Brevet FR2914352A1 — publié le 20081003

B08-0712FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Procédé et système pour détecter les frottements dans une turbine à vapeur Invention de : COOPER Gregory E. Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis D'Amérique le 28 mars 2007 sous le n 11/692.551 2 Procédé et système pour détecter les frottements dans une turbine à vapeur La présente invention est relative à des instruments pour contrôler des turbines à vapeur. En particulier, l'invention est relative à la détection de frottements entre des pièces tournantes et fixes d'une turbine à vapeur. Les turbines à vapeur comprennent un rotor avec des rangées d'aubes mobiles (ailettes) de turbine qui tournent entre des rangées d'aubes fixes de stator (distributeurs). Les bouts des ailettes de turbines sont adjacents à une surface intérieure du carter pour la turbine. En fonctionnement normal, les ailettes d'une turbine ne frottent pas contre le carter. Une légère irrégularité de forme du carter de turbine, de l'arbre de rotor, du carter intérieur ou d'une autre pièce risque d'amener les aubes mobiles de turbine à frotter contre un carter fixe de la turbine. Le frottement a lieu ordinairement dans une seule position de rotation, notamment lorsque le bout de l'aube de turbine passe par une position haute sur le carter. Un frottement entre une ailette de turbine et une pièce fixe de turbine à vapeur risque d'endommager les pièces de la turbine. Les jeux entre les ailettes de turbine et le carter du stator risquent de s'accroître en raison des frottements. Les jeux plus grands modifient les trajets d'écoulement dans la turbine et, de ce fait, réduisent le rendement de la turbine. Des frottements graves risquent d'amener des ailettes de turbine à se casser, à se détacher et à endommager des aubes mobiles situées en aval. Il n'est pas facile de détecter des frottements dans une turbine à vapeur. L'usure résultant des frottements est souvent détectée tout d'abord en examinant visuellement les pièces de la turbine. Pour examiner visuellement les pièces, on arrête la turbine et on la démonte au moins partiellement. Il existe un besoin de détection des frottements sans arrêter une turbine à vapeur. Des détecteurs de vibrations ont été utilisés pour détecter des frottements dans une turbine à vapeur. Cependant, des vibrations dans une turbine ne sont pas forcément révélatrices de frottements et les détecteurs de vibrations déterminent difficilement une position de rotation des frottements. Depuis longtemps, on ressent un besoin pour des systèmes et des procédés pour déceler d'une manière fiable des frottements dans une turbine à vapeur et déterminer l'emplacement des frottements tandis que la turbine à vapeur est en marche. Au vu de ce qui précède, l'invention a pour objet un procédé pour détecter des frottements entre des pièces d'une turbine à vapeur, le procédé comprenant : la 3 détection d'une température en plusieurs endroits sur un carter de la turbine à vapeur ; une comparaison des températures détectées de la pluralité d'endroits ; la détection des frottements entre les pièces si l'un de la pluralité d'endroits a une température détectée supérieure à la température détectée aux autres endroits de la pluralité d'endroits, et la transmission de l'information selon laquelle le frottement est à un endroit proche de celui de la pluralité d'endroits qui a la température détectée plus élevée. La pluralité d'endroits peut être un ensemble annulaire perpendiculaire à un axe de rotor et, en particulier, peut comporter quatre emplacements de détecteurs disposés de manière symétrique autour du carter dans un plan perpendiculaire à un rotor présent dans la turbine. L'invention a également pour objet un procédé pour détecter des frottements dans une turbine à vapeur, comprenant : la surveillance de capteurs de température d'au moins un ensemble de capteurs dans un carter pour la turbine ; la comparaison des mesures de température faites par tous les capteurs d'un ensemble ; l'identification d'une température la plus élevée dans l'ensemble d'après la comparaison ; la détermination de ce que, oui ou non, la température la plus élevée est au-delà d'un niveau de seuil ; l'identification d'un capteur signalant la température la plus élevée au-delà du seuil et l'émission d'un avis de frottement survenant potentiellement à un endroit proche du capteur de température identifié. L'invention a encore pour objet un système pour détecter des frottements dans une turbine à vapeur ayant un carter autour d'un rotor, le système comprenant : au moins un ensemble de capteurs de température montés dans le carter à proximité d'une surface intérieure du carter en regard du rotor, et un instrument de commande surveillant des signaux de température fournis par chacun des capteurs de température de l'ensemble, ledit instrument de commande émettant un avis de frottement si l'un des signaux de température mentionne une température sensiblement plus élevée que d'autres températures mentionnées par l'ensemble. