Brevet FR2931883A1 — publié le 20091204

B09-1910FR Société dite : Altair Filter Technology Limited Aube pour entrée d'air de turbine, et turbine et procédé associés Invention de : LARCOMBE Simon Priorité d'une demande de brevet déposée en Grande Bretagne le 2 juin 2008 sous le n° 0810025.7 Aube pour entrée d'air de turbine, et turbine et procédé associés La présente invention concerne de manière générale une aube pour retirer l'eau de l'air envoyé dans une turbine, comme une turbine à gaz. Les moteurs à turbine à gaz comprennent généralement un compresseur pour comprimer un flux d'air entrant. Le flux d'air comprimé est mélangé à du combustible, puis allumé dans un dispositif de combustion pour générer des gaz de combustion chauds. Ces gaz de combustion sont envoyés dans une turbine. La turbine extrait de l'énergie des gaz de combustion, généralement pour entraîner un arbre de turbine. L'arbre de turbine met en mouvement le compresseur et habituellement une charge extérieure comme un générateur d'électricité. La présence de gouttelettes d'eau dans le flux d'air entrant dans le compresseur peut conduire rapidement à des problèmes graves d'érosion et de corrosion sur les ailettes de compresseur, en particulier si les gouttelettes d'eau contiennent des contaminants ou du sel, par exemple. Par conséquent, ceci peut conduire à une rapide diminution des performances de la turbine ou même à des destructions d'ailettes catastrophiques. Dans de nombreux environnements d'exploitation des turbines à gaz, comme les plates-formes pétrolières en mer, les applications marines et les sites côtiers, des niveaux élevés d'eau peuvent être présents dans l'air sous la forme d'eau de pluie contaminée ou d'embruns. Les technologies actuelles emploient des séparateurs à aubes (VS) ou des séparateurs à aubes marines (MVS) pour retirer cette eau contaminée. Ces dispositifs utilisent généralement des aubes métalliques profilées de façon aérodynamique pour séparer l'eau contaminée du flux d'air par séparation inertielle. Ces séparateurs sont conçus pour retirer de grandes quantités d'eau en vrac de l'entrée d'une turbine à gaz avec une perte de pression minimale. Les aubes de ces séparateurs sont généralement faites d'un matériau soit de type acier inoxydable, soit de type tôle d'aluminium pour éviter les problèmes de corrosion provoqués par le sel présent dans les gouttelettes d'eau. On a envisagé l'emploi de techniques de revêtement pour accroître la capacité d'une surface à attirer les gouttelettes d'eau, mais le risque de rupture des revêtements dans le temps est élevé, surtout avec le séparateur à aubes marines qui fonctionne habituellement dans des conditions sévères. La rupture des revêtements dans le temps peut aussi provoquer des dégâts ou des destructions d'aubes de compresseur en raison des débris provenant des revêtements détruits entrant dans le compresseur. Par conséquent, il serait souhaitable de pouvoir fournir une aube pour une entrée d'air de turbine destinée à supprimer l'eau du flux d'air qui ne souffre pas des problèmes associés à la rupture des revêtements évoquée ci-dessus. Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé une aube pour supprimer l'eau d'une entrée d'air d'une turbine, l'aube ayant une rugosité de surface d'au moins 0,5 micromètre (rugosité arithmétique Ra) pour attirer les liquides présents dans le flux d'air qui passe sur elle. On a découvert que la présence d'une surface rugueuse sur une aube augmente considérablement la capacité de l'aube à attirer les gouttelettes de liquide et à les retenir sans les risques associés aux ruptures des revêtements conventionnels. Selon un second aspect de la présente invention, il est proposé un procédé de formation d'une aube pour un séparateur à aubes destiné à être placé dans une entrée d'air d'une turbine à gaz, dans lequel on rend la surface de l'aube rugueuse. La rugosité de la surface a de préférence une valeur d'au moins 0,5 micromètre (Ra). Ce traitement peut être produit par un processus de projection de particules, comme la projection de billes ou le sablage, par exemple. Des modes de réalisation de la présente invention vont maintenant être décrits, à titre d'exemple uniquement, en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à turbine à gaz classique muni d'un séparateur à aubes ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une partie du séparateur à aubes monté sur la turbine à gaz ; - la figure 3 est une vue agrandie d'une finition