Les garnitures d'étanchéité sont utilisées pour assurer l'étanchéité d'arbres tournants lorsque les conditions de vitesse, de pression et de température ne permettent pas l'utilisation de joints classiques en élastomère. Pour un fonctionnement optimal, les deux bagues constituant une garniture doivent être séparées par un film fluide très mince afin d'éviter l'usure des faces du joint tout en limitant la fuite à une valeur acceptable. L'élévation de température due au frottement visqueux modifie considérablement les conditions de lubrification de l'interface du joint. Les phénomènes thermiques jouent donc un rôle essentiel dans les joints d'étanchéité à faces radiales et constituent le sujet de recherche de cette thèse de doctorat. Une analyse bibliographique approfondie a permis de définir les hypothèses nécessaires à une modélisation théorique du comportement thermoélastohydrodynamique des garnitures d'étanchéité. Les équations de conservation dans le film fluide ont été établies puis discrétisées par la méthode des éléments finis dans l'hypothèse d'un fonctionnement stationnaire. La résolution de l'équation de l'énergie a nécessité l'utilisation d'un schéma numérique adapté aux problèmes de convection. Les échanges de chaleur avec les anneaux du joint et les déformations thermoélastiques sont pris en compte par la méthode des coefficients d'influence. Un algorithme itératif permet la détermination des champs tridimensionnels de pression, de vitesse et de température au sein du film fluide dans le cas d'écoulement laminaire et turbulent. L'étude paramétrique réalisée avec le modèle numérique contribue à une meilleure connaissance de l'influence des conditions de fonctionnement, des paramètres de conception et des défauts géométriques sur les performances d'une garniture d'étanchéité. En outre, des relevés de température effectués par thermographie infrarouge sur un joint expérimental développé à cet effet, ont permis de valider le modèle numérique.

De nombreux projets visant à réduire l’impact environnemental global des avions sont lancés au niveau européen. L’un des moteurs étudié pour les avions moyens et longs courriers est le moteur Ultra High Bypass Ratio (UHBR) : un moteur simple corps, double flux, à flux externe fortement augmenté. Le moteur UHBR doit être équipé d’un réducteur épicycloïdal, qui est un composant jamais utilisé dans un turboréacteur jusqu’à présent. L’optimisation d’un réducteur épicycloïdal a conduit à l’utilisation de paliers hydrodynamiques pour supporter les pignons satellites du porte-satellites.Pour une telle application, le palier hydrodynamique subit une déformation très élevée due aux charges de l’engrènement sur le pignon satellite et à l’effet centrifuge engendré par la rotation du porte-satellites. La géométrie optimisée des composants du palier varie avec le comportement thermique et mécanique des pièces, nécessitant la prise en compte d’une modélisation thermoélastohydrodynamique (TEHD).Afin de modéliser précisément ces phénomènes, un modèle conservatif dans la zone inactive en régime TEHD a été développé et validé à l’aide des résultats d’essais de la littérature et des bancs d’essais de Safran Transmission Systems. Les résultats obtenus montrent un double champ de pression dans le palier hydrodynamique du réducteur épicycloïdal, engendré par la forte déformation élastique du pignon agissant ainsi de façon significative sur le comportement dynamique du palier. De plus, l’influence de l’effet centrifuge sur l’huile dans le palier a été également examinée. / Several projects aimed at reducing the overall environmental impact of aircrafts are launched at European level. One of the engines studied for medium and long-haul aircraft is the Ultra High Bypass Ratio (UHBR) engine: a single-body, dual-flow gas turbine, with a greatly increased external flow rate. The UHBR engine must be equipped with an epicyclic reduction gearbox, which is a component never used before in a turbofan engine. The optimization of an epicyclic gearbox has resulted to the use of hydrodynamic bearings for supporting the satellite gears on the planet carrier.The hydrodynamic bearing of such application undergoes high deformations due to the gear contact loads on the satellite gear and to the centrifugal effect generated by the rotation of the planet carrier. The optimized geometry of the bearing components is influenced by the thermal and mechanical behavior of the bearing components, which requires a thermoelastohydrodynamic (TEHD) modeling taking into account the real film thickness under operation.In order to precisely simulate these phenomena, a conservative modeling in the inactive zone, under a TEHD regime has been developed and validated by comparing the predictions to the test results of the literature and of the test benches of Safran Transmission Systems. The results obtained show a double pressure field in the hydrodynamic bearing of the epicyclic reduction gearbox, due to the strongly deformed film thickness, which greatly affect the dynamic behavior of the bearing. In addition, the influence of the centrifugal force on the oil pressure in the oil film was also examined.