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : la Fig. 1 est une vue latérale en coupe d'un carter de turbine à vapeur ; et la Fig. 2 est un organigramme d'un procédé pour détecter, à l'aide de thermocouples, des pièces qui frottent dans une turbine à vapeur.35 4 Un système et un procédé ont été mis au point pour détecter des frottements dans une turbine à vapeur à l'aide de capteurs de température sur le carter de la turbine. Les frottements créent un échauffement à l'endroit où ils se produisent. L'échauffement est localisé dans le carter métallique. Des capteurs de température, par exemple des thermocouples, encastrés dans le carter signalent l'augmentation de température dans le carter due aux frottements. Le capteur signalant une forte température est déterminé en comparant les signaux de température transmis par un ensemble de thermocouples. Un frottement est détecté lorsque la température signalée par un capteur de l'ensemble est suffisamment supérieure aux températures signalées par les autres capteurs de l'ensemble. L'emplacement du frottement est déterminé comme étant situé tout près du capteur de température qui a signalé la forte température. La Fig. 1 est une vue latérale représentant en coupe une turbine à vapeur 10 comprenant un rotor 12 et un carter 14 de turbine. Le rotor comporte des rangées d'ailettes 16 (aubes mobiles) de rotor de turbine qui sont disposées chacune entre des rangées d'aubes statoriques (distributeurs) 18. A titre d'illustration, le rotor est représenté schématiquement par des lignes discontinues et une seule ailette sur l'arbre. Une paire d'aubes statoriques est représentée de part et d'autre de l'ailette. Les bouts de chaque rangée d'ailettes se déplacent sur un cercle adjacent à une surface intérieure du carter. Des rangées d'aubes statoriques 18 s'étendent radialement vers l'intérieur depuis le carter en direction de l'arbre du rotor. Les aubes statoriques sont montées sur des supports 19 à queues d'arondes sur une surface intérieure du carter. Une rangée d'ailettes de turbine s'étend radialement vers l'extérieur depuis le rotor, entre les rangées adjacentes d'aubes statoriques. Un circuit annulaire d'écoulement de vapeur est formé à travers les rangées d'ailettes de turbine et d'aubes statoriques. La vapeur fait tourner les ailettes du rotor et le rotor. Lorsque tournent les ailettes, les bouts de l'ailette ne doivent pas frotter contre la surface intérieure du carter de stator. Les frottements risquent d'endommager les surfaces de la turbine et de créer des rendements insuffisants dans le circuit de vapeur. Ordinairement, les frottements surviennent lorsque les bouts 17 des ailettes de turbine frottent contre une surface du carter. Le plus souvent, les frottements sont localisés dans le carter à un seul emplacement d'une surface à l'intérieur du carter, où les bouts des ailettes frottent lorsqu'elles passent sur l'emplacement de la surface. Les capteurs 20 de température sont encastrés dans le carter 14 de turbine près de la surface intérieure 22 du carter adjacente aux bouts d'une rangée d'ailettes de turbine. Les capteurs de température peuvent être des thermocouples qui produisent des signaux électriques indiquant la température du carter au voisinage 5 immédiat du thermocouple. Les capteurs de température peuvent être montés dans des trous 24 percés dans le carter. Les trous peuvent s'étendre depuis une surface extérieure 26 du carter proche de la surface intérieure 22, par exemple à moins de vingt-cinq millimètres (un pouce) de la surface intérieure. Les trous peuvent être situés le long du carter, là où surviennent le plus souvent les frottements. Par exemple, les trous 22 peuvent être situés, dans le carter, entre des paliers 23 