B 09/1663 FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY PROCEDE DE REMPLACEMENT D'UN PROFIL COMPOSITE Invention de : MOROSO Joseph L. Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 30 mai 2008 sous le N° 12/129.930 PROCEDE DE REMPLACEMENT D'UN PROFIL COMPOSITE
L'invention concerne de façon générale des machines à turbines. En particulier, l'invention concerne le remplacement d'un profil composite utilisé dans la machine à turbines. Les machines à turbines peuvent prendre de nombreuses formes ou être appliquées dans différentes utilisations. Ces formes et ces utilisations peuvent comprendre des turbines à vapeur pour la génération d'énergie, des turbines à gaz pour la génération d'énergie, des turbines à gaz pour la propulsion d'avions et des turbines d'éoliennes pour la génération d'énergie. Dans une turbine à gaz, il y a, de façon caractéristique, de nombreuses pales rotatives et de nombreuses aubes fixes. Les pales et les aubes sont disposées en groupements circonférentiels alternés qui sont espacés longitudinalement le long de la turbine. Chacune des pales et des aubes comprend une partie de profil fixée à une partie de montage. Durant le fonctionnement d'une turbine à gaz, de la saleté, des débris et/ou de l'humidité peuvent venir en contact avec le profil et produire en résultat une détérioration, une érosion et/ou une corrosion sur la surface. Ceci provoque habituellement une perte de performances de la turbine à gaz. Généralement, les turbines à gaz pour la propulsion d'avions permettent un relativement bon accès aux pales et aux aubes, ce qui fait que celles qui sont endommagées peuvent être retirées et remplacées. En revanche, de façon caractéristique, les turbines à gaz pour la génération d'énergie n'offrent pas une tel accès pour retirer et remplacer des pales et des aubes. Une turbine à gaz qui peut être utilisée pour la génération d'énergie, comme décrit dans les Demandes de Brevet US N° 11/858326 et 11/858333, comporte une pluralité d'étages de compresseur et de turbine. Au moins l'un des étages de compresseur comprend un profil composite. Le profil composite comporte une structure de montage pour la fixation à une structure de turbine à gaz. Un coeur s'étend à partir de la structure de montage. Le coeur est réalisé en un matériau tel qu'un métal ou une céramique. Une partie de profil enveloppe le coeur et est réalisée à partir d'une matière plastique moulée par injection. Par conséquent, il existe un besoin pour un moyen de réparer ou de remplacer un profil composite pour une turbine à gaz. Un procédé de remplacement d'une partie d'un profil composite dans une turbine selon un aspect de l'invention comprend les étapes consistant à munir une turbine d'une pluralité de profils composites montés sur une roue. Au moins l'un des profils composites comporte un coeur réalisé en un matériau autre qu'une matière plastique et une partie de profil en matière plastique pour envelopper au moins une partie du coeur. I1 est accédé à un profil composite avec la partie de profil en matière plastique devant être remplacée. La partie de profil en matière plastique est retirée de façon à exposer le coeur tandis que le coeur est monté sur la roue. Une partie de profil en matière plastique est moulée afin d'envelopper le coeur tandis que le coeur est monté sur la roue.
Un procédé de remplacement d'une partie d'un profil composite dans une turbine selon un autre aspect de l'invention comprend les étapes consistant à munir une turbine d'une pluralité de profils composites montés sur une roue. Au moins l'un des profils composites comporte un coeur réalisé en un matériau autre qu'une matière plastique et une partie de profil en matière plastique pour envelopper au moins une partie du coeur. I1 est accédé à un profil composite devant être remplacé. La partie de profil composite est retirée de façon à exposer le coeur. Une partie de profil en matière plastique est moulée afin d'envelopper au moins le bord d'attaque du coeur.
