Brevet FR2635186A1 — publié le 19900209

X635186 ! La présente invention concerne les essais des élé- ments constitutifs de machines à rotor et a, notamment, pour objet un procédé d'essai de roues à aubes de ventilateurs. Le procédé d'essai de roues à aubes, de ventilateurs proposé peut être utilisé pour la r alisation d'essais de ré- sistance des roues à aubes de ventilateurs centrifuges et axiaux tant à usage industriel que domestique. De plus, il permet d'essayer les éléments constructifs tournants d'autres machines à rotor, par exemple, des roues à aubes de compres- seurs de différentes destinations. Dans un ventilateur en exploitation, les éléments constitutifs tournants de celui-ci subissent des charges qui diffèrent par leur caractère, leur nature et leur action exercée sur son potentiel de vie. Ces charges sont tributaires de la fonction du ventilateur et sont dues aux forces d'iner- tie et aux vibrations. L'élément le plus sensible à l'action de ces charges est la roue à aubes du ventilateur. Pendant le démarrage du ventilateur, sa roue à aubes (aubes, disques) est soumise à l'action des charges dynamiques dues aux forces d'i- nertie. Il en résulte que dans les éléments de la roue à aubes du ventilateur surgissent des charges cycliques accentuées par le déséquilibre résiduel de la roue à aubes ainsi que par les oscillations radiales et axiales. Quand le taux des contrain- tes statiques dans les éléments de la roue à aubes est impor- tant, on doit s'attendre à leur rupture par fatigue au cours de l'exploitation par suite de l'action des charges agissant pendant les régimes de fonctionnement transitoires, notamment aux moments du démarrage et de l'arrêt du ventilateur. La nécessité d'apprécier la fiabilité des ventila- teurs en exploitation pendant leur durée de vie fixée impose de procéder à l'essai des roues a aubes qui constituent les éléments les plus chargés en comparaison avec les autres lé- ments constructifs. L'obtention rapide des données concernant leur fiabilité d'exploitation s'avère indispensable tant dans les conditions de fabrication en série qu'au cours de la con- ception et de la mise au point des prototypes. On connalt bien un procédé d'essai de la résistance des roues à aubes de ventilateurs, qui consiste à soumettre à plusieurs reprises la roue à aubes du ventilateur à l'ac- tion de charges dynamiques. L'action répétée des charges dynamiques est obtenue grace à plusieurs démarrages du ven- tilateur. Le nombre de démarrage doit être égal à celui qu'on devra réaliser pendant la durée de vie du ventilateur. Le ventilateur étant mis en marche, on lance sa roue à aubes jusqu'à la fréquence de rotation nominale, puis on arrête le ventilateur. Même avec une réduction maximale du temps de fonctionnement en régime stable, le temps de la mise en vi- tesse et de la rotation par inertie du ventilateur est com- pris entre 30 à 500 s, en fonction de la construction et des dimensions du ventilateur, ce qui correspond à 1 000 à 1 500 heures d'essais. En outre, ce procédé ne permet pas une ap- préciation fonctionnelle de la fiabilité des roues à aubes des ventilateurs. De plus, il ne permet pas d'augmenter les charges dynamiques qui prennent naissance au démarrage et à l'arrêt du ventilateur. On s'est donc proposé de créer un procédé d'essai de la résistance des roues à aubes de ventilateurs dans le- quel les charges dynamiques permettraient de réduire le temps des essais. Le problème posé est résolu à l'aide d'un procédé d'essai de la résistance de roues à aubes de ventilateurs consistant à appliquer plusieurs fois des charges dynamiques à la roue à aubes du ventilateur, caractérisé, en ce que l'action répétée des charges dynamiques est obtenue, en sou- mettant la roue à aubes du ventilateur à l'action d'oscilla- tions de torsion ayant une période de 5.10-3 à 10-1 s et une amplitude de 2 à 10 . Le procédé d'essai de la résistance de roues à au- bes de ventilateurs proposé permet de réduire de 20 à 50 fois le temps des essais grâce à l'augmentation des charges dynamiques agissant sur la roue à aubes du ventilateur et grâce à la réduction de l'intervalle de temps séparant deux applications successives des charges dynamiques. La nature des charges dynamiques agissant sur la roue à aubes du ven- tilateur pendant les essais est analogue à celle des charges dynamiques observées au cours de l'exploitation du ventila- teur. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lecture de la description explicative du procédé donnée uni- quement a titre d'exemple non limitatif et d'un exemple con- cret non limitatif de sa mise en oeuvre. Le procédé d'essai de la résistance des roues à aubes de ventilateurs consiste a soumettre la roue à aubes du ventilateur à l'action répétée de charges dynamiques en appliquant à ladite roue du ventilateur des oscillations de torsion ayant une période de 5.10-3 à 10-1 s et une amplitu- de de 2 à 10 . Les valeurs concrètes de la période (de la fréquen- ce) et de l'amplitude des oscillations de torsion sont choi- sies telles que les forces d'inertie centrifuges, agissant sur la roue à aubes du ventilateur à essayer se trouvant dans un état correspondant à la valeur limite de l'amplitude des oscillations de torsion, soient égales en valeur aux for- ces centrifuges agissant sur la roue à aubes du ventilateur dans les conditions d'exploitation. Dans chaque cas concret, elles sont choisies compte tenu de la construction de la roue à aubes. Vu que les fréquences des oscillations propres des éléments constructifs des roues à aubes de ventilateurs assemblés se situent dans les limites de 10 à 200 Hz (don- nées obtenues empiriquement), il s'avère rationnel de réali- ser les essais en régime de