Brevet FR2982187A1 — publié le 20130510

Système d'enceinte et procédé d'application d'un revêtement Le système décrit ici concerne d'une manière générale un système d'enceinte et un procédé d'application d'un revêtement. Plus particulièrement, le système concerne une enceinte et un procédé qui est utilisé pour appliquer un revêtement sur un arbre tournant d'une turbomachine. L'amélioration du rendement des turbines est un aspect important de toutes les mesures de valorisation de turbines à vapeur. La mise en oeuvre de la conception la plus efficace, tout en s'assurant que l'amélioration ou la transformation remplit ou va au-delà de toutes les garanties de performance et fonctionne de manière fiable, constitue un objectif majeur. Lorsqu'on analyse les raisons des pertes de rendement dans une turbine à vapeur, il s'avère qu'environ 33% des pertes totales peuvent être attribuées aux fuites. Ces pertes dues aux fuites se répartissent en pertes en bout de pale pour environ 22%, en pertes de boîte d'étanchéité pour environ 7% et en pertes aux pieds pour environ 4%. De toute évidence, la réduction des pertes de rendement dues à des pertes d'étanchéité peut avoir une influence significative sur la performance d'une turbine à vapeur. On utilise fréquemment des joints à brosse sur des rotors de turbine, et le contact entre le rotor et la brosse entraîne le réchauffement par frottement. Tout voilement initial du rotor crée une saillie et peut provoquer le voilement du rotor, en raison d'un réchauffement différentiel. Les joints à brosse entre étages et ceux installés dans les extrémités des arbres influencent les vitesses critiques du rotor. Les joints entre étages tendent à influencer la première déformation critique, tandis que les joints aux extrémités d'arbre tendent à influencer la deuxième déformation critique. Les fils des joints à brosse peuvent également provoquer des usures indésirables aux endroits où ils entrent en contact avec le rotor. Cette usure engendre des fuites accrues et réduit le rendement global du système. Selon un aspect de la présente invention, il est prévu un système d'enceinte comprenant une enveloppe configurée pour recouvrir au moins une partie d'un arbre. L'enveloppe comporte un raccord d'entrée et un raccord de sortie. Le raccord d'entrée est configuré pour accepter au moins un élément parmi un outil de revêtement et un outil d'amenée d'abrasif. Le raccord de sortie est relié à un système d'aspiration. D'après un autre aspect de la présente invention, un procédé de réalisation d'un système d'enceinte comprend les étapes suivantes : mise en place d'une enveloppe comportant un raccord d'entrée et un raccord de sortie, l'enveloppe étant configurée pour recouvrir au moins une partie d'un arbre; mise en place d'au moins un outil parmi un outil de revêtement et un outil d'amenée d'abrasif; installation, au moins partielle, d'au moins un outil parmi l'outil de revêtement et l'outil d'amenée d'abrasif dans le raccord d'entrée; et le raccordement d'un système d'aspiration au raccord de sortie. L'objet de l'invention sera mieux compris à l'étude détaillée de la description de quelques modes de réalisation de l'invention, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques et sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective partiellement écorchée d'une turbine à vapeur basse pression à double flux, - la figure 2 est une vue schématique d'un système d'enceinte selon un aspect de la présente invention, - la figure 3 est une vue schématique d'un système d'enceinte selon un aspect de la présente invention, - la figure 4 représente une partie de l'enveloppe et un élément d'étanchéité selon un aspect de la présente invention, - la figure 5 représente une vue partielle en coupe d'une partie d'une enveloppe placée sur un arbre, selon un aspect de la présente invention, et - la figure 6 est une vue en perspective d'un système d'enceinte selon un aspect de la présente invention. Lors de la présentation de divers modes de réalisation de l'invention, les articles "un" "une", "le/la/les" et "ledit/ladite", "lesdit(e)s" indiquent qu'il existe un ou plusieurs des éléments. Les termes "comprenant" "comportant" et "ayant" sont destinés à avoir un caractère inclusif et signifient qu'il peut y avoir des éléments supplémentaires par rapport aux éléments cités. Les exemples de paramètres de fonctionnement et/ou de conditions environnantes n'excluent pas d'autres paramètres/conditions des modes de réalisation exposés. De plus, il convient de noter que les références à "un aspect" ou à "un mode de réalisation" de la présente invention ne doivent pas être interprétés en ce sens qu'ils excluent l'existence de modes de réalisation supplémentaires qui présentent également les caractéristiques citées. La figure 1 montre une vue en perspective partiellement écorchée d'une turbine à vapeur 10 basse pression à double flux, qui est juste un exemple du type de turbine à vapeur auquel les enseignements de l'invention peuvent être appliqués. Bien entendu, les enseignements de l'invention peuvent être appliqués à n'importe quelle machine dotée d'un arbre tournant, y compris les turbines à gaz, les turbines à vapeur, les éoliennes, les alternateurs et autres, sans y être limités. La turbine à vapeur 10 comprend un rotor 12 qui comporte un arbre 14 tournant et une pluralité de couronnes de rotor 18 espacées dans le sens axial. Une pluralité de pales 20 tournantes sont accouplées mécaniquement à chaque couronne de rotor 18. Plus précisément, les pales 20 sont disposées en rangées qui s'étendent sur la circonférence autour de chaque couronne de rotor 18. Une pluralité d'aubes fixes 22 s'étendent sur la circonférence autour de l'arbre 14, et les aubes sont positionnées axialement entre des rangées adjacentes de pales 20. Les aubes fixes 22 coopèrent avec les pales 20 pour former un étage et délimiter une partie d'un chemin d'écoulement de vapeur dans la turbine 10. Lors du fonctionnement, la vapeur 24 arrive par une admission 26 de la turbine 10 et est acheminée entre les aubes fixes 22. Toutefois, il convient de noter que les configurations d'admission de vapeur peuvent varier. Les aubes 22 dirigent la vapeur 24 vers l'aval, contre les pales 20. La vapeur 24 passe dans les étages restants, en communiquant une force aux pales 20, provoquant ainsi la rotation de l'arbre 14. Au moins une extrémité de la turbine 10 peut s'étendre axialement dans le sens opposé au rotor 12 et peut être fixée à une charge ou à une machine (non représentée), telle qu'un alternateur et/ou une autre turbine, mais sans être limité à ces machines. Selon un mode de réalisation de la présente invention, tel qu'il est représenté dans la figure 1, la turbine 10 est constituée de cinq étages. Les cinq étages sont désignés par les références LO, L1, L2, L3 et L4. L'étage L4 est le premier étage et est le plus petit (dans le sens radial) des cinq étages. L'étage L3 est le deuxième étage et est l'étage suivant dans le sens axial. L'étage L2 est le troisième étage et est montré au milieu des cinq étages. L'étage L1 est le quatrième et avant-dernier étage. L'étage LO est le dernier étage et le plus grand (dans le sens radial). Il convient de noter que les cinq étages ne sont montrés qu'à titre d'exemple et que chaque turbine peut avoir plus ou moins de cinq étages. D'autre part, comme décrit ici, les enseignements de l'invention ne nécessitent pas une turbine à plusieurs étages. La figure 2 est une vue schématique d'un système d'enceinte selon un aspect de la présente invention. Le système d'enceinte 200 comprend une enveloppe 210 configurée pour recouvrir au moins une partie d'un arbre 220. L'enveloppe 210 comporte au moins un raccord d'entrée 212 et au moins un raccord de sortie 214. Le raccord d'entrée 212 est configuré pour accepter un outil de revêtement 230 et/ou un outil d'amenée d'abrasif 330 (voir la figure 3). Le raccord de sortie 214 est relié à un système d'aspiration 240. L'outil de revêtement 230 peut être un outil à oxygène/combustible à grande vitesse (HVOF), un outil de projection au plasma