FR3128735A1 - Machine tournante et procédés d’équilibrage du rotor de celle-ci, programme d’ordinateur - Google Patents

Abstract

L’invention concerne une machine tournante (1), comportant un stator (2), un rotor (3) et un capteur (4) de vibrations du rotor (3), caractérisée en ce que une tête (7) de traitement thermique en face du rotor (3) est apte à appliquer un différentiel de température au rotor (3) sans contact avec le rotor (3), la machine comportant un contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), qui est apte à régler au moins un instant (T1) d’activation du différentiel et/ou au moins une durée (D) d’activation du différentiel à partir de l’instant (T1) et/ou une amplitude (Pc) du différentiel en fonction de la position angulaire (β) mesurée par le capteur (5) de position angulaire du rotor (3), de manière à ce que les vibrations du rotor (3) aient une amplitude inférieure à un seuil prescrit. Figure pour l’abrégé : Figure. 1

Description

Machine tournante et procédés d’équilibrage du rotor de celle-ci, programme d’ordinateur

L'invention concerne une machine tournante, ainsi qu’un procédé d’équilibrage du rotor de la machine tournante.

Le domaine de l’invention concerne tout type de machines tournantes, notamment les machines tournantes de grandes puissances, comme par exemple les turbines à vapeurs, les turbines hydrauliques et les groupes motopompes primaires des centrales nucléaires de production d’électricité. Les exemples de machines tournantes indiqués sont non limitatifs.

L’un des problèmes des machines tournantes est qu’elles sont soumises à des vibrations lorsque le rotor de la machine tourne par rapport à son stator.

L’invention cherche à diminuer, voire supprimer, ces vibrations.

Plusieurs défauts peuvent conduire un rotor à vibrer de manière excessive. Le balourd mécanique (ou déséquilibre) du rotor est le défaut le plus répandu, car il est impossible de fabriquer un rotor parfait, c’est-à-dire un rotor avec une répartition homogène de la masse autour de son axe de rotation. En effet, une répartition non homogène crée un champ de forces centrifuge qui provoque la vibration de la machine. En plus du bruit indésirable, ces vibrations peuvent provoquer la détérioration des étanchéités et la fatigue prématurée des composants mécaniques constituant la machine tournante comme par exemple celle de roulements à billes, d’accouplements ou de supports de paliers. Normalement, les rotors des machines tournantes sont équilibrés durant la phase de fabrication pour minimiser le déséquilibre de masse autour de l’axe de rotation et maintenir les vibrations à des amplitudes acceptables. Malheureusement, dans certaines machines, le balourd peut évoluer au cours du temps en fonctionnement, entrainant des vibrations excessives. Cette évolution peut être causée par l’érosion, les phénomènes de cavitation, la corrosion, l’encrassement.

La cavitation est un phénomène provoqué par la dépression d’un liquide en deçà de sa pression de vapeur saturante. Des bulles de vapeurs se forment alors de manière transitoire avant d’imploser d’une manière qui peut être si violente que la pression et la température à l’intérieur de la bulle peuvent atteindre plusieurs milliers de bars et plusieurs milliers de degrés Celsius. L’implosion génère aussi une onde de choc dans le liquide qui peut éroder les surfaces solides engendrant de fait une perte de masse générant la création du balourd mécanique.

La corrosion résulte de la réaction chimique d’un matériau constituant une partie tournante (rotor, ailette, disque, etc…) de la machine avec un oxydant. Cette réaction altère la composition du matériau et peut engendrer une perte de matière (c’est le cas des bords de fuite des ailettes) conduisant par conséquent à la création du balourd mécanique.

Lorsque le déséquilibre génère un niveau de vibration inacceptable, il est nécessaire de procéder à l’équilibrage du rotor.

Une méthode classique pour réaliser l’équilibrage du rotor consiste à ajouter et/ou retrancher des masses à des positions axiales spécifiques du rotor afin d’obtenir une répartition symétrique de masse autour de l’axe de rotation. L’inconvénient de la méthode classique est qu’elle est coûteuse et nécessite beaucoup de temps entrainant une très forte indisponibilité car l’ajout et/ou la suppression de masses requiert l’arrêt de la machine. De plus, la méthode classique ne permet d’équilibrer le rotor que pour un jeu limité de conditions de fonctionnement. A titre d’exemple, le comportement vibratoire d’une turbine à vapeur dépend fortement de la vitesse de rotation, de la puissance générée, de la température de la source de l’eau fournie à la turbine (température de l’eau de la rivière, de la mer ou de l’océan qui varient suivant les saisons), de la température de la vapeur et de sa qualité. Plus particulièrement, l’effort centrifuge généré par le déséquilibre de masse autour de l’axe de rotation varie avec la vitesse de rotation du rotor. Dans la majorité des cas, l’équilibrage est réalisé à une seule vitesse de rotation qui est souvent la vitesse de rotation nominale, qui est la vitesse d’exploitation de la machine tournante. La correction nécessaire pour réduire les vibrations à la vitesse nominale peut aggraver les vibrations à d’autres vitesses de fonctionnement (par exemple celui d’une éolienne) ou pendant les transitoires de montées et descentes de vitesses de rotation.

A titre d’exemple, prenons l’équilibrage du groupe turbo-alternateur d’une centrale nucléaire. Cette machine tournante est composée de plusieurs rotors accouplés rigidement. Chaque rotor est équilibré après usinage chez le constructeur. L’assemblage des rotors sur le site d’exploitation génère un déséquilibre du fait des imperfections à l’accouplement. Pour corriger ce type de défaut, un équilibrage est réalisé à la vitesse nominale de rotation des rotors de 1500 tours par minute. Dans beaucoup de cas, la correction du défaut à la vitesse nominale ne permet pas de diminuer les vibrations à d’autres vitesses de rotation. De plus, l’amélioration apportée par l’équilibrage n’est efficace que pour une puissance ou une pression du vide condenseur donnée. En effet, les caractéristiques de l’écoulement aérodynamique (pression, humidité et température) de la vapeur dépendent de la pression du vide condenseur. La modification de la température et les déformations thermomécaniques du rotor viennent modifier la répartition des masses autour de l’axe de rotation. De plus, l’érosion des aubages de la turbine ou l’évolution de l’état thermique de la machine conduisent à un déséquilibre qui évolue lentement dans le temps. Par conséquent, l’équilibrage doit être réalisé lorsque l’état thermique de la machine est stabilisé. L’atteinte d’un état thermique stabilisé nécessite plusieurs heures voire plusieurs jours de fonctionnement du fait de la très grande inertie thermique des rotors. Compte tenu de ces contraintes, l’utilisation de la méthode classique suscitée conduit à une très forte indisponibilité de la turbine et contraint l’exploitant à utiliser la machine avec un jeu de paramètres du reste de l’installation proches de ceux observés lors de l’équilibrage, ce qui impacte défavorablement la manœuvrabilité de la machine lorsqu’il s’agit par exemple de modifier ces paramètres afin d’adapter la puissance générée à la demande du réseau électrique (suivi de charge). En effet, la manœuvrabilité deviendra un enjeu de plus en plus important avec l’introduction des énergies renouvelables intermittentes, nécessitant de sortir du jeu des paramètres nominaux.

Ainsi, selon la méthode classique, aujourd’hui, dans la plus grande majorité des cas, la correction du déséquilibre de masse autour de l’axe de rotation est réalisée en ajoutant des masses ou en enlevant des masses à des positions axiales spécifiques du rotor. Ces positions axiales sont appelées plans d’équilibrage, ces plans coupant normalement l’axe de rotation. Lorsqu’il existe, un plan d’équilibrage consiste, le plus souvent, en un ensemble de trous répartis de manière uniforme autour de l’axe de rotation. Des masses sont placées dans ces trous d’équilibrage pour permettre de corriger le déséquilibre. Le nombre de trous ainsi que la manière avec laquelle les plans d’équilibrage sont placés le long du rotor ont une influence directe sur la qualité de l’équilibrage de la machine.

Ces méthodes connues nécessitent plusieurs arrêts et démarrages de la machine, qui ont un coût élevé et nécessitent beaucoup de temps lors de la mise en œuvre. De plus, ces méthodes connues ne permettent d’équilibrer le rotor que pour un jeu limité de conditions de fonctionnement. En outre, ces méthodes connues ont l’inconvénient d’être intrusives dans le rotor.

Le document US-A-5,197,010 décrit un dispositif pour équilibrer un rotor, dont la distribution de masse par rapport à son axe de rotation peut être modifiée par un système hydraulique faisant varier le flux d’un fluide visqueux à l’intérieur de parties du rotor, ce fluide étant envoyé par une source de fluide sous pression, fixée au stator, par l’intermédiaire de conduites de fluide du stator débouchant en face de conduites de fluide du rotor. Ce dispositif a l’inconvénient d’être complexe et très intrusif, car il nécessite une modification conséquente du rotor et une alimentation du rotor en fluide.

Le document US-A-3,149,502 décrit un dispositif pour équilibrer un rotor, comprenant des bobines de chauffage électrique prévues autour de tiges radiales du rotor, le courant électrique envoyé dans les bobines permettant d’augmenter sélectivement la longueur des tiges, le courant électrique étant envoyé depuis un boîtier de contrôle par des bagues du stator touchant des balais du rotor.

Le document Zumbach M., Schweitze G., Schoellhorn K. « On-Line Thermal Balancing Technique for a Large Turbo-Generator », Journal of Vibration and Acoustics, Janvier 1992, Vol.114, pages 60 à 66, décrit un dispositif d’équilibrage de rotor analogue à celui décrit dans le document US-A-3,149,502.

Les dispositifs d’équilibrage de rotor de ces documents US-A-3,149,502 et Zumbach ont également l’inconvénient d’être intrusifs, en exigeant de profondes modifications du rotor. Un inconvénient est notamment que le maintien mécanique des balais du rotor et leur alimentation en courant électrique constituent une limitation importante et défavorable.

Un objectif de l’invention est d’obtenir une machine tournante, ainsi qu’un procédé d’équilibrage du rotor de celle-ci, qui permettent d’équilibrer le rotor pour diminuer ses vibrations lorsqu’il tourne, et ce par un moyen non intrusif et ne nécessitant pas de modifications du rotor ou des parties fixes de la machine, pour pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus.

A cet effet, un premier objet de l’invention est une machine tournante, comportant un stator, un rotor apte à tourner autour d’un axe de rotation par rapport au stator, et au moins un capteur de vibrations du rotor, monté sur le stator,

caractérisée en ce que

sur le stator est montée au moins une tête de traitement thermique, qui occupe une plage angulaire déterminée de moins de 360° autour de l’axe de rotation en face du rotor, qui est sans contact avec le rotor et qui est apte à appliquer dans la plage angulaire déterminée un différentiel de température au rotor sans contact avec le rotor,

sur le stator est monté au moins un capteur de position angulaire en rotation du rotor autour de l’axe de rotation par rapport au stator,

la machine comportant en outre un contrôleur d’équilibrage du rotor, qui est apte à régler au moins un instant d’activation du différentiel de température sans contact de la tête de traitement thermique et/ou au moins une durée d’activation du différentiel de température sans contact de la tête de traitement thermique à partir de l’instant d’activation et/ou au moins une amplitude du différentiel de température de la tête de traitement thermique en fonction au moins de la position angulaire ayant été mesurée par le capteur de position angulaire du rotor, de manière à ce que les vibrations du rotor, mesurées par le capteur de vibrations, aient une amplitude inférieure à un seuil prescrit.

