Modélisation angulaire d'une machine tournante. Application à la surveillance d'éoliennes

Angle modeling of a rotating machine. Application to wind turbine surveillance

• Auteur / Autrice : José Luis Gomez Chirinos
• Direction : Didier Rémond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 01/09/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Jury : Président / Présidente : Philippe Velex
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Rémond, Philippe Velex, Jean-Luc Dion, Roger Serra, Evelyne Aubry, Adeline Bourdon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Luc Dion, Roger Serra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Engrenages

Roulements à billes

Machines tournantes

Mots clés libres

Tribologie

Machines tournantes

Engrenages

Roulement à billes

Approche angulaire

Défaut de roulement

Couplage

Vitesse de rotation

Couple de frottement d’un roulement

Eolienne

Tribology

Rotating machines

Gears

Ball bearing

Angular approach

Bearing failure

Coupling

Rotational speed

Friction torque of a bearing

Résumé

Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre de la surveillance des machines tournantes en régime non stationnaire et plus particulièrement la détection des défauts de roulement. Il se focalise sur la modélisation et l'analyse des variations de la vitesse de rotation instantanée. Les modèles numériques développés s'appuient sur une approche originale dite '' angulaire '' qui introduit explicitement les degrés de rotation libres de la machine et permet de s'affranchir de condition de fonctionnement en régime stationnaire. Un modèle de roulement à billes à gorge profonde a été développé couplant les efforts de contact normaux et tangentiels grâce à l'introduction du phénomène de résistance au roulement. Ce couplage permet d'expliquer l'origine des fluctuations de vitesse de rotation en présence de défaut de bague extérieure, phénomènes constatés expérimentalement : la présence d'un défaut sur une bague modifie périodiquement le couple de frottement. La modélisation de la liaison par engrenages est plus classique, la problématique a été de s'assurer qu'elle était compatible avec l'approche angulaire utilisée dans ces travaux. Le couplage des éléments de roulement et d'engrenage dans un modèle simple a montré que la présence de défauts de roulement provoque des variations des efforts radiaux ce qui modifie les efforts d'engrènement et en conséquence perturbe également la vitesse de rotation. Un modèle simplifié d'une éolienne a été réalisé et utilisé pour tester et valider des indicateurs spectraux de surveillance en conditions de fonctionnement non stationnaires. La comparaison avec des mesures expérimentales issues d'une éolienne a montré la robustesse du modèle. Il peut donc être exploité comme un outil d'analyse phénoménologique et de test d'indicateurs de surveillance. Il a par exemple permis de montrer l'importance des conditions de fonctionnement (charge et vitesse) sur le niveau des indicateurs utilisés en surveillance. Si besoin, les développements proposés peuvent être étendus sans difficulté à des modèles plus complexes de roulements, d'engrènements et de structures d'accueil de ces éléments technologiques.

This work has been developed within the framework of non-stationary rotating machinery surveillance with emphasis on the detection of roller bearing defects. It focuses on the modeling and analysis of instantaneous angular speed variations. The numerical models developed are based on an ``angular'' approach which introduces explicitly the machine's free body rotation degrees of freedom allowing simulations in non stationary operating conditions. A deep groove ball bearing model has been developed coupling tangential and normal forces by taking into account the rolling resistance phenomenon. This coupling allows to explain the origin of angular speed fluctuations in the presence of outer race roller bearing defects, phenomena that has been observed experimentally: a roller bearing defect periodically modifies the friction torque. The description of the gear mesh has been performed by means of a classic approach where the scientific issue has been to verify the compatibility with the angular modeling, cornerstone of this dissertation. Integration of the roller bearing and the gear modeling approaches into a simple mechanical architecture has shown that the presence of bearing defects provoking variations in the rolling element-races normal forces, modifies the gear mesh forces leading to perturbations of the angular speed. A simplified wind turbine model has been used for the test and validation of non stationary surveillance spectral indicators. The robustness of the model has been shown by means of a comparison with measurements performed on a wind turbine. It has allowed to show the importance of the operating conditions (load and speed), on the level of indicators used. This means the model may be used as a tool for phenomenological analyses as well as a device to test surveillance indicators. If needed, the approaches presented may be easily extended into more complex models of bearings, gears, casings and foundations.