Bibliographie & annexes
Présentation
English
Auteur(s)
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Mihai ARGHIR : Laboratoire de Mécanique des Solides. Université de Poitiers
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Sébastien LE LEZ : Laboratoire de Mécanique des Solides. Université de Poitiers
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Jean FRENE : Laboratoire de Mécanique des Solides. Université de Poitiers
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les butées et les paliers aérodynamiques fonctionnent sur les mêmes principes que ceux lubrifiés avec de l'huile ou de l'eau (voir Nota). Leur particularité vient de la très faible viscosité des gaz lubrifiants, à la fois avantage et inconvénient, à laquelle s'ajoutent les spécificités apportées par la compressibilité. Ils sont donc utilisés dans des machines de grande précision et de petite taille où se trouvent réunis de grandes vitesses de rotation avec de très faibles jeux (appareils de mesure, industrie médicale).
L'article présente les principales caractéristiques statiques (capacité de charge, couple) et dynamiques (coefficients dynamiques, stabilité, réponse au balourd) des butées et des paliers aérodynamiques, ainsi que les problèmes soulevés lors de leur intégration dans une machine tournante. Les particularités issues de la compressibilité du lubrifiant sont discutées pour l'air, mais les conclusions s'appliquent pour tout autre gaz parfait.
L'article est orienté vers des considérations d'ordre physiques et technologiques nécessaires à être connues lorsque le concepteur envisage l'utilisation des butées ou des paliers aérodynamiques. L'intégration de ces composants dans une machine tournante est présentée en supposant un rotor rigide.
: Le lecteur peut se reporter aux principes familiers largement abordés dans les références [1] et [14].
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VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 1996 par Pierre STÉPHAN, Yvan IORDANOFF
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Présentation
Lubrification aérodynamique. Viscosité de l'air
English
1. Contexte
Souvent, le fonctionnement en milieu contaminé ou des conditions qui interdisent l'utilisation de l'huile sont un important facteur de choix (machines cryogéniques). Des ouvrages publiés depuis plus de quatre décennies couvrent ces aspects ([2], [3], [4]). L'utilisation des paliers et des butées aérodynamiques ne s'arrête pas ici. Il est maintenant reconnu que le moyen le plus efficace pour diminuer le poids des petites et des moyennes turbomachines (< 400 kW) est de réduire leur taille. Afin de préserver leurs performances, la diminution du diamètre nécessite une augmentation de la vitesse de rotation. Les vitesses de rotations visées sont de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers de tours par minute, pouvant atteindre, et même dépasser, 10 5 tr/min.
Tenant compte des dimensions actuelles des machines, cela correspond à des vitesses linéaires de l'ordre de quelques centaines de m/s. Pour ces machines tournantes, caractérisées par une très grande densité de puissance, les paliers et les butées aérodynamiques sont de bons candidats au remplacement des guidages classiques. Afin de répondre à ce besoin, le palier ne doit pas seulement supporter une charge statique, mais le fonctionnement dynamique du rotor doit être stable et la réponse aux perturbations (balourds, chocs, etc.) doit être limitée à des valeurs imposées par le cahier des charges. L'intégration du palier et de la butée dans le rotor devient alors le point validant de la conception.
Un inconvénient lié à l'utilisation des gaz comme lubrifiants est que l'onctuosité inhérente à un lubrifiant liquide, comme par exemple l'huile, est maintenant absente, et le contact qui a lieu au démarrage et à l'arrêt est caractérisé par un régime de frottement sec et/ou mixte pouvant mener à une usure rapide.
Cet article ne traite pas ces aspects tribologiques et présente uniquement les problèmes liés au fonctionnement en régime de lubrification fluide, quand le film de gaz est bien établi.
Cette limite de l'épaisseur du film doit être reliée à l'hypothèse de milieu continu tacitement adoptée. En effet, les valeurs des jeux en lubrification aérodynamique sont inférieures à 30 μm, et il se peut que, sous chargement, l'épaisseur du film devienne inférieure au micromètre. En dessous de cette valeur, l'air ne peut plus être considéré comme un milieu continu, et il faut tenir compte de son caractère moléculaire. Ceci est le cas de certaines applications liées...
