Etudes expérimentales de paliers aérostatiques hybrides et des paliers aérodynamiques à feuilles

Experimental analysis of aerostatic hybrid bearing and of foil bearing

• Auteur / Autrice : Laurent Rudloff
• Direction : Mihaï Arghir, Olivier Bonneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, productique, transport
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Poitiers
• Jury : Président / Présidente : Jean Frêne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mihaï Arghir, Sébastien Guingo, Olivier Bonneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Régis Dufour, Fabrice Thouverez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse modale (ingénierie)

Rotors -- Vibrations

Identification

Paliers et coussinets

Mots clés libres

Palier à air

Identification

Dynamique des rotors

Vibrations

Etude modale

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse est effectué sur deux bancs d'essais différents. Avec le premier banc d'essais, les caractéristiques dynamiques d'un palier aérostatique à air sont étudiées expérimentalement pour une configuration en rotor rigide. Le rotor est entraîné en rotation à 60 krpm par une turbine Pelton et monté horizontalement sur deux paliers aérostatiques identiques alimentés en air jusqu'à des pressions de 11 bar. La charge dynamique est appliquée soit par l'impact d'un marteau, soit par un balourd additionnel. Le banc d'essais permet la mesure de la pression et du débit d'alimentation des paliers, de la vitesse de rotation, la force d'impact, des déplacements dans les deux paliers, et de l'accélération des paliers. Ces données expérimentales et les équations du PFD appliquées au rotor permettent l'identification des coefficients dynamiques des paliers. Une validation de ces coefficients dynamiques expérimentaux est réalisée grâce à la réponse au balourd. La seconde partie, sur le second banc d'essais, présente les résultats d'une étude expérimentale des caractéristiques statiques et dynamiques d'un palier à feuilles de génération 1. Le banc d'essais est de type palier flottant, et peut atteindre des vitesses de 40 krpm. Deux modules différents sont utilisés pour mesurer les grandeurs de démarrage et les coefficients dynamiques. Avec le premier module, le banc d'essais peut mesurer les couples de démarrage. Dans sa seconde configuration, un module différent permet l'identification des coefficients dynamiques du palier à feuilles. Les coefficients de raideur et d'amortissement sont identifiés à partir des impédances complexes et permettent le calcul des fréquences propres. Les résultats expérimentaux montrent que les caractéristiques du palier testé ont une faible dépendance à la vitesse de rotation, mais varient avec la fréquence d'excitation.

The thesis activities are made on two different test rigs. On the first test rig, the dynamic characteristics of a hybrid aerostatic bearing are experimentally investigated in a rigid rotor configuration. The rotor is driven up to 60 krpm by an impulse turbine and is horizontally mounted on two identical aerostatic bearings fed with are pressures up to 11 bar. Dynamic loads consist either of impacts provided by a hammer or of added unbalance masses. The test rig can measure the bearing feeding pressures and flow, the rotation speed, the impact force, the displacements of the two bearings and the bearing housing accelerations. This experimental information together with the equations of motion of the rotor enables the identification of the dynamic coefficients of the bearings. A validation of these coefficients is providing by the unbalanced response of the rotor. The second part, on the second test rig, presents the results of the experimental analysis of static and dynamic characteristics of a generation 1 foil bearing. The test rig is of floating bearing type, and can reach the speed of 40 krpm. Two different casings are used for start up and for measurement of dynamic coefficients. In its first configuration, the test rig is designed to measure the start up torque. In its second configuration, a different casing is used to measure the impedances of the foil bearing. Stiffness and damping coefficients are identified from the complex impedances and enable the calculation of natural frequencies. The experimental results show that the dynamic characteristics of the tested bearing have a weak dependence on the rotation speed but vary with the excitation frequency.