Ce mémoire présente une étude théorique et expérimentale de joints annulaires à bague flottante ainsi que de joints rainurés segmentés, destinés à assurer l’étanchéité dynamique au sein de machines tournantes à haute vitesse dans les domaines aéronautique et aérospatial. Des joints annulaires à bague flottante ont été testés sur un banc d’essais dédié au sein de l’institut Pprime pour de multiples configurations de vitesse de rotation et de différence de pression étanchée. La réponse dynamique des joints par rapport aux vibrations du rotor a été étudiée pour différentes amplitudes de l’excitation. Certains résultats issus de cette étude ont été confrontés à une modélisation numérique basée sur les équations de mouvement d’un joint soumis aux forces d’inertie, aux forces hydrodynamiques dans son étanchéité principale et aux forces de frottement à l’étanchéité secondaire. Le coefficient de frottement à l’étanchéité secondaire a été estimé à partir du modèle de Greenwood et Williamson, appliqué au cas d’un régime de lubrification mixte. Les comparaisons réalisées valident le modèle numérique utilisé, qui reproduit le comportement d’un joint soumis à une excitation rotorique donnée. Un autre modèle est proposé pour le cas des joints rainurés segmentés. Les écoulements au sein des différentes parties d’un tel joint ont été modélisés par des méthodes distinctes. Les forces de frottement sont étudiées par un modèle similaire à celui utilisé dans le cas des bagues flottantes. Une étude paramétrique sur différentes caractéristiques géométriques et de fonctionnement du joint a été menée. / This thesis presents a theoretical and experimental study of floating ring annular seals and radial segmented seals. These seals are designed to prevent leakage inside high-speed rotating machinery used in aeronautics and aerospace applications. Floating ring annular seals were tested on a dedicated test rig inside the Institut Pprime. Various rotation speed and pressure difference configurations were used. The behavior of the floating rings when submitted to rotor vibrations was studied for different excitation amplitudes. Results from this study were confronted to a numerical model based on the equations of motion of the seal. The seal is driven by inertia forces, hydrodynamic forces in the main seal and friction forces on the secondary seal. The friction coefficient on the secondary seal was estimated by Greenwood and Williamson’s model for mixed lubrication. The analysis validates the theoretical model, which reproduces the dynamic behavior of a seal driven by a given rotor excitation. Another model was used to study segmented seals. The flow in each part of such a seal was modeled with various methods. Friction forces were studied with a model similar to that used for floating rings. A parametric study was performed on various geometric and operating parameters.

La grande diversité des applications, dans tous les domaines industriels, des plus simples aux plus complexes, que ce soit pour un usage quotidienne ou pour des applications high-tech, nécessite la conception continue de systèmes d'étanchéité de plus en plus performants. Les vérins pneumatiques sont des éléments fondamentaux de l'automatisation dans des domaines industriels très variés : les dispositifs de levage, la robotique, l'aérospatial, les systèmes respiratoire, etc. Cependant, un dysfonctionnement d'étanchéité conduit à des performances plus faibles et même à des disfonctionnements. Inversement, une meilleure connaissance des phénomènes aux interfaces, permettra l’amélioration du rendement, la prolongation de la durée de vie et de la fiabilité des différentes applications pneumatiques.Ce travail de thèse est focalisé sur l'étude expérimentale et numérique des systèmes d'étanchéité par joints pneumatiques. Un banc d'essais modulable a été conçu et réalisé pour permettre l'investigation expérimentale de différents types de joints pneumatiques, pour une large gamme de conditions de fonctionnement, en termes de vitesse linéaire, pression pneumatique et solutions constructives. Il permet principalement de caractériser le frottement des joints mais aussi la visualisation des phénomènes physiques au niveau de la zone d'étanchéité et de son environnement.En parallèle, un modèle théorique ElastoHydroDynamique, incluant la prise en compte des conditions de lubrification mixte et le comportement rhéologique non-newtonien de lubrifiant (graisse) a été développé. Il est basé sur le couplage d'un logiciel de calcul non-linéaire (permettant la prise en compte du comportement mécanique hyperélastique des joints) et un modèle d'écoulement en film mince. Les comparaisons de mesures expérimentales avec les prédictions numériques ont permis de valider le modèle théorique ainsi que d'améliorer la compréhension des conditions de fonctionnement et d'alimentation de la zone d'étanchéité. / The great diversity of applications in all industrial fields, from the simplest to the most complex, whether for everyday use or for high-tech applications, requires the continuous design of increasingly efficient sealing systems. Pneumatic cylinders are fundamental elements of automation in a wide variety of industrial fields: lifting devices, robotics, aerospace, respiratory systems, etc. However, a sealing failure leads to lower performance and even malfunctions. Conversely, a better knowledge of the phenomena at the interfaces will allow the improvement of efficiency, the extension of the service life and of the reliability of the various pneumatic applications.This thesis work focuses on the experimental and numerical study of pneumatic seal systems. A modular test bench has been designed and built to allow the experimental investigation of different types of pneumatic seals, for a wide range of operating conditions, in terms of linear velocity, pneumatic pressure and constructive solutions. It mainly allows to characterize the friction of the joints but also the visualization of physical phenomena at the level of the sealing zone and its environment.In parallel, an ElastoHydroDynamic theoretical model, including the consideration of mixed lubrication conditions and the non-Newtonian rheological behaviour of lubricant (grease) has been developed. It is based on the coupling of a non-linear comercial software (allowing the modelling of the hyperelastic mechanical behaviour of the joints) and a thin film flow model. Comparisons of experimental measurements with numerical predictions validated the theoretical model and improved the understanding of the operating and supply conditions of the sealing area.