L’invention permet d’obtenir un contrôle actif sans contact et non intrusif, permettant de réduire les vibrations des machines tournantes telles que par exemple celles que l’on trouve dans les usines de production d’électricité, et ce sans avoir à modifier le rotor. L’invention permet ainsi de réduire les vibrations par la création d’un différentiel de température appliqué à la surface du rotor en rotation. Ce différentiel de température est appelé point thermique et conduit à une déformation thermomécanique du rotor qui génère un effort dynamique. En choisissant judicieusement les positions axiales et circonférentielles de la tête de traitement thermique par rapport à l’axe de rotation du rotor, l’effort dynamique ainsi généré vient annuler ou réduire d’autres efforts dynamiques indésirables générés par certains défauts du rotor et ce sans contact avec le rotor. En particulier, l’invention permet de réduire les vibrations générées par les défauts de balourds mécaniques, les défauts de fibre neutre et les défauts de lignage du rotor, sans avoir à modifier le rotor, qui est la partie la plus difficile à modifier car c’est la partie qui tourne.

De plus, la méthode classique de l’état de la technique ne permet d’équilibrer le rotor que pour un jeu limité de conditions de fonctionnement. Cela est essentiellement dû à la dépendance des coefficients d’influence à l’inertie, la raideur et l’amortissement de la machine qui peuvent varier notamment avec la température, la vitesse de rotation ou la charge. L’invention permet de corriger des déséquilibres de la machine tournante d’une manière continue sans interruption de la rotation du rotor et sans nécessiter l’arrêt de la machine. L’invention permet de corriger des balourds de manière continue, active, et autonome. Cette correction du déséquilibre de masse se faisant sans arrêter la machine offrant l’avantage de permettre une conduite de l’installation autorisant l’exploitant à s’adapter aux suivis de charges, et en conséquence à améliorer sa disponibilité.

Le dispositif et son procédé associé selon l’invention peuvent être mis en œuvre pour d’autres applications, comme par exemple pour corriger d’autres défauts qui touchent les machines tournantes comme les défauts de lignage, la perte d’aubes, les déformations thermomécaniques créés par le frottement entre le rotor et les parties fixe de la machine ou encore par cisaillement du film d’huile lubrifiant dans les paliers hydrodynamiques (effet Morton), les défauts de stabilité des paliers hydrodynamiques, les efforts induits par les écoulements dans une roue de pompe ou une turbine hydraulique, les efforts induits par le champ électromagnétique dans un alternateur.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, la tête de traitement thermique est une tête de chauffage sans contact.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, la tête de traitement thermique est une tête d’émission d’un rayonnement chauffant dans la plage angulaire déterminée vers le rotor.

Suivant un autre mode de réalisation de l’invention, la tête de traitement thermique est une tête d’émission d’un faisceau laser chauffant dans la plage angulaire déterminée vers le rotor.

Suivant un autre mode de réalisation de l’invention, la tête de traitement thermique est une tête d’émission d’une induction magnétique chauffante dans la plage angulaire déterminée vers le rotor.

Suivant un autre mode de réalisation de l’invention, la tête de traitement thermique est une tête de refroidissement sans contact.

Suivant un autre mode de réalisation de l’invention, la tête de traitement thermique est une tête d’envoi d’un gaz réfrigéré vers le rotor.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, la tête de traitement thermique est apte à appliquer dans la plage angulaire déterminée le différentiel de température au rotor, dont la valeur absolue est supérieure à zéro et inférieure ou égal à 10°C par rapport à la température du rotor.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, la durée d’activation du différentiel de température sans contact de la tête de traitement thermique à partir de l’instant d’activation est inférieure à une durée de rotation du rotor pour effectuer un tour autour de l’axe de rotation par rapport au stator.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, l’instant d’activation du différentiel de température de la tête de traitement thermique est périodique avec la même période que la période de rotation du rotor autour de l’axe de rotation et/ou la durée d’activation du différentiel de température de la tête de traitement thermique est périodique avec la même période que la période de rotation du rotor autour de l’axe de rotation.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, la machine comporte M têtes de traitement thermique, qui sont montées sur le stator, où M est un entier naturel supérieur ou égal à 1 et/ou à 2 et/ou à 3 et/ou la machine comporte N capteurs de vibrations du rotor, qui sont montés sur le stator, où N est un entier naturel supérieur ou égal à 1 et/ou à 2 et/ou à 3.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, sur le stator est monté un dispositif pour déplacer la tête de traitement thermique suivant l’axe de rotation et/ou autour de l’axe de rotation.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, la tête de traitement thermique occupe une longueur déterminée L parallèlement à l’axe de rotation en face du rotor et est apte à appliquer dans la longueur déterminée et dans la plage angulaire déterminée le différentiel de température au rotor sans contact avec le rotor,
pour un différentiel maximum de température ΔT déterminé, le contrôleur d’équilibrage du rotor est configuré pour régler une puissance maximum P de dimensionnement de la tête de traitement thermique selon l’équation suivante

où ρ est la densité du rotor,

C_pest la capacité thermique du rotor,

D’ est le diamètre du rotor,

θ est la plage angulaire déterminée exprimée en degrés d’angle.

Un deuxième objet de l’invention est un procédé d’équilibrage du rotor d’une machine tournante telle que décrite ci-dessus, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes, effectuées d’une manière itérative pendant la rotation du rotor autour de l’axe de rotation par rapport au stator à la vitesse de rotation déterminée, pour, à chaque itération :

- régler, via le contrôleur d’équilibrage du rotor, la tête de traitement thermique, pour appliquer au rotor le différentiel de température sans contact à au moins un instant d’activation déterminé et/ou pendant au moins une durée d’activation déterminée à partir de l’instant d’activation déterminé et/ou avec au moins une amplitude déterminée du différentiel de température, et/ou avec une position déterminée de la tête de traitement thermique le long de l’axe de rotation et/ou autour de l’axe de rotation, selon un réglage déterminé,

- mesurer, par le capteur de vibrations, une amplitude d’une vibration du rotor,

- comparer, via le contrôleur d’équilibrage du rotor, l’amplitude mesurée de la vibration du rotor au seuil prescrit,

- dans le cas où l’amplitude mesurée de la vibration du rotor est supérieure ou égale au seuil prescrit, effectuer l’itération suivante avec un réglage modifié de la tête de traitement thermique,

- dans le cas où l’amplitude mesurée de la vibration du rotor est inférieure au seuil prescrit, maintenir, via le contrôleur d’équilibrage du rotor, le réglage de la tête de traitement thermique.

Un troisième objet de l’invention est un procédé d’équilibrage du rotor d’une machine tournante telle que décrite ci-dessus, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes, effectuées pendant la rotation du rotor autour de l’axe de rotation par rapport au stator à une vitesse de rotation déterminée :

- mesure, par le capteur de vibrations, d’une amplitude A₀d’une vibration V₀du rotor et d’une phase Φ₀de la vibration V₀du rotor par rapport à une référence de phase selon l’équation

- réglage, via le contrôleur d’équilibrage du rotor, de la tête de traitement thermique, pour appliquer au rotor une amplitude P de puissance déterminée du différentiel de température sans contact pendant une durée d’activation déterminée à partir d’un instant d’activation déterminé, correspondant à une phase Φ_Pde l’instant d’activation déterminé par rapport à la référence de phase,

- mesure, par le capteur de vibrations, d’une amplitude A₁d’une vibration V₁du rotor et d’une phase Φ₁de la vibration V₁du rotor selon l’équation

- calcul, par le contrôleur d’équilibrage du rotor, d’un coefficient α d’influence de la tête de traitement thermique sur la vibration V₁selon l’équation

- réglage, via le contrôleur d’équilibrage du rotor, de la tête de traitement thermique, pour appliquer au rotor une amplitude déterminée P_cde puissance déterminée du différentiel de température sans contact pendant la durée d’activation déterminée à partir d’un instant d’activation déterminé, correspondant à une phase Φ_Cde l’instant d’activation déterminé par rapport à la référence de phase, selon l’équation

Un quatrième objet de l’invention est un procédé d’équilibrage du rotor d’une machine tournante telle que décrite ci-dessus, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes, effectuées pendant la rotation du rotor autour de l’axe de rotation par rapport au stator à une vitesse de rotation déterminée :

- mesure, par le capteur de vibrations, d’une amplitude A₀d’une vibration V₀du rotor et d’une phase Φ₀de la vibration V₀du rotor par rapport à une référence de phase selon l’équation,

- les étapes suivantes étant effectuées d’une manière itérative pendant la rotation du rotor autour de l’axe de rotation par rapport au stator à la vitesse de rotation déterminée pour, à chaque itération :

- régler, via le contrôleur d’équilibrage du rotor, la tête de traitement thermique, pour appliquer au rotor une amplitude P de puissance déterminée du différentiel de température sans contact pendant une durée d’activation déterminée à partir d’un instant d’activation déterminé, correspondant à une phase Φ_Pde l’instant d’activation déterminé par rapport à la référence de phase, selon un premier réglage de la tête de traitement thermique,

- mesurer, par le capteur de vibrations, une amplitude A₁d’une vibration V₁du rotor et une phase Φ₁de la vibration V₁du rotor selon l’équation

- calculer, par le contrôleur d’équilibrage du rotor, un coefficient α d’influence de la tête de traitement thermique sur la vibration V₁selon l’équation

- régler, via le contrôleur d’équilibrage du rotor, la tête de traitement thermique, pour appliquer au rotor une amplitude déterminée P_cde puissance déterminée du différentiel de température sans contact pendant la durée d’activation déterminée à partir d’un instant d’activation déterminé, correspondant à une phase Φ_Cde l’instant d’activation déterminé par rapport à la référence de phase, selon un deuxième réglage de la tête de traitement thermique selon l’équation

- mesurer, par le capteur de vibrations, une amplitude d’une vibration du rotor,

- comparer, par le contrôleur, l’amplitude mesurée de la vibration du rotor au seuil prescrit,

- dans le cas où l’amplitude mesurée de la vibration du rotor est supérieure ou égale au seuil prescrit, effectuer l’itération suivante à partir du premier réglage ayant été modifié de la tête de traitement thermique,

- dans le cas où l’amplitude mesurée de la vibration du rotor est inférieure au seuil prescrit, maintenir, via le contrôleur d’équilibrage du rotor, le deuxième réglage de la tête de traitement thermique.

