Comprendre le frottement du rotor dans les machines tournantes

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Définition : Qu'est-ce que le frottement du rotor ?

Frottement du rotor Le frottement (également appelé contact rotor-stator) est une situation où les composants rotatifs d'une machine entrent en contact, de manière intermittente ou continue, avec des pièces fixes telles que des joints d'étanchéité, des paliers ou des parois de carter. Ce contact crée des forces de frottement, génère de la chaleur et produit des vibrations caractéristiques. vibration Des schémas qui peuvent rapidement dégénérer en défaillance catastrophique s'ils ne sont pas immédiatement pris en charge.

Le frottement du rotor est particulièrement dangereux car le contact peut créer un cercle vicieux : les vibrations provoquent le frottement, le frottement génère de la chaleur, la chaleur provoque arc thermique, L'effet de serrement thermique accentue les vibrations, ce qui provoque des frottements plus importants. Cette spirale peut détruire une machine en quelques minutes si elle n'est pas stoppée.

Types de frottement du rotor

1. Frottement léger (contact intermittent)

• Contact bref et occasionnel pendant les cycles de déviation maximale
• Peut se produire uniquement à certaines vitesses ou dans certaines conditions de fonctionnement
• Produit des pics de vibration erratiques et intermittents
• Souvent au niveau des joints ou des jeux dans les labyrinthes
• Peut être toléré brièvement, mais indique un problème nécessitant une correction.

2. Frottement partiel (contact léger continu)

• Contact continu mais avec une faible force de frottement
• Le rotor maintient sa rotation tout en raclant une surface stationnaire.
• Génère des vibrations continues sub-synchrones ou synchrones
• Produit de la chaleur et des débris d'usure
• Peut évoluer vers un frottement important si non corrigé.

3. Frottement intense (contact annulaire complet)

• Le rotor entre en contact avec le stator sur toute ou une grande partie de sa circonférence.
• forces de frottement très élevées
• Augmentation rapide de la température (des centaines de degrés en quelques minutes)
• Vibrations sévères, souvent chaotiques
• Peut entraîner un grippage du rotor ou une panne catastrophique
• Nécessite un arrêt d'urgence immédiat

Lieux fréquents de frottement

• Sceaux du labyrinthe : Un jeu réduit favorise les frottements des joints.
• Roulements de retenue : Paliers de secours conçus pour retenir l'arbre lors d'événements graves
• Joints d'étanchéité du piston d'équilibrage : Dans les compresseurs et pompes multi-étages
• Diaphragmes inter-étages : Dans les turbines
• Boîtier de roulement : Cas graves où l'arbre entre en contact avec le chapeau de palier
• Manchons d'arbre : Manchons de protection aux emplacements des joints

Causes du frottement du rotor

Vibrations excessives

• Grave déséquilibrer provoquant une forte déviation de l'arbre
• Désalignement création d'un mouvement d'arbre
• Fonctionnant à vitesse critique avec amplification résonante
• Instabilité du rotor (fouet d'huile, tourbillon de vapeur)

Dégagement insuffisant

• Assemblage incorrect entraînant un jeu radial insuffisant
• Dilatation thermique réduisant les jeux pendant la mise en température
• L'usure des roulements permet un mouvement excessif de l'arbre
• Le tassement des fondations rapproche les pièces fixes du rotor.

Événements transitoires

• Passage de la vitesse critique lors du démarrage/de la décélération
• Les variations de charge provoquent une déformation soudaine de l'arbre
• Événements de voyage ou arrêts d'urgence
• conditions de survitesse

Signatures vibratoires du frottement du rotor

Modèles caractéristiques

• Composants sous-synchrones : Fréquences inférieures à 1× (souvent 1/2×, 1/3×, 1/4×) par rapport à la rotation inverse pendant le frottement
• Harmoniques multiples : 1×, 2×, 3×, 4× en raison des forces de frottement non linéaires
• Comportement erratique : Changements soudains dans amplitude et la fréquence
• Bruit à large bande : Composantes aléatoires à haute fréquence dues au frottement et aux impacts
• Instabilité de phase : angles de phase varier de façon erratique

Caractéristiques du spectre

• De nombreux pics à des ordres fractionnaires et multiples
• Niveau de bruit élevé dû aux impacts aléatoires
• Le spectre change rapidement et de manière imprévisible
• Parcelles en cascade afficher les composantes de fréquence qui apparaissent et disparaissent

Analyse de l'orbite

Orbite de l'arbre Les motifs observés lors du frottement sont très distinctifs :

• Formes orbitales irrégulières et déformées
• Angles vifs ou surfaces planes où le contact se produit
• La forme de l'orbite change en fonction de la gravité du frottement.
• Présente souvent des composantes de précession inverse (rétrograde).

