'influence de la profondeur et de la densité surfacique des trous cylindriques sur les coefficients dynamiques et le débit de fuite d'un joint annulaire texturé. Pour cela, cette étude se divise en deux parties. Une première partie est dédiée à analyser expérimentalement à l'aide de maquettes à l'échelle 10/1, d'une part l'écoulement axial (écoulement de type Poiseuille) et d'autre part l'écoulement circonférentiel (écoulement de Couette) du film mince d'un joint annulaire en présence de trous cylindriques. L'étude expérimentale est effectuée pour une texture présentant une densité surfacique de trous cylindriques γ=44%, de diamètre D=31,75mm et pour trois profondeurs : 20mm, 15mm et 10mm. Une transition de la topologie de l'écoulement dans les cavités cylindriques lorsque le nombre de Reynolds augmente a été mise en évidence. Elle est caractérisée par une dissymétrisation significative des structures tourbillonnaires de l'écoulement. Elle montre également, que pour cette configuration géométrique de la texture, la profondeur des cavités cylindriques influence faiblement l'écoulement dans le film mince. La seconde partie consiste à déterminer les coefficients dynamiques et le débit de fuite en fonction de la densité surfacique et de la profondeur des trous cylindriques d'un joint annulaire par la résolution complète des équations du film mince dominé par des forces d'inertie. La comparaison des données cinématiques extraites des simulations numériques et des expériences montre que l'utilisation d'un modèle de turbulence de type k-epsilon est une approximation suffisante si la topologie de l'écoulement reste symétrique ou que la densité surfacique en trous cylindriques reste relativement faible. Dans les autres cas, cette étude constitue une première approche dans la recherche d'un modèle de turbulence plus adaptée.

L'amortisseur à film fluide (Squeeze Film Damper ou SFD) est un composant couramment utilisé dans l'industrie aéronautique permettant d'apporter de l'amortissement aux arbres en rotation supportés par des roulements et fonctionnant en régime surcritique. Le mouvement de l'arbre dû à son excitation extérieure est alors amorti par un film mince confiné entre le roulement et le carter. Une modélisation du comportement fluide du film mince est nécessaire à une bonne estimation des efforts générés par le mouvement de l'arbre. Pour des conditions de fonctionnement industrielles, le SFD est muni de systèmes d'alimentation et d'étanchéité devant être pris en compte dans la modélisation. De plus, les dépressions importantes engendrées dans le film entrainent la vaporisation du fluide, qui doit aussi être modélisée. Cependant, pour des configurations de fonctionnement réelles, l'écoulement est inertiel, ce qui ne permet plus une modélisation simple basée sur l'équation de Reynolds. Le modèle doit alors être basé sur un système d'équations similaire aux équations Navier Stokes de la Mécanique des Fluides.

Les paliers aérodynamiques sont utilisés dans des machines de grande précision et de petite taille où se trouvent réunis les grandes vitesses de rotations avec les très faibles jeux. Plusieurs études numériques ont été faites pour déterminer les coefficients dynamiques des paliers à air mais les validations expérimentales sont toujours nécessaires. Un dispositif d'essai a été développé pour tester les paliers à air fonctionnant à une vitesse maximale de 60000 tr/min et sous différentes charges statiques. Les essais ont été faits sur des paliers aérodynamiques circulaires mais le dispositif peut tester d'autres types de paliers. Les excitations dynamiques sont appliquées par deux pots vibrants ou par un marteau d'impact et une méthode d'identification des coefficients dynamiques a été développée. Deux paliers aérodynamiques circulaires de 30 mm et 40 mm de diamètre avec L/D = 1 et un jeu radial de 22 µm ont été testés. Les résultats obtenus pour différentes vitesses de rotation et charges statiques ont été comparés avec le calcul théorique.