Dynamique des machines tournantes pour la conception des turbines à vapeur et des compresseurs centrifuges : de la théorie à la pratique

= Dynamics of rotating machinery for the design of steam turbines and centrifugal compressors : from theory to practice

• Auteur / Autrice : Jean-Marc Pugnet
• Direction : Régis Dufour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Paliers magnétiques

Compresseurs

Turbomachines -- Compresseurs

Contraintes (mécanique)

Torsion (mécanique)

Thermodynamique

Dynamique

Résumé

Les turbines à vapeur industrielles et les compresseurs centrifuges de procédé sont des turbomachines conçues pour un usage spécifique et construites à l'unité. Les méthodes de conception doivent être fiables. On commence par décrire les deux types de machines, leurs applications et les normes applicables. Puis un modèle simple et réaliste de dynamique de rotor en flexion est présenté, simulant tous les principaux phénomènes. Ensuite, on s'intéresse à interprétation de réponses aux balourds et à l'amélioration de la procédure de définition des amortissements ; une approche multimodale est proposée, améliorant considérablement la procédure spécifiée par les standards API. Puis, le mémoire présente les développements faits sur la stabilité vibratoire des compresseurs centrifuges à haute pression, ainsi que leurs critères de conception. Un chapitre est dédié aux paliers magnétiques actifs, à des retours d'expérience et à l'état actuel des développements des systèmes de contrôle. Dans le cas de la torsion, on s'est attaché à l'amélioration de la modélisation pour prévoir des fréquences propres plus précises, et l'analyse des réponses aux excitations instationnaires dues aux machines électriques. Pour les systèmes disques-aubes, une méthode originale d'analyse porte sur la réponse des aubes de turbines à vapeur industrielles à injection partielle. De plus une analyse dynamique des roues de compresseurs centrifuges est présentée y compris l'implication des excitations acoustiques. Une méthode originale de simulation thermodynamique a été développée pour expliquer les changements de régimes ainsi que le comportement lors du pompage. En conclusion, cette thèse, qui s'appuie sur l'analyse d'une trentaine de cas industriels en combinant modélisations et expérimentations, propose des améliorations significatives pour la conception et l'évolution des normes, dans le but d'augmenter la fiabilité de ces grands projets construits pratiquement à l'unité.

Industrial steam turbines and process centrifugal compressors are designed for a specific use and built to the unity. Design methods must be reliable. We begin by describing the two types of machines, applications and standards. Then a simple and realistic rotordynaics model in bending is presented, simulating all major phenomena. Then we focus on interpretation of responses to unbalances and improvement of the procedure definition of damping, a multimodal approach is proposed, greatly improving the procedures specified by API standards. Then the paper presents the developments made on the vibratory stability of high pressure centrifugal compressors, and their design criteria. One chapter is dedicated to active magnetic bearings, to feedback and the current developments of control systems. In the case of torsion, we focus on improving modeling to provide more accurate natural frequencies, and on analysis of responses to unsteady excitations due to electrical machines. For disk-blade system, an original method of analysis focuses on the response of blades of industrial steam turbine due to partial arch injection. Moreover dynamic analysis of centrifugal compressor impellers is presented including the involvement of acoustic excitations. A new method of thermodynamic simulation has been developed to explain the changes in operation conditions and the behavior during surge. In conclusion, this thesis, based on an analysis of thirty industrial cases combining experiments and modeling, offers significant improvements in the design and in standard evolution in order to increase the reliability of these great projects.