Comprendre le tourbillon de vapeur dans les turbomachines

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Définition : Qu'est-ce qu'un tourbillon de vapeur ?

Tourbillon de vapeur (également appelée instabilité de couplage aérodynamique ou tourbillon d'étanchéité) est une vibration auto-excitée phénomène qui se produit dans les turbines à vapeur et les turbines à gaz lorsque les forces aérodynamiques dans les joints labyrinthes, les jeux en bout de pale ou d'autres passages annulaires créent des forces tangentielles déstabilisantes sur les rotor. Comme tourbillon d'huile Dans les paliers hydrodynamiques, le tourbillon de vapeur est une forme de instabilité du rotor où l'énergie est extraite en continu du flux constant de vapeur ou de gaz et convertie en mouvement vibratoire.

Le tourbillon de vapeur se manifeste généralement par des oscillations sub-synchrones de forte amplitude. vibration à une fréquence proche de celle de l'un des rotors fréquences naturelles, et cela peut entraîner une défaillance catastrophique si ce problème n'est pas rapidement détecté et corrigé.

Mécanisme physique

Comment se forme un tourbillon de vapeur

Le mécanisme fait intervenir la dynamique des fluides dans les jeux étroits des joints d'étanchéité des turbines :

1. Dégagements du joint du labyrinthe

• De la vapeur ou du gaz s'écoulent à travers d'étroits passages annulaires entre les composants d'étanchéité rotatifs et fixes.
• Différence de pression élevée au niveau des joints (souvent de 50 à 200 bars)
• Jeux radiaux réduits (généralement de 0,2 à 0,5 mm)
• La vapeur tourbillonne en passant à travers les dents du joint.

2. Couplage aérodynamique

Lorsque le rotor est décalé par rapport au centre :

• Le jeu devient asymétrique (plus petit d'un côté, plus grand du côté opposé).
• Le débit de vapeur et la répartition de la pression deviennent non uniformes.
• La force aérodynamique nette possède une composante tangentielle (perpendiculaire au déplacement).
• Cette force tangentielle agit comme une “ rigidité négative ” déstabilisante.”

3. Vibration auto-excitée

• La force tangentielle provoque la mise en orbite du rotor.
• Fréquence orbitale généralement proche d'une fréquence naturelle (sous-synchrone)
• L'énergie est extraite en continu du flux de vapeur pour maintenir les vibrations.
• L'amplitude augmente jusqu'à être limitée par les jeux ou par une défaillance catastrophique.

Conditions favorisant le tourbillon de vapeur

Facteurs géométriques

• Jeux d'étanchéité : Des jeux plus faibles créent des forces aérodynamiques plus importantes
• Longueurs de joint longues : Un plus grand nombre de dents d'étanchéité ou des sections d'étanchéité plus longues augmentent les forces déstabilisantes
• Vitesse de rotation élevée : Vapeur entrant dans les joints avec une composante de vitesse tangentielle élevée
• Grands diamètres de joints : Un rayon plus grand amplifie le moment dû aux forces aérodynamiques

Conditions de fonctionnement

• Différentiels de pression élevés : Une chute de pression plus importante au niveau des joints d'étanchéité augmente les forces.
• Vitesse de rotation élevée : Les effets centrifuges et la vitesse de rotation augmentent avec la vitesse.
• Amortissement faible des paliers : Un amortissement insuffisant ne peut pas contrer les forces déstabilisatrices des joints d'étanchéité
• Conditions de faible charge : Les faibles charges sur les paliers réduisent l'amortissement effectif.

Caractéristiques du rotor

• Rotors flexibles : Opérant au-dessus vitesses critiques plus susceptibles
• Systèmes à faible amortissement : Amortissement structurel ou de roulement minimal
• Rapport longueur/diamètre élevé : Les rotors minces sont plus sujets à l'instabilité.

Caractéristiques diagnostiques

Signature vibratoire

Le tourbillon de vapeur produit des motifs distinctifs identifiables grâce à analyse des vibrations:

Paramètre	Caractéristiques
Fréquence	Sous-synchrone, généralement à 0,3-0,6 fois la vitesse de fonctionnement, se verrouille souvent à la fréquence naturelle.
Amplitude	Vibrations de déséquilibre élevées, souvent 5 à 20 fois supérieures à la normale
Début	Vitesse ou pression soudaine, supérieure au seuil
Dépendance à la vitesse	La fréquence peut se bloquer et ne pas suivre les changements de vitesse.
Orbite	Grande précession circulaire ou elliptique vers l'avant
Spectre	Pic sous-synchrone dominant

Différenciation par rapport aux autres instabilités

• contre Tourbillon/Fouet d'huile : Le tourbillonnement de vapeur se produit dans les turbines à joints labyrinthes ; le tourbillonnement d'huile dans les paliers lisses.
• contre le déséquilibre : Le tourbillon de vapeur est sous-synchrone ; le déséquilibre est 1× synchrone.
• contre Rub : Un tourbillon de vapeur peut se produire sans contact ; sa fréquence est plus stable que celle des vibrations induites par frottement.