qui, dans le carter, supportent l'arbre de rotor. Un trou oblique 25 pour un capteur de température peut être utilisé de façon à placer le capteur près de l'entrée de vapeur débouchant sur la première rangée d'ailettes de turbine. Les capteurs 20 de température peuvent être disposés en un ensemble annulaire autour du rotor et dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor. Les capteurs de température présents dans chaque plan peuvent, par exemple, être disposés sur des lignes verticales et horizontales passant par le plan. Autrement dit, quatre capteurs de température peuvent être disposés dans des positions angulaires de 0 degré, 90 degrés, 180 degrés et 270 degrés. La disposition des capteurs de température peut être choisie de façon que les capteurs soient alignés avec des emplacements radiaux dans le carter où les frottements surviennent le plus souvent. Par exemple, si les frottements surviennent le plus souvent à 0, 90, 180 et/ou 270 degrés sur le carter, l'orientation des capteurs de température dans ces positions angulaires peut servir à détecter d'une manière plus fiable les frottements. La disposition de chaque ensemble de capteurs de température dans le plan perpendiculaire à l'axe du rotor et l'orientation angulaire des capteurs peuvent être choisies d'après les dimensions de la turbine à vapeur (plus les dimensions du carter sont grandes, plus on peut avoir besoin d'un grand nombre de capteurs de température), et d'après les positions angulaires dans lesquelles on considère que les frottements sont le plus susceptibles de survenir (de préférence, les capteurs de température sont placés tout près des points de frottement potentiels). De préférence, l'orientation angulaire des capteurs est symétrique autour du carter de rotor, par exemple quatre capteurs 20 étant disposés chacun à 90 degrés par rapport aux autres. De même, le nombre et la position de chaque ensemble de capteurs de température le long du carter de la turbine à gaz dépendent des dimensions de la turbine à gaz (plus 6 la distance est grande entre les rangées avant et arrière d'ailettes, plus le nombre d'ensembles de capteurs est élevé), et des emplacements latéraux le long du carter où on considère que des frottements sont le plus susceptibles de survenir (par exemple, des ensembles de capteurs de température doivent être placés près de la première rangée d'ailettes de turbine à l'entrée de la vapeur et entre les paliers de support du rotor). Le capteur 20 de température est placé à une extrémité distale du trou 24, 25 de façon à être près de la surface intérieure 22. Des fils électriques ou autres moyens de communication électrique sont prévus pour transmettre des signaux depuis le capteur de température vers un instrument de commande, par exemple un ordinateur 28. Les fils s'étendent depuis le capteur de température, passent par les trous 24, 25 et, au-delà du carter, atteignent l'instrument de commande. L'instrument de commande convertit les signaux de chacun des capteurs de température en un relevé de température, lequel peut être une mesure de la température réelle ou un relevé d'une température relative par rapport à d'autres thermocouples de l'ensemble. Par exemple, l'instrument de commande 28 peut mesurer la tension de sortie de chaque capteur à thermocouple d'un ensemble de capteurs de température. La tension de sortie de chaque thermocouple est une mesure de température relative par rapport aux tensions délivrées par les autres thermocouples de l'ensemble et par rapport à des thermocouples d'autres ensembles surveillant le carter de turbine. La Fig. 2 est un exemple d'organigramme d'un algorithme exécuté par l'instrument de commande pour détecter des frottements dans une turbine à vapeur. L'instrument de commande 28 est par exemple constitué par un microprocesseur qui exécute des instructions, par exemple un logiciel, enregistrées dans une mémoire accessible au processeur. L'ordinateur reçoit comme données d'entrée les signaux fournis par les capteurs de température, notamment les signaux de données fournis par un dispositif de mesure de tension qui surveille la tension de sortie de chacun des thermocouples présents dans le carter. L'algorithme 40 exécuté par l'instrument de commande détecte des frottements éventuels dans une turbine à vapeur, notamment entre un bout d'ailette et une surface intérieure du carter. Lors de l'étape 42, l'instrument