Modélisations du comportement vibratoire des usines hydrauliques et validation expérimentale sur l’usine de Villarodin
N. Bagneux (EDF / DPIH / CIH) ; R. Pérony (EDF / R&D / ERMES)
Dans le cadre des projets de rénovation d’usines hydrauliques ou de nouvelles conceptions, le CIH (Centre d’Ingénierie Hydraulique) souhaite tester sa capacité à modéliser avec précision le comportement dynamique d’une usine complète depuis les seuls plans de définition (Figure 1). L’objectif final est d’identifier numériquement les raideurs d’appuis des groupes turbines sur le génie civil, pour vérifier le respect des critères de dimensionnement.
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Pour valider les modèles et la méthodologie employée par le CIH, le projet R&D ADELAHYD a proposé une campagne d’essais vibratoires à l’usine de Villarodin (Figure 2) pour tester la bonne corrélation entre les réponses mesurées et le comportement simulé (Figure 3).
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Les analyses ont été menées, d’une part, sur le couplage dynamique entre le génie civil de Villarodin et les structures métalliques des groupes turbines et, d’autre part, sur le couplage entre la ligne d’arbre (rotor) et les parties fixes (stator) des groupes turbines.
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Couplage dynamique entre le génie civil et les groupes turbines
Les mesures expérimentales et les calculs montrent que sur l’usine de Villarodin, aucun couplage dynamique n’apparaît entre les modes globaux de faibles fréquences de l’usine et les modes des groupes turbines.
Le modèle de l’usine de Villarodin est suffisamment représentatif pour déterminer les raideurs d’appui dynamiques des groupes turbines sur le génie civil.
Couplage dynamique entre la ligne d’arbre et le stator des groupes turbines
Concernant les modes propres des groupes turbines (Figure 4) des écarts notables existent entre les mesures et les calculs.
Une faiblesse de modélisation semble provenir notamment de la non-prise en compte de la dégradation de l’interface acier-béton interne du bâti-turbine, sur lequel est posé le groupe, et de la raideur apportée par le circuit magnétique.
Une meilleure connaissance de la raideur du stator est primordiale pour l’étude de la dynamique de ligne d’arbre et le respect du critère assurant la conformité en fonctionnement (1er mode propre en dessous de la vitesse d’emballement).
En outre, il est montré que les valeurs des raideurs des films d’huile des paliers sont des paramètres prépondérants, dont la dispersion fait varier les fréquences propres calculées de plusieurs Hertz.
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Méthodologie d’analyse dynamique de ligne d’arbre
Les analyses expérimentales et numériques ont montré qu’il est primordial de prendre en compte le couplage dynamique entre la ligne d’arbre et le stator, en particulier pour la détermination des deux premiers modes de la ligne d’arbre.
Les méthodes de mise au point du modèle de l’usine et des parties fixes des groupes, ou de transformation en supports simplifiés, peuvent permettre au CIH de réaliser des analyses dynamiques de ligne d’arbre plus réalistes, en prenant en compte aisément les raideurs d’appuis dynamiques au niveau des paliers.
Ces méthodes opérationnelles dans l’outil-métier "Machines Tournantes" de Salome-Meca facilitent grandement les interactions entre l’analyse du génie civil et l’analyse de la ligne d’arbre, et potentiellement avec les constructeurs de nouveaux groupes.
Perspectives
L’étude de l’usine de Villarodin a permis de mener une approche par étapes en graduant la complexité. Le génie civil n’étant pas prépondérant, l’analyse s’est attachée à bien appréhender le comportement des structures mécaniques seules, ce qui est riche d’enseignement pour le CIH. Sur ce point, il sera nécessaire :
- d’améliorer la connaissance des paramètres géométriques et de fonctionnement des paliers et butées, afin d’affiner les valeurs des coefficients dynamiques (raideurs et amortissements) ;
- de mesurer expérimentalement et plus précisément le premier mode de flexion d’arbre et de stator afin de statuer sur son éloignement vis-à-vis de la vitesse d’emballement et d’asseoir la modélisation.
D’autres usines existantes sont en cours de modélisation au CIH avec la méthodologie développée conjointement entre le CIH et la R&D. Au moins une nouvelle usine devrait faire l’objet des nouvelles mesures expérimentales en 2018.