During full load shop tests under natural gas, two multistage centrifugal compressors exhibited subsynchronous vibrations. Both of them are low flow, high pressure, high rotational speed compressors, and are fitted with tilting pad bearings, and dry gas seals. A rotating stall problem was firstly eliminated by a modification of the diffuser geometry. Then, aerodynamic excitations caused the rotors to operate at their stability limit, and high vibration levels were observed at the first natural frequency. A complete rotordynamics analysis was performed in order to model precisely all the fluid-structure interactions. Modifications of the rotor designs were implemented, consisting in optimizing conveniently the bearing pads, replacing the toothed labyrinth seals of the balance pistons by damping honeycomb seals, fitting them with improved shunt hole systems. In addition, the dry gas seals were found to have been damaged, due to thermal effects, and further modifications were implemented to eliminate this problem. Final full load tests demonstrated a satisfactory behaviour of both centrifugal compressors.
During full-load shop tests under natural gas, two multistage centrifugal compressors exhibited subsynchronous vibrations. Both of them are low-flow, high-pressure, high rotational speed compressors, and are fitted with tilting pad bearings and dry gas seals. A rotating stall problem was first eliminated by a modification of the diffuser geometry. Then, aerodynamic excitations caused the rotors to operate at their stability limit, and high vibration levels were observed at the first natural frequency. A complete rotordynamics analysis was performed in order to model precisely all the fluid–structure interactions. Modifications of the rotor designs were implemented, consisting in optimizing conveniently the bearing pads, replacing the toothed labyrinth seals of the balance pistons by damping honeycomb seals, fitting them with improved shunt hole systems. In addition, the dry gas seals were found to have been damaged, due to thermal effects, and further modifications were implemented to eliminate this problem. Final full load tests demonstrated a satisfactory behavior of both centrifugal compressors.
• COMPRESSEURS CENTRIFUGES DE PROCÉDÉLes compresseurs centrifuges de procédé sont des machines multiétagées, adaptées aérodynamiquement cas par cas aux gaz à comprimer. Les caractéristiques thermodynamiques dominantes sont la composition du gaz (d'où sa masse molaire, son coefficient de compressibilité et son exposant isentropique), la pression et la température d'aspiration, la pression de refoulement et la plage de débit à couvrir. Ces éléments, associés à un type d'entraîneur sont suffisants pour sélectionner une ligne de compression.• 1.1 Fonctionnement supercritique des rotors La sélection des machines va vers des compresseurs de plus petits diamètres et de plus grandes vitesses de rotation, afin qu'elles soient de plus en plus compétitives sur le plan technique (grand coefficient de débit signifie bon rendement) et sur le plan économique (faible masse signifie coût modéré). Une autre pratique consiste toujours, pour des raisons économiques, à faire rentrer dans le même corps plusieurs sections de compression avec, entre ces sections, une réfrigération intermédiaire, ou une réinjection voire un soutirage de gaz ( fig. 1).Par conséquent, les rotors sont conçus avec un grand entraxe, et des arbres relativement flexibles (une machine radiale nécessite de petits diamètres d'entrée dans les roues pour que la compression soit efficace). Ces rotors ont tous des fréquences propres de flexion inférieures à la fréquence de rotation. • 1.2 Stabilité vibratoireLes compresseurs couvrent un domaine de plus en plus étendu. Leur disponibilité et l'absence d'usure les font préfé-rer dans beaucoup de cas aux compresseurs alternatifs, grâce aussi au développement de machines à haute pression et de petit débit. Une application typique est le procédé de récupé-ration assistée des hydrocarbures sur les champs pétroliers, par réinjection de gaz naturel, qui nécessite des niveaux de pression allant de 350 à 550 bars suivant les sites.A de telles pressions, la masse volumique du gaz est significative (250 à 400 kg/m 3 ), et les effets aérodynamiques sur le comportement vibratoire du rotor sont notables. Si l'on ne prend pas de précautions particulières, le compresseur se mettra à vibrer de façon subsynchrone, à la fréquence propre du rotor (inférieure à la vitesse de rotation) et avec des amplitudes qui peuvent aller jusqu'à interdire tout fonctionnement en haute pression, et même à détruire la machine.• 1.3 Vérification du comportement vibratoire par des essais à pleine charge En 1984, IW. Fulton [1], après avoir examiné plusieurs cas d'instabilité de machines, a proposé un critère empirique de position relative de la vitesse de rotation maximale par rapport à la première vitesse critique sur paliers rotulés en fonction de la masse volumique moyenne du gaz comprimé ( fig.2). Ce critère donne une indication sur la sensibilité d'une machine au phénomène d'instabilité vibratoire, et servait pour décider de la réalisation d'essais de réception à pleine charge et pleine pression pour vérifier expérimentale-ment le comportement mécaniqu...
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