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Jean-Marc PUGNET : Ingénieur Arts et Métiers, ingénieur automaticien de l’Université de Grenoble - Chef du département recherches et développement de FRAMATOME - THERMODYN - Expert principal du groupe FRAMATOME
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Il est connu qu’une pièce « qui ne tourne pas rond » génère des efforts tournants dus aux balourds installés d’autant plus élevés que la vitesse de rotation augmente :
Des vibrations de la machine en résultent, sous l’effet des forces développées par les paliers pour s’opposer aux forces des balourds. La manifestation la plus connue en est le franchissement d’une « vitesse critique », coïncidence d’une fréquence propre du rotor et de la vitesse de rotation. Dans aucun cas il ne doit y avoir contact entre rotor et stator, et l’intégrité de l’installation en fatigue doit être respectée. La solution est l’équilibrage, action consistant à minimiser le balourd du rotor.
Ponctuellement, le problème est très simple. Il consiste à ramener le centre de masse sur l’axe de rotation. En général, les rotors présentent plusieurs roues, disques, masses, ou accouplements … montés sur un arbre qui est plus long que le plus grand diamètre extérieur. La difficulté rencontrée est que la distribution de balourd tout le long du rotor est inconnue et, par conséquent, que le balourd ponctuel ne peut être corrigé individuellement ! Une définition plus rigoureuse est donc que l’équilibrage est l’opération qui consiste à minimiser l’effet des balourds sur les vibrations du rotor et sur les efforts transmis aux paliers.
Les procédures utilisées consistent à appliquer, sur cette distribution inconnue de balourd, un ensemble fini de balourds correcteurs, de façon à ce que l’ensemble se comporte de façon satisfaisante. Il s’agit donc bien de la recherche d’un compromis, dont le résultat est lié aux conditions choisies pour réaliser l’opération d’équilibrage.
La maintenance préventive des machines tournantes passe par une surveillance permanente de leurs vibrations. Un comportement sain est synonyme d’un bas niveau des vibrations et de leur constance dans le temps.
Le balourd résiduel qui gouverne la vibration synchrone correspond à une qualité intrinsèque de la machine, au même titre que ses performances énergétiques.
Cet article va s’attacher à décrire les procédures et critères d’équilibrages. On traitera surtout des machines telles que moteurs électriques, pompes rotatives, turbines, compresseurs, ventilateurs, engrenages, etc., qui sont d’un usage particulièrement courant pour toute transformation de forme d’énergie. Les rotors considérés ont deux propriétés principales :
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ils sont axisymétriques (axe de symétrie de révolution) ;
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ils sont isotropes (mêmes propriétés dans toutes les directions radiales).
Les équilibrages de rotors rigides (à basse vitesse) et flexibles (à vitesse nominale ou in situ) seront présentés. Par contre, l’équilibrage des ensembles mobiles des machines alternatives ne sera pas traité spécifiquement, car les efforts d’inertie des pistons ne sont pas d’origine centrifuge et ne tournent pas avec le rotor. Néanmoins, les principes définis dans cet article pourront leur être transposés, la méthode des coefficients d’influence étant assez universelle. L’équilibrage statique par gravit é, appliqué à de très grandes roues Francis destinées à des barrages hydrauliques, est juste cité ici, mais ne sera pas traité.
Enfin, on remarquera qu’il est nécessaire d’utiliser des modèles mathématiques. La pratique de l’équilibrage ne peut pas être déconnectée de la théorie pour comprendre précisément les phénomènes.
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5. Équilibrage des rotors flexibles
La recherche d’excellents comportements vibratoires des machines sur les sites conduit à des équilibrages aussi près que possible des conditions de fonctionnement, soit :
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des excitations en balourd plus élevées à haute vitesse, donc une meilleure sensibilité ;
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un fonctionnement souvent supercritique, avec des techniques d’équilibrage de rotors flexibles et non plus rigides ;
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des puissances d’entraînement plus élevées, donc des installations d’équilibrage spécifiques ;
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des lancers dans toute la plage de vitesse pour couvrir les fonctionnements à basse vitesse (démarrage), le franchissement de vitesses critiques et la plage normale de fonctionnement continu.
Ces techniques recouvrent également les équilibrages in situ, dont le cas le plus complexe est celui des lignes d’arbres des grands groupes turboalternateurs des centrales de production d’électricité (alternateur entraîné par une turbine comportant un corps haute pression, un corps moyenne pression et plusieurs corps basse pression).
5.1 Installation d’équilibrage
On s’intéresse ici aux installations en usine.
Les machines à équilibrer, décrites au paragraphe 4.1, sont utilisables si leurs caractéristiques de paliers conviennent aux rotors (masse – vitesse de rotation – types de tourillons).
Pour des rotors lourds (alternateurs), on aura des installations avec supportage sur paliers hydrauliques du même type que ceux devant équiper la machine et une protection extérieure de la machine.
Pour des rotors de turbomachines, la mise en rotation des roues aubées dans l’air ambiant à vitesse nominale conduirait à une consommation énergétique très élevée (ventilation – compression). L’installation utilisée est alors une chambre sous vide (environ 10 mbar), de dimension adaptée à...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BIGRET (R.), KARAJANI (P.), VIALARD (S.), CHEVALIER (R.) - Machines tournantes – Détermination des coefficients d’influence par les caractéristiques modales. - Deuxième conférence MSTDAV (Méthodes de surveillance et Techniques de diagnostic acoustiques et vibratoires), Senlis (France). Revue française de mécanique no 1995-4, p. 277-283 – Société française de mécanique (F.), oct. 1995.
-
(2) - CHILDS (D.) - Turbomachinery Rotordynamics (Dynamique de rotor des turbomachines). - 476 p., J. Wiley & Sons New York (USA) (1993).
-
(3) - FRENE (J.), NICOLAS (D.), DEGUEURCE (B.), BERTHE (D.), GAUDET (M.) - Lubrification hydrodynamique – Paliers et butées. - 488 p., Eyrolles (F.) (1990).
-
(4) - LALANNE (M.), FERRARIS (G.) - Rotordynamics prediction in engineering (Prédiction de dynamique de rotor en conception). - 198 p., J. Wiley & Sons Ltd (G.B.), (1990).
-
(5) - LALANNE (M.), FERRARIS (G.) - Dynamique de rotor. - Techniques de l’ingénieur. Traité Génie...
ANNEXES
1 Fournisseurs de matériel d’équilibrage
IRD Mechanalysis
REUTLINGER France
SCHENCK https://www.schenck-rotec.fr/
HAUT DE PAGE
a) Voir les trois compagnies ci-dessus
b) VIBRO-METER France http://www.vibro-meter.com
HAUT DE PAGE2 Normes françaises et internationales
ISO 1925 (2001), Vibrations mécaniques – Équilibrage. Vocabulaire .
ISO 2041 (1990)
ou NF E 90-001 (06-1993), Vibrations et chocs – Vocabulaire.
NF E 90-002 (10-1984), Vibrations...
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