Mechanical face seals, MFS, are important machine components in the heavyduty-vehicle industry which generate a high frictional power loss. In order to lower these losses an investigation has to be performed on the frictional behavior of the MFS. A physical test rig allows an evaluation of existing seals and new concepts to compare their performances. Prior to this project, a test rig for MFS had been partially designed and manufactured by a group of students within a design project at KTH. This report presents the continuation of this work. A solid background study was performed in which the best testing equipment and theoretical models in the literature to characterize MFS were reviewed. The design and manufacturing of the test rig prototype has been completed and most importantly, it has been validated, achieving an acceptable assessment of repeatability. Tests have been planned and executed to assess the repeatability of the test rig and to study the effect of different parameters: speed, preload, eccentricity and angular misalignment. A theoretical loss model was performed which gave discrepant results for studies with mixed lubrication, making a comparison with the experiments impracticable. Further work has to be done to evaluate the applicability of the proposed model. In addition, a valuable Matlab tool has been developed and packaged to facilitate processing data of the test rig for future users. / Mekaniska glidringstätningar är viktiga maskinkomponenter inom tung fordonsindustri, men de orsakar höga friktionsförluster. För att sänka dessa förluster behöver först en undersökning utföras för att få förståelse för friktionsbeteendet hos de mekaniska glidringstätningarna. En fysisk testrigg gör det möjligt att utvärdera befintliga tätningar och jämföra deras prestanda med nya koncept. Denna rapport är en uppföljning på ett koncept av en testrigg för mekaniska för glidringstätningar som en grupp studenter på KTH tidigare tagit fram. Innan detta projekt hade en testrigg för konceptet delvis utformats och tillverkats. Fortsättningen av detta arbete innebar att en heltäckande bakgrundsundersökning utfördes samt även en granskning av teoretiska modeller för att karakterisera tätningarna. Konstruktion och tillverkning av den tidigare testriggen slutfördes. Dessutom validerades testriggen vilket visade att dess repeterbarhet var accepterbar. Tester planerades och utfördes för att studera effekten av följande parametrar: hastighet, kast, excentricitet och snedställning. En teoretisk förlustmodell utvecklades men visade sig ge avvikande resultat för blandsmörjning vilket gjorde jämförelser med experimenten ogenomförbara. Ytterligare arbete bör göras för att utvärdera tillämpligheten av den framtagna modellen. Utöver detta har även ett användargränssnitt i Matlab utvecklats och paketerats för att underlätta för framtida användare att bearbeta data från testriggen.

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Les garnitures mécaniques sont utilisées dans de multiples applications pour réaliser l'étanchéité autour d'arbres en rotation. Ces composants peuvent fonctionner efficacement pendant plusieurs années en conditions stables, mais leur durée de vie est significativement réduite lorsque les conditions varient. L'objectif de ce travail de recherche est de développer et d’utiliser un banc d'essais et code de calcul pour étudier l'impact de pulsations de pression, d’inversions de pression et du chargement dynamique résultant sur les performances de garnitures mécaniques ayant des faces mésalignées et présentant des défauts de planéité.Le solveur fluide d'un modèle numérique de garnitures mécaniques a été étendu aux conditions transitoires. Un module résolvant la dynamique des forces et des moments a été ajouté afin de prédire le déplacement axial et les déplacements angulaires de la face montée de manière flexible. Afin de caractériser les performances de garnitures, un banc d'essais générant des pulses de pression a été instrumenté et des méthodes de mesure de perte de volume d'huile et d'entrée d'eau mises en place.Des garnitures mécaniques à faces parallèles puis mésalignées, fonctionnant sous pulsations et inversions de pression, ont été testées expérimentalement et simulées. Seules de très faibles augmentations d'eau dans l'huile ont été observées, sans augmentation au cours du temps, et sans fuite d'huile mesurable. Les faibles valeurs d'entrées d'eau sont dues à la faible épaisseur de film et à la courte durée des inversions de pression. Une garniture mécanique expérimentale à fort défaut de planéité a aussi été testée. Contrairement aux autres paramètres, le défaut de planéité semble augmenter significativement la fuite et promouvoir les entrées d'eau et pourrait ainsi être à l'origine de certaines défaillances. / Face seals are mechanical devices used to seal rotating shafts in numerous applications. While they can operate efficiently under steady conditions for years, they tend to fail prematurely when operating in severe, or rapidly varying conditions. The focus of this research work is the development and use of an experimental and a numerical method to investigate the impact of pressure pulses, pressure inversions and induced dynamic loading on the performance of mechanical face seals exhibiting face misalignment and waviness.The fluid solver of a state-of-the art face seal numerical model was extended to transient conditions and a module solving the dynamics for the axial and angular degrees of freedom of the flexibly-mounted stator added. A system-level experimental setup generating pressure pulses was instrumented and methods to characterise face seal performance in terms of oil volume loss and ingression of water outer-fluid selected and implemented.Face seals, with flat and misaligned faces, operating under pressure pulses and pressure inversions were experimentally tested and simulated. They show only slight increase of water in the oil, no increase over time, and no measurable oil leakage. The low water ingression is due to low film thickness combined with the short duration of pressure inversions. An exploratory face seal of high waviness was also experimentally tested. Contrary to the other parameters, the waviness appears to significantly increase the leakage and promote water ingression and could thus be at the origin of some seal failures.

