Th. doct.-ing.--Génie électrique--Grenoble--I.N.P.G., 1984. N°: DI 435.

Th.--Sci.--Grenoble--I.N.P., 1980. N°: DE 85.

Depuis plus de 10 ans, l'étude de microsystèmes (MEMS : MicroElectroMechanical Systems) permettant la génération de puissance à petite échelle a fait l'objet d'une multitude de recherches dans le but d'offrir une meilleure alternative par rapport aux piles électrochimiques. Les premières études portant sur les microturbines à gaz ont permis de révéler le potentiel des micromachines rotatives pour l'implantation de micro centrales d'énergie sur une puce. La conception et la fabrication d'une première génération de microturbopompe ont permis d'établir les lignes directrices pour la conception d'une microturbine à cycle Rankine. Pour le bon fonctionnement d'un tel dispositif et pour en améliorer ses performances, il est important de mieux comprendre le comportement des écoulements internes influant sur le mouvement du rotor puisqu'ils ont été très peu étudiés. Le but de la présente recherche est d'effectuer une étude détaillée des composantes secondaires de la microturbopompe précédemment développée afin d'approfondir la compréhension des phénomènes en jeu lors de son opération. Dans la présente étude, des investigations expérimentales et des modèles approfondis ont été faits sur les joints d'étanchéité hydrodynamiques, le palier axial hydrostatique, le palier radial hydrostatique et l'écoulement radial secondaire. Combinée avec la modélisation de la turbine multiétage et de la pompe hydrodynamique, l'intégration simultanée de toutes les composantes a mis en évidence les interactions possibles entre les composantes. Ainsi, une nouvelle configuration d'opération a été proposée permettant d'atteindre un niveau de performance similaire aux essais antérieurs (295 kRPM), mais avec une pression d'alimentation du palier axial réduite considérablement ([environ]50%). Cette réduction de pression permet de se rapprocher davantage de l'opération avec des paliers autosuffisants qui a même été expérimentée, pour une première fois, à basse vitesse (77 kRPM). L'étude des joints d'étanchéité a démontré leur performance à haute vitesse (50 kPa à 190 kRPM) et l'importance bénéfique des effets de tension de surface. La pompe hydrodynamique a été caractérisée expérimentalement pour la première fois avec un écoulement externe, montrant que sa performance est limitée par le joint d'étanchéité. Pour la pompe avec un écoulement interne, un débit massique de 12 mg/s a été pompé à une vitesse de 180 kRPM. Une différence notable a été mesurée entre les deux types pompes implantés confirmant, pour une première fois, l'effet des forces centrifuges sur les performances de la pompe hydrodynamique. L'amélioration de la modélisation du palier axial a permis d'évaluer la position axiale du rotor en utilisant les pertes de pression et les débits massiques mesurés expérimentalement dans le palier axial. La forte rigidité angulaire du palier axial a également été mise en évidence. Finalement, les écoulements et le comportement dynamique du palier radial ont été étudiés analytiquement et expérimentalement, permettant de définir de nouveaux critères de conception afin d'éviter l'apparition d'instabilités dynamiques. L'étude plus approfondie des composantes secondaires de la microturbopompe a permis d'améliorer la compréhension des phénomènes dominants lors de son opération. Une base de compréhension supplémentaire a donc été établie pour le développement de micromachines rotatives telles que la microturbine à cycle Rankine et les microturbines à gaz.

La lubrification des paliers compliants tels les paliers de bielle doit prendre en compte les effets hydrodynamiques ainsi que les déformations élastiques des structures. Pour pouvoir juger de la validité des modèles numériques existants, des comparaisons avec des phénomènes réels doivent être faites. De telles comparaisons nécessitent l'utilisation de dispositifs expérimentaux et de méthodes de mesure. <br />Afin d'effectuer une comparaison avec les résultats numériques, un dispositif expérimental original a été réalisé. Ce dispositif respecte la cinématique du système bielle ‑ manivelle et utilise des modèles schématiques de bielle. Il fournit des résultats sur les phénomènes élastohydrodynamiques sous chargement dynamique.<br />Les méthodes de mesure utilisées sont la photoélasticimétrie et la corrélation d'images numériques. La première est utilisée pour visualiser l'état des contraintes généré dans la structure du modèle de bielle par la pression du film de lubrifiant et la seconde sert à mesurer l'épaisseur du film d'huile dans le palier. <br />La comparaison avec la modélisation numérique montre une très bonne concordance entre le réseau de franges d'isochromes visualisé expérimentalement et celui calculé numériquement. Quant à l'épaisseur de film, la concordance est bonne sur tout le cycle sauf sur 30° d'angle de vilebrequin avant et après l'explosion. Cette non-concordance est mise au compte de la viscoélasticité du matériau. <br />La partie numérique de ce travail consiste en l'étude des phénomènes d'écrasement du film de lubrifiant par la modification du code de calcul existant. Après une comparaison avec une étude simple analytique, qui valide la justesse de la modélisation numérique, le problème de la lubrification des paliers de pied de bielle est abordé. L'influence des divers caractéristiques telles que l'élasticité de l'arbre, la piézoviscosité du lubrifiant, la position des cuvettes d'alimentation, est également étudiée.

