Optimiser les aubes de turbines : toujours plus chaud

Grâce aux nouveaux matériaux, les aubes des turbines à gaz et à vapeur sont plus résistantes à la chaleur et à la corrosion, ce qui a pour effet d’accroître le rendement, de réduire la consommation de carburant et de limiter la pollution.

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Le revêtement de 300 micromètres prolonge la durée de vie des aubes de turbine, dont celles de la plus grande turbine à gaz du monde (ci-contre, photo de droite).

En cuisine, un peu de sel et quelques épices transforment un plat fade en un mets goûteux. Mais réussir à les doser et à les marier demande une certaine expérience. Werner Stamm – « grand chef » du service de recherche sur les matériaux de Siemens Power Generation (PG), à Mülheim an der Ruhr, en Allemagne – le sait bien. Il n’a de cesse d’élaborer de nouvelles « recettes », pour lesquelles il n’a jamais reçu de prix culinaires, mais pas moins de 52 brevets et le titre d’« Inventeur de l’année 2006 ». En fait, ses recettes sont destinées à rendre les aubes des turbines à gaz plus résistantes à la chaleur et à la corrosion.

La cuisine de Werner Stamm s’est récemment enrichie d’un nouvel « ingrédient » : le rhénium, un métal rare qui se caractérise par un point de fusion très élevé et une haute densité. Ajouter 1 à 2 % de rhénium à un revêtement composé de cobalt, nickel, chrome, aluminium et yttrium (MCrAlY) confère au mélange des propriétés hors du commun.

À des températures élevées, la surface du mélange MCrAlY se couvre d’une couche d’oxyde d’aluminium qui protège les aubes de la turbine de l’oxygène contenu dans les gaz de combustion. Le rhénium améliore les propriétés mécaniques du revêtement protecteur et empêche l’aluminium de pénétrer dans le matériau sous-jacent, évitant ainsi qu’il ne s’oxyde. Grâce à ce revêtement d’une épaisseur de seulement 300 micromètres, l’alliage à base de nickel des aubes peut endurer plus de 25 000 heures de service à des températures maximales (contre 4000 heures sans revêtement), soit davantage que les exigences minimales des exploitants de centrales.

Le revêtement de Werner Stamm joue également le rôle d’agent adhésif pour les couches d’isolation thermique en céramique. Pour une température des gaz d’environ 1500 °C, ce système composite agent adhésif/céramique – allié à un dispositif de refroidissement qui propulse de l’air sur les aubes via d’étroites buses – abaisse la température de surface du métal de 1200 à 950 °C dans la première rangée d’aubes. Les revêtements les plus récents peuvent même isoler thermiquement les surfaces céramiques dont la température atteint 1350 °C.

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Des dixièmes de pourcent très convoités

Malgré cela, Werner Stamm et ses collègues ne sont pas satisfaits. En effet, si l’augmentation de la température se traduit par une amélioration du rendement du système (c’est-à-dire de la part d’énergie utile issue de la combustion), du fait de la hausse des prix des matières premières, les concepteurs et exploitants de centrales luttent âprement pour gagner ne seraitce que quelques dixièmes de pourcent. Ce sont ces raisons qui ont motivé le développement de la turbine à gaz la plus moderne et la plus puissante (340 mégawatts) du monde, fournie par Siemens à l’Allemand E.ON, en 2007, pour sa centrale d’Irsching. L’utilisation combinée de la centrale géante et d’une turbine à vapeur est prévue pour 2011 – le rendement de ce système devrait battre l’actuel record de 60 %. « Nous entrons dans un tout nouveau domaine technologique. Et nous espérons vivement que cette efficacité accrue conduira à une baisse des coûts de production d’énergie », commente Johannes Teyssen, directeur d’exploitation d’E.ON AG, à Düsseldorf.

L’air de refroidissement des aubes, qui circule dans la turbine, nuit au rendement du système. Réduire la quantité d’air pourrait donc représenter un moyen de gagner en efficacité, mais cela entraînerait une élévation de la température dans la première rangée d’aubes de plus de 100 °C – une chaleur excessive pour les matériaux actuels. La turbine à gaz d’Irsching est déjà équipée d’un système de refroidissement optimal, grâce au revêtement protecteur MCrAlY. Toutefois, tant qu’elle n’aura pas fonctionné en conditions réelles durant plusieurs années, sa résistance ne pourra pas être déterminée avec exactitude.