L'objectif principal de cette thèse est d'étudier, à l'aide d'un code de calcul numérique et d'une caractérisation sur banc d'essai, les performances et le comportement de différentes garnitures mécaniques à rainures spirales, habituellement utilisées pour dez gaz, en application de lubrification avec un liquide. La finalité de ce travail sera de statuer sur la possibilité de remplacer les garnitures mécaniques à faces lisses employées dans les applications liquides de type turbopompe cryogénique de lanceurs spatiaux par des garnitures mécaniques à faces rainurées en spirale.L'étude bibliographique présente différents travaux théoriques et expérimentaux réalisés sur la texturation de surface, le changement de phase et de la turbulence. Ces deux derniers points peuvent se produire en présence d'un fluide cryogénique. Un modèle numérique a été développé en éléments finis. Il résout l'équation de Reynolds et l'équation de l'énergie dans le film fluide. Cette dernière est formulée en enthalpie et considère le changement de phase du fluide comme un mélange homogène. Le couplage fluide/solides est considéré pour obtenir les déformations thermoélastiques des solides. La partie suivante de cette étude présente des essais expérimentaux, avec de l'eau, de garnitures mécaniques avec différentes profondeurs de rainures spirales. Une comparaison avec des faces lisses à été réalisée et montre que le couple de frottement est moins élevé lorsque des rainures spirales sont utilisées. En revanche, leur débit de fuite est plus élevé. Des changements nets de comportement apparaissent tels que de la transition laminaire-turbulent à partir d'un nombre de Reynolds de 1500, ainsi que du changement de phase à faible charge, fortes vitesse de rotation et température d'alimentation. La dernière partie confronte le modèle théorique thermoélastohydrodynamique aux essais expérimentaux en régime d'écoulement laminaire, pour un fluide monophasique et diphasique. Le modèle de changement de phase développé permet de reproduire les observations expérimentales. Malgré quelques difficultés de convergence en écoulement diphasique, le modèle pourra être utilisé pour le développement de garnitures dans des applications industrielles. / The main objective of this thesis is to study, through a numerical model and experimentations, the performance and behaviour of different spiral groove face seals, usually used for gas applications, in the case of liquid lubrication. The aim of this work will be to evaluate the eventuality to replace smooth mechanical face seals used in liquid cryogenic turbopumps space rocket applications by spiral groove face seals.The literature presents different theoretical and experimental studies on surface texturing, two-phase flow and turbulence. These last two points may appear when sealing a cryogenic fluid. A numerical model has been developped in finite elements. It solves the Reynolds equation and the energy equation into the fluid film. This equation is expressed using the enthalpy and can thus be used in case of homogeneous fluid phase change. Fluid/structure coupling is considered to obtain thermoelastic deformations of the solids. The next part of this study is dedicated to experiments with water lubricated spiral groove face seals with different groove depths. A comparison with smooth face seals has been done showing that the friction torque of the spiral groove face seals is lower than the smooth face seals one. On the other hand, the spiral groove flow rate is higher. Sharp changes in behaviour such as, laminar to turbulent transition from a Reynolds number equals to 1500, or two-phase flow at low pressure, high angular speed and supplying temperature of the fluid, are observed. The last part compares the thermoelastohydrodynamic theoretical model to experimental results in laminar flow, for one-phase and two-phase flow. The model is able to capture the experimental findings. Even if some convergence difficulties are encountered in two-phase flow, the model can be used for seal design in industrial applications.