Etat de surface

Après le fonctionnement, les surfaces présentent des rayures visibles montrant une usure due au contact entre les faces. La zone de frottement de la face du rotor est bien marquée par un changement de couleur à cause de l’augmentation de température engendrée par le contact.

a) b)

Figure 3–19 : a- Vue des stators après le fonctionnement b-Vue des rotors après le

89 La mesure de la topographie des surfaces après fonctionnement a donné les valeurs reportées dans le Tableau 3–4. En comparant sur la Figure 3–20, les paramètres des surfaces avant (Tableau 3–2) et après les tests (Tableau 3–4), nous remarquons que les évolutions diffèrent

d’une garniture à l’autre. La hauteur des rugosités Sq pour les deux surfaces de frottement de la

garniture droite et aussi pour le stator de la garniture gauche ont augmenté. Alors que la rugosité du rotor de la garniture gauche a diminuée. Les longueurs de corrélation restent courtes du même

ordre de grandeur. Les coefficients d’asymétrie SSk restent négatifs mais les valeurs d’une surface

à l’autre sont plus proches (entre -2,46 et -2,97). Le coefficient d’étalement présente des valeurs entre 11,34 et 15,9.

Tableau 3–4 : Les paramètres mesurés après fonctionnement

Sq [µm] λr[µm] λθ [µm] SS_k SK_u

Stator droite 0,153 7,65 9,883 -2,9475 14,753

Rotor droite 0,0872 3,027 3,0211 -2,462 11,344

Stator gauche 0,1773 10,466 12,581 -2,755 14,75

Rotor gauche 0,0793 4,272 4,482 -2,97 15,9

Figure 3–20 : Evolution des paramètres mesurés avant et après fonctionnement

3.2.1.2 Evaluation de l’usure

Après fonctionnement, nous avons procédé à la mesure des hauteurs des deux stators afin d’évaluer l’usure des grains en carbone. La Figure 3–21 montre que les profils de hauteur des faces ont changé. Après fonctionnement, les profils ne présentent plus qu’un seul pic et une seule

90 vallée. La hauteur usée, obtenue par soustraction des deux profils, est présentée sur la Figure 3– 22. L’usure n’est pas uniforme sur la circonférence et peut atteindre jusqu’à 0,025 mm. Les quantités de matière éliminée par usure sur les deux surfaces sont assez semblables ce qui laisse penser que les deux garnitures se sont comportées de manière similaire.

Figure 3–21 : Comparaison des profils de hauteurs des surfaces de frottement avant et après les

tests

Figure 3–22 : Evolution de la hauteur usée pour les deux stators

3.2.2 Comportement dynamique

Etant donné le grand nombre d’essais réalisés, il ne serait pas possible de reporter l’ensemble des résultats dans ce document. Nous nous limitons donc à présenter les déplacements délivrés par les trois capteurs lors d’une campagne d’essais réalisée à une pression constante de 3 MPa et pour trois vitesses de rotation (2000, 4000, 5000 tr/min).

La Figure 3–23 indique l’évolution du déplacement pour les trois capteurs par rapport à la valeur moyenne sur une période de 1 min. La plage des déplacements s’étale de ± 2 µm à ± 5 µm. Pour les autres cas testés, les signaux obtenus ne dépassent pas ± 8 µm. Ces valeurs n’indiquent pas un

91 comportement instable de la garniture. Toutefois, il serait intéressant d’analyser plus en profondeur ces résultats pour voir, par exemple, s’il existe une corrélation entre les conditions de fonctionnement et l’amplitude des vibrations. Ceci sort du cadre des travaux de cette thèse.

Figure 3–23 : Déplacements du stator mesurés par les trois capteurs à ω=2000, 4000 et 5000

tr/min, P= 3 MPa et Tf= 40 °C

3.2.3 Couple de frottement

La Figure 3–24 présente l’évolution du couple de frottement en fonction de la vitesse de rotation pour l’ensemble des campagnes d’essais réalisées à des pressions de 2 et 4 MPa et une température de 40 °C.

