Modélisation de la lubrification mixte et du comportement thermique des garnitures mécaniques

par André Parfait Nyemeck

Thèse de doctorat en Génie mécanique, productique, transport

Sous la direction de Noël Brunetière et de Bernard Tournerie.

Soutenue en 2011

à Poitiers .


  • Résumé

    Les garnitures mécaniques sont des composants utilisés pour assurer l'étanchéité d'arbres tournants. Elles sont constituées principalement de deux anneaux plans (le rotor et le stator), dont l'interface, qui constitue la barrière d'étanchéité, est lubrifiée par un film fluide. Le fonctionnement optimal est obtenu en minimisant à la fois la fuite et l'usure. Cela correspond à une épaisseur de film de l'ordre du micromètre, et à un régime de lubrification mixte. L'étude bibliographique présentant l'état de l'art a permis de justifier l'utilisation d'une approche multi-échelles pour traiter le problème de lubrification mixte. Une autre partie de cette bibliographie a permis d'identifier les modèles thermiques à mettre en œuvre. Le modèle multi-échelles développé pour l'étude de la lubrification mixte des garnitures mécaniques est ensuite présenté. Ce dernier utilise les surfaces numériquement générées et consiste à décomposer le domaine d'étude en plusieurs sous-domaines. L'équation de Reynolds prenant en compte la cavitation dans le fluide est résolue par la méthode des volumes finis à l'échelle micrométrique dans les sous-domaines de même que le contact normal hertzien des aspérités. Une échelle macroscopique est introduite pour connecter les conditions aux limites aux bornes des sous-domaines. Un champ de pression macroscopique est ainsi obtenu en assurant la conservation globale du débit. Ce modèle prend également en compte, à l'échelle macroscopique, le comportement Thermo-Elasto-HydroDynamique (TEHD) dans les garnitures mécaniques. La discrétisation des équations de chaleur et de déformation est effectuée grâce à la méthode des éléments finis pour une géométrie axisymétrique. La validation du modèle multi-échelles est faite avec un modèle déterministe de lubrification mixte, d'une part, et d'autre part avec un modèle TEHD pour surfaces lisses précédemment développé au laboratoire. L'influence des paramètres caractérisant le comportement de la garniture est analysée au travers d'une étude paramétrique. Cette étude a permis d'identifier les différents régimes de lubrification dans lesquels l'épaisseur du film lubrifiant est contrôlée par la hauteur des rugosités ou par les déformations thermoélastiques des faces.

  • Titre traduit

    Mixed lubrification and thermal behaviour modeling in mechanical seals


  • Résumé

    Mechanical seals are sealing components used in rotating shafts. They are basically a set of two rings (the rotor and the stator), separated by a lubricant film that must be impervious. The optimum operation is obtained by minimizing both leakage and wear. This corresponds to a film thickness of approximately one micrometer and to a mixed lubrication regime. The literature review justified the choice of a multiscale approach to model a mixed lubrication process. A part of this literature allowed identifying the thermal models to use. A model of a mixed lubrication in mechanical seals based on a multiscale approach is presented. This uses numerical surface roughness and consists in dividing the studied area into sub-domains. The Reynolds equation, which takes into account the fluid cavitation is solved by mean of finite volumes method, at fine scale of the sub-domains, as the hertzian contact asperities. The macroscale is introduced to connect the boundaries conditions of the sub-domains. Then, the macroscale pressure distribution is obtained insuring the mass conservation law. The model also takes into account, at the macroscale step, the Thermo-Elasto-Hydro-Dynamic (TEHD) behaviour in mechanical seals. The discretization of heat and elasticity equations is performed using the finite element method for axisymmetric geometry. The multiscale model is first validated by comparing in to a deterministic model, and then to the TEHD model previously developed at the Pprime laboratory. The influence of the parameters characterizing the mechanical seal behaviour is analyzed through the parametric study. In this study, the different lubrication regimes are identified. The lubricant film thickness is controlled by the roughness or by the thermoelastic deformation of the faces.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (205 p.)
  • Annexes : Bibliogr. 143 réf.

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