Analyse des étanchéités annulaires à bague flottante

par Manh Hung Nguyen

Thèse de doctorat en Génie mécanique, productique, transport

Sous la direction de Mihaï Arghir et de Olivier Bonneau.

Soutenue en 2011

à Poitiers .


  • Résumé

    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 un mouvement périodique de précession. Ce modèle a l'avantage de permettre une solution quasi-analytique simple et rapide mais est limité par le fait que la réponse dynamique de la bague peut être plus complexe. Le deuxième modèle est complètement non-linéaire et prend en compte les éventuels impacts entre le rotor et la bague et entre la bague et les pions anti-rotation. Le modèle montre que sous certaines conditions la trajectoire de la bague peut être quasi-périodique ou chaotique. Globalement, les résultats obtenus à la fin de la deuxième partie mettent en exergue des règles de conception à suivre pour intégrer correctement un joint annulaire à bague flottante dans une machine tournante.

  • Titre traduit

    Analysis of annular floating ring seals


  • Résumé

    The annular floating ring seals can significantly reduce the leakage in rotating machines operating with gas or cryogenic fluids. Their integration into the machine is not simple because the floating ring must be able to follow the vibrations of the rotor. The presented work has two parts. The first part consists of the analysis of static and dynamic behavior of the annular seal which forms the primary seal. The model developed is based on the theory of thin lubrication films dominated by inertia effects together with a total enthalpy form of the energy equation. This model can handle the phase change in cryogenic fluids. The dynamic response of the annular seal is expressed as the linear dynamic coefficients (derived for small perturbations). The dynamic coefficients vary with the operating regime of the seal ring (eccentricity, upstream / downstream pressure, rotation speed) but do not depend on the excitation frequency. The second part is dedicated to the development of a dynamic model. The floating ring is subject to forces generated by the fluid flow in the annular (primary) seal, the mixed friction forces between its nose and the stator (the secondary seal is similar to a mechanical face seal) and the inertia forces caused by its own weight. The rotor acts as an external excitation. A suitable model is developed for each of these forces. Two dynamic models are proposed. The first model is based on the assumption that the floating ring follows the rotor according to a periodic precession motion. This model allows a simple and fast quasi-analytical solution but is limited by the fact that the dynamic response of the ring may be more complex. The second model is fully nonlinear and takes into account the possible impacts between the rotor and the ring and between the ring and the anti-rotation pins. The model shows that under certain conditions the trajectory of the ring can be quasi-periodic or chaotic. Overall, the results of the second part underline design rules for properly integrating annular floating ring seals into a rotating machine.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (168 p.)
  • Annexes : Bibliogr. 77 réf.

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