Un procédé de remplacement d'une partie d'un profil composite selon encore un autre aspect de l'invention comprend les étapes consistant à réaliser un profil composite devant être remplacé. Le profil composite comporte un coeur réalisé en un matériau autre qu'une matière plastique et une partie de profil en matière plastique pour envelopper au moins une partie du coeur. La partie de profil en matière plastique est retirée afin d'exposer le coeur. Une partie de profil en matière plastique de remplacement est moulée de façon à envelopper le coeur. Ces éléments et caractéristiques, aspects et avantages de l'invention, ainsi que d'autres, seront mieux compris à la lecture de la description qui suit en référence aux dessins joints, dans lesquels : la figure 1 est une vue en élévation de l'ensemble d'étage de turbine à gaz comportant des profils composites montés sur une roue ; la figure 2 est une vue en perspective de l'un des profils composites illustrés en figure 1 ; la figure 3 est une vue latérale du profil composite illustrant une détérioration représentative sur diverses parties, qui peut imposer un remplacement ; la figure 4 est une vue en élévation de l'ensemble, illustré en figure 1, monté dans un carter de turbine à gaz ; la figure 5 est une vue agrandie d'une partie de l'ensemble et du carter illustrés en figure 4 ; la figure 6 est une vue en perspective d'une partie de matrice comportant un coeur d'un profil composite monté dans celle-ci ; et la figure 7 est une vue en perspective d'une autre partie de matrice.
Un aspect de la présente invention propose un procédé pour réparer ou remplacer un profil composite utilisé dans une turbine à gaz qui a été endommagé ou qui nécessite une remise en état. Avec ce procédé, des profils composites utilisés dans des turbines à gaz pour la génération d'énergie peuvent être réparés ou rénovés rapidement et sur site.
Un étage d'un ensemble de rotor 20 est illustré en figure 1. L'ensemble 20 comprend une pluralité de profils composites 22 sous la forme de pales montées sur une roue 24. L'ensemble 20 peut tourner autour d'un axe A durant le fonctionnement. L'ensemble 20 est approprié pour l'utilisation dans une turbine à gaz pour la génération d'énergie, par exemple pour un premier étage dans une section de compresseur de la turbine à gaz. Bien que l'ensemble 20 soit illustré comme pouvant tourner, il apparaîtra de façon évidente que la présente invention sera applicable à un étage d'ensemble d'aubes non rotatif comportant des profils composites ayant une construction similaire à celle du profil composite 22. Le profil composite 22 est illustré en détail en figure 2, selon un aspect de l'invention. Le profil composite 22 comprend un coeur 30. Le profile composite 22 comprend également une partie de profil en matière plastique 32. La partie de profil en matière plastique 32 enveloppe et encapsule complètement le coeur 30.
Le profil composite 22 est réalisé à partir d'au moins deux matériaux différents. Tel qu'il est utilisé ici, "composite" est défini comme comportant une matière plastique qui forme la partie de profil finie 32 disposée sur un matériau structurel relativement robuste qui forme le coeur 30. Le terme "matière plastique" est défini comme désignant une matière susceptible de fondre à une température relativement inférieure au point de fusion du matériau du coeur 30, de telle sorte qu'elle puisse s'écouler et être facilement moulée sous une forme finale désirée.
