Caractérisation et surveillance des vibrations d’aubes sur turbomachines
Les vibrations d’aubes constituent un enjeu majeur pour la fiabilité, la sécurité et la durée de vie des turbomachines aéronautiques tout comme industrielles. Soumises à des contraintes mécaniques extrêmes, les aubes peuvent être affectées par des phénomènes vibratoires complexes susceptibles d’entraîner des dégradations importantes, voire des ruptures critiques.
Pour répondre à ces problématiques, les technologies de mesure et d’analyse vibratoire ont fortement évolué, notamment grâce aux solutions de mesure sans contact de type Blade Tip Timing. Cette page présente les enjeux liés aux vibrations d’aubes, les méthodes utilisées pour les caractériser, les moyens matériels et logiciels mis en œuvre ainsi que les résultats obtenus pour le diagnostic et la surveillance des turbomachines.
Pourquoi surveiller les vibrations d’aubes sur les turbomachines ?
Pour une turbomachine aéronautique voire même terrestre, les vibrations d’aubes sont une cause majeure de défaillance : fissuration par ingestion de projectiles, corrosion, fatigue cyclique sont accentuées par ces vibrations.
Les résonances synchrones et non synchrones sont des phénomènes complexes et leur identification fait partie de la caractérisation initiale de la machine puis de son suivi pendant toute sa durée de vie.
Les aubages sont parmi les composants les plus coûteux d’une turbomachine. Le plus souvent, ce sont les moins surveillés et les conséquences d’une rupture d’aube sont catastrophiques.
On distingue les vibrations qui se produisent à des fréquences multiples de la vitesse de rotation et d’autres qui ne le sont pas et apparaissent dans les cas de flottement ou de choc. Toute évolution doit être détectée avec précision.
Il est donc essentiel de disposer d’un moyen performant de mesure des vibrations d’aubes, à la fois peu intrusif, fiable, simple à mettre en œuvre et capable de renseigner sur l’ensemble des aubages plutôt que sur quelques aubes seulement.
Comment mesurer les vibrations d’aubes par Blade Tip Timing ?
Conventionnellement, la caractérisation des vibrations d’un aubage repose sur l’utilisation de jauges de déformation. Cette méthode nécessite un système embarqué permettant de conditionner le signal puis de le transmettre à une station fixe de mesure. L’instrumentation devient rapidement complexe et coûteuse lorsqu’il faut équiper un étage complet, voire plusieurs étages.
L’utilisation de capteurs sans contact associés à la mesure des instants de passage de chaque aube permet aujourd’hui de caractériser le comportement vibratoire d’un étage complet. Avec un minimum de trois capteurs judicieusement positionnés, une première caractérisation vibratoire peut être obtenue. Un nombre plus important de capteurs permet ensuite d’identifier les modes vibratoires aux fréquences élevées.
Afin d’améliorer la précision et la résolution des mesures (perturbées notamment par les vibrations du carter, celles de l’arbre, les variations du jeu aube / carter et les perturbations extérieures), CAPAAB a développé des capteurs capacitifs double électrode. La différence entre les deux signaux mesurés permet de s’affranchir de ces perturbations.
Pour les applications moins exigeantes, un capteur capacitif simple électrode reste une solution pertinente. Certains modèles peuvent fonctionner jusqu’à 1400 °C sans refroidissement.
Le principe consiste ensuite à mesurer les écarts temporels entre les passages successifs des aubes, ces variations étant directement liées aux phénomènes vibratoires.
Vous voulez analyser les vibrations d'aube par mesure sans contact ?
Quels équipements pour l’analyse vibratoire des aubes de turbomachines ?
Comme pour tout capteur capacitif, un conditionneur de type CAP 1802 ou CAP 1800 est nécessaire. La sortie de chaque voie est reliée à un TDC (Time to Digital Converter), qui génère, grâce au logiciel « CDTgen », les valeurs numériques correspondant aux différents temps de passage. Pour les vibrations de faibles amplitudes, des écarts temporels inférieurs à 2 ns peuvent être mesurés.
Pour convertir ces écarts temporels en données vibratoires exploitables (amplitudes, fréquences), un logiciel d’analyse de Blade Tip Timing est utilisé. Le logiciel « BT » analyse les données préalablement converties au format « cdt » (norme ISA 107.1) par « CDTgen ».
Proposée par CAPAAB, la chaîne complète de mesure et d’analyse (matériels et logiciels) est représentée dans le visuel suivant.
Grâce à ses différents partenariats, CAPAAB propose ainsi une solution complète dédiée aux acteurs du marché des turbomachines dans l’aéronautique mais pas seulement.
Quels résultats pour l’analyse vibratoire des aubes ?
L’analyse (*) des données temporelles brutes afin de les convertir en amplitudes et fréquences vibratoires (en fonction de la vitesse de rotation, du régime moteur ou du temps) peut être particulièrement complexe.
Le logiciel BT, développé par APEX Turbine, leader dans son domaine, permet de réaliser ces analyses rapidement grâce à un accompagnement guidé de l’opérateur tout au long du processus.
À partir de scénarios standards ou personnalisés, il devient possible de générer simplement différents types de représentations graphiques :
- position absolue et relative des aubes ;
- déflexion des aubes avec suppression automatique de la position statique ;
- diagrammes de Campbell ;
- représentations en chute d’eau (waterfall plots) ;
- analyses vibratoires synchrones et asynchrones.
L’analyse asynchrone permet notamment la réalisation de FFT sur toutes les aubes, l’identification des diamètres nodaux ainsi que la caractérisation vibratoire en fréquence, amplitude et phase pour l’ensemble de l’étage.
L’analyse synchrone permet quant à elle l’identification des ordres vibratoires par approximation sinusoïdale en fonction de la vitesse de rotation ainsi que la caractérisation complète en fréquence, amplitude et phase pour toutes les aubes.
Enfin, ces mesures vibratoires peuvent être couplées à des mesures de jeu aube / carter grâce à des cartes d’acquisition et logiciels dédiés, les conditionneurs CAP 1800 et CAP 1802 disposant d’une sortie spécifique liée à ce paramètre.
(*) Analyses réalisables en temps différé et/ou en temps réel.
