Comprendre les diagrammes d'interférence

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Définition : Qu'est-ce qu'un diagramme d'interférence ?

Un diagramme d'interférence est un outil graphique utilisé dans dynamique du rotor identifier les plages de vitesses de rotation où les fréquences d'excitation “ interfèrent ” avec (correspondent) le système fréquences naturelles, créant les conditions pour résonance. Le terme “ interférence ” désigne l’interaction problématique entre une fréquence de forçage (issue de déséquilibrer, passage de lames ou autres sources) et une fréquence naturelle pouvant entraîner une surabondance vibration.

Bien qu'étroitement lié à Diagramme de Campbell, un diagramme d'interférence se concentre souvent spécifiquement sur la mise en évidence des points d'intersection (interférences) et des zones de vitesse associées qui doivent être évitées ou traversées rapidement pendant le fonctionnement.

Relation avec les diagrammes de Campbell

En pratique, les termes “ diagramme d’interférence ” et “ diagramme de Campbell ” sont souvent utilisés indifféremment, car ils présentent des informations similaires. Cependant, des distinctions subtiles existent :

Diagramme de Campbell : accentuation

• Présente l'ensemble des variations des fréquences naturelles en fonction de la vitesse.
• Affiche les courbes de fréquence naturelle sous forme de fonctions continues de la vitesse
• Utilisé principalement pour l'analyse et la conception complètes de la dynamique des rotors

Diagramme d'interférence : accentuation

• L'attention se porte sur les zones problématiques spécifiques — les points d'intersection
• Comprend souvent des “ zones interdites ” ombrées autour des vitesses critiques.
• Plus axé sur les opérations, mettant l'accent sur les plages de vitesses à éviter
• Peut inclure plusieurs sources d'excitation au-delà du simple déséquilibre

Construction d'un diagramme d'interférence

Un diagramme d'interférence est construit de manière similaire à un diagramme de Campbell, mais avec un contexte opérationnel supplémentaire :

Éléments de base

• Axe horizontal : Vitesse de rotation (tr/min ou Hz)
• Axe vertical : Fréquence d'excitation ou fréquence naturelle (Hz ou CPM)
• Lignes de fréquence naturelle : Démonstration de la variation des fréquences naturelles du système avec la vitesse
• Lignes de commande d'excitation : Lignes diagonales pour les sources d'excitation 1X, 2X, 3X et autres

Caractéristiques supplémentaires

• Points d'intersection mis en évidence : Les vitesses critiques sont clairement indiquées par des symboles ou des annotations.
• Zones de vitesse interdite : Des bandes ombrées entourent chaque vitesse critique, indiquant les plages à éviter.
• Plage de vitesse de fonctionnement : Clairement indiquée, souvent sous forme de bande verticale ou de zone mise en évidence
• Zones de traversée rapide : Plages de vitesses pour un passage rapide lors du démarrage/arrêt
• Sources d'excitation multiples : Courbes de fréquence de passage des pales, de fréquence d'engrènement et de fréquence de défaut des roulements

Types d'interférences

Un diagramme d'interférence permet d'identifier différents types d'interactions problématiques :

1. Interférence synchrone (1X)

Le type le plus courant, où les forces de déséquilibre, agissant une fois par révolution, coïncident avec une fréquence naturelle. C'est le type classique. vitesse critique condition.

2. Interférence harmonique (2X, 3X, etc.)

Les harmoniques supérieures de la vitesse de course peuvent également exciter des résonances. Les sources courantes comprennent :

• 2X : De désalignement, jeu mécanique ou rigidité asymétrique
• 3X, 4X : Du fait des contacts entre les dents d'engrenage, des roulements multilobes ou des asymétries structurelles

3. Interférence de passage des pales/ailettes

Dans les turbomachines, la fréquence de passage des aubes (nombre d'aubes × tr/min) peut exciter des modes de structure. Le diagramme d'interférence indique les points d'intersection des courbes de fréquence de passage des aubes avec les fréquences propres.

4. Interférences sous-synchrones

Des phénomènes comme le tourbillon d'huile (généralement à 0,43X-0,48X) peuvent créer des interférences sous-synchrones qui doivent être identifiées et gérées.

5. Interférence de fréquence de battement

Dans les systèmes couplés ou les systèmes comportant plusieurs éléments rotatifs, les battements de fréquence dus à de légères différences de vitesse peuvent créer des interférences.

Utilisation pratique dans la conception de machines

Applications en phase de conception

1. Évitement de la vitesse critique : Assurez-vous que la plage de vitesses de fonctionnement ne chevauche pas les zones d'interférence.
2. Vérification de la marge de séparation : Vérifier des marges adéquates (généralement de ±15% à ±30%) autour de toutes les vitesses critiques.
3. Gestion des sources d'excitation : Si une interférence est inévitable, réduisez l'amplitude de la source d'excitation (améliorez l'équilibre, réduisez le désalignement, etc.).
4. Exigences d'amortissement : Identifier les zones améliorées amortissement est nécessaire pour contrôler les vibrations de résonance

Modification et dépannage

Lorsque des machines existantes présentent des problèmes de vibrations, les diagrammes d'interférence sont utiles :

• Déterminez si le problème est dû à un fonctionnement trop proche d'une vitesse critique.
• Évaluer les modifications proposées (modifications des paliers, masse ajoutée, modifications de la rigidité)
• Prédire les effets des changements de vitesse ou du fonctionnement à vitesse variable
• Déterminez si le problème provient d'une source d'excitation inattendue.

