Comprendre le rotor dans les machines tournantes
A rotor est le principal ensemble rotatif à l'intérieur d'une machine. Il se compose généralement d'un arbre central sur lequel sont montés d'autres composants — roues, pales, aimants ou induits —, soutenu par des roulements et conçu pour transmettre un couple et effectuer un travail utile. L'étude du comportement d'un rotor lorsqu'il tourne, y compris ses vibrations et ses déformations, est dynamique du rotor, un domaine essentiel du génie mécanique. En effet, presque tous les défauts qu'un ingénieur cherche à diagnostiquer avec analyse des vibrations provient du rotor ou agit sur celui-ci, sachant que c'est le point de départ tant pour le diagnostic que pour l'équilibrage.
1. Définition : qu'est-ce qu'un rotor ?
Au sens large, le rotor désigne l'ensemble des éléments qui tournent d'un seul bloc autour de l'axe de la machine. Il ne s'agit pas seulement de l'arbre, mais de l'ensemble du système rotatif — l'arbre ainsi que toutes les pièces qui y sont clavetées, emmanchées à chaud, boulonnées ou soudées —, ainsi que des roulements et de la structure de support qui en délimitent le mouvement ; l'ensemble de ces éléments constitue le système rotor-palier. La répartition de cette masse autour de l'axe et la rigidité de l'arbre par rapport à sa vitesse de fonctionnement déterminent la quasi-totalité du comportement dynamique du rotor.
2. La classification fondamentale : rotors rigides et rotors flexibles
La distinction la plus importante en dynamique des rotors consiste à déterminer si un rotor se comporte comme un corps « rigide » ou « flexible ». Cette classification est pas en fonction non pas de la rigidité du matériau, mais du rapport entre la vitesse de fonctionnement de la machine et celle du rotor vitesses critiques — ses fréquences propres de flexion. Un même arbre en acier peut être rigide dans une machine et flexible dans une autre, simplement en raison de la vitesse à laquelle il tourne.
Rotors rigides
Un rotor est considéré rigide lorsque sa vitesse de fonctionnement est nettement inférieure à sa première vitesse critique de flexion — généralement inférieure à environ 70 % de cette première vitesse critique. À ces vitesses, l'arbre ne se déforme pas de manière significative sous l'effet d'une charge dynamique, et l'ensemble du rotor peut être considéré comme une masse rigide unique.
- Caractéristiques: ont tendance à être plus courts et plus trapus, et tournent à des vitesses moins élevées.
- Équilibre : peut être entièrement corrigé avec deux plans l’équilibrage dynamique conformément aux principes de la mécanique des corps rigides.
- Exemples : la plupart des moteurs électriques standard, les ventilateurs à basse vitesse, les meules et de nombreuses roues de pompe.
Rotors flexibles
Un rotor est souple lorsqu'il est conçu pour fonctionner à une vitesse proche, égale ou supérieure à l'une ou plusieurs de ses vitesses critiques de flexion. À l'approche d'une vitesse critique, l'arbre se déforme et se courbe de manière significative, prenant une forme courbée caractéristique — son mode propre.
- Caractéristiques: ont généralement une silhouette allongée et élancée, et tournent à grande vitesse.
- Équilibre : l'équilibrage sur deux plans n'est pas suffisant. Les rotors flexibles nécessitent méthodes à plans multiples qui tiennent compte de la flexion de l'arbre, notamment équilibrage modal (en corrigeant chaque déformée modale individuellement) ou à plusieurs vitesses coefficient d'influence équilibrage.
- Exemples : grandes turbines à vapeur et à gaz, compresseurs à grande vitesse, longs arbres de transmission et rotors de générateurs.
La conception et l'analyse des rotors flexibles sont bien plus complexes, car leur comportement dynamique varie en fonction de la vitesse. Déterminer à quelles valeurs se situent ces vitesses critiques constitue en soi une tâche de conception ; une calculateur de la vitesse critique du rotor permet d'obtenir rapidement une première estimation de la première fréquence propre de flexion à partir des données relatives à l'arbre et à la portée du palier.
3. Composants courants d'un ensemble rotor
Un rotor est bien plus qu'un simple arbre. Un assemblage typique peut comprendre :
- Arbre: l'élément central qui transmet le couple.
- Roues, pales ou aubes : les composants qui agissent sur un fluide dans les pompes, les ventilateurs et les turbines.
- Armature / enroulements : la partie rotative d'un moteur électrique ou d'un générateur.
- Journaux: les sections d'arbre hautement polies qui coulissent à l'intérieur d'un palier lisse.
- Accouplements : les moyeux qui relient le rotor à la machine adjacente, qui constituent eux-mêmes une source de problèmes en raison de défauts de couplage.
- Colliers de poussée : composants qui transmettent la force axiale à un palier de butée.
- Anneaux ou plans d'équilibrage : la personne désignée plans de correction où un poids de correction est ajouté lors de l'équilibrage.
4. Problèmes courants liés aux rotors
L'analyse des vibrations permet de détecter un large éventail de défauts provenant de l'ensemble rotor :
- Déséquilibrer: le problème le plus courant, dû à une répartition inégale de la masse autour de l'axe.
- Arbre plié: une courbure ou un fléchissement physique de l'arbre.
- Fissure d'arbre: une fissure de fatigue en cours de formation pouvant entraîner une rupture catastrophique.
- Désalignement: Bien qu'il s'agisse strictement d'un problème entre les rotors, cela entraîne des contraintes importantes au sein de l'ensemble rotor.
- Frottement entre le rotor et le stator: contact entre les parties rotatives et fixes de la machine.
- Relâchement: un jeu excessif d'un composant, tel qu'une roue, sur l'arbre.
La plupart d'entre elles se manifestent sous la forme de signatures de fréquence distinctes — un déséquilibre à une vitesse de fonctionnement normale, un désalignement à une vitesse double, un jeu sous la forme d'une longue série d'harmoniques —, ce qui permet à un analyste de les distinguer les unes des autres sans avoir à démonter le système.
5. Équilibrage du rotor sur site
Le balourd, qui est de loin le défaut le plus fréquent des rotors, est corrigé par équilibrage: ajouter ou retirer de petites masses afin de ramener l'axe de masse vers l'axe géométrique. Sur une machine assemblée, cette opération s'effectue sur place plutôt que sur une machine d'équilibrage. Un appareil portable à deux canaux tel que le Balanset-1A mesure l'amplitude et la phase de la composante 1× au niveau des paliers du rotor à la vitesse de fonctionnement, calcule les coefficients d'influence, puis détermine la masse et l'angle à ajouter dans chaque plan de correction — ce qui permet de saisir le comportement réel du rotor en fonctionnement, y compris les effets liés à l'assemblage et à la température, que la machine d'équilibrage ne peut jamais détecter.