de surface d'une aube conventionnelle en acier inoxydable ; - la figure 4 est une vue d'une finition de surface d'une aube ayant une surface rendue rugueuse selon un mode de réalisation de la présente invention ; et - la figure 5 est un graphique représentant le rendement du passage de liquide pour différentes finitions de surface. La figure 1 représente un moteur à turbine classique 10. Le moteur à turbine 10 comprend généralement un compresseur 20 disposé en communication de flux en série avec un dispositif de combustion 30 et une turbine 40. La turbine 40 peut être couplée au compresseur 20 par l'intermédiaire d'un arbre d'entraînement 50 qui, dans cet exemple, s'étend aussi depuis la turbine 40 pour entraîner un générateur électrique (non représenté) ou tout autre type de charge extérieure souhaitée. Le flux d'air qui entre dans le compresseur 20 passe dans un séparateur à aubes 60. En fonctionnement, le flux d'air d'entrée passe dans le séparateur à aubes 60 où la majeure partie du liquide ou de l'eau contenu(e) dans le flux d'air entre en contact avec les aubes du séparateur 60, de telle manière que l'eau reste en contact avec les aubes, afin de fournir au compresseur 20 un flux d'air ayant une teneur en eau sensiblement réduite. Le compresseur 20 refoule un flux d'air comprimé 70 dans le dispositif de combustion 30. Un flux de combustible 80 est également délivré au dispositif de combustion 30 pour y être mélangé au flux d'air comprimé 70. Le flux d'air comprimé 70 et le flux de combustible 80 sont brûlés dans le dispositif de combustion 30 pour créer un courant de gaz de combustion 90. L'énergie du courant de gaz de combustion 90 est extraite par la turbine 40 pour mettre en rotation l'arbre de turbine 50 afin d'entraîner le compresseur 20 ainsi qu'un générateur ou tout autre type de charge extérieure. La figure 2 est une vue en perspective d'une partie du séparateur à aubes 60. Comme on peut le voir, le séparateur à aubes 60 comprend plusieurs aubes 61 agencées pour que l'air d'entrée contenant de l'eau heurte ces aubes. La section des aubes 61 peut avoir n'importe quelle forme courbée aérodynamique. Toutefois, on préfère les sections incurvées car elles fournissent une plus grande surface sur laquelle passe l'air d'entrée et elles offrent généralement une résistance aérodynamique moindre. Les extrémités arrière des aubes peuvent aussi comprendre des canaux verticaux pour diriger le liquide collecté sur les aubes 61 vers la partie inférieure du séparateur 60, où il peut être drainé de manière appropriée, et pour réduire le risque que le liquide présent sur les aubes 61 soit pulvérisé par l'air entrant dans le compresseur 20. La figure 2 montre également une paroi supérieure 62, une paroi inférieure 63 et une paroi latérale 64 pour le maintien des aubes 61 dans le séparateur à aubes 60. Le séparateur à aubes 60 peut comporter n'importe quel nombre d'aubes 61, avec n'importe quel espacement adapté, en fonction du degré de séparation d'eau voulu. Le séparateur à aubes 60 peut aussi avoir n'importe quelle taille, de quelques centimètres à plusieurs mètres, selon la taille de l'entrée du compresseur 20 du moteur à turbine 10 avec lequel il doit être utilisé. La figure 3 est une image prise au microscope électronique à balayage de la surface d'une aube conventionnelle en acier inoxydable. L'analyse externe de cette aube classique en acier inoxydable a montré qu'elle avait une rugosité de finition de surface égale à 0,28 micromètre Ra. Une autre aube, réalisée en aluminium, a été analysée et l'on a constaté qu'elle avait une rugosité de finition de surface égale à 0,36 micromètre Ra (non représentée). On a traité plusieurs aubes en acier inoxydable comme celle de la figure 3 pour obtenir une finition de surface modifiée. Cette nouvelle finition a été obtenue par projection de particules, dans ce cas-ci on a sablé la surface de l'acier inoxydable en utilisant du sable synthétique. L'apparence des aubes est passée d'un poli brillant à un mat terne. On a analysé des échantillons de cette finition de surface modifiée et l'on a constaté que la rugosité de surface avait augmenté de manière significative, pour atteindre une valeur de 2,0 micromètres Ra. D'autres échantillons ont été traités par projection de billes pour obtenir des gammes de rugosité de 0,50 micromètre à 2,50 micromètres. La figure 4 est une image prise au microscope électronique à balayage de la surface d'une aube sablée ayant une rugosité de