Recherche sur l'usure start-stop et le comportement de glissement thermique à l'interface de revêtement de film des roulements à grande vitesse et à forte charge

Research on the start-stop wear and thermal slip behavior at film-coating interface of high-speed and heavy-load journal bearings

• Auteur / Autrice : Shuhui Cui
• Direction : Le Gu, Michel Fillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Poitiers en cotutelle avec Harbin Institute of Technology (Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Yongda Yan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francesco Massi, Wen Wang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benyebka Bou-Saïd, Qiuying Chang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermique

Phénomènes transitoires

Revêtements

Usure (mécanique)

Paliers fluides

Mots clés libres

Palier hydrodynamique

Revêtements

Usure

Démarrage et arrêt

Effet thermique

Hydrodynamic bearing

Coatings

Wear

Startup and shutdown

Thermal effect

Résumé

Dans des cas particuliers, les paliers hydrodynamiques démarrent et s'arrêtent souvent sous une charge élevée mais sans l’aide d’un système de support hydrostatique, ce qui provoque facilement des grippages et des défaillances par usure. Les revêtements autolubrifiants deviennent une alternative pour améliorer les performances de frottement des paliers hydrodynamiques. Les propriétés de glissement à l'interface lubrifiant-revêtement sont assez différentes de celles existantes dans les paliers à revêtements traditionnels. Dans la thèse, un modèle de lubrification mixte est établi en considérant à la fois le contact de surface et la lubrification hydrodynamique pendant le démarrage et l'arrêt des paliers lisses. Le comportement transitoire du contact lubrifié et le problème d'usure du palier chargé sont analysés. Les influences de la rugosité de surface, de l'accélération et du jeu relatif sur le comportement du contact lubrifié sont discutées.Un modèle thermoélastohydrodynamique (TEHD) considérant le glissement aux parois est établi. L'influence de la zone de glissement sur la capacité de charge et sur le coefficient de frottement est étudiée afin de déterminer la zone de glissement optimale pour des excentricités relatives élevées (charges lourdes) en régime isotherme. Ensuite, l'influence de la position du revêtement (glissement) sur le comportement thermique et l'épaisseur minimale du film est analysée. Les critères de sélection de la position de revêtement sont donnés.Des recherches expérimentales sur le fonctionnement à l’état stationnaire et en phase de démarrage sont menées sur des paliers à patins oscillants utilisés sur les turbines à gaz marines. L'usure et les caractéristiques thermiques des revêtements PTFE, graphite et argent (Ag) sont analysées. L'influence du jeu relatif, de l'accélération et de la température initiale sur l'élévation de température au démarrage est explorée.

In special cases, the hydrodynamic bearings used in high-power gas turbines own compact size and micro relative clearance, and often start up and shut down frequently under heavy load without hydrostatic supporting system, which are easily cause bearing seizure and worn failures. Self-lubrication coatings are becoming an alternative way to improve the friction performance of the bearing. The slip properties at lubricant-coating interface are quite different from those of traditional bearing friction pairs. In the thesis, a mixed lubrication model is established by considering both surface contact and hydrodynamic lubrication during startup and shutdown of plain journal bearings. The transient contact behavior and worn problem of the bearing under applied load are analyzed. The influences of surface roughness, acceleration, and relative clearance on the contact behavior are discussed.A thermoelastohydrodynamic (TEHD) model considering wall slip is established. The influence of slip zone on the load carrying capacity and friction coefficient are studied to determine the optimal slip zone for high eccentricity ratios (heavy loads) in isothermal case. Then the influence of the coating (slip) position on the thermal behavior and minimum film thickness is analyzed. The selection criteria of the coating position are given. Aimed at coated tilting pad journal bearing used on marine gas turbine, the experimental research on both the steady state and startup process are conducted. The wear and thermal characteristics of the PTFE, graphite and silver (Ag) coatings are tested. The influence of relative clearance, acceleration and initial temperature on the temperature rise during startup is explored.