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Mesure d'Entrefer dans les Turbines à Gaz ou à Vapeur

Gap Measurement between a rotor and seal in a steam turbine

La consommation d'énergie et les émissions de CO2 sont aujourd'hui au cœur des préoccupations gouvernementales. Les producteurs d'électricité doivent alors répondre à la forte demande en énergies propres et investir dans des équipements permettant un rendement encore plus performant. Par conséquent, les constructeurs de turbines à gaz et à vapeur mettent aujourd'hui tout en œuvre pour accroître le rendement de leurs produits, rallonger les périodes entre deux révisions importantes, réduire les coûts de production et les temps d'arrêt des turbines.

Au cours des 25 dernières années, Capacitec a travaillé en étroite collaboration avec les constructeurs de turbines américains, européens et japonais pour mettre au point et perfectionner plusieurs systèmes de capteurs d'entrefer et de déplacement capacitifs sans contact afin de mieux répondre à leurs besoins.

 Applications typiques dans le domaine des Turbines à Gaz et à Vapeur (fabrication et réassemblage) :

1. Mesure d'entrefer entre les pales et le carter d'une turbine
2. Mesure d'entrefer entre le joint métallique et le rotor lors de l'assemblage
3. Mesure simultanée d'entrefers en 5 points entre le rotor et le stator d'une turbine à vapeur afin de valider l'excentricité d'une turbine après réusinage

4. Uniformisation de l'entrefer entre les tubes des échangeurs installés dans une turbine à vapeur nucléaire.

 

1. Mesure d'Entrefer entre les Pales et le Carter d'une Turbine


Les grands constructeurs mondiaux de turbines à gaz et à vapeur ont fait appel à Capacitec et sa technologie novatrice de mesure l'entrefer entre les pales et le carter des turbines lors de leur fabrication ou de leur réusinage. La mesure de l'entrefer est le moyen le plus simple pour les ingénieurs de garantir la concentricité de l'assemblage du rotor par rapport au carter. Un bon centrage des étages de rotor améliore le rendement de la turbine et optimise la production d'énergie. En atteignant la position nominale du rotor, la turbine subit moins d'usure et les pales sont moins exposées aux risques de collision avec le carter, ce qui nécessite, dans le cas le plus pénalisant, le démontage et la réparation de la turbine.

Les concepteurs ont besoin de mesurer des centaines d'entrefers le long de l'axe extérieur de chaque rotor, et ce à chaque étage de rotor dans la turbine. Ces entrefers sont calculés au niveau de l'axe horizontal où le diamètre du rotor touche le carter avant l'assemblage final de la turbine.

Afin de répondre à ces exigences techniques, Capacitec a mis au point une nouvelle gamme de capteurs d'entrefer flexibles et disposant de leur propre mise à terre appelés Sabres de contact. Le capteur Model GPD-4-A-350 est un sabre long et fin particulièrement adapté à la mesure d'entrefers le long de l'extrémité axiale d'un rotor de turbine, habituellement difficile.
 

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2. Mesure d'entrefer entre le joint métallique et le rotor lors de l'assemblage


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3. Mesure d'excentricité en 5 points simultanément entre le rotor et le stator d'une turbine à vapeur

Pour un constructeur de turbine japonais, Capacitec a conçu un système baptisé Bargrafx composé de 5 sondes rectangulaires HPR-125x1500 permettant de mesurer simultanément en 5 points les entrefers entre le rotor et le stator d'une turbine à vapeur afin de valider l'excentricité d'une turbine après réassemblage.

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4. Uniformisation de l'entrefer entre les tubes des échangeurs installés dans une turbine à vapeur nucléaire

Gap measurement in tube type heat exchangers


Les échangeurs représentent un élément important d'une centrale nucléaire et permettent de transformer l'eau en vapeur pour produire de l'électricité. Dans certains cas, deux échangeurs sont installés en parallèle. À plein régime, chaque échangeur permet à lui seul de refroidir les circuits pour garantir la sûreté de la centrale.

World-Nuclear.org explique qu'un « Réacteur à eau pressurisée (REP) comprend un circuit primaire à très haute pression qui alimente le cœur du réacteur ainsi qu'un circuit secondaire qui produit de la vapeur nécessaire au fonctionnement de la turbine.

L'eau présente dans le cœur du réacteur peut atteindre 325° C. Cette eau est donc pressurisée (150 fois la pression atmosphérique) afin qu'elle n'atteigne pas l'état d'ébullition. La pression est maintenue à l'aide de la vapeur générée par un pressuriseur (cf. schéma). L'eau du circuit primaire sert également de modérateur. Si cette eau se transformait en vapeur, la réaction de fission serait ralentie. Cet effet de contre-réaction est l'un des nombreux dispositifs qui garantissent la sûreté de ce type de réacteur.

Le circuit secondaire est moins pressurisé pour que l'eau des échangeurs soit sous ébullition et produise de la vapeur à l'eau des générateurs de vapeur. La vapeur entraîne la turbine qui produit de l'électricité. La vapeur est ensuite condensée et renvoyée vers les échangeurs en contact avec le circuit primaire. »

Le site Internet d'Alstom explique qu'« aujourd'hui, les centrales nucléaires fonctionnent sous circuit d'eau fermé. Le système de réfrigération intermédiaire est rempli d'eau propre, entièrement dessalée et inhibée. L'excédent de chaleur est échangé au niveau du circuit primaire ou auxiliaire à l'aide d'un hydroréfrigérant.

Un système de réfrigération intermédiaire permet d'éviter le contact d'une eau de refroidissement parfois agressive externe avec les échangeurs uniques. Cette configuration offre une meilleure fiabilité de l'installation et limite la maintenance au système de réfrigération intermédiaire dont les matériaux sont choisis pour leur résistance à la corrosion. Alstom propose des échangeurs tubulaires. »

Certains modèles d'échangeurs tubulaires sont composés de plusieurs centaines de tubes. Lors de la conception de ces échangeurs, les ingénieurs utilisent des jauges d'épaisseur mécaniques pour mesurer les dizaines de milliers d'entrefers entre les différents tubes afin de contrôler la qualité de la sous-structure des échangeurs. Ces sous-structures doivent être assemblées avec précision afin de garantir qu'aucune harmonique ne crée de vibrations et ne provoque la rupture prématurée des tuyauteries vapeur sous pression d'une centrale nucléaire.

Capacitec a conçu, pour les applications typiques, un système de mesure d'entrefer capacitif composé d'un sabre de contact type GPD pour remplacer ses jauges d'épaisseur, beaucoup moins précises. Cette nouvelle technologie de mesure d'entrefer permet d'améliorer de manière significative l'efficacité et la précision des mesures effectuées sur les dizaines de milliers d'entrefers à contrôler sur les tubes des échangeurs.