Vibrations et contraintes alternées dans les turbomachines

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.