Une racine 40 est fixée au coeur 30 et est utilisée pour monter le profil composite 22 sur une structure de turbine à gaz pour le fonctionnement. La racine 40 peut être fixée au coeur 30 par la formation du coeur et de la racine d'un seul tenant sous la forme d'un sous-composant d'une seule pièce, par exemple par forgeage ou usinage à partir d'une seule pièce de matière première. Le coeur 30 peut être réalisé à partir de n'importe quel matériau autre qu'une matière plastique approprié, tel qu'un métal ou une céramique. D'une autre façon, le coeur 30 et la racine 40 pourraient être réalisés séparément et le coeur pourrait être fixé, soudé ou attaché d'une autre façon à la racine. Une pointe 42 est située à l'extrémité axialement opposée du profil composite 22 vis-à-vis de la racine 40. Un axe B s'étend dans une direction le long de la longueur du profil composite 22 de la racine 40 à la pointe 42. Le profil composite 22 est conçu de façon à fonctionner à la température caractéristique à laquelle pourraient, de façon caractéristique, être exposés les quelques premiers étages d'un compresseur de turbine à gaz. Dans une application de turbine à gaz pour la génération d'énergie, la "température de fonctionnement nominale" est la température maximale qu'il est prévu que le profil composite 22 et la partie de profil 32 subissent durant un fonctionnement normal dans les quelques premiers étages dans un compresseur. Un exemple d'une température de fonctionnement nominale de turbine à gaz caractéristique dans les quelques premiers étages est, sans limitation, généralement située dans la plage comprise entre 18° C et 200° C. Dans une application de pale de compresseur d'une turbine à gaz pour le profil composite 22, la racine 40 comprend, de façon caractéristique, une partie de queue d'aronde 46, pour monter le profil composite dans une rainure de la roue de rotor 24. La partie de profil 32 comporte un bord d'attaque 60 et un bord de fuite 62. La partie de profil 32 est une surface très complexe définie par une série de points en des sections espacées le long de l'axe B. Le bord d'attaque 60 et le bord de fuite 62 sont, de façon caractéristique, des surfaces rondes définies par des rayons relativement petits. La surface complexe, le bord d'attaque 60 et le bord de fuite 62 sont relativement difficiles à fabriquer. Pour des raisons aérodynamiques, il est généralement souhaitable d'avoir un bord d'attaque 60 avec un rayon aussi petit que possible, par exemple 0,254 mm, ce qui n'était pas possible dans la pratique précédemment. I1 est également souhaitable d'avoir une forme finale extrêmement précise et lisse pour la partie de profil 32, ne nécessitant par de polissage ni d'usinage en machine, ce qui n'était pas non plus possible dans la pratique précédemment. Le fait d'avoir une partie de profil en matière plastique moulée par injection 32 qui est formée sous une forme finale ou quasi-finale procure de nombreux avantages. De préférence, la partie de profil 32 enveloppe complètement le coeur 30. Dans un aspect de l'invention, le profil composite 22 comporte la partie de profil en matière plastique 32 qui enveloppe au moins une partie du coeur en métal ou en céramique 30. Cependant, il apparaîtra de façon évidente que le coeur 30 n'a pas besoin d'être complètement enveloppé par la partie de profil 32 et que le coeur peut être partiellement recouvert, selon un autre aspect de l'invention. La partie de profil en matière plastique 32 est moulée sans nécessité de renfort par des fibres, et, de préférence, moulée par injection, sur le coeur 30. Le processus de moulage par injection est susceptible de former des parties précises et exactes de la partie de profil 32, du bord d'attaque 60, du bord de fuite 62 et de la surface d'intrados et de la surface d'extrados qui s'étendent entre les bords d'attaque et de fuite. La géométrie intérieure du profil composite 22 sous la forme du coeur 30 peut optimiser le réglage en fréquence et les besoins structurels. La surface extérieure peut être adaptée aux besoins pour les performances aérodynamiques dans la forme de la partie de profil en matière plastique moulée par injection 32. Dans un exemple d'aspect, le coeur 30 comporte une pluralité d'ouvertures 82 s'étendant à travers celui-ci. Les ouvertures 82 sont situées dans des zones du coeur 30 qui ne nécessitent pas une structure pleine continue pour la robustesse ou le fonctionnement. Les ouvertures 82 