Vibrations et contraintes alternées dans les turbomachines

C hacun connait l’histoire de ponts rompus simplement lors de leur traversee par un regiment d’infanterie marchant au pas cadence. Le pont de Tacoma aux Etats-Unis s’est effondre lui, six mois apres sa mise en service en 1940, sous l’effet d’un vent regulier mais pas particulierement eleve. Il avait deja supporte des vents a peine moins rapides ou plus violents sans dommage. Ces accidents sont ici le resultat d’une resonance, coincidence d’une frequence propre de structure et d’une frequence d’excitation. Ces phenomenes vibratoires sont egalement frequemment a l’origine des incidents mecaniques rencontres sur les turbomachines. Un calcul des modes propres des composants, ainsi que la connaissance des excitations qui sont susceptibles de leur etre appliquees en fonctionnement, permettent d’ameliorer sensiblement la fiabilite et la disponibilite du materiel. Le developpement des moyens informatiques a permis un calcul de plus en plus precis des frequences et modes propres grâce, en particulier, aux techniques des elements finis. De nombreux logiciels ont ete developpes, parfois generaux, parfois specifiques a des etudes particulieres comme par exemple l’analyse torsionnelle d’une ligne d’arbres. Par contre, la connaissance des sources d’excitation, si elle s’est beaucoup amelioree, reste encore parfois insuffisante pour expliquer et surtout anticiper des phenomenes vibratoires complexes que l’on peut rencontrer sur les machines tournantes. L’objectif de cet article est de presenter a travers deux exemples bien differents, choisis dans le domaine des turbomachines, la methodologie a appliquer pour effectuer une analyse vibratoire de composants mecaniques aussi complete que possible. Les aubages mobiles de turbines a vapeur, tres riches en modes propres, sont soumis a des excitations liees a l’ecoulement vapeur souvent elevees. Les concepteurs ont developpe de nombreuses techniques pour apporter, notamment, de l’amortissement afin de reduire l’effet de ces perturbations et assurer la tenue en fatigue de ces composants. L’ etude dynamique de flexion d’une ligne d’arbres de turbomachines est indispensable si l’on veut eviter toute surprise lors de sa mise en service. Un bas niveau vibratoire des rotors est un parametre important pour assurer une disponibilite et une longevite elevees des machines tournantes. Il est egalement garant de la conservation des jeux internes et donc du rendement. Les developpements theoriques sont largement explicites dans de nombreux ouvrages techniques et ne sont pas repris dans cet article. Toutefois, l’etude d’un systeme vibratoire simple soumis a une excitation forcee est presentee succinctement. Les criteres d’acceptabilite sont donnes a titre indicatif. Ils sont le resultat de l’experience ou imposes par des codes de construction de machines tournantes.