FR2975483A1

FR2975483A1 - Systeme et turbine comprenant un indicateur de fluage

Info

Publication number: FR2975483A1
Application number: FR1254530A
Authority: FR
Inventors: Jr Fred Thomas Willet
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2012-11-23
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: US8784056B2; US20120294704A1; FR2975483B1; RU2012120336A; DE102012104234A1

Abstract

Système (100) comportant un indicateur de fluage (110) sur un organe rotatif (104), et un dispositif de mesure (120) conçu pour mesurer un changement de position radiale de l'indicateur de fluage (110). Le système (100) permet de déterminer, par exemple, l'espérance de vie de l'organe rotatif dans une turbine sans démonter l'organe rotatif (104).

Description

B12-2918FR 1 Système et turbine comprenant un indicateur de fluage

La présente invention concerne de façon générale la surveillance des ruptures mécaniques et, plus particulièrement, un système et une turbine comportant un indicateur de fluage. La durée de vie d'une pièce mécanique telle qu'un rotor de turbine est imposée par un ou plusieurs mécanismes de rupture. Dans des rotors de turbines soumis à des températures élevées, le fluage et la fatigue oligocyclique (FO) constituent les principaux mécanismes de rupture. La rupture d'un rotor peut être catastrophique. L'éclatement d'un rotor peut occasionner des millions d'euros de dégâts et éventuellement entraîner des pertes de vies humaines. Par conséquent, les rotors sont conçus pour une durée de vie utile plus courte que la durée prévue avant éclatement, et est suffisamment plus courte pour réduire fortement le risque de rupture pendant le service. Beaucoup de rotors ont une durée de vie limitée en fluage. La prévision de durée de vie en fluage dépend de nombreuses variables dont la température, les contraintes et les propriétés des matériaux. La température et, par l'intermédiaire de la vitesse du rotor, les contraintes peuvent être surveillées pendant le fonctionnement d'une turbine. Cependant, les propriétés des matériaux varient d'un rotor à un autre. Malheureusement, l'ensemble des propriétés des matériaux ne peut être déterminé que par des essais destructeurs. En raison de la variabilité des propriétés des matériaux, la durée de vie des rotors, aussi bien celle prédite que la durée de vie réelle, varie très largement. Pour de grands rotors, l'ampleur du fluage d'un rotor peut être déterminée en mesurant le rotor après une période de fonctionnement. Ordinairement, le diamètre du rotor est mesuré, comparé à la mesure initiale du diamètre du rotor et est mis en corrélation avec un modèle de fluage afin d'estimer l'ampleur du fluage et donc la durée de vie dépensée. Malheureusement, cette solution nécessite de bonnes mesures du rotor neuf, un stockage et une extraction de données dans de bonnes conditions et un démontage de la turbine au moment de la mesure; Le démontage nécessite qu'on y consacre beaucoup de temps et d'argent. Un premier aspect de l'invention consiste en un système comportant : un indicateur de fluage sur un organe rotatif ; et un dispositif de mesure conçu pour mesurer un changement de position radiale de l'indicateur de fluage. Un second aspect de l'invention consiste en une turbine comportant : un organe rotatif ; un indicateur de fluage sur l'organe rotatif ; un dispositif de mesure conçu pour mesurer un changement de position radiale de l'indicateur de fluage pendant le fonctionnement de l'organe rotatif ; et un système de corrélation de fluage conçu pour établir une corrélation entre une ampleur de fluage détectée par l'indicateur de fluage et une ampleur de fluage de l'organe rotatif. Les aspects illustrant la présente invention sont conçus pour résoudre les problèmes décrits ici et/ou d'autres problèmes non évoqués. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe d'un système comportant un indicateur de fluage selon des formes de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente une vue en coupe du système de la figure 1 après un temps d'utilisation ; - la figure 3 représente un graphique indiquant le fluage d'un organe rotatif par rapport à un indicateur de fluage destiné à servir avec un système de corrélation de fluage selon des formes de réalisation de l'invention ; - les figures 4 et 5 représentent respectivement une vue en plan et une vue en coupe d'une autre forme possible de réalisation d'un indicateur de fluage selon des formes de réalisation de l'invention ; - la figure 6 représente une vue en coupe d'une autre forme de réalisation d'un indicateur de fluage selon l'invention ; - les figures 7 et 8 représentent respectivement une vue en coupe et une vue en perspective d'une autre forme de réalisation d'un indicateur de fluage selon l'invention ; - les figures 9 et 10 représentent des vues en coupe d'autres formes de réalisation d'un système comportant un indicateur de fluage selon l'invention ; et - la figure 11 représente un graphique indiquant une modélisation de fluage pour un organe rotatif existant, destiné à servir avec un système de corrélation de fluage selon des formes de réalisation de l'invention. Comme indiqué plus haut, l'invention propose un système de surveillance de rupture mécanique comportant un indicateur de fluage. Considérant les figures 1 et 2, il y est représenté une forme de réalisation d'un système 100 comportant un indicateur de fluage selon une forme de réalisation de l'invention. Le système 100 est illustré dans le contexte d'une turbine 101 comportant un stator 102 et un organe rotatif 104, par exemple sous la forme d'un arbre rotatif ou d'un rotor. Pour plus de clarté, seule une partie de chaque structure est représentée. D'autres applications peuvent également être possibles et sont prises en compte dans le cadre de l'invention. Le stator 102 peut faire partie d'un carénage protecteur autour de l'organe rotatif 104. L'organe rotatif 104 tourne autour d'un axe A, entrant sur la page de la figure 1 et sortant de celle-ci. Le système 100 comporte un indicateur de fluage 110 sur l'organe rotatif 104. Comme décrit plus loin, l'indicateur de fluage 110 peut être "sur" l'organe rotatif 104 en étant formé sur une surface ou dans une surface de l'organe rotatif, ou en étant monté sur l'organe rotatif. L'indicateur de fluage 110 peut être toute structure conçue pour subir davantage de contraintes que l'organe rotatif 104, ce qui aboutit à un taux de fluage supérieur à celui de l'organe rotatif 104. Ainsi, l'indicateur de fluage 110 est conçu de façon à avoir un fluage plus rapide que le reste de l'organe rotatif 104, si bien que sa déformation est plus prononcée et plus facile à mesurer. L'indicateur de fluage 110 peut être conçu de cette façon à l'aide de matériaux, configurations, dimensions ou autres particularités spécifiques. Le "fluage" au sens de la présente description désigne la tendance d'un solide à bouger ou se déformer plastiquement d'une manière lente sous l'effet de contraintes et de la température. On décrira ici diverses formes de réalisation de l'indicateur de fluage 110. La figure 2 représente l'indicateur de fluage 110 après un laps de temps. Sur la figure 2, l'indicateur de fluage 110 s'est déformé radialement vers l'extérieur. Un dispositif de mesure 120 est conçu pour mesurer un changement de position radiale (R2-R1) de l'indicateur de fluage 110 afin de fournir une indication de l'espérance de vie de l'organe rotatif 104. Comme on le décrira ici, le dispositif de mesure 120 peut s'étendre à travers un orifice 122 dans un stator 102, par exemple un carénage protecteur, autour de l'organe rotatif 104. De nombreuses formes de réalisation du dispositif de mesure 120 seront également décrites ici. Afin d'illustrer la manière dont le système 100 indique la dépense d'espérance de vie, la déformation et/ou la rupture mécanique imminente de l'organe rotatif 104, la figure 3 représente un graphique de la déformation en fonction du temps. Sur la figure 3, la courbe en trait discontinu indique la déformation avec le temps dans une partie de l'organe rotatif 104, tandis que la courbe en trait plein représente la déformation de l'indicateur de fluage 110 avec le temps. Comme l'indicateur de fluage 110 subit davantage de contraintes, par exemple en raison de sa forme, son fluage est plus rapide. La déformation de l'indicateur de fluage 110 radialement vers l'extérieur lorsque tourne l'organe rotatif 104 peut être mise en corrélation avec la déformation dans l'organe rotatif 104, par exemple à l'aide d'une modélisation classique. De la sorte, l'indicateur de fluage 110 fournit une indication de déformation dans l'organe rotatif 104, et donc de l'espérance de vie de l'organe rotatif 104, sans qu'il soit nécessaire de mesurer réellement l'organe rotatif 104.