Étude de bases de données ayant des structures complexes avec l'objectif de rendre plus efficace le processus de leur conception et de leur réalisation, de les faire évoluer et d'améliorer leur compréhension autant par leur utilisateurs que par leurs responsables

L'Electrolyse de la Vapeur d'eau à Haute Température (EVHT) est l'un des procédésde production d'hydrogène les plus prometteurs. Dans l'optique d'une économie del'hydrogène produit par EVHT, de nombreux verrous restent à lever. L'un d'entre euxporte sur l'étanchéité. En effet, dans un EVHT, la gestion des gaz est primordiale. Ilfaut pouvoir gérer et prévoir dans le temps le comportement des joints afin d'éviter unedégradation des performances. Or, en EVHT, les températures de fonctionnement sontélevées (classiquement autour de 800 °C), des phénomènes de fluage ou de relaxationapparaissent, le différentiel de dilatation thermique entre les cellules électrochimiques encéramique et les interconnecteurs métalliques doit être pris en compte. Enfin, il convientde maintenir l'étanchéité de l'empilement à faible niveau d'effort pour ne pas risquerd'endommager la partie céramique.L'objet du travail de cette thèse démarre par un constat simple : nous ne disposons pasd'outils de prédimensionnement des joints à haute température permettant de prévoirun débit de fuite. Dès lors que l'on est amené à changer un paramètre de fonctionnement,comme la température, la pression, la stratégie de chargement, la géométrie ou la naturedu joint, une nouvelle expérience doit être menée.A partir d'essais d'étanchéité et de simulations numériques aux éléments finis, un modèleoriginal est proposé. Ce modèle qui a été validé en fonction de différents paramètresexpérimentaux permet d'estimer le débit de fuite associé à un joint en Fecralloy (Fe-CrAl) selon sa forme, ses conditions de serrage et du temps de maintien. Offrant ainsila possibilité de concevoir à moindre coût des joints spécifiques pour l'application visée.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'Electrolyse de la Vapeur d'eau à Haute Température (EVHT) est l'un des procédésde production d'hydrogène les plus prometteurs. Dans l'optique d'une économie del'hydrogène produit par EVHT, de nombreux verrous restent à lever. L'un d'entre euxporte sur l'étanchéité. En effet, dans un EVHT, la gestion des gaz est primordiale. Ilfaut pouvoir gérer et prévoir dans le temps le comportement des joints afin d'éviter unedégradation des performances. Or, en EVHT, les températures de fonctionnement sontélevées (classiquement autour de 800 °C), des phénomènes de fluage ou de relaxationapparaissent, le différentiel de dilatation thermique entre les cellules électrochimiques encéramique et les interconnecteurs métalliques doit être pris en compte. Enfin, il convientde maintenir l'étanchéité de l'empilement à faible niveau d'effort pour ne pas risquerd'endommager la partie céramique.L'objet du travail de cette thèse démarre par un constat simple : nous ne disposons pasd'outils de prédimensionnement des joints à haute température permettant de prévoirun débit de fuite. Dès lors que l'on est amené à changer un paramètre de fonctionnement,comme la température, la pression, la stratégie de chargement, la géométrie ou la naturedu joint, une nouvelle expérience doit être menée.A partir d'essais d'étanchéité et de simulations numériques aux éléments finis, un modèleoriginal est proposé. Ce modèle qui a été validé en fonction de différents paramètresexpérimentaux permet d'estimer le débit de fuite associé à un joint en Fecralloy (Fe-CrAl) selon sa forme, ses conditions de serrage et du temps de maintien. Offrant ainsila possibilité de concevoir à moindre coût des joints spécifiques pour l'application visée. / High Temperature Steam Electrolysis (HTSE), is one of the most promising processfor hydrogen production. In a hydrogen economy produced via HTSE, many problemshave to be overcome. One of them is related to sealing. Actually, in a HTSE, gasmanagement is very important. The behavior of the seal has to be predicted in time toavoid a deterioration of the performances. But, in a HTSE, the fuctioning temperaturesare important (typically around 800 °C), creep or relaxation may occur, the differencebetween the thermal expansion of the ceramic cells and the metallic interconnectorsmust be taken into account. Finally, the sealing has to be maintain with low effortsprotect the ceramic.This thesis started from the noticing that we don't have any designing tool for hightemperature seals that may help to foresee a leak rate. Since we have to change anyexperimental parameter, such as the temperature, the pressure, the loading strategy, thegeometry or the material of the seal, another experiment has to be done.From sealing tests and finite element modelisation, an original model is presented.This model that has been validated for different experimental parameters allows toestimate the leak rate of a Fecralloy (FeCrAl) seal depending on its shape, the loadingconditions and tightening time. This may help to design specific low cost seals for thedesired applications.