de commande contrôle les signaux de température de chacun des capteurs 20 de température de chaque ensemble de capteurs. L'instrument de commande peut stocker temporairement les signaux de température dans une mémoire et peut utiliser des 7 techniques de filtrage et de mise en moyenne pour supprimer le bruit et d'autres artefacts des signaux. L'instrument de commande compare les signaux de température de tous les capteurs d'un ensemble, lors d'une étape 44. La comparaison des signaux de température avec les signaux de température d'autres capteurs de température du même ensemble identifie le capteur signalant la température la plus élevée, étape 46. Dans un ensemble de capteurs 20 disposés dans un plan perpendiculaire au rotor, les capteurs doivent mesurer sensiblement les mêmes températures du carter si aucun frottement ne survient. Une température nettement plus élevée mesurée par un seul capteur en comparaison des autres capteurs de l'ensemble indique que des frottements surviennent. Les frottements créent de la chaleur en raison des frictions entre le bout de l'aube mobile de rotor et le carter contre lequel frotte le bout. La chaleur produite par les frottements est conduite par l'intermédiaire du carter métallique. Les régions du carter les plus proches des frottements sont celles qui s'échauffent le plus. Le capteur de température qui, dans le carter, est situé le plus près des frottements signale la température la plus élevée. Pour identifier la température la plus élevée, l'instrument de commande peut simplement identifier la température la plus élevée parmi toutes les températures signalées par les capteurs d'un ensemble. L'instrument de commande peut également déterminer une température moyenne ou médiane de toutes les températures signalées par l'ensemble. Pour chaque température signalée par un capteur de l'ensemble, l'instrument de commande peut déterminer la différence entre la température signalée et la température moyenne ou médiane. Une valeur seuil de différence peut être préprogrammée dans l'instrument de commande, par exemple un seuil compris entre 10 et 50 degrés Celsius. L'instrument de commande peut déterminer, lors d'une étape 48, si la différence entre la température la plus élevée signalée par un capteur de l'ensemble et la moyenne dépasse la valeur seuil de différence. Selon une autre possibilité, l'instrument de commande peut déterminer si un capteur de l'ensemble signale une température supérieure à une valeur seuil prédéterminée par rapport à la température immédiatement la plus élevée signalée dans l'ensemble. Si la température la plus élevée mesurée dans l'ensemble dépasse la valeur seuil, l'instrument de commande procède à une détermination (étape 48) selon laquelle l'un des capteurs de l'ensemble signale une température suffisamment supérieure aux températures signalées par les autres capteurs pour déterminer d'une manière fiable que des frottements surviennent dans la turbine à vapeur. 8 Lorsque l'instrument de commande 28 détermine qu'une mesure de température faite dans un ensemble est suffisamment élevée pour indiquer que des frottements surviennent, l'instrument de commande identifie les positions latérale et angulaire du capteur 20 signalant la température élevée, étape 50. L'emplacement du capteur sert à identifier l'emplacement probable des frottements dans le carter. Il est supposé que les frottements surviennent sur la surface intérieure du carter en regard des bouts des ailettes et tout près du capteur signalant la température la plus élevée. L'instrument de commande émet un avertissement selon lequel des frottements peuvent survenir près de l'emplacement du capteur de température identifié, lors de l'étape 52. L'avertissement peut comporter une alarme visuelle et sonore 56 (Fig. 1) et une communication des données concernant l'ensemble de capteurs comportant le capteur identifié comme étant près des frottements. Les données peuvent comporter des relevés de la température immédiate fournis par l'ensemble et des relevés historiques de température fournis par l'ensemble de capteurs. Les données permettent à un technicien ou un ingénieur de diagnostiquer s'il est probable que des frottements surviennent. L'instrument de commande répète périodiquement l'algorithme pour tous les ensembles de capteurs, lors de l'étape 54. La fréquence à laquelle est répété l'algorithme peut varier d'une