L'indicateur de fluage 110 peut se présenter sous diverses formes. Sur les figures 1 et 2, l'indicateur de fluage 110 fait corps avec l'organe rotatif 104. Ainsi, l'indicateur de fluage 110 comprend une quantité supplémentaire de matière sur une surface 114 (figure 1) de l'organe rotatif 104 de manière à s'étendre radialement au-delà de la surface 114 de l'organe rotatif 104. Sur les figures 1 et 2, l'indicateur de fluage 110 comporte un élément en porte-à-faux 116 (figure 1) qui, initialement, s'étend sensiblement parallèlement à un axe longitudinal A de l'organe rotatif 104. Dans cette forme de réalisation, l'élément en porte-à-faux 116 s'étend radialement au- delà de la surface 114 de l'organe rotatif 104. Lorsque l'organe rotatif 104 tourne au fil du temps, comme représenté par la flèche incurvée de la figure 1, l'élément en porte-à-faux 116 se courbe ou fléchit radialement vers l'extérieur, d'une position radiale R1 à une nouvelle position radiale R2, comme représenté sur la figure 2. La conception en porte-à-faux de l'indicateur de fluage 110 exagère le fléchissement pour une ampleur donnée de déformation par fluage, ce qui facilite la mesure. L'indicateur de fluage 110 peut être formé de n'importe quelle manière connue actuellement ou élaborée ultérieurement. Par exemple, il peut être intégré dans la pièce forgée pour l'organe rotatif 104, usiné dans une pièce forgée ainsi que la surface 114, ou soudé à l'organe rotatif 104 soit sous sa forme finie soit avec une forme réalisée ultérieurement par usinage. En revanche, comme représenté sur les figures 4 à 6, dans une autre forme de réalisation possible, un indicateur de fluage 210 peut être formé dans l'organe rotatif 104. Dans cette forme de réalisation, l'indicateur de fluage 210 comporte un élément en porte-à-faux 216 initialement sensiblement au ras de la surface 114 (figures 5 et 6) de l'organe rotatif 104. L'élément en porte-à-faux 216 peut être formé en ménageant par usinage une ouverture 218 dans l'organe rotatif 104, de n'importe quelle manière connue actuellement ou élaborée ultérieurement. L'ouverture 218 comprend un dégagement 220 pour la formation de l'élément en porte-à-faux 216. Comme représenté sur la figure 6, dans une autre forme de réalisation possible, l'élément en porte-à-faux 216 peut comprendre une paire d'éléments en porte-à-faux longitudinalement opposés 216A, 216B, par exemple grâce à la présence d'une paire de dégagements 220 dans l'ouverture 218. Les formes de réalisation des figures 4 à 6 sont plus difficiles à réaliser, mais offrent notamment l'avantage de pouvoir être employées sur des rotors existants ou en service, c'est-à-dire des rotors conçus et fabriqués avant la conception de formes de réalisation de la présente invention. Les figures 7 et 8 représentent une autre forme de réalisation possible dans laquelle un indicateur de fluage 310 comporte un élément en forme de tête d'épingle 316 s'étendant depuis la surface 114 de l'organe rotatif 104. L'élément en forme de tête d'épingle 316 peut comprendre, par exemple, une tige 318 et une tête aplatie 320. L'indicateur de fluage 310 peut être disposé sur l'organe rotatif 104 de n'importe quelle manière décrite à propos des formes de réalisation selon les figures 1 et 2. La tige 318 est soumise exclusivement à des efforts de traction (plutôt que de flexion comme dans d'autres formes de réalisation) et, avec le temps, présente un fluage. La tête aplatie 320 apporte du poids afin d'accroître la traction centrifuge sur la tige 318.