L’utilisation de paliers magnétiques est de plus en plus fréquente étant donné les avantages que cette technologie apporte. En effet, ces derniers permettent de léviter un objet rotatif grâce à un champ magnétique. Un roulement à billes peut être substitué par un palier magnétique. Cette substitution permet de réduire les entretiens, diminuer les pertes par friction et augmenter la durée de vie du système. Des applications nécessitant d’hautes vitesses de rotation et des pertes réduites constituent des situations exemplaires de l’utilisation de cette technologie. Un palier magnétique est une technologie avec de nombreux avantages et certains inconvénients. Par exemple, un palier magnétique hybride est un système naturellement instable et la force d’attraction magnétique est une équation fortement non-linéaire en fonction du courant et de l’entrefer. Ces caractéristiques démontrent qu’une loi de commande est nécessaire afin de stabiliser le palier magnétique. De plus, la loi de commande doit être précise et rapide. Les principales applications d’un palier magnétique incluent une rotation de l’objet en lévitation. Ceci nécessite une erreur en régime permanent nulle et une commande ajustable rapidement afin d’assurer une stabilité en tout temps. Ce mémoire traite de la validation expérimentale d’une loi de commande linéaire sur un palier magnétique sans rotation jumelant des aimants permanents et des électroaimants. Dans la littérature actuelle, la plupart des études portent sur les paliers magnétiques actifs, c’est-à-dire qui ne comportent que des électroaimants. L’ajout d’aimants permanents diminue la consommation énergétique du palier magnétique mais augmente la complexité de la loi de commande. Le présent mémoire démontre qu’il est possible de stabiliser un palier magnétique hybride homopolaire en utilisant une loi de commande linéaire tel le PID (proportionnel, intégral, dérivé). Cette étude apporte des nouvelles données à la littérature, en validant à l’aide d’un montage expérimental la loi de commande conçue et simulée à partir de MATLAB[indice supérieur MC].

- Le stockage d'énergie est omniprésent dans les installations électriques actuelles. A cet effet, trois laboratoires se sont associés afin de réaliser un système de stockage d'énergie par volant d'inertie. Le but de cette thèse a été de réaliser une suspension magnétique à faible coût de production et à consommation électrique nulle ou la plus réduite possible. Cette suspension destinée au maintien du volant d'inertie en rotation doit permettre d'éliminer partiellement les roulements à billes, afin de s'affranchir de l'usure et de la dissipation d'énergie par frottement. Pour ce faire, une étude approfondie des phénomènes statiques et dynamiques à été nécessaire du fait des nombreux phénomènes électromagnétiques et mécaniques déstabilisant. Enfin, la réalisation d'un prototype de suspension magnétique nous a permis de tester et de valider nos modèles puis de faire apparaître les avantages et inconvénients de la géométrie choisie.

Du point de vue de la prévention du réchauffement global, il a été nécessaire d'améliorer le rendement des moteurs thermiques en agissant sur la nature des huiles de moteur. D'une part, le règlement sur l'utilisation du plomb dans les matériaux de paliers a été mis en place dans le but d'empêcher la pollution par les métaux lourds. Le développement de matériaux de paliers sans plomb fut donc nécessaire. Bien que l'efficacité d'abaisser la viscosité de l'huile soit très grande, trop peu de recherches ont été réalisées dans ce domaine en raison des incidences sur la lubrification des paliers de moteur. Un dispositif d'essais pour les paliers de moteurs automobiles a été développé afin d'évaluer l'efficacité en termes de frottement et la fiabilité des huiles de moteur. Les performances de composants de lubrifiants tels que les huiles de base, les modificateurs de frottement et les polymères ont été évaluées à l'aide de la machine d'essais développée sur divers paliers. En outre, l'effet du polymère a été analysé expérimentalement et numériquement en régime thermo-hydrodynamique, en collaboration avec l'université de Poitiers. Les résultats ont confirmé que l'efficacité en termes de frottement et la fiabilité de la lubrification des paliers dépendent du type de composants du lubrifiant et varient avec la nature des matériaux des paliers. Ainsi, il est montré que le choix judicieux des composants du lubrifiant, en considérant le type de matériaux de palier employés, améliore les performances des paliers.