dans l'air (APS), un outil de projection au plasma basse pression (LPPS), un outil de dépôt physique en phase vapeur (PVD), un outil de dépôt physique par faisceau d'électrons (EBPVD) ou un outil de dépôt par projection à froid. Pour ne citer qu'un exemple non limitatif, l'outil de revêtement 230 est un outil à oxygène/combustible à grande vitesse, et cet outil à oxygène/combustible à grande vitesse est raccordé à une alimentation de combustible 250, dotée d'un tableau de commande 252, et à une alimentation de revêtement 254. L'alimentation de combustible 250 peut comporter un gaz, par exemple de l'hydrogène, du méthane, du propane, du propylène, de l'acétylène, du gaz naturel, ou un liquide, par exemple du kérosène, ou n'importe quel autre combustible approprié, souhaitable pour l'application spécifique. L'alimentation de revêtement 254 peut comporter une poudre ou une matière particulaire, englobant des céramiques et/ou des matériaux métalliques, par exemple WC-Co, du carbure de chrome, du MCrA1Y, des alliages à base de nickel, sans y être limitée, ou tout autre revêtement approprié ayant les propriétés de résistance à l'usure souhaitées pour l'application spécifique. L'outil de revêtement 230 peut être utilisé pour appliquer un revêtement résistant à l'usure sur l'arbre 220, dans des zones susceptibles d'usure, par exemple à proximité des joints à brosse. Le revêtement résistant à l'usure peut être un revêtement de carbure de tungstène, un revêtement de nickel-chrome, un revêtement de carbure de chrome ou tout autre revêtement adapté, ayant les propriétés de résistance à l'usure souhaitées pour l'application spécifique. Uniquement à titre d'exemple, le revêtement résistant à l'usure peut être appliqué avec une plage d'épaisseur allant d'environ 200 à 400 microns. En variante, un revêtement plus épais d'environ 8 millimètres à environ 12 millimètres peut également être utilisé, ou bien toute autre épaisseur supérieure ou inférieure à cette plage, qui peut être souhaitée dans l'application spécifique. En outre, l'outil de revêtement 230 peut être manipulé en utilisant un bras robotique 260 qui peut être commandé manuellement ou par un programme géré par ordinateur. La figure 3 est une vue schématique d'un système d'enceinte selon un aspect de la présente invention. Le système d'enceinte 300 comprend un outil d'amenée d'abrasif 330 qui est raccordé à une alimentation d'abrasif 350. L'enveloppe 210 est configurée pour recouvrir au moins une partie de l'arbre 220. L'enveloppe 210 comprend au moins un raccord d'entrée 212 et au moins un raccord de sortie 214. Le raccord d'entrée 212 est configuré pour accepter l'outil d'amenée d'abrasif 330. Le raccord de sortie 214 est relié à un système d'aspiration 340. Uniquement à titre d'exemples non limitatifs, l'outil d'amenée d'abrasif 330 est un pistolet de grenaillage ou un pistolet de préparation de surface, et le pistolet de grenaillage ou de préparation de surface est raccordé à l'alimentation d'abrasif 350. L'abrasif peut être tout matériau adapté, capable d'augmenter la rugosité de surface, d'éliminer des contaminants ou d'éliminer des couches souhaitées, par exemple, sans y être limité, du verre, de la céramique ou des billes métalliques ou une matière particulaire, du grenat, du sulfate de magnésium, des coquilles organiques (par exemple des coquilles de noix, des noyaux de fruits, et autres), de la silice ou du sable, de l'amidon de maïs/blé, du bicarbonate de sodium (par exemple de la levure chimique), de la glace sèche ou de l'eau. Toutefois, l'outil d'amenée d'abrasif peut être n'importe quel dispositif apte à éliminer les revêtements souhaités et/ou à créer une surface rugueuse sur l'arbre 220. D'autres exemples de procédés d'abrasion peuvent englober le rodage à la vapeur, le grenaillage aux billes de verre, le grenaillage de précontrainte, l'application de jets d'eau et tout autre procédé adapté, souhaité dans l'application spécifique. Le système d'aspiration est relié au raccord de sortie 214 et retire l'abrasif se trouvant