Dans chacune des formes de réalisation d'indicateur de fluage décrites plus haut, les dessins montrent que l'indicateur de fluage respectif n'est présent que sur une partie du pourtour de l'organe rotatif 104, par exemple un arbre rotatif. Dans ces cas, de multiples indicateurs de fluage locaux 110 peuvent être disposés d'une manière espacée dans la direction circonférentielle autour de l'organe rotatif 104 afin d'assurer un bon équilibrage de l'organe rotatif 104. Cependant, dans d'autres versions possibles telles que celles des figures 1, 2 et 9, l'indicateur de fluage 110 peut s'étendre sur la totalité du pourtour de l'organe rotatif 104, par exemple un arbre rotatif. Dans ce dernier cas, l'organe rotatif 104 ne présente aucun déséquilibre. Considérant les figures 1 et 2, ainsi que les figures 9 et 10, le dispositif de mesure 120 (figures 1 et 2) peut comprendre divers dispositifs permettant de mesurer ou de détecter le changement de position radiale de l'indicateur de fluage 110, 210, 310 (ci-après appelés collectivement "indicateur de fluage 110"). Il n'est pas nécessaire de déloger l'organe rotatif 104, situé par exemple dans le stator 102 d'une turbine, pour déterminer la durée de vie consommée, la déformation, etc., de l'organe rotatif 104. Comme indiqué ici, le dispositif de mesure 120 passe par un orifice 122 dans le stator 102. L'orifice 122 peut déboucher radialement vers l'extérieur de l'indicateur de fluage 110, comme représenté sur les figures 1, 2, 5 et 10. Dans ce cas, le dispositif de mesure 120 peut comprendre, par exemple, un comparateur à cadran ou un dispositif de mesure à laser. Selon une autre possibilité, l'orifice 122 peut déboucher vers l'indicateur de fluage 110 de manière oblique, comme représenté sur la figure 9. Dans ce cas, le dispositif de mesure 120 peut comprendre un endoscope, lequel peut également servir à un examen visuel. Si le dispositif de mesure 120 (figure 1) comprend un détecteur de jeu, il peut être possible de procéder à la mesure pendant une rotation de l'organe rotatif 104 en marche. Une diminution du jeu entre l'indicateur de fluage 110 et le stator 102 traduirait un fluage. Dans ce cas, il ne serait pas nécessaire d'arrêter la turbine 101.

La mesure du changement dans la position radiale (R2-R1) peut s'effectuer de différentes manières. Mesurer une distance de fluage S, comme illustré, par exemple, sur les figures 1 et 7, constitue une première solution. Une autre solution consiste à mesurer le changement du jeu a, comme représenté sur la figure 5, entre l'indicateur de fluage 210 sur l'organe rotatif 104 et le stator 102. Bien que cette dernière solution soit probablement une mesure plus simple à réaliser que celle proposée sur les figures 1 et 7, elle est susceptible de nécessiter qu'on laisse refroidir jusqu'à la température ambiante la turbine 101 (ou une autre machine dans laquelle est employé le système 100). Cependant, le jeu peut être mesuré en continu chaque fois que la turbine 101 est en marche. De la sorte, une diminution régulière du jeu a au fil du temps peut être mise en corrélation avec une déformation par fluage, et donc une dépense de durée de vie du rotor. Là encore, un avantage du dispositif de mesure 120 du type à capteur de jeu est qu'il n'est pas nécessaire d'interrompre le fonctionnement de la turbine pour recueillir des données. Considérant la figure 1, le système 100 peut également comporter un système de corrélation de fluage 150 conçu pour établir une corrélation entre une ampleur de fluage de l'indicateur de fluage 110 et une ampleur de fluage de l'organe rotatif 104. Le système de corrélation de fluage 150 peut employer n'importe quels modèles prédictifs informatisés existants ou à venir. Dans une forme de réalisation, le système de corrélation de fluage 150 peut établir une corrélation entre une ampleur attendue du fluage d'un organe rotatif neuf 104 et un indicateur de fluage 110, par exemple en fonction des matériaux prévus, des dimensions connues, des environnements de fonctionnement connus, etc. Selon une autre possibilité, comme expliqué en référence à la figure 11, un indicateur de fluage 110 peut être utile pour surveiller un organe rotatif 104 à un stade de sa durée de vie. Sur la figure 11, la courbe en trait plein représente les propriétés moyennes de fluage de la matière de l'organe rotatif 104. Les courbes en traits discontinus représentent la marge d'incertitude des propriétés de fluage, défini dans le présent exemple sous la forme de +/- deux écarts types (±26). Les propriétés de toute pièce rotative 104 constituée de la matière considérée se situent quelque part dans le continuum encadré par la marge d'incertitude. En mesurant la déformation par fluage dans un indicateur de fluage 110 ajouté à certains moments sur l'organe rotatif 104, le taux de déformation de celui-ci peut être déterminé. Avec cette mesure du taux de déformation de l'indicateur de fluage ajouté 110, le système de corrélation de fluage 150 peut établir des propriétés de fluage pour l'organe rotatif particulier 104 et estimer une durée de vie dépensée à l'aide de toute technique de modélisation connue ou à venir. Une autre solution, plus simple, consiste à réellement mesurer en plusieurs endroits le diamètre de l'organe rotatif 104 pendant des examens importants afin de le comparer avec les cotes nominales afin de déterminer le taux de déformation par fluage de celui-ci. Ces mesures étant réalisées lors d'un important contrôle, le système de corrélation de fluage 150 peut prévoir la durée de vie dépensée d'après l'indicateur de fluage 110 et les données de fonctionnement. Revenant à la figure 2, à un certain stade au cours de la durée de vie de la turbine 101, après que l'indicateur de fluage 110 s'est fortement déformé, l'indicateur lui-même peut passer en régime de fluage tertiaire et une ou plusieurs fissures 112 peut/peuvent se former. Afin d'éviter les dégâts résultant de la libération de matière, certaines précautions peuvent être nécessaires. Une solution consiste à concevoir l'indicateur de fluage 110 de telle manière que la matière libérée soit suffisamment petite pour provoquer des dommages minimes. Une autre solution consiste à supprimer l'indicateur de fluage 110, par exemple par usinage de l'organe rotatif 104, après qu'a été relevée une ampleur prédéterminée de déformation par fluage. L'instant choisi pour cette dernière solution pourrait être amené à coïncider avec un important contrôle de l'organe rotatif 104 et/ou représenter un jalon (par exemple, 75%) dans la durée de vie dépensée du rotor.

