Comprendre le fouettement de l'arbre dans les machines tournantes
Définition : Qu'est-ce qu'un fouet d'arbre ?
fouet à manche (également appelé coup de fouet d'huile lorsqu'il se produit dans les paliers hydrodynamiques) est une forme grave de instabilité du rotor caractérisé par la violence vibration auto-excitée Cela se produit lorsqu'un rotor fonctionnant dans des paliers à film fluide dépasse une vitesse seuil critique, généralement environ deux fois la première vitesse critique. Une fois le fouettement amorcé, la fréquence de vibration se “ verrouille ” sur la première fréquence du rotor. fréquence naturelle et reste inchangée quelles que soient les augmentations de vitesse ultérieures, son amplitude n'étant limitée que par le jeu des roulements ou une défaillance catastrophique.
Le fouettement de l'arbre est l'un des phénomènes les plus dangereux dans les machines tournantes à grande vitesse, car il se développe soudainement, atteint des amplitudes destructrices en quelques secondes et ne peut être corrigé par équilibrage ou d'autres méthodes conventionnelles. Elle nécessite un arrêt immédiat et des modifications du système de roulements pour éviter toute récidive.
La progression : du tourbillon d’huile au fouettement de l’arbre
Étape 1 : Fonctionnement stable
- Le rotor fonctionne en dessous du seuil d'instabilité
- Seules les vibrations forcées normales de déséquilibrer présent
- Le film d'huile du palier assure un support stable
Étape 2 : Début du tourbillon d'huile
Lorsque la vitesse dépasse environ 2 fois la première vitesse critique :
- Tourbillon d'huile Des vibrations sous-synchrones se développent à une vitesse d'environ 0,43 à 0,48 fois la vitesse de l'arbre.
- L'amplitude est initialement modérée et dépendante de la vitesse
- La fréquence augmente proportionnellement à la vitesse de l'arbre
- Peut être intermittent ou continu
- Peut coexister avec les vibrations normales 1X dues au déséquilibre
Étape 3 : Transition du fouet
Lorsque la fréquence de tourbillonnement de l'huile augmente pour correspondre à la première fréquence naturelle :
- Verrouillage de fréquence : La fréquence de vibration se bloque à la fréquence naturelle
- Amplification par résonance : L'amplitude augmente considérablement en raison de résonance
- Apparition soudaine : La transition du tourbillon au fouet peut être instantanée.
- Indépendance de la vitesse : Une augmentation supplémentaire de la vitesse ne modifie pas la fréquence, seulement l'amplitude.
Étape 4 : Coup de fouet de l'arbre (Condition critique)
- Vibration à fréquence constante (première fréquence naturelle, généralement 40-60 Hz)
- Amplitude 5 à 20 fois supérieure à la vibration de déséquilibre normale
- L'arbre peut entrer en contact avec les limites de jeu des paliers.
- Chauffage rapide des paliers et de l'huile
- Risque de défaillance catastrophique en quelques minutes si non arrêté.
Mécanisme physique
Comment se développe le fouettement de l'huile
Le mécanisme fait intervenir la dynamique des fluides dans le film d'huile du palier :
- Formation du coin d'huile : Lorsque l'arbre tourne, il entraîne l'huile autour du palier, créant ainsi un coin sous pression.
- Force tangentielle : Le coin d'huile exerce une force perpendiculaire à la direction radiale (tangentielle).
- Mouvement orbital : La force tangentielle provoque une orbite du centre de l'arbre à environ la moitié de la vitesse de l'arbre.
- Extraction d'énergie : Le système extrait l'énergie de la rotation de l'arbre pour maintenir le mouvement orbital.
- Verrouillage par résonance : Lorsque la fréquence orbitale correspond à la fréquence naturelle, la résonance amplifie les vibrations.
- Cycle limite : Les vibrations augmentent jusqu'à être limitées par le jeu du roulement ou sa défaillance.
Identification diagnostique
Signature vibratoire
Le fouettement de l'arbre produit des schémas caractéristiques dans les données de vibration :
- Spectre: Pic important à la fréquence sous-synchrone (première fréquence naturelle), constant quelles que soient les variations de vitesse.
- Parcelle de cascade: La composante sous-synchrone apparaît sous forme de ligne verticale (fréquence constante) plutôt que diagonale (proportionnelle à la vitesse).
- Analyse des commandes : Ordre fractionnaire qui diminue à mesure que la vitesse augmente (par exemple, passe de 0,5× à 0,4× à 0,35×)
- Orbite: Grande orbite circulaire ou elliptique à la fréquence naturelle
Vitesse d'apparition
- Seuil typique : 2,0 à 2,5 fois la première vitesse critique
- Dépendant du roulement : Le seuil spécifique varie en fonction de la conception du roulement, de la précharge et de la viscosité de l'huile.
- Apparition soudaine : Une légère augmentation de la vitesse peut déclencher une transition rapide d'un état stable à un état instable.
Stratégies de prévention
Modifications de la conception des roulements
1. Paliers à patins inclinables
- Solution la plus efficace pour prévenir le fouettement de l'arbre
- Les coussinets pivotent indépendamment, éliminant ainsi les forces de couplage croisée déstabilisantes.
