FR2818171A1 - Procede de nettoyage des passages internes d'une pale et pale nettoyee selon ce procede - Google Patents

Procede de nettoyage des passages internes d'une pale et pale nettoyee selon ce procede Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de nettoyage d'un passage interne d'une pale de turbine à gaz qui a été exposée aux conditions de fonctionnement de la turbine, qui comprend immersion de la pale dans un milieu à base d'hydroxyde inorganique à une température supérieure à la température ambiante et à la pression atmosphérique pendant une durée permettant de retirer les matières étrangères du passage interne, ainsi qu'une pale nettoyée par ledit procédé.

Description

La présente invention concerne le nettoyage de pales, telles que des
pales, aubes ou ailettes de turbine à gaz, qui ont été exposées aux conditions de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz, et plus particulièrement le nettoyage des passages internes d'air de refroidissement de pales pour en éliminer les oxydes et les impuretés par immersion dans un milieu de nettoyage à base d'hydroxyde inorganique
pendant une courte durée.
Pendant le fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz, les surfaces internes et externes des pales, telles que les pales, aubes ou ailettes de turbine en superalliage à base de nickel ou de cobalt, subissent une oxydation par attaque de la part de l'environnement. De plus, les impuretés s'accumulent typiquement dans les passages internes d'air de refroidissement des pales. L'accumulation de matières étrangères (produits d'oxydation et/ou impuretés) à l'intérieur des passages d'air de refroidissement fait diminuer leur efficacité de sorte que la température de fonctionnement des pales augmente et que la durée de vie utile des pales diminue. Typiquement, les pales de moteur à turbine à gaz sont
périodiquement remises à neuf pour prolonger leur durée de vie utile.
Avant cette remise à neuf, ces pales sont nettoyées pour retirer les oxydes et les impuretés présents sur les surfaces internes et externes des pales, ou bien les éventuels revêtements protecteurs sont éliminés avant qu'un
nouveau revêtement soit appliqué aux pales.
Plusieurs procédés de nettoyage ont été développés pour nettoyer les passages internes de refroidissement de pales de moteur à turbine à gaz. Le brevet U.S. nO 5 507 306 décrit un procédé dans lequel une solution de KOH à haute température est pulvérisée sous pression dans les passages internes de refroidissement des pales. Le brevet U.S. n 4 439 241 décrit un procédé de nettoyage à l'autoclave sous haute pression au moyen d'une solution de KOH pour retirer les dépôts internes des pales. Toutefois, ces procédés de nettoyage connus mettent en jeu un appareillage relativement complexe qui est coûteux à assembler et à entretenir. De plus, la plupart des procédés de nettoyage connus sont relativement longs à mettre en oeuvre pour nettoyer les passages internes afin d'en éliminer les oxydes et les impuretés, ce qui nécessite des temps
de traitements longs et augmente les coûts de remise à neuf des pales.
La présente invention a pour but de fournir un procédé de nettoyage des passages internes de pales de moteur à turbine à gaz qui ont été exposées aux conditions de fonctionnement d'un tel moteur, procédé qui permet d'éviter les inconvénients évoqués ci-dessus, ainsi qu'une pale de turbine à gaz remise à neuf. Ainsi, la présente invention fournit un procédé de nettoyage d'un passage interne d'une pale de turbine à gaz qui a été exposée aux conditions de fonctionnement de la turbine, caractérisé en ce qu'il comprend l'immersion de la pale dans un milieu à base d'hydroxyde inorganique à une température supérieure à la température ambiante et à la pression atmosphérique pendant une durée permettant de retirer les
matières étrangères du passage interne.
Avantageusement les matières étrangères accumulées sont des oxydes et des impuretés, sur la surface du passage interne, notamment
sans que la pale subisse une attaque chimique néfaste.
Avantageusement, la pale peut comprendre un superalliage à base de nickel ou de cobalt dans le cas o elle n'est pas munie d'un revêtement protecteur, ou bien encore, elle peut comporter un
revêtement protecteur avant d'être utilisée dans un moteur.
De préférence, le milieu à base d'hydroxyde comprend de l'hydroxyde de
potassium fondu (KOH).
De préférence, le temps d'immersion de la pale dans le milieu à base d'hydroxyde ne dépasse pas 360 min et de préférence encore il ne dépasse pas 10 min. Avantageusement le procédé est caractérisé en ce que le milieu à base d'hydroxyde inorganique comprend un milieu à base d'hydroxyde fondu choisi dans le groupe consistant en un hydroxyde alcalin et un
hydroxyde alcalino-terreux.
