Analyse des étanchéités annulaires à bague flottante

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THESE
Pour l’obtention du grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS
Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées
(Diplôme National – Arrêté du 25 avril 2002)
ECOLE DOCTORALE SCIENCES POUR L’INGENIEUR
Spécialité : Génie Mécanique, Productique, Transport
Présentée par :
Manh Hung NGUYEN
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ANALYSE DES ETANCHEITES ANNULAIRES A BAGUE FLOTTANTE
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Directeur de Thèse : Mihaï ARGHIR
Co-Directeur de Thèse : Olivier BONNEAU
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Soutenue le 4 Mars 2011
Devant la commission d’examen
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JURY
M. BONIS Professeur, Univ. Technologique de Compiègne Rapporteur
L. SAN ANDRES Professeur, Texas A&M University, USA Rapporteur
M. ARGHIR Professeur, Université de Poitiers Examinateur
D. TONON Ingénieur, SNECMA, Div. Moteurs Spatiaux Examinateur
O. BONNEAU Professeur, Université de Poitiers Examinateur
N. BRUNETIERE Chargé de Recherche CNRS, Univ. de Poitiers Examinateur
R. GRAS Professeur émérite, SUPMECA Paris Examinateur

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Remerciements
Cette étude a été effectuée à l'Institut Pprime, Département Génie Mécanique et Systèmes
Complexes, dont je remercie son directeur, Michel Fillon, et son ancien directeur, Oliver Bonneau
pour m’avoir accepté pour ces travaux de doctorat.
Je tiens bien évidemment à remercier particulièrement mon directeur de thèse Mihaï Arghir pour ses
conseils et ses encouragements qui m’ont permis de réaliser ce travail de thèse.
Ce projet de recherche est financé par le CNES et soutenu par SNECMA Division Propulsion
Liquide, qui ont suivi les avancements des travaux au rythme des réunions semestrielles. Je tiens
ainsi à remercier nos partenaires industriels représentés principalement par Jérôme Déhouve et
Emelyne Renard, David Tonon, Sebastien Guingo et Cedric Sené avec qui les échanges durant nos
réunions semestrielles ont été très constructifs. Je voudrais souligner la disponibilité, l’attention et
les conseils que j’ai reçu de la part de David Tonon pendant tout le long du travail de thèse.
Avant de terminer, je souhaiterais remercier amicalement l’ensemble des membres du laboratoire :
les chercheurs, les secrétaires, les techniciens, mais plus particulièrement les doctorants de la salle
informatique (Fabien, Jéjé, Touf, Mihai Dobrica, Dédé, Seb, et également Jean, Nono, Pascal). Je
remercie très sincèrement les informaticiens, Franck et Mathieu, dont les conseils et les aides m’ont
été très souvent bénéfiques.
Pour terminer, je voudrais remercier très chaleureusement ma famille qui m’a soutenu tout au long
de mon travail.

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Table des matières
Table des matières--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5
Nomenclature--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7
CHAPITRE I : -------------------------------------------------------------------------------------------------- 11
INTRODUCTION ET BIBLIOGRAPHIE ---------------------------------------------------------------- 11
I.1. Etanchéités dynamiques utilisées dans les machines tournantes (turbopompes)------------------------------------11
I.2. Classification des joints d'étanchéités----------------------------------------------------------------------------------------13
I.2.1. Joint labyrinthe---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14
I.2.2. Joint hélicoïdal ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15
I.2.3. Le joint annulaire ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15
I.2.4. Joint à bague flottante (« floating ring seal »)-------------------------------------------------------------------------- 16
I.2.5. Joint segmenté ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19
I.2.6. Joint hydrostatique (aérostatique) ---------------------------------------------------------------------------------------- 22
I.2.7. Joint à faces radiales --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 23
I.2.8. Joint brosse (« brush seal ») ------------------------------------------------------------------------------------------------ 26
I.2.9. Joint à doigts (« finger seal ») ---------------------------------------------------------------------------------------------- 27
I.2.10. Conclusions ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 28
I.3. Fonctionnement d’un joint d'étanchéité dynamique à bague flottante. Analyse bibliographique. --------------30
CHAPITRE II : ------------------------------------------------------------------------------------------------- 35
MODELE HYDRAULIQUE DE L’ECOULEMENT DANS L’ETANCHEITE PRINCIPALE 35
II.1. Les équations de l'écoulement moyen (« bulk-flow ») -------------------------------------------------------------------35
II.1.1. Les équations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement. L’hypothèse de Hirs ------ 36
II.1.2. L’équation de conservation de l’énergie-------------------------------------------------------------------------------- 39
II.1.3. Conditions aux limites ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 40
II.1.4. Les équations stationnaires simplifiées de l'écoulement moyen (« bulk flow »)------------------------------- 42
II.2. Prise en compte de l’écoulement diphasique ------------------------------------------------------------------------------45
II.2.1. Le changement de phase --------------------------------------------------------------------------------------------------- 45
II.2.2. Calcul des propriétés du fluide en régime diphasique -------------------------------------------------------------- 47
II.3. Résolution numérique des équations de l'écoulement moyen (« bulk flow ») compressibles--------------------50
II.4. Validations. Comparaisons avec des résultats théoriques issus de la littérature ----------------------------------55
II.5. Le blocage sonique -------------------------------------------------------------------------------------------------------------57
II.5.1. Traitement numérique du blocage sonique ---------------------------------------------------------------------------- 59
II.5.2. Analyse d’un joint annulaire convergent-divergent---------------------------------------------------------------- 65
II.6. Analyse du régime de fonctionnement dynamique (vibratoire). Hypothèse des petites perturbations --------70
II.6.1. Resultats. Joint annulaire fonctionnant en LH2 --------------------------------------------------------------------- 74
II.6.2. Variation des coefficients dynamiques avec la fréquence d'excitation ------------------------------------------ 82
CHAPITRE III :------------------------------------------------------------------------------------------------- 85