Le joint à rainures hélicoïdales (JRH) est l'une des solutions techniques d'étanchéité sans contact utilisées dans les machines tournantes. Ce dispositif est conçu pour des applications bien particulières qui nécessitent une durée de vie et une non-tolérance aux fuites au-delà des limites que peuvent satisfaire les joints à contact. Le JRH est caractérisé par l'absence d'usure due au jeu radiale nettement supérieure aux amplitudes des aspérités et les défauts de fabrication. L'étanchéité est obtenue grâce aux rainures hélicoïdales présentes sur l'une des ses surfaces internes. Ces rainures sont à l'origine de phénomènes hydrodynamiques synthétisant un débit de pompage de même ordre que le débit de fuite.Dans ce travail, un modèle numérique pour le calcul d'étanchéité dans les JRH est proposé. Basé sur la théorie des films minces, le comportement de ce dernier est déterminé par le calcul du champ de pression et du remplissage qui satisfont l'Equation de Reynolds Modifiée (ERM). Cette dernière permet de bien gérer les frontières de rupture et de reformation du film. La résolution est faite par la méthode des éléments finis.La caractérisation du pouvoir d'étanchéité du JRH est faite par « la longueur utile » qui spécifie largeur, dans la direction axiale, de la zone occupée par le fluide lorsque l'étanchéité s'établisse. Cette étendue du domaine étant une inconnue du problème, on itère sur la longueur du joint jusqu'à l'obtention d'un débit axial nul sur le bord. Néanmoins, l'étanchéité dans le JRH dépend d'un certain nombre de paramètres géométriques et de fonctionnement. Il s'agit de la forme des rainures, leurs inclinaisons ainsi que la vitesse de rotation. Tout d'abord, une géométrie optimale de fonctionnement a été déterminée. Les aspects turbulents de l'écoulement et le comportement thermique, selon un bilan thermique global, sont également étudiés. Enfin, l'introduction des effets d'excentricité a permis de statuer sur les phénomènes dynamiques dans le JRH. / The viscoseal is one of the contacts less sealing technical solutions used in machinery. This device is designed for very specific applications requiring durability and non-tolerance leakage past the limits that can satisfy joints contact. The viscoseal is characterized by the friction absence due to radial clearance well above the asperities amplitudes and the manufacturing defects. The sealing is obtained by the helical grooves formed in one of its internal surfaces. These grooves induce a hydrodynamic phenomenon that synthesizes same pumping rate of the same order as the leakage rate.In this work, a numerical model is proposed to calculate the seal in the viscoseal. Based on the thin film theory, the behavior of the latter is determined by the calculation of the pressure field and the filling that satisfy the Modified Reynolds Equation (MRE). The latter allows managing the borders of the film breaking and reformation. Resolution is made by the finite element method.The sealing power characterization in the viscoseal is made by the "sealing length" that specifies width of the fluid full area, in the axial direction, when the sealing is established. This domain extension is unknown, it iterates over the length of the seal until a zero axial flow over the edge. However, in the sealing depends on several geometrical and operating parameters. It is about the shape of the grooves, their angle orientation of and the journal speed.First, an optimal operating geometry was determined. Turbulent aspects of flow and thermal behavior, according to a global heat balance, are also studied. Finally, the introduction of eccentricity effects allowed approving dynamic phenomena in the viscoseal.