allègent le coeur 30, pour une masse tournante réduite, ce qui est généralement une caractéristique souhaitable. Les ouvertures 82 reçoivent une partie de la matière plastique de la partie de profil 32 durant le processus de moulage par injection de façon à maintenir la partie de profil en place par rapport au coeur 30. Les ouvertures 82 n'ont pas besoin de s'étendre complètement à travers le coeur 30, mais ont une profondeur suffisante pour recevoir une partie de la matière plastique. La partie de matière plastique n'a pas besoin de remplir complètement l'ouverture 82, mais de s'étendre sur une distance suffisante à l'intérieur de l'ouverture pour maintenir la partie de profil 32 en place par rapport au coeur 30. Grâce à la création de la partie de profil 32 à partir de matière plastique moulée par injection, la forme de profil finale désirée pour des performances aérodynamiques peut être incorporée, et, de préférence, sans la nécessité d'un polissage ou d'un revêtement en machine. Comme la partie de profil 32 est séparée de la structure de support de charge intérieure du coeur 30, une configuration qui est plus tolérante aux détériorations dues à des débris ingérés est également possible. Cette séparation de la structure de support de charge du coeur 30 vis-à-vis de la partie de profil 32 augmente également le nombre d'options matérielles disponibles pour fabriquer le coeur de façon à maximiser les caractéristiques structurelles et à minimiser le poids. Le profil composite 22 produit par conséquent une forme aérodynamique optimale avec la partie de profil en matière plastique moulée par injection 32 et des caractéristiques structurelles désirées avec le coeur 30. La matière plastique de la partie de profil 32 peut être n'importe quelle matière plastique appropriée. La matière plastique est sélectionnée de façon à pouvoir survivre à la température de fonctionnement nominale de l'étage particulier de la turbine à gaz pour laquelle elle est sélectionnée pour son fonctionnement. Par exemple, le premier étage d'un compresseur de turbine à gaz fonctionne à des températures d'air ambiant et à des pressions relativement basses par rapport à d'autres étages ultérieurs du compresseur. Un milieu M (figure 3) s'écoule dans la direction générale indiquée par rapport au profil composite 22 durant le fonctionnement de la turbine à gaz. Le milieu M comprend, de façon caractéristique, de l'air, dans l'application à une turbine à gaz. La direction du milieu M qui s'écoule autour du profil composite 22 va de façon générale du bord d'attaque 60 au bord de fuite 62. La matière plastique de la partie de profil 32 est soumise à une détérioration d'impact D du bord d'attaque 60 due à des débris ingérés, au frottement R de la pointe 42 contre la structure de la turbine de gaz telle qu'un carénage, et à l'érosion E ou à la corrosion due à l'humidité, au sel ou à d'autres fines particules. La majorité des turbines à gaz à grandes structures ne sont pas conçues pour avoir des profils pouvant être remplacés sur le terrain. Le démontage de l'ensemble de rotor 20 est généralement requis pour permettre un remplacement ou une réparation sur la plupart des étages de la turbine à gaz. Le profil composite moulé par injection 22 peut avoir la partie de profil 32 qui est remplacée sur le terrain pour corriger cette détérioration sans nécessiter un retrait à partir de la roue de rotor 24. La forme et la finition de la partie de profil 32 peuvent être réalisées sous une forme aérodynamique désirée pour produire des performances optimales de la turbine à gaz avec un temps d'arrêt minimal. La partie de profil 32 du profil composite 22 peut être remplacée selon un aspect de l'invention. Le remplacement de la partie de profil 32 à l'emplacement de la turbine à gaz peut être effectué pour réparer une détérioration ou pour modifier ou rénover le matériau, la forme ou la finition de la partie de profil. Le processus de remplacement commence par un accès au profil composite 22 sur lequel on doit travailler. Le carter 100 de la turbine à gaz est ouvert, comme illustré dans les figures 4 et 5. On fait tourner la roue de rotor 24 dans une position dans laquelle le profil composite 22 sur lequel on doit travailler est accessible. La partie de profil existante ou actuelle 32 du profil composite 22 est tout d'abord retirée du coeur 30. Le retrait de la partie de profil existante ou actuelle 32 à partir du coeur 30 peut être