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1 - COUPLAGES EN FONCTIONNEMENT PERMANENT EN MOYENNE

2 - COUPLAGES MACHINE/SYSTÈME LORS DE TRANSITOIRES

3 - COUPLAGE HYDROACOUSTIQUE EN RÉGIME PERMANENT EN MOYENNE

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : BM4287 v1

Couplage hydroacoustique en régime permanent en moyenne
Analyse système des machines rotodynamiques

Auteur(s) : Guy CAIGNAERT, Regiane FORTES-PATELLA, Antoine DAZIN

Relu et validé le 11 mars 2021

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RÉSUMÉ

Cet article montre comment les fonctionnements des machines à fluides rotodynamiques sont dépendants de leurs caractéristiques propres (géométrie, vitesse de rotation) et de celles du système au sein duquel la machine est installée. Il concerne les fluides faiblement compressibles. Le point de fonctionnement en régime permanent en moyenne est défini. Les conditions d’unicité et de stabilité d’un point de fonctionnement sont analysées. Les aspects instationnaires associés aux régimes transitoires sont développés, principalement pour les pompes et turbines hydrauliques. Enfin, certaines approches permettant l’étude des conséquences hydroacoustiques des couplages machine-circuit sont présentées.

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ABSTRACT

System analysis of rotodynamic machines

The paper describes how the operation of rotodynamic fluid machines is depending on their own characteristics (geometry, speed of rotation) and on the characteristics of the system on which the machine is installed. It concerns fluids with a weak compressibility. The operating point for steady operating conditions is defined. Conditions for uniqueness and stability of an operating point are discussed. Unsteady aspects associated to transient operating conditions are developed, mainly for hydraulic pumps and turbines. Some developments allowing for the study of hydroacoustics consequences of the matching between a machine and a system are proposed.

Auteur(s)

  • Guy CAIGNAERT : Professeur des Universités émérite - École Nationale Supérieure des Arts et Métiers, Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille, Lille, France

  • Regiane FORTES-PATELLA : Professeur des Universités - Institut National Polytechnique de Grenoble, Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels, Grenoble, France

  • Antoine DAZIN : Professeur des Universités - École Nationale Supérieure des Arts et Métiers, Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille, Lille, France

INTRODUCTION

Cet article concerne le fonctionnement des machines à fluide rotodynamiques (ou turbomachines). Il vise à montrer en quoi ce fonctionnement est dépendant, certes, des paramètres de conception (dimensionnement du rotor et des organes statoriques) et de la vitesse de rotation de la machine, mais également des caractéristiques du système dans lequel la machine est installée pour les besoins de l’utilisateur (dimensionnement des circuits, pertes de charge associées aux débits circulant dans l’installation). Les diverses analyses sont effectuées en considérant principalement les machines pour lesquelles la compressibilité du fluide est très faible (pompes, ventilateurs et turbines hydrauliques), mais plusieurs des conclusions peuvent être étendues aux machines véhiculant des fluides plus compressibles, même si des aspects propres à cette compressibilité plus importante ne sont pas traités (en particulier tout ce qui concerne les aspects blocage sonique et ondes de choc). Les conséquences des couplages entre machine et système sont, en premier lieu, analysées d’un point de vue « statique », c’est-à-dire en se plaçant dans l’hypothèse d’un fonctionnement permanent en moyenne. La notion de point de fonctionnement est ainsi définie et les questions de son unicité et de sa stabilité sont abordées. Les comportements transitoires associés aux phases de démarrage, d’arrêt ou de régulation de débit sont ensuite analysés. Un certain nombre de notions de base sont mises en place en se plaçant dans le cadre d’une conduite rectiligne de section droite d’aire constante. Les phénomènes caractéristiques des propagations d’ondes longitudinales sont mis en place. Des exemples de transitoires de fonctionnement de turbines puis de pompes hydrauliques sont ensuite détaillés. Le cas particulier de la propagation de petites perturbations de pression et de débit lors de fonctionnements permanents en moyenne est enfin abordé. Une méthode d’approche fréquentielle utilisant des assemblages de matrices de transfert hydroacoustiques et de termes « sources » est présentée. Les diverses notions développées dans cet article constituent des bases de dialogue entre constructeurs de machines et utilisateurs.

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KEYWORDS

rotodynamic fluid machine   |   operating point   |   transients   |   hydroacoustics

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm4287


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3. Couplage hydroacoustique en régime permanent en moyenne

Lorsqu’on utilise une machine dans un système dans des conditions de fonctionnement permanentes en moyenne et stables, il est malgré tout certain que des fluctuations des grandeurs thermomécaniques (pressions, débits, vitesses d’écoulement, couples, etc.) existent. Ces fluctuations sont caractérisées par :

  • des amplitudes petites devant les grandeurs moyennes (rapports inférieurs à 10 %) ;

  • des fréquences le plus souvent harmoniques de la fréquence de rotation des machines, associées en particulier aux interactions entre leurs parties fixes et mobiles ;

  • des fréquences diverses qu’on peut associer à l’apparition de phénomènes locaux particuliers tels la cavitation ou les décollements tournants.

Dans ces conditions, un autre type de couplage entre machine et système existe, en liaison avec la propagation des perturbations dans l’ensemble d’une installation. On parle alors d’hydroacoustique ou d’aéroacoustique. Les couplages concernent :

  • d’une part, le fluide véhiculé et les structures mécaniques du système (vibrations qu’on peut relier aux fluctuations des pressions exercées par le fluide sur les structures) ;

  • d’autre part, les structures mécaniques du système et le milieu environnant (bruit aérien).

De nombreux travaux décrivent les sources de bruit associées aux machines rotodynamiques, et proposent des indicateurs de niveaux de bruit [BM 4 179] [BM 4 177] ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - PLUVIOSE (M.) -   Machines à fluides – Principes et fonctionnement.  -  Ellipses (Technosup) (2010).

  • (2) - SULTAN (I.A.), PHUNG (T.H.) -   Positive Displacement Machines – Modern design Innovations and Tools.  -  Academic Press (2019).

  • (3) - GUEDEL (A.) -   Installation des ventilateurs – Guide pratique.  -  Édité par le CETIAT, 27 pages (2018).

  • (4) - EUROPUMP Guide to Advanced Pumping Technology N° 3 -   Operating Rotodynamic Pumps Away From Design Conditions.  -  Elsevier Advanced Technology (2000).

  • (5) - SÉDILLE (M.), FRELIN (M.), PLUVIOSE (M.) -   Fonctionnement en parallèle de pompes à courbes bossues.  -  La Houille Blanche, n° 2/3, p. 159-166 (1982).

  • (6) - GREITZER (E.M.) -   The...

NORMES

  • Turbines hydrauliques, pompes d’accumulation et pompes-turbines – Essais de réception sur modèle. - NF EN IEC 60193 - 2019

  • Ventilateurs – essais aérauliques sur circuits normalises. - NF EN ISO 5801 - 2017

  • Turbocompresseurs – code d’essais des performances – essai de réception simplifié. - ISO 18740 :2016 - 2016

  • Pompes pour liquides et installations – Termes généraux, définitions, grandeurs, symboles littéraux et unité – Partie 1 : pompes pour liquides. - NF EN ISO 17769-1 - 2012

  • Essais de réception sur place des turbines hydrauliques, pompes d'accumulation et pompes-turbines, en vue de la détermination de leurs performances hydrauliques. - NF EN 60041 - 2014

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