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1 ELEMENTS DIMENSIONNANTS ET ARCHITECTURE DES MACHINES TOURNANTES Robert REY -

1 ELEMENTS DIMENSIONNANTS ET ARCHITECTURE DES MACHINES TOURNANTES Robert REY - Professeur Unité d’Enseignement d’Expertise PA6 Ingénierie des Fluides et des Machines Tournantes Master Recherche Ingénierie des Machines de Conversion d’Energie Cours donné à l’ENSAM de Paris par R. REY Professeur Unité d’Enseignement Eléments dimensionnants et architecture des machines tournantes 2 ELEMENTS DIMENSIONNANTS ET ARCHITECTURE DES MACHINES TOURNANTES Robert REY - Professeur PROCEDURE DE DIMENSIONNEMENT D’UNE MACHINE ENERGETIQUE ................................................4 1 - POMPES ROTODYNAMIQUES ..................................................................................................................5 1.1 - POMPES CENTRIFUGES MONOETAGEES....................................................................................................5 1.2 - POMPES MULTIETAGEES........................................................................................................................11 1.3 POMPES IMMERGEES ...............................................................................................................................16 1.4 POMPES SPECIALES .................................................................................................................................18 2 - EFFORTS ET CONTRAINTES APPLIQUES SUR LA LIGNE D’ARBRE ET LES PALIERS........22 2.1 ORIGINE DE LA POUSSEE AXIALE.............................................................................................................23 2.1.1 Poussée dynamique :..............................................................................................................................23 2.1.2 Poussée statique.....................................................................................................................................24 2.2 CALCUL DE LA POUSSEE AXIALE.............................................................................................................27 2.3 DISPOSITIFS D’EQUILIBRAGE...................................................................................................................29 2.3.1 Roues en opposition ...............................................................................................................................29 2.3.2 Contrailettes dorsales ............................................................................................................................30 2.3.3 Chambre d’équilibrage arrière.............................................................................................................33 2.3.4 Piston d’équilibrage...............................................................................................................................34 2.3.5 Piston d’équilibrage automatique..........................................................................................................36 2.4 POUSSEE RADIALE...................................................................................................................................38 2.5 PREMIERE VITESSE CRITIQUE DE FLEXION DE L’ARBRE DE LA POMPE.....................................................44 2.5.1 Vitesse critique d’une roue sur un arbre non pesant..............................................................................44 2.5.2 Cas général : arbre pesant de section variable......................................................................................46 2.6 EFFORTS SUR L’ARBRE ET SUR LES PALIERS ............................................................................................49 3 - TURBINES A GAZ ET A VAPEUR............................................................................................................50 4 – COMPRESSEURS........................................................................................................................................56 4.1 TURBOCOMPRESSEURS............................................................................................................................56 4.2 COMPRESSEURS VOLUMETRIQUES...........................................................................................................61 5 – ANNEXE : EXEMPLES DE REALISATIONS INDUSTRIELLES ..............................................................65 5.1 - POMPES ROTODYNAMIQUES ...................................................................................................................65 5.2 - TURBINES