dans l'enveloppe 210 et renvoie l'abrasif dans l'alimentation d'abrasif 350. Des filtres appropriés (non représentés) peuvent être fixés ou reliés au système d'aspiration 340, afin d'éliminer d'éventuels contaminants non souhaités de l'alimentation d'abrasif 350. L'outil d'amenée d'abrasif reçoit l'abrasif de l'alimentation 350 et le dirige sur l'arbre 220 pour augmenter la rugosité de surface, éliminer des contaminants ou retirer des couches souhaitées. Par exemple, avant de revêtir l'arbre 220 d'une couche résistant à l'usure, certains contaminants (par exemple la rouille et autres) peuvent être éliminés, et la rugosité de surface de l'arbre peut être augmentée (ou diminuée) pour obtenir une surface souhaitable en vue de l'adhérence du revêtement résistant à l'usure. Pour ne citer qu'un exemple, la rugosité de surface de parties de l'arbre peut être manipulée pour être comprise entre environ 50 et environ 60 microns. La figure 4 montre une partie de l'enveloppe et d'un élément d'étanchéité selon un aspect de la présente invention. Les outils 230 ou 330 peuvent être insérés dans un élément d'étanchéité 410 qui fait partie du raccord d'entrée. L'élément d'étanchéité 410 peut comprendre un élément d'étanchéité élastomère 412 et/ou un élément d'étanchéité magnétique 414. L'élément d'étanchéité élastomère 412 peut avoir la forme d'un joint torique et/ou être formé à partir d'un matériau souple qui s'adapte à une partie de l'outil 230, 330. Le matériau magnétique 414 peut être utilisé pour augmenter la force d'attraction entre l'élément d'étanchéité 410 et l'outil 230, 330, afin d'améliorer les caractéristiques d'étanchéité de la jonction entre ces deux éléments. La figure 5 est une vue partielle en coupe d'une partie de l'enveloppe 210 placée sur l'arbre 220, selon un aspect de la présente invention. L'enveloppe 220 comprend un élément d'étanchéité qui peut comporter un élément d'étanchéité élastomère 512 et/ou un élément d'étanchéité magnétique 514. L'élément d'étanchéité élastomère 512 peut avoir la forme d'un joint torique et/ou être formé à partir d'un matériau souple qui s'adapte à une partie de l'arbre 220. Le matériau magnétique 514 peut être utilisé pour augmenter la force d'attraction entre l'enveloppe 210 et l'arbre 220, afin d'améliorer les caractéristiques d'étanchéité de la jonction entre ces deux éléments, et pour rendre étanche une jonction entre l'enveloppe et l'arbre. La figure 6 est une vue en perspective d'un système d'enceinte 600 selon un aspect de la présente invention. Une partie de l'arbre 220 est entourée d'une enveloppe 610 et d'une bague 611. Aussi bien l'enveloppe 610 que la bague 611 peuvent être formées d'une, deux, trois ou plus de pièces. Il peut être plus facile de disposer le système d'enceinte autour de l'arbre 220 lorsque l'enveloppe 610 et la bague 611 sont chacune constituées de plusieurs pièces, par exemple deux, trois ou plus. Un raccord d'entrée 612 et un raccord de sortie 614 sont reliés à la bague 611. Si on le souhaite, il est possible de relier des raccords d'entrée 616 supplémentaires à la bague 611. L'enveloppe 610 et la bague 611 forment ensemble une enceinte de protection. Un procédé de réalisation d'un système d'enceinte est également proposé selon un aspect de la présente invention. Le procédé comprend les étapes suivantes : mise en place d'une enveloppe comportant un raccord d'entrée et un raccord de sortie, l'enveloppe étant configurée pour recouvrir au moins une partie d'un arbre. Une autre étape met en place au moins un outil parmi un outil de revêtement et un outil d'amenée d'abrasif. Une étape de mise en place installe, au moins partiellement, au moins un outil parmi l'outil de revêtement et l'outil d'amenée d'abrasif dans le raccord d'entrée, et une étape de raccordement relie un système d'aspiration au raccord de sortie. Une étape prévoit la mise en place d'un élément d'étanchéité pour rendre étanche une jonction entre l'enveloppe et l'arbre, et cette étape peut comprendre la réalisation de l'élément d'étanchéité avec un élément