Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
Auteur(s)
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Martial NAUDIN : Ingénieur Arts et Métiers - Chef du Département Turbines à Vapeur de FRAMATOME-THERMODYN
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Jean-Marc PUGNET : Ingénieur Arts et Métiers - Ingénieur Automaticien de l’Université de Grenoble - Chef du Département Recherches et Développements de FRAMATONE-THERMODYN - Expert Principal de FRAMATOME
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Lire l’articleINTRODUCTION
C hacun connaît l’histoire de ponts rompus simplement lors de leur traversée par un régiment d’infanterie marchant au pas cadencé. Le pont de Tacoma aux États-Unis s’est effondré lui, six mois après sa mise en service en 1940, sous l’effet d’un vent régulier mais pas particulièrement élevé. Il avait déjà supporté des vents à peine moins rapides ou plus violents sans dommage. Ces accidents sont ici le résultat d’une résonance, coïncidence d’une fréquence propre de structure et d’une fréquence d’excitation.
Ces phénomènes vibratoires sont également fréquemment à l’origine des incidents mécaniques rencontrés sur les turbomachines. Un calcul des modes propres des composants, ainsi que la connaissance des excitations qui sont susceptibles de leur être appliquées en fonctionnement, permettent d’améliorer sensiblement la fiabilité et la disponibilité du matériel.
Le développement des moyens informatiques a permis un calcul de plus en plus précis des fréquences et modes propres grâce, en particulier, aux techniques des éléments finis. De nombreux logiciels ont été développés, parfois généraux, parfois spécifiques à des études particulières comme par exemple l’analyse torsionnelle d’une ligne d’arbres. Par contre, la connaissance des sources d’excitation, si elle s’est beaucoup améliorée, reste encore parfois insuffisante pour expliquer et surtout anticiper des phénomènes vibratoires complexes que l’on peut rencontrer sur les machines tournantes.
L’objectif de cet article est de présenter à travers deux exemples bien différents, choisis dans le domaine des turbomachines, la méthodologie à appliquer pour effectuer une analyse vibratoire de composants mécaniques aussi complète que possible.
Les aubages mobiles de turbines à vapeur, très riches en modes propres, sont soumis à des excitations liées à l’écoulement vapeur souvent élevées. Les concepteurs ont développé de nombreuses techniques pour apporter, notamment, de l’amortissement afin de réduire l’effet de ces perturbations et assurer la tenue en fatigue de ces composants.
L’étude dynamique de flexion d’une ligne d’arbres de turbomachines est indispensable si l’on veut éviter toute surprise lors de sa mise en service. Un bas niveau vibratoire des rotors est un paramètre important pour assurer une disponibilité et une longévité élevées des machines tournantes. Il est également garant de la conservation des jeux internes et donc du rendement.
Les développements théoriques sont largement explicités dans de nombreux ouvrages techniques et ne sont pas repris dans cet article. Toutefois, l’étude d’un système vibratoire simple soumis à une excitation forcée est présentée succinctement.
Les critères d’acceptabilité sont donnés à titre indicatif. Ils sont le résultat de l’expérience ou imposés par des codes de construction de machines tournantes.
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Analyse dynamique de flexion d’une ligne d’arbres
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2. Analyse vibratoire d’aubages
2.1 Aubages de turbines à vapeur
Les aubages mobiles montés sur le rotor d’une turbine ont à supporter à la fois des charges constantes telles que les forces centrifuges et des charges dynamiques liées principalement à l’écoulement vapeur. Si le calcul de certaines grandeurs physiques, telles que les contraintes centrifuges, est relativement aisé, il n’en est pas de même des contraintes dynamiques dont la détermination est indispensable lorsqu’apparaissent des phénomènes de résonance.
Lors du dimensionnement mécanique d’un aubage, il est nécessaire d’effectuer une analyse vibratoire dont les différentes phases sont représentées sur le diagramme de la figure 4.
Cette méthodologie peut être appliquée dès sa conception à tout composant mécanique soumis à des excitations dynamiques, si le niveau de contrainte moyen est élevé ou si les excitations sont importantes. Elle est également appropriée dans la recherche des causes d’incident d’une pièce présentant un faciès de rupture par fatigue.
Les différentes phases sont explicitées dans les paragraphes suivants.
HAUT DE PAGE2.2 Modes propres des aubages mobiles
La technologie des aubages mobiles est spécifique à chaque constructeur. Ces aubages sont le plus souvent rapportés à la périphérie des disques du rotor et, exceptionnellement, usinés directement dans le rotor lui-même, par électroérosion par exemple.
La figure 5 montre un rotor de turbine à vapeur de 7 MW tournant à 8 000 tr/min et comprenant sept rangées d’aubages mobiles. La figure 6 représente deux types différents d’accrochage, le premier étant un montage circonférentiel avec pied type Té, le second un montage axial avec pied type sapin.
Les aubages de chaque rangée sont également liés entre eux au sommet par groupe à l’aide de rubans rivetés, le nombre d’ailettes par groupe étant déterminé pour limiter les contraintes dynamiques.
Les logiciels utilisant les méthodes de calculs aux éléments finis permettent de déterminer les modes propres avec, pour chacun d’eux, sa fréquence...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BRAND (A.), FLAVENOT (J.F.), GRÉGOIRE (R.), TOURNIER (C.) - * - Publications CETIM − Données technologiques sur la fatigue. 3e édition 1992.
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(2) - FRENE (J.), NICOLAS (D.), DEGUEURCE (B.), BERTHE (D.), GODET (M.) - Lubrification hydrodynamique. Paliers et butées. - 1990. Éditions Eyrolles.
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(3) - LALANNE (M.), FERRARIS (G.) - Dynamique des rotors en flexion. - Techniques de l’Ingénieur. Traité Génie mécanique. B 5 110. 1996.
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(4) - GELIN (A.), PUGNET (J.M.), BOLUSSET (D.), FRIEZ (P.) - Expérience in Full load Testing natural Gas Centrifugal Compressors for rotordynamics Improvements. - ASME paper 96-GT-378 (ASME − IGTI − Birmingham June 1996). − Transactions of the ASME. Journal of engineering for gaz turbines and power − October 1997 pp 934-941.
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(5) - Special Purpose Steam Turbines for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services. - Standard API 612 − 4e édition 1995. American Petroleum Institute.
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