L'influence de plusieurs paramètres est étudiée: - La différence de pression,
- La vitesse de rotation de l'arbre, - L'interférence des joints avec le rotor.
Les essais seront donc réalisés à différentes vitesse de rotation allant de 100 à 500Hz. La diff e e de p essio se a p og essive e t aug e t e, jus u’à satu atio du capteur de débit, puis progressivement diminuée pour revenir à son niveau initial (Figure 103). De cette manière le phénomène d'hystérésis pourra être évalué. Les matrices d'essais sont affichées Tableau 13 et Tableau 14. Chaque essai sera répété deux fois.
Tableau 13: Matrice d'essai, Haynes et Ir=100µm
Haynes, Ir=100µm Delta P (bars) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 F re q . Ro ta ti o n (H z) (H z( H z) ( H z) 100 X X X X X X X X 0 200 X X X X X X X X 0 300 X X X X X X X X 0 400 X X X X X X X X 0 500 X X X X X X X X 0
Tableau 14: Matrice d'essais, Haynes et Ir = 0µm
Haynes, Ir=0µm Delta P (bars) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 F re q . ro ta ti o n (H z) 100 X X X X X 0 0 0 0 200 X X X X X 0 0 0 0 300 X X X X X 0 0 0 0 400 X X X X X 0 0 0 0 500 X X X X X 0 0 0 0
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Figure 103: Configuration d'un essai typique
a) Déplacements dynamiques
La compréhension des déplacements dynamiques de l'arbre est un élément clé qui permet d'expliquer certains des résultats obtenus en termes de débits. Ainsi, par souci de clarté, les déplacements sont les premières mesures qui seront présentées ici.
(1) Interférence de 100µm
La Figure 104 montre l'évolution de l'amplitude crête à crête des déplacements du rotor en fonction de la vitesse de rotation, pour chaque campagne d'essais (la numérotation des capteurs peut être trouvée sur la Figure 97). On peut voir que les amplitudes diminuent quand la fréquence de rotation augmente. La conclusion qui peut être tirée est que la fréquence de résonnance du système se situe à une fréquence comprise entre 100Hz et 200Hz (ce qui correspond à ce qui a été observé pendant les essais avec le rotor seul).
En comparant les quelques données disponibles pour les amplitudes des déplacements du rotor de 38,355mm sans joints avec celles obtenues avec joints lors de la première campagne (Figure 104, en haut), on remarque que la présence des joints avec interférence de 100 µm apporte un amortissement significatif des vibrations de l'arbre.
L'évolution des amplitudes crêtes à crêtes avec la pression d'alimentation durant un essai complet est tracée dans les Figure 105, à 100Hz et Figure 106, à 500Hz.
On remarque que de manière générale, les amplitudes de la seconde campagne d'essais sont plus élevées que celles de la première, ce qui peut indiquer que l'effet d'amortissement du joint à diminué entre les deux campagnes, phénomène qui peut être dû à l'usure du joint. De plus, comme attendu, les amplitudes obtenues à 100Hz (fréquence de rotation proche du mode propre) sont plus élevées que celles obtenues à 500Hz.
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Figure 104: Moyenne des amplitudes crêtes à crêtes en fonction de la vitesse de rotation, Interférence=100µm
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Figure 106: Amplitudes crêtes à crêtes pour les essais à 500Hz, Ir=100µm.
(2) Interférence de 0µm
La Figure 107 montre l'évolution de l'amplitude des déplacements du rotor en fonction de la vitesse de rotation. Comme pour le cas à 100µm d'interférence, les amplitudes diminuent quand la fréquence de rotation augmente (la numérotation des capteurs est donnée sur la Figure 97).
La comparaison avec les résultats sans joints (Figure 108 et paragraphe III.B.3) permet de constater que si à basse fréquence les amplitudes avec et sans joints sont comparables, à partir de 200Hz les amplitudes données par le capteur 2860 sont notablement plus faibles avec les joints qu'à vide. Les deux autres capteurs ne montrent pas de variation majeure. Sans interférence, les joints semblent donc offrir un amortissement plus faible11.
L'évolution des amplitudes crêtes à crêtes avec la pression d'alimentation durant un essai complet est tracée Figure 109, à 100Hz et Figure 110, à 500Hz.
On remarque que de manière générale, les amplitudes varient peu entre les deux campagnes d'essais. Les amplitudes mesurées à 100Hz, fréquence de rotation proche du mode propre, sont plus élevées que celles obtenues à 500Hz.