Un cinquième objet de l’invention est un procédé d’équilibrage du rotor d’une machine tournante telle que décrite ci-dessus, caractérisé en ce que la machine comporte M têtes de traitement thermique, qui sont montées sur le stator, où M est un entier naturel supérieur ou égal à 1 ou 2 et la machine comporte N capteurs de vibrations du rotor, qui sont montés sur le stator, où N est un entier naturel supérieur ou égal à 1 ou 2, le procédé comportant les étapes suivantes, effectuées pendant la rotation du rotor autour de l’axe de rotation par rapport au stator à une vitesse de rotation déterminée :

les étapes suivantes étant effectuées d’une manière itérative pendant la rotation du rotor autour de l’axe de rotation par rapport au stator à la vitesse de rotation déterminée, pour, à chaque itération k :

régler, via le contrôleur d’équilibrage du rotor, les M têtes de traitement thermique, pour leur faire appliquer simultanément au rotor respectivement les différentiel P_kjde température sans contact correspondant à respectivement M réglages à au moins un instant d’activation déterminé et/ou pendant une durée d’activation déterminée à partir de l’instant d’activation déterminé et/ou avec une amplitude déterminée du différentiel de température, où j est un entier naturel allant de 1 à M, et j désigne les M têtes de traitement thermique et les M réglages,

x_kétant le vecteur ayant comme coordonnées respectivement les M différentiel P_kjde température sans contact appliqués respectivement par les M têtes de traitement thermique,

mesurer pour le réglage de différentiel P_kjde température sans contact, respectivement par les N capteurs de vibrations, N amplitudes A_kid’une vibration r_i(x_k) du rotor et N phases Φ_kide la vibration r_i(x_k) du rotor par rapport à la référence de phase selon l’équation

pour former le vecteur r(x_k) de vibrations mesurées ayant comme coordonnées respectivement les N vibrations r_i(x_k) mesurées respectivement par les N capteurs, pour i étant un entier naturel allant de 1 à N et i désignant les N capteurs de vibrations,

calculer par le contrôleur une norme du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées,

comparer par le contrôleur la norme du du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées au seuil prescrit,

dans le cas où la norme du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées est supérieure ou égale au seuil prescrit, effectuer les étapes suivantes :

- d’abord au cours d’une première partie successivement pour chacune j des M têtes de traitement thermique à chaque itération k, où j est un entier naturel allant de 1 à M, où j désigne les M têtes de traitement thermique et M réglages des M têtes de traitement thermique :

régler, via le contrôleur d’équilibrage du rotor, la tête j de traitement thermique, pour lui faire appliquer au rotor respectivement un différentiel incrémenté P_kj+δP_{k j}de température sans contact correspondant à respectivement un réglage incrémenté à au moins un instant d’activation déterminé et/ou pendant une durée d’activation déterminée à partir de l’instant d’activation déterminé et/ou avec une amplitude déterminée du différentiel de température,

où δP_{k j}est un incrément prescrit de puissance, positif ou négatif et non nul,

x_k+δP_{k j}étant le vecteur ayant comme coordonnées respectivement les M différentiels incrémentés P_kj+δP_{k j}de température sans contact appliqués respectivement par les M têtes de traitement thermique,

mesurer pour le réglage incrémenté de différentiel P_kj+δP_{k j}de température sans contact, respectivement par les N capteurs de vibrations, N amplitudes A_{ki δ}d’une vibration r_i(x_k+δP_{k j}) du rotor et N phases Φ_{ki δ}de la vibration r_i(x_k+δP_{k j}) du rotor par rapport à la référence de phase selon l’équation

pour former le vecteur r(x_k+δP_{k j}) de vibrations mesurées ayant comme coordonnées respectivement les N vibrations r_i(x_k+δP_{k j}) mesurées respectivement par les N capteurs, pour i étant un entier naturel allant de 1 à N et i désignant les N capteurs de vibrations, et calculer des coefficients δ_{k ij}respectivement

- puis au cours d’une deuxième partie postérieure à la première partie :

calculer par le contrôleur d’équilibrage le vecteur d_kd’incréments de différentiel de température sans contact, ayant comme coordonnées respectivement les incréments d_kjdes différentiels P_kjde température sans contact pour j allant de 1 à M, résolvant les équations suivantes :

où désigne une matrice de gradient de vibrations par rapport aux incréments δP_{k j}de différentiel de température, la matrice de gradient ayant N lignes et M colonnes et ayant les coefficients δ_kijpour i allant de 1 à N et i désignant les N lignes de la matrice de gradient et pour j allant de 1 à M et j désignant les M colonnes de la matrice de gradient, désignant la transposition de la matrice de gradient,

effectuer l’itération suivante k+1 en réglant, via le contrôleur d’équilibrage du rotor, les M têtes de traitement thermique selon respectivement M réglages modifiés, pour leur faire appliquer simultanément au rotor respectivement M différentiels modifiés de température sans contact P_k+1j= P_kj+ d_kjcorrespondant à respectivement M réglages modifiés à au moins un instant d’activation déterminé et/ou pendant une durée d’activation déterminée à partir de l’instant d’activation déterminé et/ou avec une amplitude déterminée du différentiel de température, où j est un entier naturel allant de 1 à M, et j désigne les M têtes de traitement thermique et les M réglages modifiés,

- dans le cas où la norme du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées est inférieure au seuil prescrit, maintenir, via le contrôleur d’équilibrage du rotor, les M réglages des différentiels P_kjde température sans contact pour j allant de 1 à M pour les M têtes de traitement thermique.

Un sixième objet de l’invention est un programme d’ordinateur, comportant des instructions de code pour la mise en œuvre du procédé d’équilibrage du rotor d’une machine tournante tel que décrit ci-dessus, lorsque le programme d’ordinateur est exécuté sur un contrôleur.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif en référence aux figures ci-dessous des dessins annexés.

représente une vue schématique de face d’une machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

représente une vue schématique de face du rotor de la machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

représente une vue schématique en vue de côté d’une machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

représente un chronogramme de temps d’activationd’une tête de traitement dans la machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

représente une vue schématique de face d’une déformation provoquée par un différentiel de température sur la machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

représente une vue schématique en vue de côté d’une machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

représente une vue schématique en vue de côté d’une machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

représente une vue schématique en vue de côté d’une machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

représente une vue schématique de face d’une machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

représente un organigramme d’un premier procédé d’équilibrage d’une machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

représente un organigramme d’un deuxième procédé d’équilibrage d’une machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

représente un organigramme du deuxième procédé d’équilibrage d’une machine tournante suivant un autre mode de réalisation de l’invention.

représente un organigramme d’un troisième procédé d’équilibrage d’une machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

représente une image d’un chauffage effectué sur la machine tournante suivant un mode de réalisation de l’invention.

Aux figures 1, 2, 3, 6, 7, 8 et 9, la machine tournante 1 suivant l’invention comporte un stator 2 et un rotor 3 apte à tourner par rapport au stator 2 autour d’un axe 30 de rotation de ce rotor 3. Le stator peut comporter un ou plusieurs premiers bobinages électriques répartis autour de l’axe 30. Le stator 2 est considéré comme étant la partie fixe de la machine tournante 1 et peut comporter des éléments autres que les premiers bobinages électriques, tel qu’un bâti ou autres. Le rotor 3 comporte un arbre rotatif autour de l’axe 30 de rotation et peut comporter un ou plusieurs éléments magnétiques et/ou deuxièmes bobinages électriques, répartis autour de l’axe 30 et fixés à l’arbre. Le rotor 3 est guidé en rotation autour de son axe 30 par un ou plusieurs paliers 20 fixés au stator 2. Le rotor 3 peut avoir un ou plusieurs disques 21 fixés à l’arbre.

Dans un premier cas, la machine tournante 1 peut fonctionner en génératrice d’électricité, c’est-à-dire que le rotor 3 est apte à être fixé à une source de rotation mécanique, entraînant le rotor 3 en rotation autour de l’axe 30 pour générer du courant électrique dans les premiers bobinages électriques du stator 2. La rotation du rotor 3 induit un champ magnétique variable par ses éléments magnétiques et/ou deuxièmes bobinages électriques mis en rotation. Le champ magnétique variable induit aux bornes des premiers bobinages du stator 4 une tension électrique appelée force électromotrice. Le stator 4 comporte une ou plusieurs phases ayant chacune une ou plusieurs bornes de connexion avec l’extérieur, pour fournir vers l’extérieur le courant électrique produit dans les premiers bobinages électriques du stator 4 lorsque le rotor 3 est mis en rotation autour de l’axe 30. La machine tournante fonctionnant en génératrice d’électricité peut être utilisée dans une usine de production d’électricité. La source de rotation mécanique peut être par exemple une turbine pour une machine tournante génératrice 1 formée par un alternateur ou un turbo-alternateur. La source de rotation mécanique peut être un moteur électrique, c’est le cas d’un groupe motopompe primaire d’une centrale nucléaire de production d’électricité. La source de rotation mécanique peut être actionnée par une énergie hydraulique, par exemple dans une centrale hydraulique de production d’électricité. La source de rotation mécanique peut être une turbine à gaz de cycles combinés.

Dans un deuxième cas, la machine tournante 1 peut fonctionner en moteur, c’est-à-dire que le courant électrique variable envoyé depuis l’extérieur aux premiers bobinages électriques du stator 2 entraîne en rotation le rotor 3 autour de l’axe 30 par l’intermédiaire des éléments magnétiques et/ou deuxièmes bobinages électriques du rotor 3.

Sur le stator 2 est fixé un (ou plusieurs) capteur 4 de vibrations permettant de fournir des mesures de vibrations du rotor 3. Chaque capteur a une position déterminée sur le stator 2. Le ou les capteurs 4 permettent de mesurer les vibrations dans la direction radiale du rotor 3. Les capteurs 4 peuvent être répartis en différentes positions selon l’axe 30 de rotation et peuvent être alignés suivant une direction parallèle à l’axe 30 de rotation. Les capteurs 4 peuvent être répartis autour de l’axe 30 de rotation. Les vibrations mesurées peuvent être des déplacements, des vitesses ou des accélérations. Le capteur 4 de vibrations peut être un capteur de déplacements, un capteur d’accélération, un capteur de vitesse, ou autres. On note N le nombre de capteurs 4 de vibrations utilisés.

Le stator 2 comporte un (ou plusieurs) capteur 5 de position angulaire instantanée β en rotation du rotor 3 autour de l’axe 30 de rotation par rapport au stator 2. Ce capteur 5 de position angulaire β en rotation du rotor 3 peut mesurer le temps écoulé à partir d’une référence temporelle et peut utiliser la période T nécessaire au rotor 3 pour effectuer une rotation complète autour de l’axe 30, pour déterminer à chaque instant t la position angulaire instantanée β du rotor 2 à partir de l’écart entre cet instant et cette période T, la position angulaire β revenant par exemple à zéro à chaque période écoulée. Lorsque ce capteur 5 mesure la position angulaire du rotor, il est appelé multi-top-tour. Si le capteur 5 mesure uniquement les instants entre lesquels le rotor effectue une rotation complète, il est appelé « top-tour ». Le capteur 5 permet de faire le lien entre la phase des signaux de vibrations et la position angulaire du rotor 3. Le capteur 5 permet aussi de mesurer la période de rotation et par conséquent la vitesse de rotation du rotor.

Suivant l’invention, le stator 2 comporte une (ou plusieurs) tête 7 de traitement thermique, qui occupe une plage angulaire déterminée θ (non nulle) de moins de 360° autour de l’axe 30 de rotation en face du rotor 3. La tête 7 de traitement thermique est située à une distance prédéterminée et non nulle de la circonférence 31 du rotor 3. La tête 7 de traitement thermique peut être à distance ou à côté du ou des paliers 20 ou de toute partie du stator 2 entourant le rotor 3 autour de l’axe 30 de rotation. Le rotor 3 s’étend en longueur suivant l’axe 30 de rotation et peut avoir par exemple et d’une manière non limitative une longueur de plusieurs mètres. La tête 7 de traitement thermique est sans contact avec le rotor 3 et est apte à appliquer dans la plage angulaire θ déterminée un différentiel ΔT de température au rotor 3. La tête 7 de traitement thermique est configurée pour appliquer le différentiel ΔT de température (appelé point thermique) sur une partie PT de la circonférence 31 du rotor 3, située en face de plage angulaire déterminée θ au cours de la rotation du rotor 2 autour de l’axe 30, ainsi que représenté à titre d’exemple à la . La plage angulaire θ déterminée peut être relativement étroite. Suivant un mode de réalisation, la plage angulaire θ déterminée peut être inférieure ou égale à 90°, notamment inférieure ou égale à 45°, ou inférieure ou égale à 20°, ou inférieure ou égale à 5°, ou inférieure ou égale à 1°. La plage angulaire θ déterminée est supérieure à 0°, notamment supérieure ou égale à 0.1° ou à 0.5°.