Chaque point des courbes présente la moyenne de la totalité des valeurs enregistrées durant 1min pour chaque vitesse de rotation. Pour une pression de 2 MPa, le couple mesuré varie peu d’un essai à l’autre. Le pourcentage de dispersion entre chaque valeur d’essais et la valeur moyenne sur tous les essais ne dépasse pas 16%. En revanche, pour une pression d’alimentation de 4 MPa, on remarque une variation significative des valeurs entre les cinq essais. Le pourcentage de dispersion atteint 72% pour ω= 500 tr/min et il ne dépasse pas les 12% à partir de ω= 3000 tr/min. L’écart est plus marqué pour les plus faibles valeurs de vitesse où le régime de lubrification est probablement mixte.

92

a)

b)

Figure 3–24 : Evolution du couple de frottement en fonction de la vitesse de rotation pour

différents essais à Tf= 40 °C et a- P= 2 MPa b- P= 4 MPa

Afin de matérialiser ces variations, le couple de frottement sera présenté, dans la suite de l’étude, sous forme d’une valeur moyenne associée à des barres erreurs positives et négatives indiquant les valeurs minimales et maximales enregistrées pour chaque point de fonctionnement.

D’une manière générale, nous remarquons que lorsque la pression diminue, le couple de frottement baisse. Pour les faibles valeurs de pression (1, 2 et 3 MPa), le faisceau des courbes est serré. Les courbes croissent en fonction de la vitesse de rotation, avec une faible pente et convergent vers la même limite.

Pour une pression de 4 MPa, la tendance est différente. Le couple de frottement est maximal à faible vitesse de rotation, il diminue pour atteindre un minimum avant de se stabiliser à une valeur constante. On observe toutefois un écart sur le couple de frottement dès que la pression d’alimentation dépasse de 3 MPa à 4 MPa.

Pour une pression de 5 MPa, le couple est maximal à basse vitesse puis il diminue progressivement lorsque la vitesse augmente.

93

Figure 3–25 Evolution du couple de frottement en fonction de la vitesse de rotation pour

différentes valeurs de pression à Tf= 40 °C

a)

b)

Figure 3–26 : Evolution du couple de frottement en fonction de la vitesse de rotation pour

94 La Figure 3–26 présente l’évolution du couple de frottement en fonction de la vitesse de rotation pour les trois valeurs de température d’alimentation. D’une manière générale, on remarque que le couple de frottement diminue lorsque la température d’alimentation augmente. Pour la pression de 2 MPa, le couple de frottement augmente avec la vitesse pour les trois températures d’alimentation. A partir de 3000 tr/min, les courbes sont parallèles.

Comme nous l’avons déjà évoqué, lorsque la pression et la température du fluide à étancher sont respectivement de 4 MPa et 40 °C, le couple de frottement présente deux types d’évolution suivant la valeur de la vitesse de rotation : une évolution décroissante pour les plus basses vitesses puis une évolution croissante avec une légère pente. Ceci indique l’existence des deux

régimes de lubrification. Lorsque la température du fluide est augmentée à Tf= 60 °C ou 80 °C,

l’étendue de la zone décroissante diminue jusqu’à complètement disparaître pour 80 °C. Les valeurs de couple sont plus faibles qu’à 40 °C. La vitesse à laquelle se fait la transition doit donc diminuer lorsque la température augmente.

3.2.4 Accroissement de température

Figure 3–27 : Position théorique des thermocouples implantés dans le stator

Le terme température utilisé par la suite désigne la différence entre la température mesurée et la température du fluide à étancher. C’est donc l’accroissement de température. La position des différents thermocouples est matérialisée sur la Figure 3–27.

95

Figure 3–28 : Evolution de la température mesurée par les différents thermocouples pour ω=

1000, 3000 et 6000 tr/min à Tf= 40 °C

La Figure 3–28 présente la température mesurée par chacun des thermocouples pour trois vitesses de rotation différentes lors d’une campagne d’essais. On remarque que la température augmente logiquement avec la pression du fluide qui conditionne la charge supportée par le contact.

La température augmente par ailleurs avec la vitesse de rotation à cause de l’augmentation du cisaillement du film lubrifiant avec la vitesse.

