Analyse expérimentale des paliers et des butées aérodynamiques à feuilles

par Franck Balducchi

Thèse de doctorat en Génie mécanique, productique, transport

Sous la direction de Mihaï Arghir.

Le président du jury était Olivier Bonneau.

Le jury était composé de Mihaï Arghir, Sébastien Guingo.

Les rapporteurs étaient Fabrice Thouverez, Régis Dufour.


  • Résumé

    Ce document présente les analyses expérimentales de deux types de composants aérodynamiques, lubrifiés en air : les butées à feuilles et les paliers à feuilles. Ces éléments constituent une nouvelle génération d'organes de guidages, et gagnent à être implémentés dans des machines tournantes dont les performances sont critiques. En effet, ils permettent d'atteindre des vitesses élevées, sans usure en régime établit, et diminuent la puissance dissipée en comparaison à des solutions fonctionnant avec de l'huile. Ce mémoire est une contribution à l'étude de chacun de ces éléments, dont les niveaux respectifs de maturité technologique ne sont pas similaires. Le palier à feuilles possède une littérature plus riche que la butée, dont aucune analyse expérimentale dynamique n'a été menée jusqu'à présent. Un banc d'essai, destiné à l'étude de butées à feuilles, sous des charges statiques et dynamiques, est conçu. Les caractéristiques de démarrage montrent une augmentation linéaire du couple de démarrage avec la charge statique, une augmentation linéaire du couple en fonctionnement aussi bien avec la charge statique qu'avec la vitesse de rotation, et enfin, une augmentation globale de la vitesse de décollage avec la charge statique. Les essais dynamiques montrent, pour la raideur dynamique, une augmentation non linéaire avec la fréquence d'excitation (entre 150 Hz et 750 Hz) ainsi qu'avec la charge statique appliquée. L'amortissement visqueux équivalent diminue avec la fréquence d'excitation, mais augmente avec la charge statique. Les essais montrent, à charge équivalente, une diminution de la raideur et de l'amortissement avec l'augmentation de la vitesse de rotation. Les facteurs d'amortissements structurels diminuent avec l'augmentation de la fréquence d'excitation, et augmentent avec la charge statique. Afin de se rapprocher d'une architecture de turbomachine, un banc d'essai existant est adapté à l'utilisation de paliers à feuilles. L'étude du comportement de deux rotors rigides (un léger et un lourd) est menée. Celle-ci s'effectue de deux façons : par l'analyse de spectrogrammes enregistrés suivant deux directions du plan de chaque palier, ou bien en étudiant la réponse synchrone à différents balourds. Une confrontation avec deux modèles théoriques est effectuée, en comparant soit la réponse synchrone au balourd dans chaque palier, soit les spectrogrammes. Les balourds sont comparés avec un modèle de rotor rigide linéaire (analyse en petites perturbations) à 4 degrés de libertés, dans lequel les coefficients dynamiques des paliers obtenus grâce au code Foil sont utilisés. les spectrogrammes montrent des vibrations sous-synchrones, qui sont reproduites dans ce mémoire au moyen d'un modèle simplifié de force dynamique. Les résultats expérimentaux actuels montrent les limites des modélisations des paliers à feuilles existantes. Afin d'améliorer la connaissance et la prédiction de ces composants, il est dorénavant nécessaire d'établir un nouveau modèle dynamique, non linéaire, permettant de prédire les réponses synchrones aux balourds ainsi que la richesse sous-synchrone de la signature dynamique d'un rotor supporté par ces paliers.

  • Titre traduit

    Experimental analysis of aerodynamic foil journal and foil thrust bearings


  • Résumé

    This document deals with the experimental analyses of two types of air lubricated aerodynamic components: foil journal bearings and foil thrust bearings. These components belong to a new generation of bearings, and are well worth integrating in turbomachinery, which performances are at stakes. Indeed they enable to reach very high speeds without any wear in continuous regime and they diminish energy loss compared to oil bearings. This memoir is a contribution to these two elements, which maturity levels are different.A test rig dedicated to the study of foil thrust bearings under both static and dynamic loads is designed. Start-up characteristics show a linear increase of start-up torque with static load, a linear increase of the fluid film torque with both static load and rotation speed, and an increase of lift-off speed with rotation speed. Dynamical tests show a non linear increase of the stiffness with both excitation frequency (between 150 Hz and 750 Hz) and static load. Equivalent viscous damping decreases with excitation frequency, but increase with static load. Loss factor decreases with excitation frequency and increase with static load.An existing test rig was modified to test foil journal bearings, in a close architecture compared to turbomachines. Two rigid rotors (one light and one heavy) supported by two foil journal bearings were studied. Study is made in two different ways: by the analysis of the displacements spectrograms in two perpendicular directions on each bearing, or the study of the synchronous response at different unbalance masses. A comparison between experimental results and two theoretical models is made. Unbalance responses are compared to a linear rigid rotor model with 4 degrees of freedom, in which the dynamic coefficients of the foil journal bearings are obtained thanks to the Foil algorithm. Spectrograms show sub-synchronous vibrations that are computed thanks to a simplified dynamic force model. Experimental results show the limits in the foil journal bearings theoretical models. In order to improve knowledge and prediction of these components, it is now compulsory to establish a new non-linear dynamical model, enabling to predict both the synchronous unbalance responses and the complexity of the sub-synchronous dynamical signature of a rotor maintained by two foil journal bearings.


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