Etude théorique et expérimentale du comportement thermohydrodynamique des garnitures d'étanchéité

par Noël Brunetière

Thèse de doctorat en Génie mécanique, productique, transport

Sous la direction de Jean Frêne et de Bernard Tournerie.

Soutenue en 2001

à Poitiers , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers ; 1992-2008) , en partenariat avec Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées (autre partenaire) .

mots clés

• Lubrification hydrodynamique
• Joints d'étanchéité
• Thermique
• Éléments finis, Méthode des

Résumé

Les garnitures d'étanchéité sont utilisées pour assurer l'étanchéité d'arbres tournants lorsque les conditions de vitesse, de pression et de température ne permettent pas l'utilisation de joints classiques en élastomère. Pour un fonctionnement optimal, les deux bagues constituant une garniture doivent être séparées par un film fluide très mince afin d'éviter l'usure des faces du joint tout en limitant la fuite à une valeur acceptable. L'élévation de température due au frottement visqueux modifie considérablement les conditions de lubrification de l'interface du joint. Les phénomènes thermiques jouent donc un rôle essentiel dans les joints d'étanchéité à faces radiales et constituent le sujet de recherche de cette thèse de doctorat. Une analyse bibliographique approfondie a permis de définir les hypothèses nécessaires à une modélisation théorique du comportement thermoélastohydrodynamique des garnitures d'étanchéité. Les équations de conservation dans le film fluide ont été établies puis discrétisées par la méthode des éléments finis dans l'hypothèse d'un fonctionnement stationnaire. La résolution de l'équation de l'énergie a nécessité l'utilisation d'un schéma numérique adapté aux problèmes de convection. Les échanges de chaleur avec les anneaux du joint et les déformations thermoélastiques sont pris en compte par la méthode des coefficients d'influence. Un algorithme itératif permet la détermination des champs tridimensionnels de pression, de vitesse et de température au sein du film fluide dans le cas d'écoulement laminaire et turbulent. L'étude paramétrique réalisée avec le modèle numérique contribue à une meilleure connaissance de l'influence des conditions de fonctionnement, des paramètres de conception et des défauts géométriques sur les performances d'une garniture d'étanchéité. En outre, des relevés de température effectués par thermographie infrarouge sur un joint expérimental développé à cet effet, ont permis de valider le modèle numérique.

Titre traduit

Theoretical and experimental study of thermohydrodynamic behaviour of mechanical face seals

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