Comprendre un rotor flexible

Définition : Qu'est-ce qu'un rotor flexible ?

A rotor flexible est un rotor qui se déforme ou se plie en raison des forces centrifuges lorsqu'il fonctionne à ou près de sa vitesses critiques. Contrairement à un rotor rigide, qui peut être équilibré à basse vitesse et le reste sur toute sa plage de régimes de fonctionnement, la répartition du balourd d'un rotor flexible évolue en fonction de sa forme et de sa vitesse. L'équilibrage d'un rotor flexible est donc un processus nettement plus complexe.

En règle générale, un rotor est considéré comme flexible si sa vitesse de service maximale est 70% ou plus de sa première vitesse critique de flexion.

Pourquoi les rotors flexibles se comportent-ils différemment ?

La clé pour comprendre un rotor flexible est le concept de vitesses critiques et formes de mode.

• Vitesse critique : Il s'agit d'une vitesse de rotation correspondant à l'une des fréquences naturelles du rotor. À cette vitesse, le rotor entre en résonance, et le moindre déséquilibre est fortement amplifié, provoquant sa flexion.
• Forme du mode : Il s'agit de la forme caractéristique que prend le rotor lorsqu'il atteint une vitesse critique spécifique. La première vitesse critique présente une forme semi-sinusoïdale simple, la seconde une forme sinusoïdale complète (avec un nœud au milieu), et ainsi de suite.

Lorsqu'un rotor flexible tourne, la position du point lourd (centre de masse) se déplace sous l'effet de cette flexion. Un balourd présent à basse vitesse peut se trouver à une position effective totalement différente à haute vitesse. Par conséquent, un simple équilibrage sur deux plans effectué à basse vitesse ne suffira pas à assurer un fonctionnement régulier à la vitesse de service ou lors du passage aux vitesses critiques.

Équilibrage des rotors flexibles

L'équilibrage des rotors flexibles est une tâche spécialisée qui nécessite des techniques et des équipements avancés, comme indiqué dans des normes telles que ISO 21940-12L’objectif n’est pas seulement d’équilibrer le rotor pour une vitesse, mais de garantir qu’il fonctionne en douceur sur toute sa plage de fonctionnement, y compris en passant par ses vitesses critiques.

Les techniques courantes comprennent :

• Équilibrage modal : Il s'agit d'une technique puissante où chaque mode de flexion est traité comme un problème de déséquilibre distinct. Des poids de correction sont placés stratégiquement dans plusieurs plans du rotor afin de contrer spécifiquement les forces générées par chaque mode de déformation. Par exemple, pour corriger le premier mode, les poids sont placés au centre du rotor, là où la flexion est la plus importante. Pour corriger le second mode, les poids sont placés de part et d'autre du nœud central.
• Méthode du coefficient d'influence (multi-vitesses, multi-plans) : Cela implique de faire fonctionner le rotor à différentes vitesses (y compris à proximité des vitesses critiques) et d'utiliser des poids d'essai dans plusieurs plans de correction. Les données sont utilisées pour construire une matrice complexe de coefficients d'influence décrivant la réponse du rotor. Un ordinateur résout ensuite cette matrice pour déterminer l'ensemble optimal de poids de correction pour plusieurs plans simultanément.

Ce processus nécessite généralement une machine d’équilibrage à grande vitesse capable de faire fonctionner le rotor en toute sécurité à ses vitesses critiques et un logiciel sophistiqué pour effectuer les calculs nécessaires.

Exemples de rotors flexibles

Les rotors flexibles sont courants dans les machines à haute performance, notamment :

• Générateurs à turbine à vapeur et à gaz de grande taille
• Turbocompresseurs à grande vitesse
• Arbres et rouleaux longs et fins dans les machines à papier
• Broches de machines-outils à grande vitesse

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