Coupled rotor-stator turbine dynamics modelling in accidental configuration

Modélisation du comportement dynamique couplé rotor-stator d'une turbine en situation accidentelle

Sébastien Roques (1)

1 GeM - Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique

In nuclear power plant turbosets, the design-basis accident consists of a blade-off on the low pressure turbine last stage. Once the blade-off is detected, the turbine is automatically disconnected from the rest of the electrical network and the rotating machinery slows down due to surrounding fluid friction on the shaft. Therefore the main objective is to verify that the designed turbine is capable of going through critical speeds without catastrophic consequences for the shaft line during the accidental shut-down. To this end, a finite element model of a turbine has been developed to compute rotor speed transients by considering the rotating speed of the rotor as an unknown, which allows for the angular deceleration due to rubbing to be calculated in a more realistic fashion. Three models of the stator has been proposed to understand the dynamic behaviour of the casing, and the coupling of the two structures is achieved using the Lagrange multipliers method to compute the contact forces. To solve the nonlinear equations of motion, a contact algorithm has been developed and adapted for the geometry of each stator. Simulations on a simple model of turbine show that the angular speed and the bearing load are well estimated during the rotor-stator interaction. Finally the developed numerical tool is capable of studying the coupled rotor-stator response and predict the sensitivity of parameters such as the friction coefficient and the material properties of the casing.

Pour les groupes turbo-alternateurs du parc nucléaire français, la situation accidentelle de référence lors du dimensionnement est définie par le départ d'une ailette terminale des corps basse pression. Après avoir détecté la perte de l'ailette, la turbine est déconnectée du réseau électrique, et la turbomachine ralentit progressivement sous l'effet de frottements d'origine fluide. Le dimensionnement consiste alors à vérifier que les structures palières sont capables de supporter l'effort résultant du balourd généré par cette perte d'ailette pendant la phase de ralentissement, notamment lors du passage des vitesses pour lequel des contacts rotor-stator peuvent se produire. A cet effet, un modèle éléments finis de turbine a été développé pour simuler des transitoires de vitesse d'un rotor en considérant la vitesse de rotation de l'arbre comme une inconnue, permettant ainsi d'estimer la décélération angulaire due au contact frottant. Trois modèles de stator ont été proposés appréhender le comportement dynamique du carter, et le couplage des structures est réalisé au moyen des forces de contact calculées par la méthode des multiplicateurs de Lagrange. La résolution des équations non-linéaires du mouvement a nécessité le développement d'un algorithme de contact, adapté à la géométrie de chacun des carters. Des simulations réalisées sur un modèle simple de turbine montrent que la vitesse de rotation et les chargements aux paliers sont bien estimés lors de l'interaction rotor-stator. Ainsi l'outil numérique permet d'étudier la réponse couplée rotor-stator et de prédire l'influence de paramètres tels que le coefficient de friction et les propriétés matérielles du stator.

Mots clés: Rotor dynamics; Transient dynamic response; Finite Element; Contact mechanics; Rotor/stator contacts; Rubbing; Friction

Mots clés: Dynamique des rotors; Réponse dynamique transitoire; Méthode des éléments finis; Mécanique du contact; Contacts rotor/stator; Contact frottant; Frottement

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]

Sébastien Roques. Modélisation du comportement dynamique couplé rotor-stator d'une turbine en situation accidentelle. Mécanique [physics.med-ph]. Ecole Centrale de Nantes (ECN), 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00353938⟩