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Article

1 - SYSTÈME VIBRATOIRE AMORTI

2 - ANALYSE VIBRATOIRE D’AUBAGES

3 - ANALYSE DYNAMIQUE DE FLEXION D’UNE LIGNE D’ARBRES

4 - GÉNÉRALISATION

  • 4.1 - Vibrations d’aubages
  • 4.2 - Dynamique d’arbre
  • 4.3 - Machines alternatives

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : BM4175 v1

Généralisation
Vibrations et contraintes alternées dans les turbomachines

Auteur(s) : Martial NAUDIN, Jean-Marc PUGNET

Date de publication : 10 juil. 1999

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Auteur(s)

  • Martial NAUDIN : Ingénieur Arts et Métiers - Chef du Département Turbines à Vapeur de FRAMATOME-THERMODYN

  • 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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INTRODUCTION

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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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm4175


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4. Généralisation

Les vibrations et les contraintes alternées que les turbomachines engendrent sont l’un des phénomènes fondamentaux à prendre en compte lors de leur conception. En effet, les fissures par fatigue sont l’une des principales causes d’avaries, et la surveillance des comportements dynamiques donne une excellente idée de la santé de la machine.

Deux exemples ont été traités dans cet article, pour mettre en évidence certains comportements, sans pour autant être exhaustifs sur les sujets abordés.

4.1 Vibrations d’aubages

L’exemple du paragraphe 2 a traité essentiellement le cas d’aubages « moyenne pression » liés entre eux par un ruban où les principaux modes propres observés sont surtout assimilables à de la flexion.

  • Dans le cas d’aubages « basse pression » de turbines, plus élancés, les modes propres de torsion ont également beaucoup d’importance. Le couplage flexion-torsion, lié au fait que le centre de torsion est différent du centre de gravité de chaque section droite, baisse les fréquences propres. On s’intéresse alors à l’excitation vapeur créée par l’anisotropie azimutale de l’écoulement sous l’effet d’une injection partielle de vapeur à l’amont par exemple, ou par un soutirage en cours de détente ou encore par le changement de direction pris par la vapeur à l’échappement pour aller au condenseur.

  • Les aubages mobiles des compresseurs axiaux, et en particulier les premiers étages des moteurs aéronautiques sont étudiés pour résister au flottement, phénomène d’instabilité couplée aéro-mécanique. Les aubages vibrant sous l’effet de différentes sollicitations, les écoulements interaubes sont perturbés par les déplacements des aubes, ce qui induit des réactions aérodynamiques sur les profils. Dans ce cas, le mouvement vibratoire peut être...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BRAND (A.), FLAVENOT (J.F.), GRÉGOIRE (R.), TOURNIER (C.) -   *  -  Publications CETIM − Données technologiques sur la fatigue. 3e édition 1992.

  • (2) - FRENE (J.), NICOLAS (D.), DEGUEURCE (B.), BERTHE (D.), GODET (M.) -   Lubrification hydrodynamique. Paliers et butées.  -  1990. Éditions Eyrolles.

  • (3) - LALANNE (M.), FERRARIS (G.) -   Dynamique des rotors en flexion.  -  Techniques de l’Ingénieur. Traité Génie mécanique. B 5 110. 1996.

  • (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.

  • (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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