La tête 7 de traitement thermique occupe une longueur déterminée L (non nulle) parallèlement à l’axe 30 de rotation en face du rotor 3 et est apte à appliquer dans la longueur déterminée L le différentiel ΔT de température au rotor 3 sans contact avec le rotor 3. La longueur déterminée L est supérieure à zéro et par exemple supérieure à 5 mm.

La machine 1 comporte un contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 par la tête 7 de traitement thermique. Le capteur 4 de vibrations, le capteur 5 de position angulaire et la tête 7 de traitement thermique sont reliés au contrôleur 6. Le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 est configuré pour régler au moins un instant T₁d’activation du différentiel ΔT de température sans contact de la tête 7 de traitement thermique et/ou au moins une durée D d’activation du différentiel ΔT de température sans contact de la tête 7 de traitement thermique à partir de l’instant T₁d’activation et/ou une amplitude P_c(amplitude P_cde puissance du différentiel ΔT de température, qui est positive dans le cas d’un différentiel ΔT de température positif et qui est négative dans le cas d’un différentiel ΔT de température négatif) du différentiel ΔT de température de la tête 7 de traitement thermique en fonction au moins de la position angulaire instantanée β ayant été mesurée par le capteur 5 de position angulaire du rotor 3, de manière à ce que les vibrations du rotor 3, mesurées par le capteur 4 de vibrations, aient une amplitude A₂inférieure à un seuil S prescrit. Ainsi, le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 peut commander par un signal impulsionnel de commande la tête 7 de traitement thermique. L’amplitude P_cdu différentiel ΔT de température peut être de forme impulsionnelle en fonction du temps t, ainsi qu’illustré à titre d’exemple à la . Dans ce qui suit, le différentiel ΔT de température peut être formé par une puissance positive (ou une ou plusieurs impulsion(s) de puissance positive) appliquée sans contact par la tête 7 de traitement thermique au rotor 3 ou par une puissance négative (ou une ou plusieurs impulsion(s) de puissance négative) prélevée du rotor 3 par la tête 7 de traitement thermique sans contact avec le rotor 3. Dans ce qui suit, le différentiel ΔT de température peut être formé par un flux d’énergie, qui est positif de la tête 7 de traitement thermique vers le rotor 3 dans le cas d’un différentiel ΔT de température positif ou qui est négatif de la tête 7 de traitement thermique vers le rotor 3 dans le cas d’un différentiel ΔT de température négatif. Le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 peut être ou comprendre un (ou plusieurs) calculateur, un (ou plusieurs) ordinateur, un (ou plusieurs) processeur, un (ou plusieurs) microprocesseurs, un (ou plusieurs) microcontrôleur, un (ou plusieurs) actionneur, une (ou plusieurs) mémoire permanente, une (ou plusieurs) mémoire non permanente, un (ou plusieurs) programme d’ordinateur.

Ainsi, la tête 7 de traitement thermique permet de générer ou créer le différentiel ΔT de température d’une manière différentiée selon la position angulaire instantanée β du rotor 3 autour de l’axe 30 lors de la rotation du rotor 3. Le contrôleur 6 d’équilibrage utilise les mesures vibratoires du capteur 4, ainsi que la position angulaire β du rotor pour déterminer l’instant T₁d’activation et la durée D de l’activation de la tête 7 de traitement thermique. L’activation de la tête 7 de traitement thermique se fait sur une durée D permettant de traiter thermiquement une partie PT de la circonférence 31 du rotor 3 de sorte à créer une zone de température différente du reste de la circonférence 31 du rotor 3. Par exemple, le contrôleur 6 et la tête 7 permettent de créer le différentiel ΔT de température le long d’une ligne circonférentielle en une cote donnée de l’axe 30 de rotation du rotor 3.

Suivant un mode de réalisation, le contrôleur 6 d’équilibrage permet de régler la durée D d’activation du différentiel ΔT de température vers le rotor 3 au cours de chaque période T de rotation du rotor 3 autour de l’axe 30. La tête 7 commandée par le contrôleur applique donc dans la plage angulaire déterminée θ et pendant la durée D d’activation le différentiel ΔT de température à la circonférence 31 du rotor 3. Le contrôleur 7 commande donc la tête 7 de traitement thermique pour appliquer le différentiel ΔT de température sur une zone localisée PT de la circonférence 31 du rotor 3. Le contrôleur 6, à partir de l’analyse des vibrations enregistrées par le ou les capteurs 4 de vibrations, calcule la puissance du différentiel de température (son amplitude P_c), sa durée D, ainsi que le secteur angulaire ANG du rotor 3 où le différentiel ΔT de température est à appliquer.

Par exemple, ainsi qu’illustré à la , la durée D d’activation de l’amplitude P_cnon nulle du différentiel ΔT de température sans contact de la tête 7 de traitement thermique à partir de l’instant T₁d’activation est inférieure à la période T de rotation du rotor 3 pour effectuer un tour de 360° autour de l’axe 30 de rotation par rapport au stator 2. La montre l’amplitude A du traitement thermique envoyé par la tête 7 en ordonnées en fonction du temps t en abscisses. Ainsi, dans l’exemple de la , la durée D d’activation du différentiel ΔT de température sans contact de la tête 7 de traitement thermique à l’amplitude P_cnon nulle à partir de l’instant T₁d’activation est suivie ou précédée lors de la période T de rotation d’une durée I d’inactivation de la tête 7 pour ne pas appliquer de différentiel ΔT de température au rotor 3 à l’amplitude zéro ou d’une durée I d’application d’un deuxième différentiel ΔT₂de température ayant une amplitude inférieure à l’amplitude P_cde durée D. Le contrôleur 6 d’équilibrage peut être configuré pour effectuer une modulation par largeur d’impulsions du différentiel ΔT de température.

Ainsi, l’invention permet un équilibrage de la machine tournante 1 en agissant en temps réel sur le jeu de paramètres T₁, D et P_cpendant la rotation du rotor 2. En effet, l’état de la machine n’est jamais parfaitement similaire entre un arrêt et démarrage, ce qui impacte négativement la qualité des équilibrages qui étaient réalisés selon l’état de la technique lors de l’arrêt de la machine.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, la tête 7 de traitement thermique permet donc de traiter thermiquement un secteur angulaire ANG, déterminé et inférieur à 360°, de la circonférence 31 du rotor 3 en rotation autour de l’axe 30, en ayant la durée D inférieure à la période T de rotation du rotor 3, la période T de rotation étant le temps mis par le rotor 3 pour effectuer un tour de 360° autour de l’axe 30 de rotation. Par exemple, l’instant T₁d’activation du différentiel ΔT de température sans contact de la tête 7 de traitement thermique est périodique avec la même période que la période T de rotation et/ou la durée D d’activation du différentiel ΔT de température sans contact de la tête 7 de traitement thermique à partir de l’instant T₁d’activation est périodique avec la même période que la période T de rotation. Ce secteur angulaire ANG du rotor 3 correspond dans ces cas à la durée D d’activation du différentiel ΔT de température sans contact de la tête 7 de traitement thermique à partir de l’instant T₁d’activation, s’étend sur ANG = 360°.D/T, en commençant à la position angulaire β₁du rotor β₁= 360°.T₁/T laquelle correspond à l’instant j.T+T₁après le début j.T de chaque période T de rotation, où j est un entier naturel. Cela permet de traiter toujours le même secteur angulaire ANG de la circonférence 31 du rotor 2 par la tête 7 au cours des rotations successives du rotor 3 autour de l’axe 30. Bien entendu, dans d’autres modes de réalisation, l’instant T₁et la durée D pourraient ne pas être périodiques.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, la valeur absolue du différentiel ΔT de température est supérieure à zéro et inférieure ou égal à 10 °C ou 50 °C ou 100 °C par rapport à la température de l’ensemble du rotor 3. La température maximale de la zone chauffée PT dans le cas d’une tête 7 chauffante ne doit pas dépasser la limite entrainant une modification de la structure du matériau rotor 3. Pour des rotors 3 en acier, la température maximale est de l’ordre de 500°C. En pratique, quelques degrés suffisent (moins de 10°C) pour réaliser un équilibrage. Cette température est loin de produire des effets indésirables. Etant donné que le but est de générer un différentiel ΔT de température à la surface 31 du rotor 3, le même effet peut être obtenu avec un apport de froid dans une plage [Tfmin, 0] sous la température du rotor 3, où Tfmin est un différentiel de température en deçà duquel des effets indésirables dépendant du matériau qui constitue le rotor 3 peuvent apparaitre. Il convient ici de noter que lorsque la tête 7 s’arrête (suite à une avarie du système par exemple), le différentiel ΔT de température à surface du rotor persiste naturellement sur le rotor 3 avant de disparaitre au bout de quelques secondes à quelques minutes. La durée de persistance dépend de la vitesse de rotation, du différentiel ΔT de température, de l’inertie thermique du rotor 3 et de la température ambiante. Le maintien du différentiel ΔT de température même lorsque la tête 7 s’arrête, permet de maintenir l’effet de l’équilibrage pendant une certaine durée et offrir ainsi à l’opérateur de la machine tournante la possibilité de prendre les dispositions nécessaires pour pallier la perte du système d’équilibrage en arrêtant par exemple la machine 1 en toute sécurité. C’est un avantage par rapport aux autres systèmes d’équilibrage actifs de l’état de la technique, qui, en cas de disfonctionnement, n’offrent pas ce moment de répit et peuvent même aggraver la situation en introduisant des déséquilibres indésirables.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, la tête 7 de traitement thermique est une tête 7 de chauffage sans contact. Dans ce cas, la tête 7 accroît la température de la circonférence 31 du rotor 3 dans la plage angulaire déterminée θ, et le différentiel ΔT de température (alors appelé point chaud) dans la partie PT de la circonférence 31 du rotor 3 (secteur angulaire ANG) est positif et non nul. La tête 7 de traitement thermique envoie donc de la chaleur dans la plage angulaire déterminée θ et dans la partie PT (secteur angulaire ANG) de la circonférence 31 du rotor 3. Dans l’exemple illustré à la , la partie PT située en face de la tête 7 de chauffage sans contact est chauffée par cette tête 7 de chauffage sans contact et est la zone PT la plus chaude de la circonférence 31 du rotor 3. Les fibres de la matière constituant le rotor 3 dans les zones Z1 situées à proximité de cette partie PT chauffée par la tête 7 de chauffage vont se dilater davantage que les zones Z2 éloignées de la partie PT chauffée par la tête 7 de chauffage sur le rotor 3. La matière du rotor 3 dans les zones Z1 aura donc tendance à se déplacer davantage que la matière du rotor 3 dans les zones Z2 en s’éloignant du point de chauffe PT situé en face de la tête 7 de chauffage, créant ainsi une tension des parties Z1 proches de la zone PT de chauffe. Cette mise en tension n’est pas homogène suivant la circonférence 31 du rotor 3 et va donc entrainer une flexion du rotor 3 comme illustré sur la . La flexion ainsi créée va générer une nouvelle répartition de la masse autour de l’axe 30 du rotor 3. En contrôlant l’amplitude P_cet la position angulaire ANG de la portion chauffée PT, il est possible de modifier la répartition de la masse autour de l’axe 30 de rotation et ainsi de générer des efforts dynamiques permettant de s’opposer aux efforts générés par les défauts du rotor 3. Le chauffage du rotor 3 s’effectue sans aucun contact et de manière non intrusive. Si le système est utilisé pour corriger un déséquilibre de masse du rotor 3, alors la correction est réalisée sans jamais devoir arrêter la rotation du rotor 3, et sans avoir à modifier la rotation du rotor. La correction peut s’adapter à la vitesse de rotation du rotor 3 autour de l’axe 30 et à l’apparition de nouveaux déséquilibres qui seraient créés par d’autres phénomènes, par exemple l’érosion par cavitation.