d'étanchéité élastomère, la réalisation de l'élément d'étanchéité avec un élément d'étanchéité magnétique et/ou la réalisation de l'élément d'étanchéité avec à la fois un élément d'étanchéité élastomère et un élément d'étanchéité magnétique. Une autre étape prévoit l'installation d'un élément d'étanchéité d'entrée sur le raccord d'entrée. L'étape qui prévoit au moins un outil parmi un outil de revêtement et un outil d'amenée d'abrasif peut comprendre la mise en place d'un outil de revêtement qui est au moins un outil à oxygène/combustible à grande vitesse (HVOF), un outil de projection au plasma dans l'air (APS), un outil de projection au plasma basse pression (LPPS), un outil de dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou un outil de dépôt physique par faisceau d'électrons (EBPVD). D'autre part, cette étape peut également comprendre la mise en place de l'outil à oxygène/combustible à grande vitesse et le raccordement de cet outil à une alimentation de combustible et à une alimentation de revêtement. Par ailleurs, l'étape de mise en place d'au moins un outil parmi un outil de revêtement et un outil d'amenée d'abrasif peut également comprendre la mise en place d'un outil d'amenée d'abrasif qui est un pistolet de grenaillage raccordé à une alimentation d'abrasif. La présente description écrite utilise des exemples pour exposer l'invention, y compris le mode de réalisation le plus avantageux, et pour permettre à tout homme du métier de mettre en oeuvre l'invention, y compris en réalisant et en utilisant des dispositifs ou systèmes quelconques et en exécutant n'importe quel procédé incorporé. Le champ d'application brevetable de l'invention est défini par les revendications et peut englober d'autres exemples qui se présentent à l'homme du métier. Ces autres exemples doivent se situer dans le champ d'application des revendications, s'ils comportent des éléments structurels qui ne sont pas différents du sens littéral des termes des revendications, ou s'ils comportent des éléments structurels équivalents avec des différences non substantielles par rapport au sens littéral des termes des revendications. 10 Turbine à vapeur basse pression 12 Rotor 14 Arbre tournant 18 Couronnes de rotor 20 Pales 22 Aubes fixes 24 Vapeur 26 Admission 200 Système d'enceinte 210 Enveloppe 212 Raccord d'entrée 214 Raccord de sortie 220 Arbre 230 Outil de revêtement 240 Système d'aspiration 250 Alimentation de combustible 252 Tableau de commande 254 Alimentation de revêtement 260 Bras robotique 300 Système d'enceinte 330 Outil d'amenée d'abrasif 340 Système d'aspiration 350 Alimentation d'abrasif 410 Elément d'étanchéité 412 Elément d'étanchéité élastomère 414 Elément d'étanchéité magnétique 512 Elément d'étanchéité élastomère 514 Elément d'étanchéité magnétique 600 Système d'enceinte 0 Enveloppe 611 Bague 612 Raccord d'entrée 614 Raccord de sortie 13 REVENDICATIONS1. Système d'enceinte (200) comprenant : une enveloppe (210) configurée pour recouvrir au moins une partie d'un arbre (220), l'enveloppe comportant un raccord d'entrée (212) et un raccord de sortie (214), caractérisé en ce que le raccord d'entrée (212) est configuré pour accepter au moins un élément parmi un outil de revêtement (230) et un outil d'amenée d'abrasif (330), et en ce que le raccord de sortie (214) est relié à un système d'aspiration (240). 2. Système d'enceinte selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe comprend en outre un élément d'étanchéité (512, 514) configuré pour établir l'étanchéité d'une jonction entre l'enveloppe et l'arbre. 3. Système d'enceinte selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité comporte en outre un élément d'étanchéité élastomère (512). 4. Système d'enceinte selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité comporte en outre un élément d'étanchéité magnétique (514). 5. Système d'enceinte selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité comporte en outre un élément d'étanchéité élastomère (512) et un élément d'étanchéité magnétique (514). 