Avantageusement le procédé est caractérisé en ce que
I'hydroxyde alcalin fondu comprend KOH fondu.
Avantageusement le procédé est caractérisé en ce que le milieu à base d'hydroxyde fondu est à une température d'environ 204 C (400 F)
ou plus.
Avantageusement le procédé est caractérisé en ce que la pale
comprend un superalliage à base de nickel ou de cobalt.
Avantageusement le procédé est caractérisé en ce que des régions d'oxydes internes demeurent sous la surface du passage interne
après l'immersion.
Avantageusement le procédé est caractérisé en ce qu'il comprend en outre la formation d'un revêtement sur la surface du passage interne de manière que les oxydes internes soient situés dans le revêtement. Avantageusement le procédé est caractérisé en ce que le
revêtement comprend un revêtement d'aluminiure de diffusion.
Avantageusement le procédé est caractérisé en ce que le milieu à base d'hydroxyde inorganique comprend au moins 50 % en masse d'au
moins un hydroxyde parmi un hydroxyde alcalin et un hydroxyde alcalino-
terreux, le complément étant constitué essentiellement par de l'eau.
Avantageusement le procédé est caractérisé en ce que le milieu
est à une température d'environ 135 C (275 F) ou plus.
Avantageusement, le milieu à base d'hydroxyde inorganique peut comprendre au moins 50 % en masse d'au moins un hydroxyde parmi un hydroxyde alcalin et un hydroxyde alcalino-terreux, le complément étant constitué essentiellement par de l'eau et le milieu étant à une température d'environ 135 C (275 F) ou plus. De préférence, le milieu à base d'hydroxyde inorganique peut comprendre une solution aqueuse de KOH à 90 % en masse à 302 C (575 F) à la pression atmosphérique, avec des temps d'immersion ne dépassant pas 10 min. Selon un autre aspect l'invention fournit une pale de turbine à gaz qui a été exposée aux conditions de fonctionnement de la turbine et remise à neuf caractérisée en ce qu'elle comporte une surface de passage interne qui a été nettoyée par le procédé selon l'une quelconque des
revendications précédentes et qui peut avantageusement être munie d'un
revêtement incluant des régions d'oxydes discontinues.
Avantageusement le procédé est caractérisée en ce que le revêtement comprend un revêtement d'aluminiure de diffusion formé à
l'extérieur incluant lesdites régions d'oxydes.
Avantageusement le procédé est caractérisée en ce que lesdites
régions d'oxydes sont situées dans une zone de diffusion du revêtement.
La présente invention fournit une pale de moteur à turbine à gaz ayant été exposée aux conditions de fonctionnement d'un tel moteur qui a été remise à neuf, dont la surface de passage interne a été nettoyée et qui peut être munie d'un revêtement protecteur. Le revêtement peut inclure des régions d'oxydes distinctes qui étaient présentes initialement sous forme de régions d'oxydes internes situées sous la surface, avant le nettoyage de la pale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux
dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels la figure 1 est une photographie d'une pale de moteur à turbine à gaz qui a été exposée aux conditions de fonctionnement d'un tel moteur, coupée longitudinalement pour montrer les dépôts d'oxydes et d'impuretés dans le passage interne d'air de refroidissement; la figure 2 est une micrographie à un grossissement de 200 d'une région superficielle du passage interne d'air de refroidissement d'une pale ayant été exposée aux conditions de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz montrant l'oxydation de la surface externe et l'oxydation de la région située sous la surface; la figure 3 est une photographie de la pale représentée sur la figure 1 après qu'elle a été nettoyée par le procédé selon la présente invention; la figure 4 est une micrographie à un grossissement de 200 d'une région superficielle du passage interne d'air de refroidissement d'une coupe transversale d'une pale qui a été exposée aux conditions de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz après le nettoyage selon la présente invention, montrant le retrait du dépôt d'oxydation externe de la surface du passage sans détérioration du substrat. Le substrat de la pale est la région claire sur la figure 4, tandis que la région sombre correspond à un support métallographique; la figure 5 est une micrographie à un grossissement de 800 d'une région superficielle du passage interne d'air de refroidissement d'une coupe transversale d'une pale qui a été exposée aux conditions de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz après qu'elle a été nettoyée par le procédé selon l'invention et qu'elle a été munie d'un nouveau
revêtement d'aluminiure de diffusion Ni-AI.