accompli à l'aide de différents processus. Ces processus peuvent comprendre, à titre d'exemple, un retrait mécanique, thermique ou chimique, ou toute combinaison de ces processus. Le processus effectivement utilisé peut être dépendant du matériau utilisé pour la partie de profil existante ou actuelle 32 du profil composite 22. Un exemple de processus de retrait comprend le chauffage de la partie de profil existante ou actuelle 32 du profil composite 22. Ce chauffage peut être accompli à l'aide de lampes en quartz ou d'éléments chauffants électriques. La chaleur est appliquée jusqu'à ce que la partie de profil existante ou actuelle 32 atteigne une température prédéterminée à laquelle elle devient molle et pliable. Une fois que la température prédéterminée est atteinte, la partie de profil existante ou actuelle 32 est fendue et arrachée du coeur 30. Le coeur 30 est ensuite complètement exposé tout en étant encore monté sur la roue de rotor 24. Le coeur 30 est inspecté de façon à déterminer s'il est approprié pour un service additionnel. S'il est estimé que le coeur 30 est apte au service, il est prêt pour l'étape suivante du processus. Un ensemble de matrice en forme de coquillage 120 (figures 4 et 5) d'un appareil de moulage par injection est disposé autour du coeur 30 et étanchément scellé. L'ensemble de matrice 120 est maintenu en place par rapport au carter 100. Un élément 102 est fixé à une surface de raccord 104 du carter 100. Un élément de support 106 s'étend entre l'ensemble de matrice 120 et l'élément 102 pour maintenir l'ensemble de matrice dans la position correcte autour du coeur 30 tandis que la roue de rotor 24 est empêchée de tourner. Chaque partie de matrice 122, 124 de l'ensemble de matrice 120 (figures 6 et 7) a une forme finie désirée d'une partie du profil formée dans la partie de matrice avec des tolérances vis-à-vis de la rétraction et du voile. Le coeur 30 est supporté dans une position prédéterminée à l'intérieur de la matrice, comme illustré en figure 5. Des broches de localisation 140 dans la matrice 120 aident à positionner correctement l'ensemble de matrice 120 et la forme de profil dans une position prédéterminée par rapport au coeur 30. Des évacuations 142 s'étendent à partir de l'intérieur des parties de matrice 122, 124 vers l'extérieur. La racine 40 est située à l'extérieur de la matrice 120 et comporte une surface qui vient en prise avec l'ensemble de matrice 120 afin de positionner le coeur 30 par rapport à la matrice. Les parties de matrice 122, 124 renferment le coeur 30. Les parties de matrice 122, 124 sont serrées ou fixées l'une contre l'autre. Un conduit 144 est présent pour diriger une matière plastique fondue dans la cavité créée par l'ensemble de matrice 120. La matière plastique est fondue dans l'appareil de moulage par injection. Lorsque la matière plastique fondue s'écoule dans la cavité de l'ensemble de matrice 120 par l'intermédiaire du conduit 144, l'air à l'intérieur de la cavité peut s'échapper ou être évacué par l'intermédiaire des évacuations 142 dans les parties de matrice 122, 124. La partie de profil de remplacement 32 est moulée par injection de façon à envelopper au moins une partie du coeur 30, et, de préférence, la totalité du coeur. Durant le processus de moulage par injection, les ouvertures 82 dans le coeur 30 sont remplies par la matière plastique fondue de la partie de profil 32. Ceci maintient la partie de profil 32 dans une position relative par rapport au coeur 30. Ensuite, la matière plastique se refroidit et durcit de façon à former la forme désirée formée par la cavité de la matrice 120 autour du coeur 30. Un ébavurage et un polissage final peuvent être nécessaires. La partie de profil de remplacement 32 est prête à l'utilisation lors du remontage de la turbine à gaz. Des termes spécifiques sont utilisés tout au long de la description. Les termes spécifiques ne visent qu'à être représentatifs et descriptifs, et ne visent pas des fins de limitation.
LISTE DES PARTIES Ensemble 20 Profil composite 22 Roue de rotor 24 Coeur 30 Partie de profil 32 Racine 40 Pointe 42 Queue d'aronde 46 Bord d'attaque 60 Bord de fuite 62 Ouvertures 82 Carter 100 Elément 102 Surface de raccord 104 Elément de support 106 Ensemble de matrice 120 Partie de matrice 122 Partie de matrice 124 Broches de positionnement 140 Evacuation 142 Conduit 144 Axe (turbine) A B Axe (empilement de pales) Détérioration D Erosion E Milieu M R Frottement