ISO 21940-12 : Vibrations mécaniques – Équilibrage des rotors – Partie 12 : Procédures et tolérances pour les rotors à comportement flexible

Résumé

La norme ISO 21940-12 aborde le défi complexe de l’équilibre rotors flexiblesUn rotor flexible est un rotor dont la forme et la répartition du déséquilibre changent considérablement avec la vitesse de rotation, en particulier lorsqu'il s'approche et traverse sa courbure. vitesses critiquesContrairement aux rotors rigides (traités dans la partie 11), un rotor flexible ne peut être équilibré à basse vitesse et conserver son équilibre à sa vitesse de service élevée. Cette norme fournit les procédures spécialisées, multi-vitesses et multi-plans, nécessaires à l'équilibrage correct de ces systèmes rotatifs complexes, courants dans les machines haute performance telles que les turbines à gaz, les compresseurs et les longs rouleaux industriels.

Table des matières (structure conceptuelle)

La norme fournit un cadre pour comprendre et exécuter les méthodes avancées requises pour l'équilibrage flexible des rotors :

1. 1. Portée et classification des rotors flexibles :

   Ce premier chapitre définit le champ d'application de la norme, précisant qu'elle s'applique aux rotors présentant un comportement flexible, c'est-à-dire dont la répartition du balourd et/ou la forme fléchie varie avec la vitesse. Il introduit un système de classification crucial pour classer ces rotors en fonction de leurs caractéristiques dynamiques, essentielles au choix de la stratégie d'équilibrage appropriée. Les classes sont les suivantes :

   • Classe 1 : Rotors rigides (couvert par la norme ISO 21940-11).
   • Classe 2 : Rotors quasi rigides, qui peuvent être équilibrés à basse vitesse mais peuvent nécessiter un équilibrage de compensation à vitesse de service.
   • Classe 3 : Rotors nécessitant un équilibrage à plusieurs vitesses, utilisant souvent le coefficient d'influence méthode, passant généralement par une ou plusieurs vitesses critiques.
   • Classes 4 et 5 : Rotors hautement flexibles, tels que ceux des grands générateurs à turbine, qui nécessitent des techniques avancées d'équilibrage modal pour corriger plusieurs modes de flexion.

   Cette classification fournit un moyen systématique de déterminer la complexité de la tâche d'équilibrage et les procédures nécessaires pour obtenir un équilibrage réussi sur toute la plage de vitesses de fonctionnement.

2. 2. Procédures d’équilibrage :

   Ce chapitre constitue le cœur technique de la norme et détaille les procédures avancées en plusieurs étapes nécessaires aux rotors flexibles. Il explique qu'un simple équilibrage à basse vitesse est insuffisant et doit être complété par des techniques à grande vitesse pour tenir compte de la flexion du rotor. La norme décrit deux méthodologies principales :

   • Le Coefficient d'influence Méthode: Il s'agit d'une technique polyvalente et largement utilisée. Elle consiste à placer systématiquement une masse d'essai connue dans un plan de correction à la fois et à mesurer la réponse vibratoire résultante (amplitude et phase) à plusieurs endroits et à différentes vitesses. Ce processus est répété pour chaque plan de correction. Les données collectées servent à calculer une matrice de « coefficients d'influence », qui définit mathématiquement l'impact d'un balourd sur les vibrations en tout point de mesure et à toute vitesse. Un ordinateur utilise ensuite cette matrice pour déterminer l'ensemble des masses de correction et leurs positionnements angulaires nécessaires sur tous les plans afin de minimiser simultanément les vibrations sur toute la plage de vitesses.
   • Équilibrage modal : Il s'agit d'une méthode plus intuitive physiquement qui traite chaque mode de flexion du rotor comme un problème de balourd distinct. La procédure consiste à faire tourner le rotor à une vitesse critique spécifique ou proche de celle-ci afin d'exciter au maximum la forme modale correspondante. Des mesures vibratoires sont effectuées pour identifier le point d'équilibre de ce mode, et des poids de correction sont placés aux points de déflexion maximale (ventres) de cette forme modale afin de la contrebalancer. Ce processus est ensuite répété séquentiellement pour chaque mode de flexion significatif dans la plage de vitesses de fonctionnement du rotor, équilibrant ainsi efficacement le rotor un mode à la fois.
3. 3. Spécification des tolérances d'équilibrage :

   Ce chapitre explique que les tolérances simples de classe G utilisées pour les rotors rigides sont souvent insuffisantes pour les rotors flexibles. Il présente plutôt des critères de tolérance plus complets, qui peuvent s'appuyer sur plusieurs facteurs, notamment :

   • Limites du déséquilibre modal résiduel pour chaque mode de flexion significatif.
   • Limites des amplitudes absolues de vibration de l'arbre à des emplacements et à des vitesses spécifiques (en particulier à la vitesse de service).
   • Limites des efforts transmis aux roulements.
4. 4. Vérification de l'état du solde final :

   Cette dernière section détaille les critères d'acceptation d'un rotor flexible parfaitement équilibré. Contrairement à un rotor rigide, qui ne nécessite qu'une vérification à une seule vitesse, un rotor flexible doit être confirmé comme étant équilibré sur toute sa plage de vitesses de fonctionnement. Après application des derniers poids de correction, le rotor est soumis à un essai de démarrage final. Durant cet essai, les vibrations sont surveillées en continu aux points clés (tels que les paliers et les points de déflexion maximale). La norme précise que le rotor est considéré comme étant équilibré de manière acceptable uniquement si les vibrations mesurées restent inférieures aux limites de tolérance prédéfinies à toutes les vitesses, notamment lors du franchissement des vitesses critiques et en maintenant la vitesse maximale de fonctionnement continu. Cette vérification complète garantit que le comportement dynamique complexe du rotor a été efficacement maîtrisé.

Concepts clés

• Comportement flexible vs. rigide : La distinction fondamentale. Un rotor est flexible si sa vitesse de fonctionnement représente une fraction significative (généralement > 70%) de sa fréquence naturelle de première flexion (vitesse critique). À mesure que le rotor tourne plus vite, les forces centrifuges le font fléchir, modifiant ainsi son balourd.
• Vitesses critiques et formes de mode : Comprendre les vitesses critiques du rotor et les « déformations modales » associées (la forme que prend le rotor à cette vitesse) est essentiel pour un équilibrage flexible du rotor. Chaque mode doit être traité comme un problème d'équilibrage distinct.
• Équilibrage multi-plans et multi-vitesses : La méthodologie de base. Contrairement aux rotors rigides, qui peuvent être équilibrés sur deux plans à faible vitesse, les rotors flexibles nécessitent des corrections sur plusieurs plans et des mesures à plusieurs vitesses pour garantir un fonctionnement fluide sur toute la plage de vitesses.
• Équilibrage modal : Une technique puissante qui consiste à ajouter des poids pour compenser spécifiquement le déséquilibre associé à chaque mode de flexion. Par exemple, pour équilibrer le premier mode de flexion, des poids sont placés au point de déflexion maximale de ce mode.

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