6. Système d'enceinte selon la revendication 1, caractérisé en ce que le raccord d'entrée comporte en outre un élément d'étanchéité (412, 414). 7. Système d'enceinte selon la revendication 6, caractérisé en ce que le raccord d'entrée comporte en outre au moins un élément parmi :un élément d'étanchéité élastomère (412) et un élément d'étanchéité magnétique (414). 8. Système d'enceinte selon la revendication 6, caractérisé en ce que le raccord d'entrée comporte en outre un élément d'étanchéité élastomère (412) et un élément d'étanchéité magnétique (414). 9. Système d'enceinte selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'outil de revêtement (230) est au moins un outil parmi les outils suivants : outil à oxygène/combustible à grande vitesse (HVOF), outil de projection au plasma dans l'air (APS), outil de projection au plasma basse pression (LPPS), outil de dépôt par projection à froid, outil de dépôt physique en phase vapeur (PVD) et outil de dépôt physique par faisceau d'électrons (EBPVD). 10. Système d'enceinte selon la revendication 9, caractérisé 15 en ce que l'outil de revêtement (230) est l'outil à oxygène/combustible grande vitesse et que l'outil à oxygène/combustible à grande vitesse est raccordé à une alimentation de combustible (250) et à une alimentation de revêtement (254). 20 11. Système d'enceinte selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'outil d'amenée d'abrasif (330) est au moins un outil parmi un pistolet de grenaillage et un pistolet de préparation de surface, raccordé à une alimentation d'abrasif (350). 12. Procédé de réalisation d'un système d'enceinte, 25 caractérisé en ce qu'il comprend : la mise en place d'une enveloppe comportant un raccord d'entrée et un raccord de sortie, l'enveloppe étant configurée pour recouvrir au moins une partie d'un arbre, la mise en place d'au moins un outil parmi un outil de 30 revêtement et un outil d'amenée d'abrasif,l'installation, au moins partielle, d'au moins un outil parmi l'outil de revêtement et l'outil d'amenée d'abrasif dans le raccord d'entrée, le raccordement d'un système d'aspiration au raccord de sortie. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : la mise en place d'un élément d'étanchéité pour rendre étanche une jonction entre l'enveloppe et l'arbre. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : la réalisation de l'élément d'étanchéité avec un élément d'étanchéité élastomère. 15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : la réalisation de l'élément d'étanchéité avec un élément d'étanchéité magnétique. 16. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la réalisation de l'élément d'étanchéité, à la fois avec un élément d'étanchéité élastomère et un élément d'étanchéité magnétique. 17. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : la réalisation du raccord d'entrée avec un élément d'étanchéité d'entrée. 18. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de mise en place d'au moins un outil parmi un outil de revêtement et un outil d'amenée d'abrasif comprend en outre :la mise en place d'un outil de revêtement qui est au moins un outil parmi les outils suivants : outil à oxygène/combustible à grande vitesse (HVOF), outil de projection au plasma dans l'air (APS), outil de projection au plasma basse pression (LPPS), outil de dépôt par projection à froid, outil de dépôt physique en phase vapeur (PVD) et outil de dépôt physique par faisceau d'électrons (EBPVD). 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : la mise en place de l'outil à oxygène/combustible à grande vitesse et le raccordement de l'outil à oxygène/combustible à grande vitesse à une alimentation de combustible et à une alimentation de revêtement. 20. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de mise en place d'au moins un outil parmi un outil de revêtement et un outil d'amenée d'abrasif comprend en outre : la mise en place d'un outil d'amenée d'abrasif qui est au moins un outil parmi un pistolet de grenaillage et un pistolet de préparation de surface, raccordé à une alimentation d'abrasif.