turbine à une autre. Un exemple de fréquence consiste en ce que les températures fournies par tous les capteurs soient mesurées suivant une périodicité de une à cinq minutes. Un effet technique de l'invention décrite est qu'elle propose un moyen pour identifier et localiser des frottements dans une turbine à vapeur. L'effet technique comprend la surveillance des températures dans le carter et l'identification d'un point chaud de température comme survenance potentielle de frottements. LISTE DES REPERES Numéros Désignation de repère 10 Turbine à vapeur 12 Rotor 14 Carter 16 Ailettes de rotor (aubes mobiles de turbine) 17 Bout d'aube mobile de turbine 18 Aubes statoriques (distributeurs) 19 Supports à queues d'arondes 20 Capteurs de température 22 Surface intérieure du carter 23 Paliers 24 Trous dans le carter 25 Trou oblique 26 Surface extérieure du carter 28 Instrument de commande informatique 40 Algorithme 42 Surveille la température 44 Compare les signaux de température de tous les capteurs 46 Identifie de capteur signalant la température la plus élevée 48 Détermine qu'un des capteurs de l'ensemble signale une température suffisamment supérieure à celle des autres capteurs 50 Identifie les positions latérale et angulaire du capteur signalant la température élevée 52 Emet un avertissement selon lequel il se peut que des frottements surviennent 54 Répète périodiquement l'algorithme pour tout l'ensemble de capteurs 56 Alarme visuelle et sonore5 REVENDICATIONS 1. Procédé (40) pour détecter des frottements entre des pièces (17, 22) d'une turbine (10) à vapeur, le procédé comprenant : la détection (42) d'une température en plusieurs endroits (24, 25) sur un carter de la turbine à vapeur ; la comparaison (44) des températures détectées de la pluralité d'endroits ; la détection (46, 48, 50) des frottements entre les pièces si l'un de la pluralité d'endroits a une température détectée supérieure à la température détectée aux autres endroits de la pluralité d'endroits, et le signalement (52, 56) du frottement comme se situant à un endroit proche de celui de la pluralité d'endroits ayant la température détectée plus élevée. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la pluralité d'endroits (24, 25) est disposée en un ensemble annulaire perpendiculaire à un axe de rotor. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la pluralité d'endroits (24, 25) compte quatre endroits disposés symétriquement autour d'un carter (14) dans un plan perpendiculaire à un rotor dans la turbine. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les quatre endroits (24, 25) sont disposés sur des lignes verticales et horizontales passant par le plan. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la détection des frottements comprend la comparaison (44) de chacune des températures détectées avec une moyenne des températures détectées et/ou une valeur médiane des températures détectées et/ou les autres températures détectées dans l'ensemble. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la pluralité d'endroits (24, 25) sont disposés en un ensemble annulaire dans le carter (14) et autour d'une rangée d'ailettes (16) de turbine à vapeur sur un rotor (12) de la turbine. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la pluralité d'endroits (25) se situe près d'une entrée de la turbine. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la pluralité d'endroits (24) se trouve au milieu de la turbine et sensiblement à mi-distance entre des paliers de rotor supportant un rotor de la turbine. 9. Procédé (40) pour détecter des frottements dans une turbine (10) à vapeur, comprenant : la surveillance (42) de capteurs de température d'au moins un ensemble (20) de capteurs dans un carter (14) pour la turbine ; 11 la comparaison (44) de mesures de température de tous les capteurs de l'ensemble ; l'identification (46) d'une température la plus élevée dans l'ensemble, d'après la comparaison ; la détermination (48) de ce que la température la plus élevée dépasse/ne dépasse pas un niveau de seuil ; l'identification (50) d'un capteur (20) signalant la température la plus élevée au-delà du seuil, et l'émission d'un avertissement (52) de frottements survenant potentiellement Io à un emplacement proche du capteur de température identifié. 10. Procédé selon la revendication 9, comprenant en outre la répétition périodique (54) des étapes du procédé. 15