Différents modes de réalisation de cette tête 7 de chauffage sans contact sont donnés ci-dessous, en référence aux figures 3, 6, 7, 8 et 9.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, illustré à la , la tête 7 de traitement thermique est une tête 7 d’émission d’une induction magnétique chauffante dans la plage angulaire déterminée θ vers le rotor 3 et sans contact avec le rotor 3. La tête 7 de traitement thermique comporte une (ou plusieurs) bobines 71 ou inductances 71. La bobine 71 ou inductance 71 est configurée pour générer un champ magnétique B, par exemple radial par rapport à l’axe 30 de rotation, dans la plage angulaire déterminée θ, lorsque la bobine 71 ou inductance 71 est traversée par un courant électrique envoyé par une source de courant électrique du contrôleur 6 aux deux extrémités 73 et 74 de lorsque la bobine 71 ou inductance 71. Ce champ magnétique B permet de chauffer la partie PT de la circonférence 31 du rotor 3 en rotation autour de l’axe 30. La bobine 71 ou inductance 71 comporte par exemple une ou plusieurs spires 72 entre les deux extrémités 73 et 74. L’axe autour duquel la bobine 71 ou inductance 71 ou spire 72 est enroulé est normal ou possède une composante normale à la surface 31 du rotor 3. La montre une image de la bobine 71 ou inductance 71 ou spire 72 de la tête 7 d’émission d’une induction magnétique chauffante en face de la surface 31 du rotor 3, cette image ayant été réalisée par une caméra thermique tournée vers la surface 31. Cette montre par la même coloration d’image la transmission de la chaleur de la tête 7 à la zone PT de la surface 31 du rotor 3. Sur cette apparaît un artefact X expérimentale dû au reflet de la lumière ambiante.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, illustré à la , la tête 7 de traitement thermique est une tête 7 d’émission d’un rayonnement R chauffant dans la plage angulaire déterminée θ vers le rotor 3 et sans contact avec le rotor 3. Le rayonnement R touche la partie PT de la circonférence 31 du rotor 3 en rotation autour de l’axe 30. La tête 7 d’émission d’un rayonnement R est sans contact avec le rotor 3.

Suivant un autre mode de réalisation de l’invention, illustré à la , la tête 7 de traitement thermique est une tête 7 d’émission d’un faisceau laser FL chauffant dans la plage angulaire déterminée θ vers le rotor 3. Le faisceau laser FL touche la partie PT de la circonférence 31 du rotor 3 en rotation autour de l’axe 30. La tête 7 d’émission du faisceau laser FL est sans contact avec le rotor 3.

Suivant un autre mode de réalisation de l’invention, illustré à la , la tête 7 de traitement thermique est une tête 7 de refroidissement sans contact. Dans ce cas, la tête 7 diminue la température de la circonférence 31 du rotor 3 dans la plage angulaire déterminée θ et le différentiel ΔT (alors appelé point froid) de température dans la partie PT de la circonférence 31 du rotor 3 (secteur angulaire ANG) est négatif et non nul. La tête 7 de traitement thermique prélève donc de la chaleur dans la plage angulaire déterminée θ et dans la partie PT (secteur angulaire ANG) de la circonférence 31 du rotor 3. Par exemple et d’une manière non limitative, la tête 7 de traitement thermique peut être dans ce cas une tête 7 d’envoi d’un gaz réfrigéré vers le rotor 3, ce gaz ayant une température inférieure à la température de l’ensemble du rotor 2, la tête 7 pouvant comporter un embout 75 de sortie de gaz tourné vers la surface 31 du rotor 3.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, la machine 1 comporte une seule tête 7 de traitement thermique, un seul capteur 4 de vibrations du rotor et un seul capteur 5 de position angulaire du rotor 3.

Suivant un autre mode de réalisation de l’invention, la machine 1 comporte M têtes 7 de traitement thermique, qui sont montées sur le stator 2, où M est un entier naturel supérieur ou égal à 1 ou 2. La machine 1 peut comporter N capteurs 4 de vibrations du rotor 3, qui sont montés sur le stator 2, où N est un entier naturel supérieur ou égal à 1 ou 2. Le nombre M de têtes 7 de traitement thermique et/ou le nombre N de capteurs 4 de vibrations du rotor 3 dépend de la longueur du rotor 3 suivant son axe 30 de rotation et par exemple croît avec cette longueur et/ou dépend du nombre de paliers 20 et par exemple croît avec ce nombre de paliers 20.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, illustré à la , sur le stator 2 est monté un dispositif 22 de déplacement pour déplacer la tête 7 de traitement thermique suivant l’axe 30 de rotation et/ou autour de l’axe 30 de rotation. Le dispositif 22 de déplacement permet de déplacer le long de l’axe 30 de rotation la partie PT de la circonférence 31 du rotor 3 (secteur angulaire ANG), à laquelle la tête 7 de traitement thermique applique le différentiel ΔT de température sans contact, par exemple pour rapprocher cette partie PT d’une masse en porte-à-faux du rotor 3.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, pour un différentiel de température ΔT déterminé, le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 est configuré pour régler l’amplitude maximum de puissance P de la tête 7 de traitement thermique selon l’équation suivante

où ρ est la densité du rotor 3,

C_pest la capacité thermique du rotor 3,

D’ est le diamètre du rotor 3.

θ est la plage angulaire déterminée exprimée en degrés d’angle.

On décrit ci-dessous un premier procédé d’équilibrage du rotor 3 de la machine tournante 1 décrite ci-dessus, en référence à la .

Au cours d’une étape E5, le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 règle la tête 7 de traitement thermique, pour que la tête 7 de traitement thermique applique au rotor 3 le différentiel ΔT de température sans contact à l’instant T₁(ou plusieurs instants T₁) d’activation déterminé et/ou pendant la durée D (ou plusieurs durée D) d’activation déterminée à partir de l’instant T₁d’activation déterminé et/ou avec une amplitude déterminée P_c(ou plusieurs amplitudes déterminées P_c) du différentiel ΔT de température, ceci étant un premier réglage.

Puis, au cours de l’étape E6, le capteur 4 de vibrations mesure une amplitude A₂d’une vibration du rotor 3. Le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 compare l’amplitude mesurée A₂de la vibration du rotor 3 au seuil S prescrit, en examinant si l’amplitude mesurée A₂de la vibration du rotor 3 est inférieure au seuil S prescrit. Le capteur 4 de vibrations mesure l’amplitude A₂de la vibration V₂du rotor 3 et une phase Φ₂de la vibration V₂du rotor 3 par rapport à une référence de phase, selon l’équation

Dans le cas où l’amplitude mesurée A₂de la vibration du rotor 3 est supérieure ou égale au seuil S prescrit (cas NON de l’étape E6), le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 retourne à l’étape E5, effectue une nouvelle itération et règle la tête 7 de traitement thermique selon un deuxième réglage modifié par rapport au premier réglage, pour que la tête 7 de traitement thermique applique au rotor 3 le différentiel ΔT de température sans contact à un (ou plusieurs) instant T₁d’activation déterminé ayant été modifié et/ou pendant une (ou plusieurs) durée D d’activation déterminée ayant été modifiée à partir de l’instant T₁d’activation déterminé et/ou avec au une (ou plusieurs) amplitude déterminée P_cdu différentiel ΔT de température, ayant été modifiée, et/ou avec une position ayant été modifiée de la tête 7 de traitement thermique le long de l’axe 30 de rotation et/ou autour de l’axe 30 de rotation. Dans le cas où l’amplitude mesurée A₂de la vibration du rotor 3 est inférieure au seuil S prescrit (cas OUI de l’étape E6), le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 maintient le premier réglage de la tête 7 de traitement thermique de l’étape E5 à l’étape E7. Le deuxième réglage modifié peut être par exemple une augmentation de l’amplitude déterminée P_cet/ou une augmentation de la durée D et/ou une modification de l’instant T₁d’activation.

Les étapes E5 et E6 sont effectuées d’une manière itérative pendant la rotation du rotor 3 autour de l’axe 30 de rotation par rapport au stator 2 à la vitesse de rotation déterminée.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, le premier procédé est effectué avec la machine 1 comportant une seule tête 7 de traitement thermique, un seul capteur 4 de vibrations du rotor et un seul capteur 5 de position angulaire du rotor 3.

On décrit ci-dessous un deuxième procédé d’équilibrage du rotor 3 de la machine tournante 1 décrite ci-dessus, en référence à la .

Les étapes E1 à E5 de la , ou E1 à E7 de la , sont effectuées pendant la rotation du rotor 3 autour de l’axe 30 de rotation par rapport au stator 2 à une vitesse de rotation déterminée.

Au cours de l’étape E1, le capteur 4 de vibrations mesure une amplitude A₀d’une vibration V₀du rotor 3 et une phase Φ₀de la vibration V₀du rotor 3 par rapport à la référence de phase, selon l’équation

Cette étape E1 est effectuée par exemple lorsque la tête 7 de traitement thermique n’est pas active.

Puis, au cours de l’étape E2, le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3, règle la tête 7 de traitement thermique, pour que la tête 7 de traitement thermique applique au rotor 3 une amplitude P de puissance déterminée du différentiel ΔT de température sans contact pendant une durée D d’activation déterminée à partir d’un instant T₁d’activation déterminé, correspondant à une phase Φ_Pde l’instant T₁d’activation déterminé par rapport à la référence de phase, selon un premier réglage de la tête 7 de traitement thermique.

Suivant un mode de réalisation, la durée D de l’activation de la tête 7 de traitement thermique est constante pendant toutes les étapes suivantes, à avoir la même puissance P sur le même secteur angulaire ANG (par exemple 30°).

Il peut être attendu un temps prescrit la stabilisation des vibrations après la mise en route (instant T₁D’activation) de la tête 7 de traitement thermique. La puissance P peut être réglée à une valeur suffisante pour modifier l’amplitude des vibrations.