I1 faut souligner que les indicateurs de fluage décrits ici peuvent également avoir diverses autres formes non décrites ici, permettant, avec le temps, de modifier la position radiale.

Liste des repères 100 Système 101 Turbine 102 Stator 104 Organe rotatif 110 Indicateur de fluage 120 Dispositif de mesure 122 Orifice 114 Surface 116 Elément en porte-à-faux 210 Indicateur de fluage 216 Elément en porte-à-faux 218 Ouverture 220 Dégagement 310 Indicateur de fluage 316 Elément en forme de tête d'épingle 318 Tige 320 Tête aplatie 150 Système de corrélation de fluage 112 Fissure(s)

Claims

REVENDICATIONS1. Système (100) comportant : un indicateur de fluage (110) sur un organe rotatif (104) ; et un dispositif de mesure (120) conçu pour mesurer un changement de position radiale de l'indicateur de fluage (110).
2. Système (100) selon la revendication 1, dans lequel l'indicateur de fluage (110) fait corps avec l'organe rotatif (104).
3. Système (100) selon la revendication 1, dans lequel l'indicateur de fluage (110) est monté à demeure sur l'organe rotatif (104).
4. Système (100) selon la revendication 3, dans lequel l'indicateur de fluage (110) est monté à demeure à l'aide d'une pièce de fixation sur l'organe rotatif (104).
5. Système (100) selon la revendication 1, dans lequel l'indicateur de fluage (110) comporte un élément en porte-à-faux (116) s'étendant initialement sensiblement parallèlement à un axe longitudinal de l'organe rotatif (104).
6. Système (100) selon la revendication 5, dans lequel l'élément en porte-à-faux (116) comprend une paire d'éléments en porte-à-faux longitudinalement opposés (116).
7. Système (100) selon la revendication 5, dans lequel l'élément en porte-à-faux (116) s'étend radialement au-delà d'une surface (114) de l'organe rotatif (104).
8. Système (100) selon la revendication 5, dans lequel l'élément en porte-à-faux (116) est initialement sensiblement au ras d'une surface (114) de l'organe rotatif (104).
9. Système (100) selon la revendication 5, dans lequel l'élément en porte-à-faux (116) comprend une matière d'étanchéité montée à l'aide d'une pièce de fixation sur l'organe rotatif (104).
10. Système (100) selon la revendication 1, dans lequel l'indicateur de fluage (110) comporte un élément en forme de tête d'épingle (316) s'étendant depuis une surface (114) de l'organe rotatif (104).