surface de 2,50 micromètres Ra. Les essais effectués sur des sections d'aubes ayant des surfaces rendues rugueuses ont montré que lorsque l'eau entre en contact avec les surfaces rugueuses, elle se dilue beaucoup plus et sur une aire plus grande de la surface en métal que quand elle entre en contact avec la surface en acier inoxydable poli de l'aube standard. On a constaté qu'en augmentant la rugosité de la surface, l'eau était attirée par la surface d'une aube bien plus qu'avec la finition de surface lisse non modifiée. La figure 5 montre les résultats d'essais mesurant le taux de passage de liquide de plusieurs types d'aubes différents. Comme on peut le voir, l'aube en acier inoxydable conventionnel ayant une rugosité de surface de 0,36 micromètre Ra supprime la plus grande partie de l'eau contenue dans un flux d'air d'entrée. Mais les aubes ayant une rugosité accrue, au moins égale à 0,50 micromètre Ra, ont permis des taux de passage de liquide réduits de manière significative pour un écoulement de fluide équivalent. Comme on peut le voir sur la figure 5, le fait d'augmenter encore la rugosité de la surface, par exemple jusqu'à 2,50 micromètres Ra, permet de réduire davantage la proportion de liquide qui réussit à passer le séparateur à aubes. Ces niveaux fortement améliorés de suppression des liquides permettent une extension potentielle de la durée de vie utile des composants du compresseur, en particulier des ailettes, une amélioration des intervalles d'entretien et une réduction du temps d'immobilisation pour la turbine. Les essais effectués sur ces aubes ont montré que les aubes avaient un taux de passage de liquide réduit après utilisation initiale si les aubes sont préalablement mouillées. En conséquence, quand on démarre une turbine 10 la première fois, il peut être souhaitable de mouiller au préalable le séparateur à aubes 60 afin d'obtenir une suppression de liquide adaptée dès la première utilisation. Des essais supplémentaires ont été réalisés pour déterminer si l'efficacité en taux de passage de liquide était influencée par la température. On a trouvé qu'avec une augmentation de la température, l'eau plus chaude adhérant à une aube s'étalait sous une forme plus plate que l'eau froide, de sorte que l'eau chaude adhérait mieux à la surface de l'aube que l'eau froide et l'on a obtenu un taux de passage de liquide plus faible avec un flux d'entrée plus chaud. En conséquence, dans certaines circonstances il peut être souhaitable de préchauffer le flux d'air qui doit passer dans un séparateur à aubes 60. Dans le cadre de la présente invention, des modifications peuvent être apportées aux exemples qui ont été décrits ci-dessus. Par exemple, on peut utiliser n'importe quelle surface ayant une rugosité d'au moins 0,50 micromètre Ra, quel que soit le moyen d'obtention de cette rugosité. Toutefois, le traitement d'une surface métallique avec des particules comme du sable ou des billes de dimension appropriée est un procédé pratique d'obtention du niveau de rugosité souhaité. REVENDICATIONS1. Aube (61) pour une entrée d'air d'une turbine (10), caractérisée en ce que l'aube (61) a une rugosité de surface d'au moins 0,5 micromètre Ra pour attirer le liquide présent dans le flux d'air que l'on fait passer sur celle-ci. 2. Aube (61) selon la revendication 1, dans laquelle la surface de l'aube (61) a une rugosité d'au moins 1,0 micromètre Ra. 3. Aube (61) selon la revendication 2, dans laquelle la surface de l'aube (61) a une rugosité d'au moins 1,5 micromètres Ra. 4. Aube (61) selon la revendication 3, dans laquelle la surface de l'aube (61) a une rugosité d'au moins 2,0 micromètres Ra. 5. Aube (61) selon la revendication 4, dans laquelle la surface de l'aube (61) a une rugosité d'au moins 2,5 micromètres Ra. 6. Séparateur à aubes (60), comprenant une pluralité d'aubes (61) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 7. Turbine (10) comprenant un séparateur à aubes (60) selon la revendication 6 placé dans une entrée de flux d'air de la turbine (10). 8. Procédé de préparation d'une aube (61) pour une entrée d'air d'une turbine (10), le procédé comprenant l'opération consistant à traiter la surface de l'aube (61) pour lui conférer une rugosité d'au moins 0,5 micromètre Ra. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la surface de l'aube (61) est rendue rugueuse par projection de particules. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel on mouille la surface de l'aube (61) avant utilisation.