On décrit ci-dessous un exemple de l’étape E2 dans le cas d’une tête 7 de chauffage sans contact. Par exemple, pour un rotor 3 en acier d’un diamètre D’ de 800 mm, d’une densité ρ = 7800 kg/m³et d’une capacité thermique C_p= 470 J/kg/K, une estimation de la puissance P de chauffage nécessaire pour créer le différentiel de température ΔT = 5°C ayant une longueur L de 40 mm le long de l’axe 30 de rotation étendue sur une plage angulaire θ = 30° peut être obtenue à partir de la relation suivante :

La durée D (et donc l’instant T₁d’activation de la tête 7 de chauffage) est choisie en fonction de l’architecture de la machine 1. Par exemple, si l’essentiel de la masse du rotor 3 se situe entre deux paliers 20 et que la vitesse de rotation de la machine 1 est en dessous de sa vitesse critique, alors les vibrations et la phase du balourd mécanique sont en phase. Par conséquent, l’application d’un point chaud PT en opposition de phase avec la vibration mesurée permet de créer, dans ces conditions, un contre-balancement qui s’opposera au balourd mécanique que l’on cherche à équilibrer. Par exemple, la durée D est de 1/12 de la période de rotation, ce qui correspond à un secteur angulaire ANG de 30° chauffé sur la circonférence 31 du rotor 3 tournant.

La vibration provoquée V_Psur le rotor 3 par l’étape E2 d’application du différentiel ΔT de température par la tête 7 de traitement thermique est :

Puis, au cours de l’étape E3, le capteur 4 de vibrations mesure une amplitude A₁d’une vibration V₁du rotor 3 et une phase Φ₁de la vibration V₁du rotor 3 selon l’équation

La vibration V₁est générée par le déséquilibre que l’on cherche à corriger et par le différentiel ΔT de température appliqué par la tête 7 de traitement thermique.

Puis, au cours de l’étape E4, le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 calcule un coefficient α d’influence de la tête 7 de traitement thermique sur la vibration V₁, ayant été mesurée par le capteur 4 lors de l’étape E3, selon l’équation

On suppose que le système est linéaire et que la vibration V₁, ayant été mesurée par le capteur 4 lors de l’étape E3, est la superposition d’une part de la vibration due au déséquilibre initial (que l’on cherche à corriger) et d’autre part de l’effet de la vibration V_P, qui est provoquée sur le rotor 3 par l’étape E2 d’application du différentiel ΔT de température par la tête 7 de traitement thermique. On suppose aussi que la part due à la vibration V_P, qui est provoquée sur le rotor 3 par l’étape E2 d’application du différentiel ΔT de température par la tête 7 de traitement thermique, est proportionnelle à l’amplitude P et correspond à la phase Φ_Pde l’instant T₁d’activation du différentiel ΔT de température.

Puis, au cours de l’étape E5, le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 règle la tête 7 de traitement thermique, pour que la tête 7 de traitement thermique applique au rotor 3 une amplitude déterminée P_cde puissance déterminée du différentiel ΔT de température sans contact pendant la durée D d’activation déterminée à partir d’un instant T₁d’activation déterminé, correspondant à une phase Φ_Cde l’instant T₁d’activation déterminé par rapport à la référence de phase, selon l’équation

Une fois que le coefficient α d’influence a été déterminé à l’étape E4, il suffit d’appliquer par la tête 7 de traitement thermique à l’étape E5 une puissance à la phase Φ_Cde telle sorte que la somme de la vibration initiale V₀et de la vibration V_Pprovoquée sur le rotor 3 par l’étape E2 d’application du différentiel ΔT de température par la tête 7 de traitement thermique s’annulent, selon l’équation suivante :

Il peut être attendu un temps prescrit la stabilisation des vibrations après la mise en route (instant T₁D’activation) de la tête 7 de traitement thermique.

Suivant un mode de réalisation de l’invention, le deuxième procédé est effectué avec la machine 1 comportant une seule tête 7 de traitement thermique, un seul capteur 4 de vibrations du rotor et un seul capteur 5 de position angulaire du rotor 3.

Suivant un mode de réalisation du deuxième procédé illustré à la , l’étape E5 du deuxième procédé est suivie de l’étape E6 décrite ci-dessus. Ainsi, dans le cas où l’amplitude mesurée A₂de la vibration du rotor 3 est supérieure ou égale au seuil S prescrit (cas NON à l’étape E6), une nouvelle itération des étapes E2, E3, E4, E5 et E6 est effectuée, et ce en prenant le premier réglage ayant été modifié de la tête 7 de traitement thermique à l’étape E2. Dans le cas où l’amplitude mesurée A₂de la vibration du rotor 3 est inférieure au seuil S prescrit (cas OUI à l’étape E6), le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 maintient le premier réglage de la tête 7 de traitement thermique de l’étape E5 à l’étape E7.

On décrit ci-dessous un troisième procédé d’équilibrage du rotor 3 de la machine tournante 1 décrite ci-dessus, en référence à la .

Selon ce troisième procédé d’équilibrage, la machine comporte M têtes 7 de traitement thermique, où M est un entier naturel supérieur ou égal à 1 ou 2, et la machine comporte N capteurs 4 de vibrations du rotor 3, qui sont montés sur le stator 2, où N est un entier naturel supérieur ou égal à 1 ou 2.

Le troisième procédé comporte les étapes suivantes E11 à E16, effectuées d’une manière itérative pendant la rotation du rotor 3 autour de l’axe 30 de rotation par rapport au stator 2 à une vitesse de rotation déterminée, à chaque itération k.

Au cours de l’étape E11, le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 règle les têtes j de traitement thermique, pour leur faire appliquer simultanément au rotor 3 les différentiels P_kjde température sans contact correspondant à M réglages à au moins un instant T₁d’activation déterminé et/ou pendant une durée D d’activation déterminée à partir de l’instant T₁d’activation déterminé. Le contrôleur 6 d’équilibrage détermine le vecteur x_kayant comme coordonnées respectivement les M différentiel P_kjde température sans contact appliqués respectivement par les M têtes 7 de traitement thermique pour j étant un entier naturel allant de 1 à M et j désignant les M têtes 7 de traitement thermique et les M réglages. Lors de la première itération k=1, le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 règle les M têtes de traitement thermique pour faire appliquer au rotor 3 le différentiel P_kjde température nul ou en utilisant un réglage du différentiel P_kjde température, qui a été déterminé lors d’une précédente opération d’équilibrage et qui peut être non nul. Pour les itérations k>1, le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 règle les M têtes de traitement thermique pour faire appliquer au rotor 3 le différentiel P_kjde température déterminé lors de l’étape E16.

Puis, au cours de l’étape E12, les N capteurs i de vibrations mesurent pour le réglage de différentiel P_kjde température sans contact respectivement N amplitudes A_kid’une vibration r_i(x_k) du rotor 3 et N phases Φ_kide la vibration r_i(x_k) du rotor 3 par rapport à la référence de phase selon l’équation

Le contrôleur 6 d’équilibrage forme le vecteur r(x_k) de vibrations mesurées ayant comme coordonnées respectivement les N vibrations r_i(x_k) mesurées respectivement par les N capteurs 4, pour i étant un entier naturel allant de 1 à N et i désignant les N capteurs 4. Il peut être attendu un temps prescrit la stabilisation des vibrations après la mise en route (instant T₁D’activation) de la tête 7 de traitement thermique lors de l’étape E11. Une fois les vibrations stabilisées, on extrait des signaux vibratoires les amplitudes et les phases issues des capteurs de vibrations lors de l’étape E12.

Puis, au cours de l’étape E13, à chaque itération k, le contrôleur 7 calcule une norme du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées.

Puis, toujours au cours de l’étape E13, à chaque itération k, le contrôleur 7 compare la norme du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées au seuil S prescrit, en examinant si la norme du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées est inférieure au seuil S prescrit.

Dans le cas où la norme du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées est inférieure au seuil S prescrit (cas OUI de l’étape E13), le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 maintient inchangés les M réglages des différentiels P_kjde température sans contact de l’étape E11, pour j allant de 1 à M pour les M têtes j de traitement thermique et retourne à l’étape E11.

Dans le cas où la norme du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées est supérieure ou égale au seuil (S) prescrit (cas NON de l’étape E13), le contrôleur continue vers les étapes suivantes E14, E15, E16, puis E11 avec les M réglages modifiés.

On effectue d’abord au cours d’une première partie de l’itération k du troisième procédé les étapes E14 et E15 décrites ci-dessous successivement pour chacune j des M têtes 7 de traitement thermique. Cela signifie que l’on effectue d’abord ces étapes E14 et E15, pour la tête j de traitement, puis que l’on effectue ensuite ces étapes E14 et E15 pour la tête de traitement suivante j+1, et ainsi de suite.

Au cours de l’étape E14, le contrôleur 6 d’équilibrage du rotor 3 règle la tête j de traitement thermique, pour lui faire appliquer au rotor 3 le différentiel incrémenté P_kj+δP_kjde température sans contact correspondant à un réglage incrémenté à au moins un instant T₁d’activation déterminé et/ou pendant une durée D d’activation déterminée à partir de l’instant T₁d’activation déterminé.

δP_kjest un incrément prescrit de puissance, positif ou négatif et non nul (ou premier incrément δP_kj).

Le contrôleur 6 d’équilibrage détermine le vecteur x_k+δP_kjayant comme coordonnées respectivement les M différentiels incrémentés P_kj+δP_kjde température sans contact appliqués respectivement par les M têtes 7 de traitement thermique.

Puis, au cours de l’étape E15, les N capteurs i de vibrations mesurent pour le réglage incrémenté de différentiel P_kj+δP_kjde température sans contact respectivement N amplitudes A_{ki δ}d’une vibration r_i(x_k+δP_kj) du rotor 3 et N phases Φ_{ki δ}de la vibration r_i(x_k+δP_kj) du rotor 3 par rapport à la référence de phase selon l’équation

Le contrôleur 6 d’équilibrage forme le vecteur r(x_k+δP_kj) de vibrations mesurées ayant comme coordonnées respectivement les N vibrations r_i(x_k+δP_kj) mesurées respectivement par les N capteurs 4, pour i étant un entier naturel allant de 1 à N et i désignant les N capteurs 4. Il peut être attendu un temps prescrit la stabilisation des vibrations après la mise en route (instant T₁D’activation) de la tête 7 de traitement thermique lors de l’étape E15. Une fois les vibrations stabilisées, on extrait des signaux vibratoires les amplitudes et les phases issues des capteurs de vibrations lors de l’étape E15.

A l’étape E15, le contrôleur 6 d’équilibrage calcule les coefficients δ_{k ij}selon l’équation suivante :

Le contrôleur 6 d’équilibrage forme le vecteur dérivé décrivant l’influence de la tête j de traitement thermique sur le vecteur de vibration r(x_k), ce vecteur dérivé étant :

où est le vecteur de vibrations mesurées lors de l’étape E15 et r(x_k) est le vecteur de vibrations mesurées lors de l’étape E12.

Le contrôleur 6 répète les étapes E14 et E15 pour j allant de 1 à M jusqu’à construire le M vecteur dérivés ayant chacun N composantes sur i. A l’itération k, la composante i (coefficient δ_{k ij}calculé par le contrôleur 6) du vecteur dérivé décrivant l’influence de la tête j de traitement thermique sur la composante i du vecteur de vibration r(x_k) (sur chaque capteur i) est le coefficient δ_{k ij}avec i allant de 1 à N et j allant de 1 à M. Chaque incrément δP_{k j}pour chaque tête j de traitement thermique permet de calculer la colonne j de la matrice de gradient lors de l’étape E16. Pour la tête de traitement suivante j+1, on remet la tête j de traitement thermique à son réglage précédent P_{k j}(sans l’incrément δP_{k j}), puis on effectue les étapes E14 et E15 sur la tête de traitement suivante j+1 (avec le différentiel P_{kj +1}et l’incrément δP_{k j+1}).