Méthodes de prévention et d'atténuation

Modifications apportées à la conception des joints d'étanchéité

1. Dispositifs anti-tourbillon (freins anti-tourbillon)

• Ailettes ou déflecteurs fixes en amont des joints d'étanchéité
• Supprimer la composante tangentielle de la vitesse du flux de vapeur
• Réduire considérablement les forces de couplage croisé
• Solution la plus efficace et la plus courante

2. Joints en nid d'abeille

• Remplacer les surfaces d'étanchéité à labyrinthe lisses par une structure en nid d'abeille
• Crée des turbulences qui dissipent l'énergie de tourbillonnement
• Augmente l'amortissement effectif dans la zone d'étanchéité
• Utilisé dans les turbines à gaz modernes

3. Augmentation des jeux d'étanchéité

• Des jeux radiaux plus importants réduisent les forces aérodynamiques
• Compromis : réduction du rendement de la turbine due à l’augmentation des fuites
• Généralement utilisé uniquement à titre temporaire

4. Joints d'amortisseur

• Conception de joints d'étanchéité spécialisés assurant l'amortissement tout en assurant l'étanchéité.
• Joints d'amortisseur à poches, joints à perforation
• Ajouter des forces stabilisatrices pour contrer le couplage croisé

Améliorations du système de roulement

• Augmenter l'amortissement des roulements : Utilisez des paliers à patins inclinables ou ajoutez des amortisseurs à film mince.
• Précharge du roulement : Augmente la rigidité et l'amortissement effectifs
• Conception optimisée des roulements : Sélectionnez le type et la configuration des roulements pour une stabilité maximale

Contrôles opérationnels

• Restrictions de vitesse : Limiter les vitesses de fonctionnement en dessous du seuil d'instabilité
• Gestion de la charge : Évitez les opérations à faible charge qui réduisent l'amortissement des roulements.
• Contrôle de la pression : Réduisez les différentiels de pression d'étanchéité lorsque cela est possible.
• Surveillance continue : Surveillance des vibrations en temps réel avec alarmes sous-synchrones

Détection et intervention d'urgence

Signes avant-coureurs

• De petits pics sous-synchrones apparaissent dans le spectre de vibration
• Composants intermittents à haute fréquence
• Augmentation progressive du niveau de vibration global à mesure que la vitesse approche du seuil
• Changements dans orbite forme

Mesures immédiates à prendre en cas de détection d'un tourbillon de vapeur

1. Réduisez votre vitesse : Réduisez immédiatement la vitesse en dessous du seuil.
2. N’attendez pas : L'amplitude peut passer d'acceptable à destructive en 30 à 60 secondes.
3. Arrêt d'urgence : Si la réduction est insuffisante ou impossible
4. Événement du document : Enregistrement de la vitesse initiale, de la fréquence, de l'amplitude maximale et des conditions
5. Ne pas redémarrer : Jusqu'à ce que la cause profonde soit identifiée et corrigée

Industries et applications

Les tourbillons de vapeur sont particulièrement préoccupants dans les cas suivants :

• Production d'énergie : grandes turbines à vapeur-générateurs
• Pétrochimique: Compresseurs et pompes à vapeur
• Turbines à gaz : moteurs d'avions, turbines à gaz industrielles
• Industries de transformation : Toute turbomachine à grande vitesse avec joints labyrinthes

Relation à d'autres phénomènes

• Tourbillon d'huile: Mécanisme similaire, mais au niveau des films d'huile des paliers plutôt que des joints d'étanchéité.
• Fouet à manche: Verrouillage de fréquence à la fréquence naturelle, comportement similaire
• Instabilité du rotor : Le tourbillon de vapeur est un type d'instabilité auto-excitée du rotor.

Le tourbillonnement de vapeur demeure un facteur important à prendre en compte dans la conception et l'exploitation des turbines modernes. Bien que les progrès réalisés dans le domaine des joints d'étanchéité et des systèmes de paliers aient permis d'en réduire l'occurrence, la compréhension de ce phénomène est essentielle pour les ingénieurs et les opérateurs travaillant avec des turbomachines à haute vitesse et haute pression.

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