Etude théorique et expérimentale du comportement thermohydrodynamique des garnitures d'étanchéité
Résumé
Mechanical face seals are some of the sealing devices of rotating shafts. They often operate under severe speed, pressure and temperature conditions when elastomer seals can not be used. The optimal operating point is obtained when the seal rings are separated by a thin fluid film to avoid faces wear while the leakage rate value remains acceptable. Seal faces lubrication is greatly influenced by the temperature rise due to viscous friction. Thermal phenomena play an essential role in mechanical face seals and constitute the subject of this thesis. From a detailed bibliographical analysis, assumptions necessary to the thermoelastohydrodynamic modelisation of mechanical face seals have been determined. The steady state general governing equations in the fluid film are solved by the finite element method. The resolution of the energy equation required the use of a numerical scheme adapted to convection problems. Heat transfer in seal rings and thermal distortions are taken into account by influence coefficients. The three-dimensional pressure, temperature and velocity fields in the fluid for laminar and turbulent fluid flow are calculated by an iterative algorithm. The parametric study carried out with the numerical model contributes to the better understanding of the influence of operating conditions, of design parameters and of geometrical defects on the performances of mechanical face seals. Moreover, numerical results have been validated by comparison with experimental data obtained by infrared thermal imaging on a new experimental seal.
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.