Le procédé de nettoyage selon la présente invention peut être mis en oeuvre pour nettoyer les passages internes d'air de refroidissement des pales de moteur à turbine à gaz qui ont été exposés aux conditions de fonctionnement d'un tel moteur, par exemple dans la section de turbine à haute temperature du moteur, qui sont des pièces moulées en superalliage à base de nickel ou de cobalt et qui comportent des surfaces extérieures qui, typiquement, ont été munies d'un revêtement protecteur avant d'être utilisées dans le moteur. Les passages internes d'air de
refroidissement peuvent aussi être munis d'un revêtement protecteur.
Par exemple, les surfaces extérieures d'une pale en superalliage à base de nickel ou de cobalt peuvent être recouvertes d'un revêtement protecteur d'aluminiure de diffusion conventionnel simple ou modifié au platine, d'un revêtement protecteur en MCrAIY conventionnel o M est choisi parmi Ni, Co et Fe, ou une combinaison de ceux-ci, d'un revêtement formant barrière thermique en céramique conventionnel, et des combinaisons de tels revêtements, pour assurer une protection contre l'oxydation et la corrosion à chaud pendant le fonctionnement dans un moteur à turbine à gaz. Le passage interne d'air de refroidissement peut éventuellement être
recouvert d'un simple revêtement protecteur en aluminiure de diffusion.
Selon la présente invention, une pale de moteur à turbine à gaz qui a été exposée aux conditions de fonctionnement d'un tel moteur comporte des matières étrangères accumulées comprenant des oxydes superficiels et/ou des impuretés sur les surfaces du passage interne d'air de refroidissement et sur la surface extérieure de la pale qui sont nettoyées en une durée relativement courte pour éliminer les matières étrangères. Les oxydes de surface peuvent comprendre un dépôt ou couche externe d'oxydes formé pendant le fonctionnement du moteur sur les surfaces du passage interne d'air de refroidissement. Ces surfaces comprennent le substrat en superalliage dans le cas o le passage interne d'air de refroidissement est exposé au fonctionnement du moteur à l'état non revêtu ou comprennent un revêtement protecteur dans le cas o le passage interne d'air de refroidissement est muni d'un revêtement protecteur avant la mise en service du moteur. Les oxydes de surface peuvent comprendre aussi des régions oxydées à l'intérieur de la pale
sous les surfaces du passage interne d'air de refroidissement.
Les impuretés qui peuvent être présentes du fait du fonctionnement du moteur comprennent, mais sans limitation, SiO2, CaO, Fe203, des composés complexes comme des silicates, des composés chlorés, et d'autres matières étrangères présentes sur les surfaces du passage interne d'air de refroidissement, dont la composition particulière dépend des conditions de fonctionnement du moteur et de l'endroit o est utilisé
le moteur.
Le procédé selon l'invention comprend l'immersion d'une ou plusieurs pales ayant été exposées aux conditions de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz dans un milieu à base d'hydroxyde inorganique à une température supérieure à la température ambiante et à la pression atmosphérique pendant une courte durée pour éliminer les matières étrangères accumulées qui comprennent des oxydes de surface et des impuretés sur le passage interne d'air de refroidissement, sans attaquer chimiquement la surface en superalliage à base de nickel ou de cobalt dans le cas o le passage interne n'est pas muni d'un revêtement protecteur, ou la surface du revêtement protecteur dans le cas o le passage interne est muni d'un revêtement protecteur. Les oxydes et les impuretés accumulés sur la surface externe de la pale sont retirés pendant le retrait d'un revêtement protecteur présent typiquement sur la surface externe. Certains oxydes internes situés sous la surface du passage d'air de refroidissement peuvent demeurer après le nettoyage. On a constaté que ces oxydes internes n'ont aucun effet néfaste sur le revêtement protecteur appliqué ultérieurement sur le passage interne d'air de
refroidissement nettoyé.
De préférence, le milieu à base d'hydroxyde inorganique comprend un hydroxyde fondu comme KOH, NaOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2 et d'autres hydroxydes alcalins et alcalino-terreux constituant 80 % en masse ou plus du milieu de nettoyage, le complément étant typiquement constitué par de l'eau. Il est possible également d'utiliser un milieu à base
d'hydroxyde inorganique sans eau, s'il est disponible.