A GAZ ET A VAPEUR...............................................................................................................74 5.3 - COMPRESSEURS......................................................................................................................................78 6– EXERCICES ET PROBLEMES TYPES...........................................................................................................82 6.1- ETUDE D’UN PROPULSEUR PAR HYDROJET ..............................................................................................82 6.2- PREDIMENSIONNEMENT D’UN ARBRE DE POMPE .....................................................................................84 3 ELEMENTS DIMENSIONNANTS ET ARCHITECTURE DES MACHINES TOURNANTES Robert REY - Professeur La conception des machines où s’accomplissent d’importants échanges d’énergie mécanique, thermique ou hydraulique, s’effectue suivant diverses étapes allant du pré-dimensionnement mécanique, jusqu’à l’analyse fine des écoulements internes (voir organigramme page suivante). En simplifiant, on peut définir les étapes suivantes : 1 - Le cahier des charges définit les performances globales attendues : pression et débit générés ou encore chute d’enthalpie et puissance. Nature des fluides et environnement de la machine sont également définis. 2 - Le savoir-faire permet de retenir arbitrairement la vitesse de rotation, le nombre d’étages le type d’impulseur, le type d’aubages,… 3 - Le calcul d’avant-projet définit, grâce à un modèle sommaire d’écoulement, les champs de vitesse, pression et température….donnant accès aux principaux efforts en présence. 4 - Pré-dimensionnement mécanique : A partir de cette étape, on détermine la position et le type de paliers, les dispositifs d’équilibrage, l’épaisseur des carters, le diamètre de l’arbre et ses différentes vitesses critiques, les dispositifs d’étanchéité,… En cas d’incompatibilité de ces résultats avec les choix précédents, ou recommence à l’étape 2 ou à l’étape 3 avec des modèles de plus en plus fins concernant l’analyse des écoulements et le calcul des contraintes et déformations des lignes d’arbres et des pièces principales. Dans cette démarche, les choix sont généralement effectués en ayant pour objectif principal l’optimisation de la machine, à savoir : - encombrement réduit. - bon rendement : jeux de fonctionnement réduits, qualité des états de surface, paliers et butées adaptés, etc… - coût acceptable grâce à un choix judicieux des matériaux et procédés d’obtention. - maintenance aisée facilitant le contrôle, le démontage et le remplacement des pièces les plus sollicitées. Les éléments dimensionnants et l’architecture de machines présentées ici, concernent, à des degrés divers d’approfondissement, les pompes rotodynamiques, les turbines et les compresseurs. Les aspects tenant compte des propriétés des écoulements entrant dans le cadre de la conception des turbomachines, sont disponibles dans les polycopiés suivant : • Machines et Systèmes Energétiques. • Ingénierie des fluides et des machines tournantes. (UEE IFMAT-PA6). Eléments dimensionnants et architecture des machines tournantes 4 ELEMENTS DIMENSIONNANTS ET ARCHITECTURE DES MACHINES TOURNANTES Robert REY - Professeur Procédure de dimensionnement d’une machine énergétique - Valider - Rejeter - Améliorer Client Entreprise Cahier des charges fonctionnel Savoir-faire Adaptation Modèle existant Modélisation sommaire Principaux efforts Pré-dimensionnement mécanique Critères de Choix Simulation numérique CFD Réalisation d’un prototype Validation expérimentale Lancement en série (éventuellement) Performances - pression - débit - …... - type d’impulseur - nombre d’étages - vitesse de rotation - type d’aubages - Encombrement réduit - Bon rendement : jeux, états de surface, paliers - Coût : procédés, matériaux - Facilité de maintenance - Rejeter - Améliorer - Valider Calculs d’avant projet Mise en question du savoir-faire 5 ELEMENTS DIMENSIONNANTS ET ARCHITECTURE DES MACHINES TOURNANTES Robert REY - Professeur 1 - POMPES ROTODYNAMIQUES La classification des pompes rotodynamiques, s’effectue à partir des niveaux suivants : - le type de roue : centrifuge, hélico-centrifuge, axiale. - le mode d’utilisation : horizontale, verticale, immergée, submersible,… - les propriétés du fluide véhiculé : eau claire, liquides corrosifs liquides chargés abrasifs, mélanges diphasiques liquide gaz, mélanges fibreux,… Chacune de ces particularités correspond à des réalisations pratiques très variées, conférant à ces machines des formes, des encombrements et des niveaux technologiques très contrastés. 