résonance. Pour assurer ce régi- me de résonance à l'essai des éléments constructifs les plus chargés des roues à aubes, il faut que la période des oscil- lations de torsion se situe dans les limites de 5.10-3 à -1 s et que sa valeur soit contrôlée au cours de l'essai compte tenu de la fréquence des oscillations propres d'un élément constructif donné. Dans ce cas, pour obtenir une charge dynamique équivalente à la charge d'exploitation, il faut créer des oscillations de torsion sur la roue à aubes tant en état de rotation qu'en état immobile. Dans ce cas, il importe d'obtenir la valeur maximale de la force d'inertie centrifuge pour la position correspondant à la valeur limite de l'amplitude des oscillations de torsion. L'essai des roues à aubes de ventilateurs suivant le procédé faisant l'objet de l'invention est réalisé comme suit. On commence par déterminer (par voie de calcul ou empiriquement) pour l'élément à essayer de la roue à aubes d'un ventilateur les fréquences des oscillations propres de la roue à aubes tout entière et de ses éléments constitu- tifs: aubes, disques, moyeu. Ceci fait, on détermine la durée des essais. La durée de l'action répétée des charges dynamiques est choisie en fonction des buts visés et du mode d'essai. Par exemple, cette durée peut être choisie dans le but d'obtenir un nombre requis de cycles-de fonctionnement égal au nombre de démarrages du ventilateur pendant son ex- ploitation ou bien l'essai peut se poursuivre jusqu'à des- truction de la roue à aubes. Ensuite, on monte la roue à aubes du ventilateur à essayer sur un arbre d'un dispositif d'entraînement. Ce der- nier peut être constitué par tout dispositif d'entraînement de ventilateur. On détermine la fréquence des oscillations propres de l'élément de la roue à aubes que l'on veut exami- ner pendant le cycle d'essai donné. Cet élément, peut être l'élément le plus chargé du ventilateur ou tout autre élé- ment dont la fiabilité intéresse le chercheur. On crée sur l'arbre du dispositif d'entraInement des couples de rotation à variation périodique, qui-provoquent dans la roue à aubes du ventilateur des oscillations de torsion ayant une période de 5.10-3 à 10-1 s et une amplitude de 2 à 100. La fréquence des oscillations de torsion de l'arbre du dispositif d'en- traInement est rendue égale à la fréquence desoscillations propres de la roue à aubes du ventilateur ou de son élément constructif faisant l'objet de l'essai. L'amplitude des os- cillations de torsion est choisie telle que l'amplitude des oscillations de la roue se situe dans les limites de 2 à et l'état de contrainte de la roue doit être tel que la déformation des éléments constructifs de la roue reste dans les limites de la déformation élastique. La valeur de défor- mation de l'élément essayé en état de contrainte est déter- minée par tout procédé connu, par exemple, par un procédé extensomxétrique. L'amplitude des oscillations de la roue à essayer est mesurée par tout procédé connu, par exemple, à l'aide d'un microscope de mesure. Ayant réglé la fréquence et l'amplitude requises des oscillations de torsion de la roue à aubes du ventilateur, on applique à plusieurs repri- ses des charges dynamiques agissant pendant un intervalle de temps fixé. Du fait que la fréquence des oscillations de t torsion forcée de l'arbre du dispositif d'entraInement con- corde avec la fréquence des oscillations propres de l'élément a essayer de la roue à aubes du ventilateur, le taux des charges dynamiques se trouve élevé, ce qui contribue à une accélération considérable du processus des essais. EXEMPLE 1 On a mis à l'essai de résistance un lot de six roues a aubes pour ventilateur centrifuge, le diamètre exté- rieur d'une roue étant de 800 mm. A l'aide de la caractéris- tique amplitude-fréquence, on a déterminé, la fréquence des oscillations propres de l'aube de la roue à l'endroit de sa fixation sur le disque arrière. Elle était d'environ 16 Hz. Puis, on a réglé l'amplitude des oscillations de torsion de la roue à aubes. Pour ce faire, on a monté d'abord la roue à aubes du ventilateur sur l'arbre d'un dispositif d'entrai- nement, on a collé sur l'aube une résistance extensométrique d'un circuit extensomètre et on a appliqué à l'arbre des os- cillations de torsion d'une fréquence de 16 Hz, en modifiant progressivement leur amplitude dans les limites de 2 à 4 . On a constaté que les contraintes enregistrées à l'aide de la résistance extensométrique avaient la valeur maximale lorsque l'amplitude des oscillations de torsion était égale à 4 . Mais, étant donné que le niveau de ces contraintes était faible par rapport au niveau des contraintes qui ap- paraissent sous l'action des charges totales observées en exploitation, on a créé sur l'arbre du dispositif d'entraîne- ment un couple de torsion permanent M qui engendrait dans les aubes des contraintes égales à celles qui apparaissent sous l'action des charges dans les conditions d'exploitation. Puis, on a procédé à l'essai de chacune des roues à aubes. On a mis en rotation l'arbre du dispositif d'entratnement, en créant un couple de torsion permanent M et des oscilla- tions de torsion ayant une période de 6,25. 10-2 s et une amplitude de 4 . Le temps moyen des essais choisi pour apprécier la durée de vie des roues à aubes des ventilateurs, était de 16 heures. REVENDICATION Procédé d'essai de la résistance de roues à aubes de ventilateurs consistant à appliquer à plusieurs reprises des charges dynamiques à la roue à aubes du ventilateur, caractérisé en ce que l'action répétée des charges dynami- ques est obtenue grace à l'application à ladite roue du ven- tilateur des oscillations de torsion ayant une période de 5.10-3 à 10-o s et une amplitude de 2 à 10 .