L’immense potentiel des revêtements réfractaires et calorifuges reste encore inexploité. Par exemple, si les chercheurs étaient en mesure d’augmenter la température de surface de la céramique et de réduire la formation d’oxydes sur la couche MCrAlY, le système offrirait un rendement et une durée de vie nettement supérieurs. En fait, ce type de céramique n’est qu’une étape intermédiaire qui préfigure des céramiques ne  nécessitant aucun refroidissement. Pourtant, selon Werner Stamm, la route est encore longue : « Peut-être d’ici 15 ans… Mais c’est ce que l’on disait déjà il y a 15 ans ». L’acquisition de Westinghouse par Siemens a donné un nouvel élan au développement des céramiques. Les ingénieurs essaient à présent d’augmenter les températures – et par là même le rendement – en utilisant la céramique oxydée. D’autres entreprises du secteur optent, quant à elles, pour un matériau de base en carbure de silicium, dont la structure et les propriétés s’apparentent à celles du diamant. Cette céramique à haute résistance présente néanmoins un inconvénient de taille : elle s’oxyde au contact de l’oxygène à des températures élevées. Or, l’oxygène est omniprésent dans une turbine à gaz. Les chercheurs Siemens travaillent donc au développement d’une céramique oxydée, c’est-à-dire déjà modifiée par réaction avec l’oxygène. La rigidité moindre de ce matériau ne pose pas de problème, le critère le plus important étant son coefficient de dilatation thermique, supérieur à celui du carbure de silicium.

Quoi qu’il en soit, la céramique reste fragile et les aubes doivent être consolidées pour supporter le minimum de 25 000 heures de service exigé par les clients. Ulrich Bast, de Siemens Corporate Technology, à Munich, et ses collègues d’Orlando, en Floride, s’y emploient : ils développent et testent une céramique renforcée de fibres. « Les fibres subissent les contraintes et préservent la céramique, même si des fissures se sont déjà formées par endroits », explique Ulrich Bast. La combinaison de deux matériaux fragiles – une matrice céramique et des fibres – se traduit par une tolérance élevée aux contraintes et aux dommages. La chaîne comporte toutefois un maillon faible : les fibres oxydées (en oxyde d’aluminium et de silicium) qui, bien qu’elles ne réagissent plus avec l’oxygène, ne résistent pas à des températures dépassant 1200 °C. La céramique seule supporte 1700 °C. Utilisée dans certains composants des turbines à gaz, elle ne requiert donc pas de refroidissement. En revanche, les composites à base de fibres doivent être protégés de la chaleur extrême des gaz de combustion par un épais isolant en céramique. Des tests effectués sur un segment d’anneau en céramique renforcée de fibres ont donné des résultats très prometteurs.

Une roue à aubes surdimensionnée

Jörn Bettentrup, responsable des projets de développement chez Siemens PG, conçoit de nouvelles aubes pour le dernier étage des turbines à vapeur basse pression, généralement associées à des turbines moyenne et haute pression. La vapeur se détend progressivement dans les trois turbines, puis sa température et sa pression diminuent pour atteindre, respectivement, 30 °C et 45 millibars. La détente entraînant une augmentation du volume du flux, la dernière roue à aubes doit être la plus large de toutes. La surface de flux de la plus imposante roue à aubes de dernier étage créée par Siemens est de 12,5 m2. Jörn Bettentrup et son équipe cherchent à présent à construire une turbine à vapeur dotée d’une roue à aubes de 16 m2 – un record – également destinée à la centrale d’E.ON située à Irsching.

Les clients sont intéressés par cette roue géante pour la simple raison qu’elle peut remplacer deux aubages de 8 m2, ce qui permet de réduire l’encombrement, le nombre de paliers et les tuyauteries, et de réaliser ainsi d’importantes économies. Toutefois, les développeurs font face à un défi majeur : les forces centrifuges associées imposent d’énormes contraintes aux aubes. À 3000 tours par minute, une force de plusieurs centaines de tonnes s’exerce sur leurs talons et sur les gorges qui les joignent au rotor. Les ingénieurs doivent donc recourir à un matériau très rigide, mais également léger, de manière à réduire la force centrifuge. Ils ont opté pour le titane, un métal un peu plus résistant et environ deux fois moins lourd que l’acier classique des turbines. Si le titane présente une bonne résistance à l’érosion, sa capacité à amortir les vibrations est, en revanche, légèrement inférieure à celle de l’acier, d’où les accouplements et les éléments de support spécifiques qui équipent les aubes en titane.

La plupart des constructeurs proposent désormais des aubes en titane pour le dernier étage de leurs turbines basse pression. Mais aucun n’a osé voir aussi grand que Siemens. Il reste à réaliser les essais et les expérimentations qui permettront de surmonter les difficultés techniques avant la validation de la conception. Cependant, tous les paramètres d’exploitation ont déjà été testés pendant près de 2 ans sur une petite turbine d’essai.

L’équipe de développement doit maintenant s’attacher à optimiser la conception des aubes en titane, plus compliquées et donc plus chères à produire que les aubes en acier. Et la facture s’allonge du fait des prix élevés et de plus en plus volatiles des matières premières. Malgré cela, selon les calculs de Jörn Bettentrup : « Les clients en sortiront largement gagnants ».

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Auteur : Bernd Müller