11 Les essais avec 0µm d'interférence ayant été réalisés après rodage et après la campagne à 100 µm d'interférence, il est possible qu'un très léger jeu soit apparu entre la brosse et le rotor, dû à l'usure des fils.
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Figure 107: Moyenne des amplitudes crêtes à crêtes en fonction de la vitesse de rotation pour une interférence nulle
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Figure 109: Amplitudes crêtes à crêtes pour les essais à 100Hz, Ir=0µm
97 Ainsi, les joints fonctionnant sans interférence avec le rotor ont assez peu d'influence sur le comportement dynamique.
b) Débits
La mesure du débit est l'objectif principal de cette campagne d'essais, étant donné que cette donnée seule peut être comparée aux résultats obtenus grâce au modèle présenté dans le chapitre II.
(1) Interférence de 100µm
L'évolution du débit de fuite pour les deux joints montés dos à dos est tracée en fonction de la différence de pression sur la Figure 111, pour chacune des campagnes d'essais.
Figure 111: Evolution des débits pour deux joints, Ir=100µm
Les résultats présentent un hystérésis dont le sens d'évolution est indiqué par des flèches. Ce phénomène est attendu et classique pour des joints à brosse. Il se produit en raison des forces de frottements existant entre les fils de la brosse. Lors de la phase de montée en pression, les fils sont progressivement compactés les uns contre les autres. Quand la pression est diminuée, les fils
98 ne sont pas libres de retourner à leur position antérieure en raison du frottement. La brosse est donc plus compacte que pour une même différence de pression atteinte durant la montée. Ceci résulte en un débit de fuite plus faible (la porosité et la perméabilité de la brosse sont diminuées). La Figure 111 permet aussi de constater que les débits obtenus à des vitesses de rotation faibles (entre 100 et 200 Hz) sont plus élevés. La Figure 112, représentant l'évolution des débits moyens en fonction de la vitesse de rotation pour chaque pression d'alimentation, confirme cette observation. En la comparant à la Figure 104, on remarque un parallèle entre l'évolution des déplacements du rotor et l'évolution des débits avec la vitesse de rotation. En effet, lorsque les amplitudes des vibrations du rotor augmentent, un jeu peut apparaitre entre celui-ci et la brosse comme représenté sur la Figure 113, ce qui augmente le débit de fuite.
Figure 112: Evolution du débit moyen pour les deux joints en fonction de la vitesse de rotation, Ir=100µm.
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(2) Interférence de 0µm
Comme pour l'interférence de 100 µm, la Figure 114 montre l'évolution du débit de fuite en fonction de la pression d'alimentation. Le cycle d'hystérésis est ici beaucoup plus prononcé qu'avec l'interférence élevée. En effet, ici la brosse n'est pas précontrainte par l'interférence avec le rotor, et l'effet de la compression de la brosse sous l'effet de la différence de pression est donc d'autant plus flagrant. Quand la pression augmente, la pente des courbes diminue car la perméabilité (et la porosité) de la brosse diminue significativement. Enfin, quand la pression d'alimentation est réduite, la brosse ne revient pas dans sa position précédente à cause des frottements, et le débit est donc plus faible qu'à la même pression dans le sens de la montée.
Figure 114: Evolution des débits pour deux joints, Ir=0µm
La vitesse de rotation du rotor a une influence limitée, comme le montre la Figure 115. Encore une fois, on peut constater une corrélation entre l'évolution du débit de fuite et celle des amplitudes des vibrations du rotor (Figure 107), qui s'explique de la même manière que dans le cas à 100µm d'interférence.
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Figure 115: Evolution du débit pour les deux joints en fonction de la vitesse de rotation, joints en Haynes, Ir=0µm
(3) Comparaison des débits dans les deux configurations
Comme la vitesse de rotation a un impact très limité sur le débit, les résultats pour un joint sont tracés sur la Figure 116 uniquement en fonction de la pression d'alimentation. Les débits moyens estimés pour 1 joint sont environ deux fois plus élevés dans la configuration sans interférence qu'avec 100µm d'interférence. Les valeurs sont globalement assez élevées, ce qui n'est peut-être pas sans rapport avec les déplacements radiaux élevés avec lesquels les essais ont été effectués.