1.1 - Pompes centrifuges monoétagées Dans sa forme la plus classique, la pompe centrifuge se présente sous la forme donnée en Figures 1-1 et 1-2 respectivement de type à roue semi-ouverte (sans flasque avant) et à roue fermée. En Figure 1-1 - on note principalement, en progressant de gauche à droite sur la figure : • La bride d’entrée de diamètre normalisé formant corps avec la volute. • La bride de refoulement normalisée également. • La fixation principale, partie intégrante du corps de pompe. • Le flasque avant, réglable de l’extérieur, permettant d’ajuster le jeu axial devant la roue. • La roue, équipée d’ailettes dorsales permettant de réduire la poussée axiale, elle est ici montée en position de porte à faux par rapport aux paliers. • La plaque de fond. • Le dispositif d’étanchéité ; ici, garniture à tresses sur chemise d’arbre. Alimentation possible par eau claire : limitation de température, nettoyage, etc…(Figures 1-3 et 1-4). • A noter que le système d’étanchéité est monté en cartouche qui, suivant les options, peut être une garniture mécanique simple, double, compensée,… (Figure 1-5). • Entre le palier et le corps de pompe, se trouve "l’arcade", pièce ajourée permettant l’accès au dispositif d’étanchéité. • Le palier formé de deux roulement, l’un encaissant la poussée axiale (dans les deux sens) l’autre supportant uniquement la charge radiale. Suivant les cas, on aura une lubrification à l’huile (avec réserve et bouchon de niveau) où à la graisse. La grande majorité des pièces est obtenue par moulage. Suivant les conditions de service et la nature du fluide pompé, les matériaux seront adaptés : aciers alliés, fontes au chrome, fontes ordinaires. La conception est de type "process" ; à savoir, l’ensemble tournant est démontable par une translation vers la droite. Le corps de pompe et les conduites de liaison restent en place. 6 ELEMENTS DIMENSIONNANTS ET ARCHITECTURE DES MACHINES TOURNANTES Robert REY - Professeur Figure 1-1 : Pompe centrifuge horizontale - Roue ouverte [ENSIVAL-MORET-1] Figure 1-2A : Pompe centrifuge horizontale - Roue fermée [ENSIVAL-MORET-1] 7 ELEMENTS DIMENSIONNANTS ET ARCHITECTURE DES MACHINES TOURNANTES Robert REY - Professeur Figure 1-3B : Pompe centrifuge horizontale - Roue fermée [SULZER-7] 8 ELEMENTS DIMENSIONNANTS ET ARCHITECTURE DES MACHINES TOURNANTES Robert REY - Professeur Figure 1-4 : Dispositif d’étanchéité à tresses [1] Figure 1-5 : Garniture mécanique d’étanchéité simple [1] 9 ELEMENTS DIMENSIONNANTS ET ARCHITECTURE DES MACHINES TOURNANTES Robert REY - Professeur Figure 1-6A : Etanchéité par garniture mécanique compensée [1] Figure 1-7B : Etanchéité par garniture mécanique [John CRANE] 10 ELEMENTS DIMENSIONNANTS ET ARCHITECTURE DES MACHINES TOURNANTES Robert REY - Professeur En Figure 1-2, il s’agit d’une roue fermée où le flasque avant, les aubages et le flasque arrière constituent une seule et même pièce. Ici, le système d’étanchéité entre le refoulement et l’aspiration, est obtenu par un laminage dont le jeu radial j est de l’ordre de 0,2 mm (avant de la roue). Ce jeu doit rester inférieur à la flèche de l’arbre sous l’effet de l’effort radial lié au poids et à la "poussée de volute". Sur l’arrière de la roue, l’équilibrage de la poussée axiale est obtenu par la présence d’une seconde chicane et de trous d’équilibrage. C’est le principe d’équilibrage axial le plus répandu pour les roues fermées. Les Figures 5-1 et 5-2 donnent l’allure de machines centrifuges de plus grande vitesse spécifique. La Figure 5-3 montre une pompe provenant d’une autre conception ; on peut observer que les grandes options constructives sont très proches. La Figure 5-4 représente avec beaucoup de détails une étanchéité par garniture double, avec liquide se barrage circulant entre les deux garnitures. 11 ELEMENTS DIMENSIONNANTS ET ARCHITECTURE DES MACHINES TOURNANTES Robert REY - Professeur 1.2 - Pompes multiétagées L’existence des pompes centrifuges multiétagées se justifie par les besoins en haute pression. D’importants écarts sont constatés concernant la qualité et le niveau technologique de ces machines ; écart essentiellement lié à la puissance unitaire et à la sévérité des conditions d’exploitation. La Figure 1-6 montre l’une de ces machines. Il s’agit d’une réalisation très classique dont la longueur de l’arbre nécessite un palier à chaque extrémité (roulements lubrifiés à la graisse). Chaque roue est équilibrée individuellement concernant la poussée axiale. La morphologie de chaque uploads/Industriel/ cours-rey-1.pdf