- Intrinsèquement stable sur une large plage de vitesses
- Norme industrielle pour les turbomachines à grande vitesse
2. Appuis de barrage sous pression
- Palier cylindrique modifié avec rainures ou barrages
- Augmente l'amortissement et la rigidité effectifs
- Moins cher qu'un coussin inclinable, mais moins efficace
3. Précharge des roulements
- L'application d'une précharge radiale aux roulements augmente leur rigidité.
- Augmente le seuil de vitesse d'instabilité
- Cela peut être réalisé grâce à des conceptions d'alésage décalées.
4. Amortisseurs à film souple
- Élément d'amortissement externe entourant le palier
- Fournit un amortissement supplémentaire sans modifier la conception du roulement
- Efficace pour les applications de rénovation
Mesures opérationnelles
- Limitation de vitesse : Limiter la vitesse de fonctionnement maximale à une valeur inférieure au seuil (généralement < 1,8× première valeur critique)
- Gestion de la charge : Fonctionner à des charges de roulement plus élevées lorsque cela est possible (augmente l'amortissement).
- Contrôle de la température de l'huile : Une température d'huile plus basse augmente la viscosité et l'amortissement
- Surveillance: Surveillance continue des vibrations avec alarmes configurées pour les composants sous-synchrones
Conséquences et dommages
Effets immédiats
- Vibrations violentes : Les amplitudes peuvent atteindre plusieurs millimètres (des centaines de millimètres).
- Bruit: Un son fort et distinctif, différent du fonctionnement normal.
- Chauffage rapide des roulements : La température des roulements peut augmenter de 20 à 50 °C en quelques minutes.
- Dégradation du pétrole : Les températures élevées et le cisaillement dégradent le lubrifiant
Défaillances potentielles
- Nettoyage des roulements : Le matériau antifriction du palier fond et est essuyé.
- Dommages à l'arbre : rayures, grippages ou déformations permanentes
- Défaillance du joint : Un mouvement excessif de l'arbre détruit les joints d'étanchéité.
- Rupture de l'arbre : Fatigue à cycles élevés due à des oscillations violentes
- Dommages au couplage : Les forces transmises endommagent les accouplements
Phénomènes connexes
Tourbillon d'huile
Tourbillon d'huile est le précurseur du fouet :
- Même mécanisme, mais la fréquence ne s'est pas stabilisée sur la fréquence naturelle.
- Amplitude moins importante
- Fréquence proportionnelle à la vitesse (~0,43-0,48×)
- Peut être tolérable dans certaines applications
Tourbillon de vapeur
Une instabilité similaire est observée dans les turbines à vapeur, causée par les forces aérodynamiques au niveau des joints labyrinthes plutôt que par les films d'huile des paliers. Elle présente un verrouillage vibratoire sous-synchrone similaire sur la fréquence naturelle.
Fouet à friction sèche
Cela peut se produire au niveau des joints d'étanchéité ou suite à un contact rotor-stator :
- Les forces de frottement constituent un mécanisme de déstabilisation
- Moins fréquente que la fouettation à l'huile, mais tout aussi dangereuse
- Nécessite une approche corrective différente (éliminer le contact, améliorer la conception du joint)
Étude de cas : Fouet de l’arbre de compresseur
Scénario: Compresseur centrifuge à grande vitesse avec paliers cylindriques lisses
- Fonctionnement normal : 12 000 tr/min avec des vibrations de 2,5 mm/s
- Augmentation de la vitesse : Vitesse de rotation augmentée à 13 500 tr/min pour une capacité plus élevée
- Début: À 13 200 tr/min, de violentes vibrations sont apparues soudainement.
- Symptômes: Vibration de 25 mm/s à 45 Hz (constante), la température du palier est passée de 70 °C à 95 °C en 3 minutes
- Mesures d'urgence : L'arrêt immédiat a empêché la défaillance du roulement.
- Cause première: La première vitesse critique était de 2700 tr/min (45 Hz) ; le seuil de fouettement à 2 × la vitesse critique = 5400 tr/min a été dépassé.
- Solution : Remplacement des paliers lisses par des paliers à patins oscillants, permettant un fonctionnement sûr jusqu'à 15 000 tr/min
Normes et pratiques industrielles
- API 684 : Nécessite une analyse de stabilité pour les turbomachines à grande vitesse
- API 617 : Spécifie les types de roulements et les exigences de stabilité pour les compresseurs
- ISO 10814 : Fournit des conseils sur le choix des roulements pour la stabilité
- Pratiques du secteur : Les paliers à patins oscillants sont la norme pour les équipements fonctionnant à une vitesse supérieure à 2 fois la première vitesse critique.
Le fouettement d'arbre représente un mode de défaillance catastrophique qu'il convient de prévenir par une sélection et une conception appropriées des roulements. La reconnaissance de sa signature vibratoire sous-synchrone caractéristique, à fréquence verrouillée, permet un diagnostic rapide et une intervention d'urgence appropriée, évitant ainsi des dommages coûteux aux équipements rotatifs critiques à grande vitesse.
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