Réduire de fortes vibrations et augmenter la fiabilité grâce à la technologie du moteur à engrenages CST dans les applications de génération de puissance.

Écrit par : Aron Abel, Baldor Electric Company
Publié : 1er novembre 2013

Dans un groupe électrogène, le système de pompe à eau de circulation du condensateur est généralement une application à basse hauteur d’élévation, haut débit. Deux, trois ou potentiellement quatre pompes identiques fonctionnent habituellement en parallèle avec un système commun. Ce système peut disposer le cas échéant de vannes de régulation de décharge, auquel cas le contrôle du débit est obtenu en mettant une pompe hors service. Dans des conceptions parallèles telles que celle-ci, les pompes doivent être soigneusement adaptées au système et leurs capacités individuelles.

Toutes les combinaisons et les variations de la courbe de la tête du système devraient être examinées et l’incertitude de la courbe du système causée par le fonctionnement de la pompe à débit variable doit être traitée. Le fonctionnement de point hors conception piloté par l’exploitation imprévue de l’usine ou des problèmes de maintenance affecteront la fiabilité et l’efficacité des pompes. Toutefois, une approche différente avec un nouveau moteur et une nouvelle technique d’engrenage peut atténuer ces problèmes tout en améliorant simultanément l’efficacité, la fiabilité et la performance.

Le problème

Les choix d’excitateur actuels pour de grandes pompes verticales sont habituellement limités aux moteurs à induction à nombre élevé de pôles ou aux moteurs synchrones. Toutefois, les moteurs à induction ont un faible facteur de puissance, tandis que les moteurs synchrones sont coûteux et plus complexes. Le problème inévitable est que les deux types de moteur disposent d’une seule vitesse de fonctionnement, ce qui signifie souvent que les pompes centrifuges ne fonctionnent ni de près ni de loin selon les conditions nominales assignées par le fabricant de hauteur et de débit, que l’on appelle le point d’efficacité maximale (BEP - best efficiency point). Un seul BEP étant disponible pour le fonctionnement optimum de la pompe, toute pompe fonctionnant en surcapacité sera en surpression et vibrera, ce qui risque de causer des problèmes de joint d’engrenage et d’arbre et de requérir une puissance excessive. Lorsque le fonctionnement est à capacité réduite, la poussée radiale sur le rotor augmentera, en causant une contrainte d’arbre plus élevée, une flexion augmentée de l’arbre, des problèmes d’engrenage, des problèmes de joint, des vibrations et un mouvement d’arbre axial. Un fonctionnement continu dans ce mode causera une détérioration accélérée de la pompe et potentiellement une panne .

La séquence de démarrage et de fermeture de tout système de pompage est rude pour la pompe parce qu’il faut du temps pour que le système atteigne la stabilité hydraulique. Spécifiquement, dans le cas d’une décharge longue (vers la destination), la transition hydraulique peut causer des minutes voire des heures d’instabilité, en réduisant la durée de vie de la pompe jusqu’à 50 %. Maintenir un clapet de refoulement fermé ou partiellement ouvert durant de plus longues périodes peut également endommager la pompe, les vannes, la tuyauterie et la structure. En outre, si le clapet de refoulement commandé par moteur ne s’ouvre pas ou s’ouvre trop rapidement ou si le système n’est pas adéquatement ventile, un coup de bélier risque de se produire et de gravement endommager la pompe et le système.

Solution alternative

Une solution alternative est un moteur de grande puissance, à engrenage de vitesse lente avec un engrenage hydro-visqueux intégré. Le Moteur à engrenages avec transmission de démarrage contrôlé (Controlled Start Transmission « CST ») est fabriqué dans un boitier en acier conçu pour tenir sur une bride de pompe existante. Les arbres et les roulements sont fabriqués en acier fortement allié trempé et cémenté selon la longévité et la solidité de l’American Gear Manufacturers Association (AGMA) 2001. Un moteur à courant alternatif (CA) de grande puissance de type quatre pôles monte verticalement repose sur un réducteur à engrenages planétaire (voir Figure 1).

En utilisant un moteur à induction à quatre pôles, l’efficacité sera supérieure ou égale à une conception à nombre de pôles élevé. Le réducteur est une réduction mono-étagée (3:1 à 9:1) CST avec arbres d’entrée et de sortie concentriques pour des démarrages et des arrêts contrôlés. Le réducteur est monté sur bride sur le moteur avec le registre mâle du coté équipement entrainé, permettant l’alignement sur la pompe .

L’engrenage planétaire illustré dans la Figure 2 présente quatre composants principaux. Les engrenages sont de type bihélicoïdal pour de faibles bruits et vibrations.

Le planétaire (1) est l’entrée haute vitesse vers la boîte d’engrenages. Autour du planétaire se trouvent trois engrenages planétaires (2) qui sont pris en charge par le porte-satellites (3), qui est également connecté à la sortie basse-vitesse.

L’ensemble du porte-satellites tourne à l’intérieur de la couronne.(4). Le contrôle de la vitesse est effectue par les disques d’embrayage, qui transmettent le couple entre les plaques de friction (5). Cet arrangement divise la puissance en trois chemins afin de réduire la charge sur des engrènements individuels, en permettant une densité de haute puissance et une efficacité dans une plage de 98,5 à 99 pour cent. La capacité nominale unitaire est basée sur la capacité nominale minimum des composants tels que les engrenages, les arbres et les clavettes.

Les engrenages du rouleau cylindrique planétaire sont robustes pour l’application avec une durée de vie L-10 de conception non-ajustée minimum de 50 000 heures a la puissance nominale du moteur. Les charges axiales sont prises en charge par une butée à rotule sur rouleaux avec une durée de vie L-10 de 100 000 à 36 000 livres de poussée externe.

Le système d'entraînement est conçu pour accommoder temporairement des pointes jusqu’à 200 pour cent. L’unité est conçue pour une température d’exploitation maximum limitée à 200 °F par AGMA 6023.

Fonctionnalité

Le démarrage asservi est facilité par un embrayage à huile interne hydro-visqueux qui commande la vitesse de la pompe et le débit afin d’optimiser le démarrage du système de pompe. L’embrayage intégral permet au moteur d’atteindre la vitesse de base du moteur en condition hors charge.

L’embrayage peut être engagé et contrôlé pour amener graduellement la pompe à pleine vitesse. Le régime de sortie final de l’entrainement étant déterminé par le rapport d'engrenages sélectionnè dans le réducteur, la vitesse d’entrainement peut correspondre exactement aux exigences BEP de la pompe pour un fonctionnement efficace.

Une fois le moteur démarré, l’embrayage est lentement engagé afin d’accélérer la charge selon une courbe d’accélération étroitement contrôlée, ce qui réduit l’impact sur le système d’alimentation et permet des temps d’accélération et de décélération étendus. L’embrayage fonctionne comme un démarrage souple mécanique qui permet à la charge entrainée de stopper sans stopper le moteur. Un autre avantage est que des démarrages de pompes multiples peuvent intervenir sans stopper le moteur.

Biographie de l’auteur :

Aron Abel est un ingénieur industriel en charge des secteurs de la production d’électricité et de l’eau / des eaux usées chez Baldor Electric Company, un Membre du groupe ABB. Abel est un spécialiste agréé de l’entretien et de la fiabilité avec 25 ans d’expérience dans la production d'électricité et les industries pétrochimiques. Il peut être contacté sur aron.abel@baldor.abb.com.

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Consulter l’article original sur les systèmes de pompe (pump-zone.com) Ici.