La température dépend également de l'emplacement du thermocouple et plus particulièrement de la distance à la surface de frottement et de la distance à la surface refroidie par le fluide. Les différences de température d’un thermocouple à l’autre peuvent atteindre plusieurs kelvins. Comme nous pouvons le constater sur la Figure 3–28, la différence entre T13 et T31 est, par exemple, de 7 K à 3MPa à 6000 tr/min alors que les capteurs ne sont distant que de quelques millimètres.

La Figure 3–29 présente trois cartographies des températures obtenues pour trois niveaux de pressions et une vitesse de 6000 tr/min. La position réelle des thermocouples mesurés sur le stator, a été utilisée pour tracer ces distributions, ce qui explique que la frontière du domaine ne soit pas rectangulaire. Les expériences ont montré que les thermocouples situés dans le coin

96 gauche bas de la cartographie mesurent les températures les plus élevées. Ceci est dû à leur position proche de la zone de frottement. D’autre part, les thermocouples localisés sur le côté droit de la cartographie mesurent les plus faibles valeurs de température. Cela s’explique par leur position près du fluide extérieur avec lequel s’effectue un échange par convection (sur la côté droite).

Figure 3–29 : Cartographie d’accroissement de température du stator pour ω= 6000 tr/min à P=

1, 3 et5 MPa.

La Figure 3–30 présente l’évolution de la température mesurée par le thermocouple T13 en fonction de la vitesse de rotation pour différentes valeurs de pression et à une température d’alimentation de 40 °C. Le choix du thermocouple T13 est justifié par le fait qu’il mesure la température la plus élevée parmi l’ensemble des thermocouples. Quelle que soit la valeur de la pression du fluide, la température augmente avec la vitesse de rotation mais avec une pente qui s’adoucit avec la vitesse.

97 On observe des similarités avec les mesures de couple de frottement. Pour des pressions de 1, 2 et 3 MPa, les évolutions sont très proches. Pour des valeurs de pression de 4 puis 5 MPa, la température augmente. Le couple de frottement étant une mesure du niveau de dissipation dans l’interface, il n’est pas étonnant de trouver des similitudes entre couple et température pour ces valeurs.

Figure 3–30 : Evolution de la température mesurée par le thermocouple T13 en fonction de la

vitesse pour différentes valeurs de pression à Tf= 40 °C

La Figure 3–31 illustre l’évolution de la température mesurée par le thermocouple T13 avec la vitesse pour trois valeurs de température du fluide à étancher. Les résultats sont présentés pour une pression du fluide de 2 et 4 MPa. L’accroissement de température mesuré est plus faible lorsqu’on augmente la température d’alimentation. Cette diminution est liée à la réduction de la viscosité de l’eau qui passe de 0,653 mPa.s à 40 °C à 0,467 mPa.s à 60 °C et à 0,351 mPa.s à 80 °C. Lorsque la viscosité diminue, d’une part, le couple de frottement et la dissipation associée diminuent (Voir Figure 3–26) et, d’autre part, le refroidissement est généralement plus efficace (voir paragraphe 3.3.4) permettant ainsi une meilleure évacuation des calories générées dans le contact.

98

a)

b)

Figure 3–31 : a) Evolution de la température mesurée par le thermocouple T13 pour P= 2 MPa à

Tf= 40, 60 et 80 °C b) Evolution de la température mesurée par le thermocouple T13 pour P= 4

MPa à Tf= 40, 60 et 80 °C

3.2.5 Mesure de la fuite

La fuite est mesurée tout au long de la période d’essais dans les différentes conditions de fonctionnement. Comme nous l’avons précisé précédemment, les résultats sont dispersés notamment en raison de la difficulté de mesure. On observe toutefois que les valeurs restent assez faibles et dans un intervalle entre 10-5 et 10-3 g/s qui est acceptable pour une garniture mécanique. L’effet de la pression du fluide sur la fuite n’est pas clairement identifiable. En revanche, on observe, pour l’ensemble des courbes, une baisse du débit lorsque la vitesse augmente entre 500 et 4000 tr/min puis une augmentation du débit de fuite entre 4000 et 6000 tr/min.

99

Figure 3–32 : Evolution du débit de fuite