Le milieu à base d'hydroxyde inorganique peut aussi comprendre des solutions aqueuses de KOH, NaOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2 et d'autres hydroxydes alcalins ou alcalino-terreux dans lesquelles l'hydroxyde constitue au moins 50 % en masse du milieu de nettoyage, lecomplément étant typiquement de l'eau, le milieu étant à une température supérieure à la température ambiante, par exemple à environ
135 C (275 F) ou plus.
Le milieu à base d'hydroxyde est chauffé à la pression atmosphérique jusqu'à une température supérieure à la température ambiante choisie pour amener le milieu à base d'hydroxyde à l'état liquide ou fondu dans un récipient approprié. A titre d'exemple seulement, pour de l'hydroxyde de potassium (KOH) du commerce et pur qui comprend 90 % en masse de KOH et le complément constitué par de l'eau, on choisit une température d'environ 204 C (400 F) ou plus (par exemple 204 à 260 C (400 à 500 F)) pour maintenir le milieu à base de KOH à l'état fondu (liquide) dans le récipient qui peut comporter au sommet une ouverture communiquant avec l'atmosphère. Le récipient peut être chauffé extérieurement par des éléments chauffants résistifs ou par tout autre moyen chauffant pour maintenir le milieu à base de KOH à
la température voulue.
De préférence, la durée d'immersion de la pale ayant été exposée aux conditions de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz dans le milieu à base d'hydroxyde inorganique fondu ne dépasse pas 360 min, et de préférence encore elle ne dépasse pas 10 min. Dans un mode de réalisation de la présente invention, une pale de moteur à turbine à gaz ayant été exposée aux conditions de fonctionnement de ce moteur est soumise à une opération de remise à neuf ou de réparation dans laquelle les matières étrangères accumulées sont retirées des surfaces extérieures de la pale par retrait du revêtement protecteur présent typiquement sur les surfaces extérieures de la pale et les passages internes de refroidissement à l'air sans attaque chimique ou autre dégradation du substrat en superalliage de la pale ou de tout revêtement protecteur le recouvrant, grâce au procédé de nettoyage
chimique selon la présente invention.
Le procédé selon la présente invention à fait ses preuves dans l'élimination d'oxydes et/ou d'impuretés du passage interne de refroidissement d'air de certaines pales du première étage d'une turbine à gaz haute pression qui ont été exposées aux conditions de fonctionnement
de la turbine, comprenant un superalliage à base de nickel ou de cobalt.
Ces pales de turbine ont été exposées aux fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz équipant un avion de transport C-130 sans revêtement protecteur sur les passages internes de refroidissement à l'air et avec un
revêtement protecteur de CoCrAIY sur les surfaces extérieures des pales.
Sur la figure 1, la pale de turbine a été coupée longitudinalement pour montrer le passage interne de refroidissement à l'air dont l'examen a révélé une oxydation importante et une accumulation
importante d'impuretés appelées "débris piégés et accumulation".
L'examen métallographique de la région superficielle d'une coupe obtenue transversalement dans le passage interne de refroidissement à l'air a révélé la présence d'une oxydation externe et interne importante de la région située sous la surface du substrat S de la pale sous forme de régions distinctes et discontinues d'oxydes dans le substrat en
superalliage, comme le montre la figure 2.
Les passages internes de refroidissement à l'air des pales de turbine qui ont été exposées aux conditions de fonctionnement de la
turbine ont ensuite été nettoyés selon le procédé de la présente invention.
Par exemple, un récipient a été rempli d'écailles d'hydroxyde métallique, en particulier de KOH, et a été chauffé au moyen d'une résistance électrique entourant le récipient pour produire un bain de KOH fondu à 302 C (575 F) et à la pression atmosphérique. La température du bain de KOH fondu a été surveillée et contrôlée au moyen d'un thermocouple à gaine de type K plongeant dans le bain de KOH fondu. Les pales de turbine ont été immergées dans le milieu à base de KOH fondu pendant min puis rincées à l'eau froide après avoir été retirées du milieu à base
de KOH.
Le procédé de nettoyage selon la présente invention est efficace pour retirer les matières étrangères accumulées y compris les dépôts d'oxydes et d'impuretés sur les surfaces des passages internes d'air de refroidissement, comme on peut le voir en comparant les figures 3 et 4. L'examen métallographique de coupes transversales nettoyées de régions superficielles externes des passages d'air de refroidissement a révélé que les régions d'oxydes internes situées sous la surface, présentes dans le substrat en superalliage, figure 2, n'étaient pas complètement
dissoutes pendant l'immersion dans le milieu à base de KOH fondu.
Plusieurs des pales (par exemple 6 pales) de turbine qui ont été exposées aux conditions de fonctionnement de la turbine ont ensuite été nettoyées par retrait du revêtement de CoCrAIY des surfaces extérieures des pales à l'aide d'un procédé chimique d'élimination à l'acide bien connu
dans le commerce.