Conséquences et dommages

Effets immédiats

• Chauffage par friction : Le contact génère une chaleur locale intense (300-600°C possibles).
• Arc thermique : Le chauffage asymétrique provoque la flexion de l'arbre, augmentant ainsi la gravité du frottement
• Porter: Matière enlevée des surfaces de l'arbre et du stator
• Génération de débris : Les particules d'usure contaminent les roulements et les joints d'étanchéité.

Dommages secondaires

• Destruction du sceau : Les dents du sceau du labyrinthe étaient usées ou cassées
• Surcharge du roulement : Augmentation des charges et de l'échauffement dus aux forces de frottement
• Arc à tige permanente : Une forte chaleur peut provoquer une déformation plastique
• Score du manche : Rainures usées dans la surface de l'arbre

Défaillances catastrophiques

• Saisie de l'arbre : Blocage complet dû à un frottement intense
• Fracture de la tige : La zone affectée thermiquement provoque l'amorçage de fissures.
• Chute du rotor : La défaillance des roulements due à la surchauffe peut entraîner la chute du rotor sur les paliers de retenue ou sur le carter.
• Risque d'incendie : Des débris chauds ou des étincelles peuvent enflammer des matériaux inflammables.

Détection et diagnostic

Indicateurs d'analyse vibratoire

• Apparition soudaine de plusieurs composants sous-synchrones
• Modèles de vibration erratiques et non reproductibles
• Forte augmentation du niveau de vibration global
• Modifications des vibrations immédiatement après les changements de vitesse
• Des orbites atypiques aux caractéristiques marquées.

Preuves matérielles

• Poussières ou particules métalliques dans les paliers
• Marques d'usure ou rayures visibles sur les surfaces exposées de l'arbre
• Composants d'étanchéité endommagés ou usés
• La température des roulements augmente
• Des bruits de raclement ou de grincement audibles

Intervention d'urgence

En cas de suspicion de frottement du rotor pendant le fonctionnement :

1. Évaluer la gravité : Un frottement léger peut permettre un arrêt contrôlé ; un frottement important nécessite un arrêt d’urgence immédiat.
2. Réduisez votre vitesse : Si possible, réduisez progressivement la vitesse tout en surveillant les vibrations.
3. Surveiller les températures : L'augmentation de la température des paliers indique une aggravation de la situation.
4. Arrêt d'urgence : Si les vibrations continuent d'augmenter ou si les températures augmentent rapidement
5. Ne pas redémarrer : Jusqu'à ce que les dégagements soient vérifiés et que la zone de frottement soit identifiée
6. Événement du document : Enregistrement des données de vibration, des températures et des vitesses pour analyse

Prévention et atténuation

Mesures de conception

• Dégagements radiaux adéquats à tous les points de frottement potentiels
• Tenir compte de la dilatation thermique dans la conception du jeu.
• Utilisez des revêtements abrasifs aux points d'étanchéité pour minimiser les dommages causés par les frottements légers.
• Installer des roulements de retenue pour limiter la déformation lors d'événements graves

Mesures opérationnelles

• Maintenir une bonne équilibre pour minimiser la déflexion de l'arbre
• Assurer un alignement précis
• Suivez les procédures de préchauffage appropriées pour gérer la croissance thermique
• Éviter le fonctionnement à des vitesses critiques
• Surveiller en continu les vibrations des équipements critiques

Surveillance et protection

• Installer des alarmes de vibration réglées en dessous des seuils de frottement.
• Surveiller la température des roulements et des joints d'étanchéité
• Utilisez des sondes de proximité pour suivre la position et les jeux des arbres.
• Mettre en place un arrêt automatique en cas de vibrations excessives.

Le frottement du rotor constitue une situation d'urgence nécessitant une intervention immédiate. Comprendre ses causes, reconnaître ses signatures vibratoires distinctives et mettre en œuvre des mesures de prévention et de protection appropriées sont essentiels au fonctionnement sûr des machines tournantes, en particulier des équipements à grande vitesse ou à faible dégagement comme les turbines et les compresseurs.

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