Depuis plusieurs années à nos jours, les paliers à gaz sont utilisés avec succès sur une large gamme de turbo-machines. Certains de ces systèmes sont utilisés dans des environnements de contrôle de l’environnement par gaz réfrigérant. Dans ce travail, nous présentons un modèle théorique et numérique qui tient compte de la transition du lubrifiant vapeur / liquide, la transition de l’écoulement laminaire / turbulent et les variations 3D de la viscosité et de la température dans le fluide et les solides pour les deux situations statiques et dynamiques. Ce modèle comporte : la résolution de l'équation de Reynolds généralisée pour les fluides compressibles à viscosité variable en 3D, la description des effets de la turbulence en utilisant l'approche phénoménologique de Elrod, en utilisant un champ de viscosité turbulente 3D, la résolution de l’équation d’état non linéaire du lubrifiant, capable de décrire la transition vapeur / liquide et une approche thermique local afin d'obtenir une estimation 3D de la température du fluide, grâce à l'équation d'énergie pour film mince. La prise en compte également des effets thermiques dans les solides. Dans cette étude, nous avons montré l'importance d'une description précise des paramètres du film fluide, dont les variations influencent largement le comportement du palier. Parmi les principales théories, il y a: lubrifiant compressible, avec un comportement non-linéaire près de la transition vapeur / liquide, la transition vapeur / liquide et le calcul des paramètres équivalents du mélange, un écoulement turbulent du fluide pour le palier GFB à grande vitesse en utilisant un modèle 3D de la viscosité turbulente, un comportement 3D pour la viscosité, en particulier les variations inter-films (dépendant de la température), et un comportement 3D pour la température, en particulier dans le sens transversal du film afin d'être compatible avec la viscosité, mais également dans la direction axiale afin de tenir en compte du gradient de température potentiel qui modifie considérablement le profil 3D de la température du palier. Ces deux comportements statiques et dynamiques du palier compliant GFB sont analysés. / For years now, gas bearings are successfully used over a large panel of turbo-machineries. Some of these systems are bound to be run in controlled environments such as refrigerating gas. In this work we present a theoretical and numerical model which takes into account the vapor/liquid lubricant transition, the laminar/turbulent flow transition and both temperature and viscosity 3D variations in the fluid and the solids for both static and dynamic situations. This model involves: the resolution of the generalized Reynolds equation for compressible fluids with 3D variable viscosity, the description of the turbulence effects by the phenomenological approach of Elrod, using a 3D eddy viscosity field, the resolution of a non-linear equation of state for the lubricant, able to describe the vapor/liquid transition and a local thermal approach to obtain a 3D estimation of the fluid temperature, thanks to the thin-film energy equation. The thermal effects in solids are also taken into account. In this study, we showed the importance of an accurate description of the film parameters, which variations largely influence the bearing behaviour. Among the principal theories, there are: compressible lubricant, with an appropriate non-linear behaviour when close to the vapor/liquid transition, vapor/liquid transition and calculation of the mixture equivalent parameters, turbulent flow for high-speed GFBs with a 3D eddy viscosity mode, a 3D behaviour for viscosity, particularly the cross-film variations, (temperature dependent)and a 3D behaviour for temperature, particularly in cross-film direction in order to be consistent with viscosity, but also in the axial direction in order to account for potential temperature gradient which considerably modifies the bearing 3D temperature profile. Both static and dynamic behaviours of GFBs are analysed.