Le but de ce travail est de proposer une démarche structurée pour l'étude des liaisons lubrifiées bielle/vilebrequin. Bien que cette source de déperdition énergétique ne soit pas primordiale, il n'en est pas moins vrai que la maîtriser est un enjeu pour les motoristes. Les normes anti-pollution imposées aux constructeurs automobiles étant de plus en plus strictes, un effort doit être réalisé sur l’ensemble des composants afin de réduire de façon significative les pertes d’énergie dans les moteurs. La tendanceactuelle est à la diminution de la viscosité du lubrifiant, toutefois ce n'est pas sans conséquence sur l'intégrité des liaisons.La démarche proposée, qui s'appuie sur un logiciel TEHD consiste à utiliser la méthode des plans d’expériences afin de créer des métamodèles de la puissance dissipée et de la sévérité du cas traité. Une optimisation multi-objectifs (déperdition et sévérité) par algorithme évolutionnaire et utilisant les métamodèles est ensuite menée afin de déterminer les combinaisons de facteurs offrant les meilleurs compromis par rapport à ces deux objectifs. La méthodologie proposée s'avère pertinente puisque des modèles analytiques simples se substituent très avantageusement aux lourds calculs TEHD.Afin de valider le logiciel TEHD sur l'évaluation des puissances dissipées, une comparaison numérique/expérimentale est conduite sur un banc d’essais permettant de reproduire les conditions réelles de fonctionnement des bielles dans les moteurs. / The aim of this work is to propose a structured approach of the study of the lubricated connection between the conrod and the crankshaft. Although this source of energy loss is not the most significant one, improving this contact remains a challenging task for engine manufacturers. The anti-pollution standards imposed on automakers are increasingly stringent, an effort must be made on all components in order to significantly reduce energy loss in the engines. The current trend is to decrease the viscosity of thelubricant, however, it is not without consequences for the connections health. The proposed approach, which relies on a TEHD software is to use the design of experiments method to create surrogates of both power loss and severity for the treated case. A multi-objective optimization (power loss and severity) by evolutionary algorithm and using the surrogates, is then performed to determine the right combination of factors that provides the best compromise with respect to these two objectives. The proposed methodology is relevant because simple analytical models replace very favorably time consuming TEHD calculations.To validate the evaluation of power loss calculated with the TEHD software, a numerical/experimental comparison is performed on a test bench which reproduces the real operating conditions of the connecting rods.

Les effets thermiques dans les paliers hydrodynamiques ont été largement étudiés au cours des dernières années, ainsi que les effets élastiques, mais peu d'études regroupent les deux approches. Une analyse théorique et numérique a été menée en tenant compte du plus grand nombre de paramètres, comme les effets thermiques, les déformations thermiques et élastiques, afin qu'elle soit la plus précise possible. Des expérimentations ont permis de valider cette étude, tant au niveau des conditions aux limites qu'au niveau des hypothèses retenues. Une étude expérimentale complète est présentée sur le mésalignement. Elle met en évidence que le mésalignement modifie très sensiblement les paramètres de fonctionnement du palier. Le modèle numérique proposé conduit à une détermination réaliste des performances THD du palier mésaligné fonctionnant en régime établi. L'influence d'une modification, voulue ou non, de la géométrie du palier sur les performances d'un palier lisse est analysée. Ceci permet aux utilisateurs de paliers, soit d'améliorer les performances des paliers mésalignés, soit de donner des limites d'utilisation de paliers usés. Un modèle thermoélastohydrodynamique (TEHD) a été étudié; celui-ci tient compte des déformations dues aux champs de pression et de température. Dans le cas d'un palier très chargé, les déplacements engendrés peuvent être de l'ordre de l'épaisseur minimale du film. L'échauffement du film lubrifiant conduit à une diminution importante de la viscosité du fluide ainsi qu'à une dilatation différentielle des éléments du palier. La prise en compte des déformations mécaniques et thermiques est indispensable à la détermination précise des caractéristiques de fonctionnement d'un palier soumis à des conditions de fonctionnement sévères. L'utilisation du modèle TEHD devient impérative dès lors que la pression spécifique dépasse certaines limites admissibles ou que la vitesse de rotation est supérieure à 30 m/s.

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.