Figure 116: Comparaison des débits moyens pour toutes les campagnes et vitesses de rotations, pour un joint à brosse dans les deux configurations d'interférence testées (100µm et 0µm)
101
c) Température
Figure 117: Points de mesure sur une image extraite d'une des vidéos filmées avec la caméra thermique
Durant tous les essais, et à chaque point de mesure un clip vidéo d'une dizaine de seconde était enregistré. La vidéo est analysée à posteriori au moyen des outils décrits dans le paragraphe traitant du rodage des joints. La température est relevée en plusieurs points: sur la brosse, au contact, en un point du rotor et en un point de la plaque de support (ce point est appelé "bâti" par la suite). Ces différents points de mesure sont représentés sur la Figure 117. Ces températures sont ensuite moyennées et leur évolution est tracée.
(1) Interférence de 100 µm
La Figure 118 et la Figure 119 représentent l'évolution des températures à 100Hz et 500Hz pour les essais réalisés avec interférence, ainsi que l'évolution de la différence de pression durant l'essai. Les températures de la brosse, du rotor et de la plaque de support sont quasiment égales; il n'y a que la température de contact qui soit plus élevée en raison de l'énergie générée par le frottement des fils sur le rotor. Les températures maximales atteintes avec une vitesse de rotation de 500Hz sont logiquement plus élevée qu'à 100Hz. Entre la première et la seconde campagne, la température de contact a diminué. En effet, suite à l'usure, l'interférence entre la brosse et le rotor est très légèrement diminuée, ce qui diminue aussi l'effort appliqué par les fils sur le rotor et donc la chaleur générée par le frottement. Les températures de contact sont donc plus faibles. En s'intéressant à la température de la brosse, on peut voir qu'elle suit une évolution similaire dans tous les cas. Au début de l'essai, alors que la différence de pression augmente, la température de la brosse augmente aussi. La chaleur générée par le contact est progressivement transmise à la brosse. Cette augmentation se poursuit jusqu'à une valeur de pression qui dépend
102 de la vitesse de rotation (environ 4 bars à 100Hz, 7 bars à 500Hz). A partir de ce point, la température dans la brosse reste constante, et peut même diminuer. Cela s'explique par le fait que l'augmentation de la différence de pression augmente la convection qui a lieu au sein de la brosse. La chaleur générée au contact est évacuée plus rapidement, jusqu'au point où la convection devient suffisante pour refroidir la brosse. Enfin, quand la pression redescend, la convection diminue et à partir d'un certain seuil les températures commencent à remonter.
En dehors des températures de contact dont les variations ne sont pas négligeables (environ 5°C à 100Hz et 25°C à 500Hz), la température de la brosse ne subit que de faibles variations. Les fils de la brosse agissent comme un échangeur de chaleur et évacuent rapidement la chaleur générée par le frottement de la brosse sur le rotor. Cette constatation permet de conclure que l'hypothèse d'écoulement isotherme qui a été utilisée dans la simulation n'est pas trop éloignée de la vérité.
Figure 118: Evolution des températures durant les essais à 100Hz ave µ d’i te f e e. En haut: première campagne, en bas: seconde campagne
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Figure 119: Evolution des températures durant les essais à 500Hz ave µ d’i te f e e. En haut: première campagne, en bas: seconde campagne
(2) Interférence de 0µm
Sans interférence, les variations de températures observées à 100 Hz et 500 Hz sont encore plus faibles que celles o se v es da s la o figu atio ave i te f e e, de l’o d e de quelques degrés. Encore une fois, les températures des fils, du rotor et du bâti sont très proches les unes des autres, mais contrairement au cas avec interférence, la température de contact est ici du même ordre de grandeur que les autres. Ceci montre que dans cette configuration, les fils touchent à peine le rotor, ce qui explique que leur température ne varie quasiment pas. La courbe de la température de contact obtenue à 100 Hz lors de la se o de a pag e d’essais o t e alg tout u pi ui sugg e u’e ette o u e e les fils o t effe tive e t t e o ta t avec le rotor.
Enfin, comme dans les autres cas décrits précédemment, on observe la même variation des températures mesurées durant chaque essai : une élévation de la température au début de l’essai, ui te d à se sta ilise puis à di i ue ua d le t a sfe t the i ue pa o ve tio ave le fluide devie t suffisa t, et suivi d’u e ouvelle l vatio de la te p atu e e fi d’essai.
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Figure 120 : Evolution des températures durant les essais à 100Hz sans interférence. En haut: première campagne, en bas: seconde campagne
Figure 121 : Evolution des températures durant les essais à 500Hz sans interférence. En haut: première campagne, en bas: seconde campagne