Après la première partie de l’itération k du troisième procédé où les étapes E14 et E15 ont été effectuées pour toutes les M têtes 7 de traitement, on effectue ensuite une deuxième partie de l’itération k du troisième procédé, où l’étape E16 décrite ci-dessous est effectuée.

Au cours de l’étape E16, à chaque itération k, le contrôleur 6 d’équilibrage calcule le vecteur d_kd’incréments de différentiel de température sans contact, ayant comme coordonnées respectivement les incréments d_kjdes différentiels P_kjde température sans contact (ou deuxièmes incréments d_kj) pour j allant de 1 à M, résolvant les équations suivantes :

où désigne une matrice de gradient de vibrations par rapport aux incréments de différentiel de température, la matrice de gradient ayant N lignes et M colonnes et ayant comme coefficients les δ_kijdéterminés lors des étapes E14, E15 et E16, pour i allant de 1 à N et i désignant les N lignes de la matrice de gradient et pour j allant de 1 à M et j désignant les M colonnes de la matrice de gradient, désignant la transposition de la matrice de gradient. Le coefficient δ_kijest la dérivée de la composante i du vecteur vibratoire r(x_k) par rapport à l’incrément δP_kj. L’incrément δP_kjpeut être choisi, à titre d’exemple, comme étant 1% ou 2% ou 5% de la puissance maximale que peut délivrer le système de traitement thermique. L’incrément d_kjest différent de l’incrément δP_kj.

Chaque incrément δP_kjpour chaque tête j de traitement thermique permet de calculer la colonne j de la matrice de gradient. Les étapes E14 et E15 effectuées pour la tête de traitement suivante j+1 avec le différentiel P_kj+1et l’incrément δP_kj+1permettent de calculer les coefficients δ_{ki j+1}et la colonne j+1 de la matrice de gradient. On effectue ainsi les étapes E14 et E15 successivement sur les M têtes 7 de traitement thermique jusqu’à la construction des M colonnes de la matrice de gradient.

L’équilibrage consiste ainsi à minimiser la norme du vecteur des vibrations vibration r_i= r_i(x_k) du rotor 3 dans le sens des moindres carrés, c’est-à-dire résoudre le problème suivant :

où est le complexe conjugué de . Le terme est souvent désigné par le nom de « fonction objectif ». Il convient de noter qu’il est possible d’utiliser d’autre méthodes de minimisation, par exemple celle de Nelder-Mead qui ne nécessite pas le calcul d’un gradient de la fonction objectif à minimiser, c’est-à-dire sans calculer la matrice . En plus, il est possible de réaliser des minimisations en intégrant des contraintes comme le non dépassement de la puissance maximale que le dispositif de chauffe peut fournir.

Après l’étape E16, le contrôleur 6 d’équilibrage retourne à l’étape E11 pour effectuer l’itération suivante k+1 à partir des M réglages modifiés P_k+1j= P_kj+ d_kjde l’itération k pour les M têtes 7 de traitement thermique. Ainsi, le contrôleur 6 d’équilibrage effectue lors de cette itération suivante k+1 de l’étape E11 M réglages modifiés P_k+1j= P_kj+ d_kjdes M têtes 7 de traitement thermique, pour leur faire appliquer simultanément au rotor 3 respectivement les M différentiels modifiés de température sans contact P_k+1j= P_kj+ d_kjà au moins un instant T₁d’activation déterminé et/ou pendant une durée D d’activation déterminée à partir de l’instant T₁d’activation déterminé et/ou avec une amplitude déterminée P_cdu différentiel ΔT de température, où j est un entier naturel allant de 1 à M, et j désigne les M têtes 7 de traitement thermique et les M réglages modifiés. Chaque réglage modifié peut être par exemple une augmentation de l’amplitude déterminée P_cet/ou une augmentation de la durée D et/ou une modification de l’instant T₁d’activation.

Chacun des procédés décrits ci-dessus peut être mis en œuvre par un programme d’ordinateur.

Le fait de ne pas avoir à arrêter la machine 1 permet de réaliser par le troisième procédé une optimisation de manière continue et itérative en utilisant un algorithme de minimisation approprié. Le troisième procédé permet de tenir compte du fait que la machine 1 puisse répondre d’une manière non linéaire aux différentiels ΔT de température pour corriger les déséquilibres.

La présente invention peut être utilisée pour diminuer de manière active les vibrations de toute machine tournante. L’invention vise à être utilisée sur les machines tournantes d’une centrale nucléaire de production d’électricité, dont le coût imputé à leur indisponibilité est très élevé. Parmi les machines stratégiques on peut citer les groupe turbo-alternateur et les groupes motopompes primaires. Elle peut être aussi utilisée sur les machines du parc hydraulique et les turbines à gaz des cycles combinés. L’invention permet d’augmenter la disponibilité de la machine et une réduction du temps de maintenance. La réduction des niveaux vibratoires permet aussi de réduire la fatigue de la machine et d’augmenter sa durée de vie.

L’invention peut être mise en œuvre de manière continue pour diminuer les vibrations ou alors être utilisée lors de certaines phases critiques de fonctionnement de la machine. Par exemple, l’exploitant d’une turbine à vapeur d’une centrale nucléaire peut utiliser le système uniquement lors du passage des vitesses critiques (fréquences de résonnance de la machine) lors des montées et descentes en vitesse. Cela permet de garder un niveau vibratoire bas, de limiter la fatigue et d’éviter une usure prématurée des joints d’étanchéité. Elle peut aussi être utilisée dans certaines plages de vide-condenseur – puissance active durant lesquelles dans l’état de la technique des vibrations excessives apparaissaient et conduisaient au dépassement des seuils d’arrêts définis par le constructeur, obligeant l’opérateur à arrêter en urgence la machine.

Bien entendu, les modes de réalisation, caractéristiques, possibilités et exemples décrits ci-dessus peuvent être combinés l’un avec l’autre ou être sélectionnés indépendamment l’un de l’autre.

Claims (18)

1. Machine tournante (1), comportant un stator (2), un rotor (3) apte à tourner autour d’un axe (30) de rotation par rapport au stator (2), et au moins un capteur (4) de vibrations du rotor (3), monté sur le stator (2),
   caractérisée en ce que
   sur le stator (2) est montée au moins une tête (7) de traitement thermique, qui occupe une plage angulaire déterminée (θ) de moins de 360° autour de l’axe (30) de rotation en face du rotor (3), qui est sans contact avec le rotor (3) et qui est apte à appliquer dans la plage angulaire (θ) déterminée un différentiel (ΔT) de température au rotor (3) sans contact avec le rotor (3),
   sur le stator (2) est monté au moins un capteur (5) de position angulaire en rotation du rotor (3) autour de l’axe (30) de rotation par rapport au stator (2),
   la machine comportant en outre un contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), qui est apte à régler au moins un instant (T₁) d’activation du différentiel (ΔT) de température sans contact de la tête (7) de traitement thermique et/ou au moins une durée (D) d’activation du différentiel (ΔT) de température sans contact de la tête (7) de traitement thermique à partir de l’instant (T₁) d’activation et/ou au moins une amplitude (P_c) du différentiel (ΔT) de température de la tête (7) de traitement thermique en fonction au moins de la position angulaire (β) ayant été mesurée par le capteur (5) de position angulaire du rotor (3), de manière à ce que les vibrations du rotor (3), mesurées par le capteur (4) de vibrations, aient une amplitude (A₂) inférieure à un seuil (S) prescrit.
2. Machine tournante suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la tête (7) de traitement thermique est une tête (7) de chauffage sans contact.
3. Machine tournante suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tête (7) de traitement thermique est une tête (7) d’émission d’un rayonnement ( R) chauffant dans la plage angulaire déterminée (θ) vers le rotor (3).
4. Machine tournante suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la tête (7) de traitement thermique est une tête (7) d’émission d’un faisceau laser (FL) chauffant dans la plage angulaire déterminée (θ) vers le rotor (3).
5. Machine tournante suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la tête (7) de traitement thermique est une tête (7) d’émission d’une induction magnétique chauffante dans la plage angulaire déterminée (θ) vers le rotor (3).
6. Machine tournante suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la tête (7) de traitement thermique est une tête (7) de refroidissement sans contact.
7. Machine tournante suivant la revendication 6, caractérisée en ce que la tête (7) de traitement thermique est une tête (7) d’envoi d’un gaz réfrigéré vers le rotor (3).
8. Machine tournante suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tête (7) de traitement thermique est apte à appliquer dans la plage angulaire (θ) déterminée le différentiel (ΔT) de température au rotor (3), dont la valeur absolue est supérieure à zéro et inférieure ou égal à 10°C par rapport à la température du rotor (3).
9. Machine tournante suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la durée (D) d’activation du différentiel (ΔT) de température sans contact de la tête (7) de traitement thermique à partir de l’instant (T₁) d’activation est inférieure à une durée (T) de rotation du rotor (3) pour effectuer un tour autour de l’axe (30) de rotation par rapport au stator (2).
10. Machine tournante suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’instant (T₁) d’activation du différentiel (ΔT) de température de la tête (7) de traitement thermique est périodique avec la même période que la période (T) de rotation du rotor (3) autour de l’axe (30) de rotation et/ou la durée (D) d’activation du différentiel (ΔT) de température de la tête (7) de traitement thermique est périodique avec la même période que la période (T) de rotation du rotor (3) autour de l’axe (30) de rotation.
11. Machine tournante suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la machine comporte M têtes (7) de traitement thermique, qui sont montées sur le stator (2), où M est un entier naturel supérieur ou égal à 1 et/ou à 2 et/ou à 3 et/ou la machine comporte N capteurs (4) de vibrations du rotor (3), qui sont montés sur le stator (2), où N est un entier naturel supérieur ou égal à 1 et/ou à 2 et/ou à 3.
12. Machine tournante suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que sur le stator (2) est monté un dispositif pour déplacer la tête (7) de traitement thermique suivant l’axe (30) de rotation et/ou autour de l’axe (30) de rotation.
13. Machine tournante suivant l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tête (7) de traitement thermique occupe une longueur déterminée L parallèlement à l’axe (30) de rotation en face du rotor (3) et est apte à appliquer dans la longueur déterminée (L) et dans la plage angulaire déterminée (θ) le différentiel (ΔT) de température au rotor (3) sans contact avec le rotor (3),
    pour un différentiel de température ΔT maximum déterminé, le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3) est configuré pour régler une puissance maximum P de dimensionnement de la tête (7) de traitement thermique selon l’équation suivante
    
    où ρ est la densité du rotor (3),
    C_pest la capacité thermique du rotor (3),
    D’ est le diamètre du rotor (3),
    θ est la plage angulaire déterminée exprimée en degrés d’angle.
14. Procédé d’équilibrage du rotor (3) d’une machine tournante (1) suivant l’une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes (E5, E6), effectuées d’une manière itérative pendant la rotation du rotor (3) autour de l’axe (30) de rotation par rapport au stator (2) à la vitesse de rotation déterminée, pour, à chaque itération :
    - régler (E5), via le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), la tête (7) de traitement thermique, pour appliquer au rotor (3) le différentiel (ΔT) de température sans contact à au moins un instant (T₁) d’activation déterminé et/ou pendant au moins une durée (D) d’activation déterminée à partir de l’instant (T₁) d’activation déterminé et/ou avec au moins une amplitude déterminée (P_c) du différentiel (ΔT) de température, et/ou avec une position déterminée de la tête (7) de traitement thermique le long de l’axe (30) de rotation et/ou autour de l’axe (30) de rotation, selon un réglage déterminé,
    - mesurer (E6), par le capteur (4) de vibrations, une amplitude (A₂) d’une vibration du rotor (3),
    - comparer (E6), via le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), l’amplitude mesurée (A₂) de la vibration du rotor (3) au seuil (S) prescrit,
    - dans le cas où l’amplitude mesurée (A₂) de la vibration du rotor (3) est supérieure ou égale au seuil (S) prescrit, effectuer l’itération suivante (k+1) avec un réglage modifié de la tête (7) de traitement thermique,
    - dans le cas où l’amplitude mesurée (A₂) de la vibration du rotor (3) est inférieure au seuil (S) prescrit, maintenir (E6), via le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), le réglage de la tête (7) de traitement thermique.
15. Procédé d’équilibrage du rotor (3) d’une machine tournante (1) suivant l’une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes, effectuées pendant la rotation du rotor (3) autour de l’axe (30) de rotation par rapport au stator (2) à une vitesse de rotation déterminée :
    - mesure (E1), par le capteur (4) de vibrations, d’une amplitude A₀d’une vibration V₀du rotor (3) et d’une phase Φ₀de la vibration V₀du rotor (3) par rapport à une référence de phase selon l’équation
    