Les problèmes vibratoires sont l'une des principales causes des maintenances effectuées sur les turbines de barrages hydroélectrique en France. Dans cette thèse CIFRE, subventionnée par la Division Technique Générale d’Électricité de France à Grenoble, nous voulons étudier numériquement les phénomènes physiques en jeu.Pour cela, chaque partie composant ce type de machine tournante est modélisée : la ligne d'arbre, les accouplements rigides, les paliers hydrodynamiques, la butée hydrodynamique à patins oscillants, les étanchéités et les efforts électromagnétiques. Celui du rotor est basé sur une approche classique 1D, prenant en compte des défauts d'accouplement rigide. Les paliers hydrodynamiques peuvent être alimentés par des rainures hélicoïdales : ceci est pris en compte dans la modélisation des paliers via un changement de variable dans l'équation de Reynolds. Concernant la butée hydrodynamique à patins oscillants, l'équation de Reynolds est explicitée en fonction des paramètres du système (rotor et patins). Un cas test est également présenté afin d'évaluer les différentes approches possibles pour l'intégration dans la modélisation du rotor et pour mieux appréhender la réponse dynamique d'une butée. Les joints d'étanchéités sont modélisés en linéarisant les efforts hydrauliques gouvernés par les équations du "bulk-flow" et sont donc représentés par des coefficients dynamiques de masse, d'amortissement et de raideur. Les efforts électromagnétiques au niveau de l'alternateur sont pris en compte via une formulation analytique des forces d'attraction sur chaque paire de pôles. Cela permet de gérer, par exemple, des défauts d'ovalisation ou de positionnement du stator.Une seconde partie est consacrée à l'étude d'une turbine complète. Y sont présentées différentes études de sensibilités des défauts les plus courants sur ce type de machine, le but étant d'en connaître l'influence sur le comportement dynamique de l'ensemble du rotor. / Vibration problems are one of the main causes leading to maintenances performed on the turbines of hydroelectric power generation systems in France. In this CIFRE dissertation, financed by Division Technique Générale d'Électricité de France in Grenoble, we shall numerically study the physical phenomena involved in turbine vibrations of this kind.Hence, each component of this type of rotating machinery is modeled: the rotor, the rigid coupling, the hydrodynamic bearings, the hydrodynamic tilting pad thrust bearing, the annular seals and the electromagnetic forces. The model of the rotor is based on classical 1D approach taking into account the defects of the rigid coupling. The hydrodynamic bearings can be fed by helicoidally grooves. This feature is taken into account in the numerical model of journal bearing by applying a variable transformation to the Reynolds equation. For the tilting pad thrust bearing, the Reynolds equation takes into account the displacements and the velocities of both the pads and the rotor. A test case is presented for evaluating the different numerical approaches of the tilting pad thrust bearing that can be integrated in a rotordynamic analysis. The annular seals are modeled by using linearized hydraulic efforts (i.e. stiffness, damping and added mass dynamic coefficients) modeled by the "bulk flow" system of equations. The electromagnetic efforts in the alternator are taken into account by using an analytic model of the forces of each pair of poles. This enables to tackle ovalisation or eccentricity defects of the stator.A second part is dedicated to the numerical study of a complete turbine. Different studies dealing with sensitivity analyses of most often-encountered defects of this type of rotating machinery are presented, the goal being to underline their influence on the dynamic behavior of the whole rotor.

Lors de diverses opérations de maintenance, des dégradations au niveau des rotors et des organes de supportage du groupe turbo-alternateur ont pu être constatées. Celles-ci se traduisent souvent par la présence de rayures au niveau des paliers hydrodynamiques, synonymes de fortes discontinuités dans le film d'huile. C'est dans ce contexte que s'inscrivent ces travaux de thèse. L'objectif est d'avoir une meilleure compréhension et prédiction de leur impact sur le fonctionnement du palier. Pour cela, les paliers à géométrie fixe sont étudiés théoriquement et expérimentalement. L'étude théorique présente un modèle de résolution en régime thermoélastohydrodynamique (TEHD) permettant de prendre en compte les déformations introduites par les champs de pression et de température. Le développement d'un code capable de faire des calculs en régime hydrodynamique (HD) pour des paliers à géométrie fixe a été réalisé. L'étude expérimentale permet d'étudier le comportement d'un palier à deux lobes symétriques pour diverses positions et profondeurs de rayure placée sur l'arbre. Pour tous les cas, différentes configurations de charge et de vitesses sont testées, 25 au total. Les résultats obtenus pour les cas rayés permettent de mettre en avant l'importance de la profondeur de la rayure sur le comportement du palier. Pour les cas de fonctionnement réalisés, il apparaît que les champs de pression sont plus fortement impactés par la présence d'une rayure que les champs de température. Ces résultats sont comparés à ceux obtenus par le calcul avec l'utilisation d'un code interne à EDF qui permet la résolution de problèmes en régime TEHD. / During various maintenance operations in power plants, some new issues have come to light. One of these issues is the degradation of the supporting and guiding components for the rotating shafts. The degradation has resulted in scratches on bearings which leads to discontinuities of the oil film. The operator of the plant should provide a fast diagnosis of the influence of these scratches. The aim of the work is to examine these issues, to acquire a better understanding of physical phenomenon and to improve numerical predictions. Theoretical and experimental studies have been done for plain journal bearings. The numerical model is based on a thermoelastohydrodynamic (TEHD) resolution that allows to take into account solid deformations induced by the pressure and temperature fields. A computer code has been developed to solve the hydrodynamic (HD) problem. An experimental study has been performed on a two lobe journal bearing with a scratch on the rotating shaft at two scratch locations and for several scratch depth. For all of these configurations, local pressures and temperatures have been measured for different rotational speeds and applied loads. The scratch depth is one parameter that affects the most the journal bearing behavior. It influences more significantly the pressure field, with a drop of pressure near the scratch, than the temperature field. Those results have been compared to the numerical results obtained with an internal EDF software that can provide TEHD solutions.