Les surfaces extérieures des pales nettoyées ont ensuite été munies d'un revêtement frais d'aluminiure de diffusion modifié au platine formé extérieurement, tel que décrit dans les brevets U.S nO 5 658 614, 788 823 et 6 136 451 o les surfaces extérieures ont été recouvertes de platine puis soumises à un aluminiage par dépôt chimique en phase
vapeur (CVD) de la manière décrite dans les brevets mentionnés ci-
dessus. Les surfaces des passages internes d'air de refroidissement ont été revêtues d'une manière similaire par CVD mais sans application initiale d'un plaquage de Pt. La figure 5 montre une coupe transversale du revêtement d'aluminiure de diffusion Ni-AI formé sur la surface du passage interne d'air de refroidissement du substrat S de la pale o de revêtement inclut une zone de diffusion interne Z avec les régions distinctes et discontinues d'oxydes internes P (régions sombres discontinues formées pendant le fonctionnement antérieur du moteur et qui n'ont pas été retirées pendant le nettoyage) incorporées dans une partie externe de la zone de diffusion Z adjacente à la couche externe supplémentaire d'aluminiure de diffusion Ni-AI en phase unique. La plaque de nickel indiquée sur le revêtement d'aluminiure de diffusion Ni-AI est utilisée lors de la préparation de l'échantillon métallographique. Il apparaît d'après la figure 5 que les régions d'oxydes internes discontinues, présentes dans le substrat de la pale après le nettoyage avec KOH fondu, n'inhibaient pas le processus d'aluminiage CVD et étaient incluses dans le revêtement
d'aluminiure de diffusion sous forme de régions discontinues d'oxydes.
Le procédé selon la présente invention est avantageux pour nettoyer les passages internes d'air de refroidissement de pales qui ont été soumises aux conditions de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz à la pression atmosphérique, en des durées très courtes sans
dégradation du substrat ou de tout revêtement protecteur le recouvrant.
Le procédé est économique, avec des durées de cycle de préférence ne dépassant pas 10 min, et de faibles coûts d'investissement pour l'appareillage.

Claims (15)

REVENDICATIONS
1. Procédé de nettoyage d'un passage interne d'une pale de turbine à gaz qui a été exposée aux conditions de fonctionnement de la turbine, caractérisé en ce qu'il comprend l'immersion de la pale dans un milieu à base d'hydroxyde inorganique à une température supérieure à la température ambiante et à la pression atmosphérique pendant une durée
permettant de retirer les matières étrangères du passage interne.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les matières étrangères comprennent des oxydes et des impuretés sur la
surface du passage interne.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2,
caractérisé en ce que la pale est immergée pendant une durée qui ne dépasse pas 360 min.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes caractérisé en ce que le milieu à base d'hydroxyde inorganique comprend un milieu à base d'hydroxyde fondu choisi dans le
groupe consistant en un hydroxyde alcalin et un hydroxyde alcalino-
terreux.
5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que
l'hydroxyde alcalin fondu comprend KOH fondu.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5
caractérisé en ce que le milieu à base d'hydroxyde fondu est à une
température d'environ 204 C (400 F) ou plus.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes caractérisé en ce que la pale comprend un superalliage à
base de nickel ou de cobalt.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes caractérisé en ce que des régions d'oxydes internes
demeurent sous la surface du passage interne après l'immersion.
9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comprend en outre la formation d'un revêtement sur la surface du passage interne de manière que les oxydes internes soient situés dans le revêtement.
10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que le
revêtement comprend un revêtement d'aluminiure de diffusion.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes caractérisé en ce que le milieu à base d'hydroxyde inorganique comprend au moins 50 % en masse d'au moins un hydroxyde parmi un hydroxyde alcalin et un hydroxyde alcalino-terreux, le complément étant constitué essentiellement par de l'eau.
12. Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que le
milieu est à une température d'environ 135 C (275 F) ou plus.
13. Pale de turbine à gaz qui a été exposée aux conditions de fonctionnement de la turbine et remise à neuf caractérisée en ce qu'elle comporte une surface de passage interne qui a été nettoyée par le
procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes et qui
peut avantageusement être munie d'un revêtement incluant des régions
d'oxydes discontinues.
14. Pale selon la revendication 13 caractérisée en ce que le revêtement comprend un revêtement d'aluminiure de diffusion formé à
l'extérieur incluant lesdites régions d'oxydes.
15. Pale selon la revendication 14 caractérisée en ce que lesdites régions d'oxydes sont situées dans une zone de diffusion du revêtement.
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