    - réglage (E2), via le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), de la tête (7) de traitement thermique, pour appliquer au rotor (3) une amplitude P de puissance déterminée du différentiel (ΔT) de température sans contact pendant une durée (D) d’activation déterminée à partir d’un instant (T₁) d’activation déterminé, correspondant à une phase Φ_Pde l’instant (T₁) d’activation déterminé par rapport à la référence de phase,
    - mesure (E3), par le capteur (4) de vibrations, d’une amplitude A₁d’une vibration V₁du rotor (3) et d’une phase Φ₁de la vibration V₁du rotor (3) selon l’équation
    - calcul (E4), par le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), d’un coefficient α d’influence de la tête (7) de traitement thermique sur la vibration V₁selon l’équation
    
    - réglage (E5), via le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), de la tête (7) de traitement thermique, pour appliquer au rotor (3) une amplitude déterminée P_cde puissance déterminée du différentiel (ΔT) de température sans contact pendant la durée (D) d’activation déterminée à partir d’un instant (T₁) d’activation déterminé, correspondant à une phase Φ_Cde l’instant (T₁) d’activation déterminé par rapport à la référence de phase, selon l’équation
    
16. Procédé d’équilibrage du rotor (3) d’une machine tournante (1) suivant l’une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes, effectuées pendant la rotation du rotor (3) autour de l’axe (30) de rotation par rapport au stator (2) à une vitesse de rotation déterminée :
    - mesure (E1), par le capteur (4) de vibrations, d’une amplitude A₀d’une vibration V₀du rotor (3) et d’une phase Φ₀de la vibration V₀du rotor (3) par rapport à une référence de phase selon l’équation,
    
    - les étapes suivantes (E2, E3, E4, E5, E6) étant effectuées d’une manière itérative pendant la rotation du rotor (3) autour de l’axe (30) de rotation par rapport au stator (2) à la vitesse de rotation déterminée pour, à chaque itération (k) :
    - régler (E2), via le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), la tête (7) de traitement thermique, pour appliquer au rotor (3) une amplitude P de puissance déterminée du différentiel (ΔT) de température sans contact pendant une durée (D) d’activation déterminée à partir d’un instant (T₁) d’activation déterminé, correspondant à une phase Φ_Pde l’instant (T₁) d’activation déterminé par rapport à la référence de phase, selon un premier réglage de la tête (7) de traitement thermique,
    - mesurer (E3), par le capteur (4) de vibrations, une amplitude A₁d’une vibration V₁du rotor (3) et une phase Φ₁de la vibration V₁du rotor (3) selon l’équation
    
    - calculer (E4), par le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), un coefficient α d’influence de la tête (7) de traitement thermique sur la vibration V₁selon l’équation
    
    - régler (E5), via le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), la tête (7) de traitement thermique, pour appliquer au rotor (3) une amplitude déterminée P_cde puissance déterminée du différentiel (ΔT) de température sans contact pendant la durée (D) d’activation déterminée à partir d’un instant (T₁) d’activation déterminé, correspondant à une phase Φ_Cde l’instant (T₁) d’activation déterminé par rapport à la référence de phase, selon un deuxième réglage de la tête (7) de traitement thermique selon l’équation
    
    - mesurer (E6), par le capteur (4) de vibrations, une amplitude (A₂) d’une vibration du rotor (3),
    - comparer (E6), par le contrôleur (7), l’amplitude mesurée (A₂) de la vibration du rotor (3) au seuil (S) prescrit,
    - dans le cas où l’amplitude mesurée (A₂) de la vibration du rotor (3) est supérieure ou égale au seuil (S) prescrit, effectuer l’itération suivante (k+1) à partir du premier réglage ayant été modifié de la tête (7) de traitement thermique,
    - dans le cas où l’amplitude mesurée (A₂) de la vibration du rotor (3) est inférieure au seuil (S) prescrit, maintenir (E7), via le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), le deuxième réglage de la tête (7) de traitement thermique.
17. Procédé d’équilibrage du rotor (3) d’une machine tournante (1) suivant l’une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la machine comporte M têtes (7) de traitement thermique, qui sont montées sur le stator (2), où M est un entier naturel supérieur ou égal à 1 ou 2 et la machine comporte N capteurs (4) de vibrations du rotor (3), qui sont montés sur le stator (2), où N est un entier naturel supérieur ou égal à 1 ou 2, le procédé comportant les étapes suivantes, effectuées pendant la rotation du rotor (3) autour de l’axe (30) de rotation par rapport au stator (2) à une vitesse de rotation déterminée :
    les étapes suivantes (E11, E12, E13, E14, E15, E16) étant effectuées d’une manière itérative pendant la rotation du rotor (3) autour de l’axe (30) de rotation par rapport au stator (2) à la vitesse de rotation déterminée, pour, à chaque itération k :
    régler (E11), via le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), les M têtes (7) de traitement thermique, pour leur faire appliquer simultanément au rotor (3) respectivement les différentiel P_kjde température sans contact correspondant à respectivement M réglages à au moins un instant (T₁) d’activation déterminé et/ou pendant une durée (D) d’activation déterminée à partir de l’instant (T₁) d’activation déterminé et/ou avec une amplitude déterminée (P_c) du différentiel (ΔT) de température, où j est un entier naturel allant de 1 à M, et j désigne les M têtes (7) de traitement thermique et les M réglages,
    x_kétant le vecteur ayant comme coordonnées respectivement les M différentiel P_kjde température sans contact appliqués respectivement par les M têtes (7) de traitement thermique,
    mesurer (E12) pour le réglage de différentiel P_kjde température sans contact, respectivement par les N capteurs (i) de vibrations, N amplitudes A_kid’une vibration r_i(x_k) du rotor (3) et N phases Φ_kide la vibration r_i(x_k) du rotor (3) par rapport à la référence de phase selon l’équation
    pour former le vecteur r(x_k) de vibrations mesurées ayant comme coordonnées respectivement les N vibrations r_i(x_k) mesurées respectivement par les N capteurs (4), pour i étant un entier naturel allant de 1 à N et i désignant les N capteurs (4) de vibrations,
    calculer (E13) par le contrôleur (6) une norme du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées,
    comparer (E13) par le contrôleur (6) la norme du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées au seuil (S) prescrit,
    dans le cas où la norme du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées est supérieure ou égale au seuil (S) prescrit, effectuer les étapes suivantes (E14, E15) :
    - d’abord au cours d’une première partie (E14, E15) successivement pour chacune j des M têtes (7) de traitement thermique à chaque itération k, où j est un entier naturel allant de 1 à M, où j désigne les M têtes (7) de traitement thermique et M réglages des M têtes (7) de traitement thermique :
    régler (E14), via le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), la tête j de traitement thermique, pour lui faire appliquer au rotor (3) respectivement un différentiel incrémenté P_kj+δP_{k j}de température sans contact correspondant à respectivement un réglage incrémenté à au moins un instant (T₁) d’activation déterminé et/ou pendant une durée (D) d’activation déterminée à partir de l’instant (T₁) d’activation déterminé et/ou avec une amplitude déterminée (P_c) du différentiel (ΔT) de température,
    où δP_{k j}est un incrément prescrit de puissance, positif ou négatif et non nul,
    x_k+δP_{k j}étant le vecteur ayant comme coordonnées respectivement les M différentiels incrémentés P_kj+δP_{k j}de température sans contact appliqués respectivement par les M têtes (7) de traitement thermique,
    mesurer (E15) pour le réglage incrémenté de différentiel P_kj+δP_{k j}de température sans contact, respectivement par les N capteurs (i) de vibrations, N amplitudes A_{ki δ}d’une vibration r_i(x_k+δP_{k j}) du rotor (3) et N phases Φ_{ki δ}de la vibration r_i(x_k+δP_{k j}) du rotor (3) par rapport à la référence de phase selon l’équation
    
    pour former le vecteur r(x_k+δP_{k j}) de vibrations mesurées ayant comme coordonnées respectivement les N vibrations r_i(x_k+δP_{k j}) mesurées respectivement par les N capteurs (4), pour i étant un entier naturel allant de 1 à N et i désignant les N capteurs (4) de vibrations, et calculer des coefficients δ_{k ij}respectivement
    
    - puis au cours d’une deuxième partie (E16) postérieure à la première partie (E14, E15) :
    calculer (E16) par le contrôleur (6) d’équilibrage le vecteur d_kd’incréments de différentiel de température sans contact, ayant comme coordonnées respectivement les incréments d_kjdes différentiels P_kjde température sans contact pour j allant de 1 à M, résolvant les équations suivantes :
    
    
    où désigne une matrice de gradient de vibrations par rapport aux incréments δP_{k j}de différentiel de température, la matrice de gradient ayant N lignes et M colonnes et ayant les coefficients δ_kijpour i allant de 1 à N et i désignant les N lignes de la matrice de gradient et pour j allant de 1 à M et j désignant les M colonnes de la matrice de gradient, désignant la transposition de la matrice de gradient,
    effectuer l’itération suivante k+1 en réglant (E11), via le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), les M têtes (7) de traitement thermique selon respectivement M réglages modifiés, pour leur faire appliquer simultanément au rotor (3) respectivement M différentiels modifiés de température sans contact P_k+1j= P_kj+ d_kjcorrespondant à respectivement M réglages modifiés à au moins un instant (T₁) d’activation déterminé et/ou pendant une durée (D) d’activation déterminée à partir de l’instant (T₁) d’activation déterminé et/ou avec une amplitude déterminée (P_c) du différentiel (ΔT) de température, où j est un entier naturel allant de 1 à M, et j désigne les M têtes (7) de traitement thermique et les M réglages modifiés,
    - dans le cas où la norme du vecteur r(x_k) de vibrations mesurées est inférieure au seuil (S) prescrit, maintenir (E11), via le contrôleur (6) d’équilibrage du rotor (3), les M réglages des différentiels P_kjde température sans contact pour j allant de 1 à M pour les M têtes (7) de traitement thermique.
18. Programme d’ordinateur, comportant des instructions de code pour la mise en œuvre du procédé d’équilibrage du rotor (3) d’une machine tournante (1) suivant l’une quelconque des revendications 14 à 17, lorsque le programme d’ordinateur est exécuté sur un contrôleur (6).