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Contexte
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FRENE (J.), NICOLAS (D.), DEGUEURCE (B.), BERTHE (D.), GAUDET (M.) - Lubrification hydrodynamique. Paliers et Butées. - Éditions Eyrolles (1990).
-
(2) - RIEGER (N.F.) editor - Design of Gas Bearings Notes supplemental to the RPI-MTI course on gas bearing design (Conception des paliers à air. Notes supplémentaires au cours) . - RPI-MTI, 2 volumes (1967).
-
(3) - CONSTANTINESCU (V.N.) - Gas Lubrication (La lubrification à gaz). - ASME Press (1969).
-
(4) - GROSS (W.A.), MATSCH (L.A.), CASTELLI (V.), ESHEL (A.), VOHR (J.H.), WILDMANN (M.) - Fluid Film Lubrication (La lubrification à film fluide) . - Wiley-Interscience New York (1980).
-
(5) - ARGHIR (M.), LE LEZ (S.), FRENE (J.) - The Finite Volume Solution of the Compressible Reynolds Equation – Linear and Non Linear Analysis of Gas Bearings. - J. of Eng. Tribol. – Part. J., vol. 220, p. 617-627 (2006).
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...
ANNEXES
Ouvrages sur la technologie des paliers à feuilles
HESHMAT (H.), WALOWIT (J.A.), PINKUS (O.) - Analysis of Gas-Lubricated Foil Journal Bearings. - ASME J. of Lub. Tech., vol. 105, p. 647-655 (1983).
BLOK (H.), VAN ROSSUM (J.J.) - The Foil Bearing – A New Departure in Hydrodynamic Lubrication. - Lubr. Eng., p. 316-320, déc. 1953.
MA (J.T.S.) - An investigation of Self-Acting Foil Bearings. - ASME J. of Basic Eng., p. 837-846 (1965).
AGRAWAL (G.L.) - Foil Air/Gas Bearing Technology – An Overview. - ASME Paper 97-GT-347 (1997).
BARNETT (M.A.), SILVER (A.) - Application of Air Bearing to High Speed Turbomachinery. - SAE Paper 700720 (1970).
DELLACORTE (C.), VALCO (M.J.) - Oil-Free Turbomachinery Technology for Regional Jet, Rotorcraft and Supersonic Business Jet Propulsion Engines. - AIAA/ISABE Paper, 2003-1182 (2003).
DELLACORTE (C.), BRUCKNER (R.J.) - Oil-Free Rotor Support Technologies for an Optimized Helicopter Propulsion System , - ISABE Paper, 2007-1145 (2007).
WALTON II (J.F.), HESHMAT (C.A.), TOMASZEWSKI (M.), HESHMAT (H.) - On the Development of an Oil-Free Electric Turbocharger for Fuel Cells. - ASME Paper GT2006-90796 (2006).
DELLACORTE (C.), FELLENSTEIN (J.A.), BENOY (P.A.) - Evaluation of Advanced Solid Lubricant Coatings for Foil Air Bearings Operating at 25 oC and 500 oC. - STLE Tribology Transactions, 42(2), p. 338-342 (1999).
DELLACORTE (C.) - The Evaluation of a Modified Chrome Oxide Based High Temperature Solid Lubricant Coating for Foil Gas Bearings. - STLE Tribology Transactions, 43(2), p. 257-262 (2000).
DELLACORTE (C.), LUKASZEWICZ (V.), VALCO (M.J.), RADIL (K.C.), HESHMAT (H.) - Performance and Durability of High Temperature Foil Air Bearings for Oil-Free Turbomachinery. - NASA TM-2000-209187 (2000).
RADIL (K.C.), DELLACORTE (C.) - The Effect of Journal Roughness and Foil Coatings on the Performance of Heavily Loaded Foil Air Bearings. - STLE Tribology Transactions, 45(2), p. 199-204 (2002).
DELLACORTE (C.), ZALDANA (A.R.), RADIL (K.C.) - A Systems Approach to the Solid Lubrication of Foil Air Bearings for Oil-Free...
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