Création de zones de vitesse interdite

Une caractéristique essentielle des diagrammes d'interférence est la définition des zones de vitesse interdites ou limitées :

Détermination de la largeur de la zone

La largeur de chaque zone interdite dépend de plusieurs facteurs :

• Amortissement du système : Un faible amortissement nécessite des zones plus larges ; un amortissement élevé permet des zones plus étroites.
• Amplitude d'excitation : Les sources d'excitation importantes nécessitent des zones d'évitement plus larges.
• Conséquences opérationnelles : Les équipements critiques peuvent nécessiter des zones plus conservatrices (plus larges).
• Valeurs typiques: ±15% pour les systèmes bien amortis, ±20-30% pour les systèmes mal amortis

Procédures opérationnelles

Sur la base du diagramme d'interférence, des procédures opérationnelles sont établies :

• Fonctionnement continu autorisé : Plages de vitesses sans interférences
• Déplacement rapide requis : Zones interdites à traverser rapidement lors du démarrage/arrêt
• Absolument interdit : Zones de résonance extrêmes où toute utilisation est strictement interdite

Exemple : Diagramme d'interférence de turbine

Considérons une turbine à vapeur présentant les caractéristiques suivantes :

• Vitesse de fonctionnement: 3000 tr/min (50 Hz)
• Première vitesse critique : 2400 tr/min (40 Hz)
• Deuxième vitesse critique : 4200 tr/min (70 Hz)
• Nombre de lames : 60
• Fréquence de passage des lames à 3000 tr/min : 60 × 50 Hz = 3000 Hz

Le diagramme d'interférence montre :

• La ligne 1X franchit la première fréquence naturelle : Vitesse critique à 2400 tr/min — Zone interdite : 2040-2760 tr/min (±15%)
• La ligne 1X franchit la deuxième fréquence naturelle : Vitesse critique à 4 200 tr/min — Sans objet, la vitesse de fonctionnement étant bien inférieure.
• Vitesse de fonctionnement (3000 tr/min) : Entre deux vitesses critiques en toute sécurité, avec de bonnes marges de séparation.
• Fréquence de passage des lames : À 3000 Hz, aucune interférence avec les modes structurels dans la plage de fonctionnement

Instructions opérationnelles :

• Au démarrage, accélérer dans la plage de 2040 à 2760 tr/min en moins de 30 secondes.
• Un fonctionnement continu entre 2800 et 3200 tr/min est acceptable.
• Ne pas tenter un fonctionnement continu entre 2040 et 2760 tr/min

Considérations avancées

Effets de la température

Certains diagrammes d'interférence comportent plusieurs courbes illustrant le déplacement des fréquences naturelles en fonction des variations de température (la dilatation thermique influe sur la rigidité et les caractéristiques des paliers). Les vitesses critiques peuvent varier à mesure que la machine chauffe.

Effets de charge

Pour les machines où la charge de processus affecte significativement la rigidité des paliers ou la déflexion du rotor, les diagrammes d'interférence peuvent montrer des familles de courbes pour différentes conditions de charge.

Systèmes couplés

Lorsque plusieurs rotors sont couplés (groupes motopompes, groupes turbine-générateur), le diagramme d'interférence doit tenir compte des modes de torsion et latéraux couplés qui peuvent créer des vitesses critiques supplémentaires.

Création d'un diagramme d'interférence

À partir de modèles analytiques

1. Développer un modèle par éléments finis du système rotor-palier
2. Calculer les fréquences naturelles à plusieurs vitesses
3. Tracer les courbes de fréquence naturelle en fonction de la vitesse
4. Superposer les lignes d'ordre d'excitation (1X, 2X, passage de pale, etc.)
5. Marquez les points d'intersection et établissez des zones interdites.
6. Annoter avec la plage de vitesses de fonctionnement et les procédures

À partir de données expérimentales

1. Effectuer des tests de démarrage et de décélération avec surveillance des vibrations
2. Générer parcelles en cascade ou Diagrammes de Bode
3. Identifier les zones critiques de vitesse à partir des pics d'amplitude et des déphasages.
4. Créer un diagramme d'interférence indiquant les vitesses critiques observées
5. Établir des zones interdites empiriques en fonction des niveaux de vibration mesurés

Avantages pour les opérations et la maintenance

Les diagrammes d'interférence fournissent des indications précieuses aux opérateurs de machines et au personnel de maintenance :

• Limites de fonctionnement claires : Indication visuelle des plages de vitesse sûres et dangereuses
• Procédures de démarrage/arrêt : Identifie les vitesses pour se déplacer rapidement
• Fonctionnement à vitesse variable : Définit les plages de vitesses acceptables pour les variateurs de vitesse.
• Outil de dépannage : Permet de diagnostiquer si les problèmes de vibrations sont liés à la vitesse.
• Planification des modifications : Démontre l'impact des changements proposés avant leur mise en œuvre.
• Aide à la formation : Outil pédagogique pour comprendre le comportement dynamique des machines

Pour les machines tournantes critiques, le diagramme d'interférence est un document essentiel qui doit être mis à la disposition des opérateurs, des techniciens de maintenance et du personnel d'ingénierie, afin de garantir que chacun comprenne les caractéristiques dynamiques de la machine et l'utilise dans des plages de vitesse sûres.

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