Turbines à gaz et centrales nucléaires profitent de la fabrication additive et de l'expertise de Siemens

Siemens industrialise les fabrications additives

| Auteur / Rédacteur: Jean Guilhem, journaliste indépendant / Gilles Bordet

Issues de fabrications additives , les aubes encaissent 13,000 tours par minute à 1'250°C .
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Issues de fabrications additives , les aubes encaissent 13,000 tours par minute à 1'250°C . (Source : www.siemens.com/press)

Pilier de la digitalisation des productions, la fabrication additive métallique pénètre avec Siemens, la partie chaude des turbines à gaz. Par ailleurs la firme germanique démontre les capacités de ces nouvelles technologies pour reconditionner une pièce critique de centrale nucléaire.

Siemens franchit le pas et démontre qu'il est possible de fabriquer, de façon industrielle, des aubes de turbine à gaz métalliques en impression 3D. Précurseur, le constructeur allemand réussit une percée majeure en achevant avec succès les premiers essais à pleine charge d’aubes de turbine à gaz produites avec la technologie de fabrication additive SLM (laser sur lit de poudre). Ces essais valident différentes aubes de conception classique mais fabriquées en additif. Les nouveaux composants ont été testés à une vitesse de 13'000 tours par minute pour des températures supérieures à 1'250 °C.

C'est en février 2016, que Siemens a ouvert son nouveau site de production d’impression 3D pour composants de turbines à Finspång (cf encadré). Un premier élément de turbine à gaz de grande puissance fabriqué en additif est entré en exploitation dès juillet dernier.

Par ailleurs, Siemens a testé un nouveau modèle d'aube dotée d’une géométrie améliorée capable d'apporter un meilleur refroidissement interne de l'aube. Cette nouvelle pièce a été produite en un temps record par fabrication additive. Dans le cadre de ce projet, l’équipe internationale a utilisée des aubes fabriquées chez Material Solutions, entreprise de Worcester (Royaume-Uni) récemment acquise par le Groupe allemand.

Material Solutions est spécialisée dans la fabrication des pièces de turbomachines à haute performance pour des applications aux températures élevées, où la précision, l’état de la surface et la qualité des matériaux sont essentiels pour des performances optimales en service. Une campagne de vérifications a été effectuée sur banc d’essai, dans l'usine de turbines à gaz située à Lincoln au Royaume-Uni.

« Cette percée ouvre la voie aux fabrications additives pour les turbines, l’une des applications les plus complexes et exigeantes », déclare Willi Meixner, CEO de la division Power and Gas de Siemens.

Jean Guilhem, journaliste indépendant.
Jean Guilhem, journaliste indépendant. (Source : Jean Guilhem)

Liberté de conception

« La fabrication additive est l’un des principaux piliers de notre stratégie de digitalisation. Cette réussite est le fruit du travail d’une équipe d'ingénieurs suédois, anglais et allemands en concertation avec des experts de Material Solutions. En seulement 18 mois, ces équipes sont parvenues à réaliser toute la chaîne, depuis la conception des composants et le développement du matériel de fabrication additif jusqu’à la mise au point de nouvelles méthodes de simulation par le calcul, concernant la durée de vie (lifing) et le contrôle qualité avant réception des pièces », ajoute Willi Meixner.

Après réception et contrôle, les aubes ont été assemblées sur une turbine à gaz industrielle d’une puissance de 13 mégawatts.

Leur fabrication est issue d’une poudre de superalliage poly cristallin base nickel à haute performance qui leur assure une résistance supérieure sous très hautes pressions, fortes températures et vitesses de rotations élevées.

Ainsi, à pleine charge, chaque extrémité d'aube tourne à plus de 1'600 km/h, alors que le pied de l'aube encaisse une traction de 11 tonnes dans une ambiance surchauffée à plus de 1000 °C.

En fonctionnement, chaque aube est refroidie sous une pression d'air « plus frais » mais à plus de 400 °C tout de même.

Au terme d'une campagne d'essais, le nouveau design de ces pièces où la géométrie des canaux internes de refroidissement est optimisée grâce à la fabrication additive, affiche de bien meilleures caractéristiques mécaniques et thermiques en termes de refroidissement ce qui améliore le rendement global de la turbine.

En effet, durant la fabrication additive sur lit de poudre, les objets sont créés couche par couche à partir d’un modèle CAO décomposé en fines strates (quelques microns) ce qui offre une liberté de conception impossible à obtenir avec les procédés classiques de fonderie même combinés avec des moyens d'usinage traditionnels.

« Nous allons pouvoir accélérer le développement d'une nouvelle génération de turbines affichant un rendement plus élevé et une meilleure disponibilité par rapport aux machines de génération précédente. En outre, la souplesse des fabrications additives permettra de développer des unités répondant encore mieux aux besoins des clients et aussi la possibilité de fournir des pièces de rechange à la demande » poursuit Willi Meixner.

Rétroconception et reconstruction

Par ailleurs, Siemens franchit une nouvelle étape dans le secteur de la maintenance sur mesure avec la première pièce imprimée en 3D utilisée dans une centrale nucléaire. Compte tenu des normes strictes de sécurité et de sûreté propres à ce secteur très particulier de l'énergie, cette réalisation constitue une avancée majeure.

La pièce de rechange fabriquée pour la centrale nucléaire de Krško en Slovénie est un rouet de pompe métallique de 108 mm de diamètre destinée aux protections anti incendies, fonctionnant de manière constante. Cette pompe à eau fournit la pression nécessaire au système de sécurité au sein de la centrale avec une pièce d’origine qui était en service depuis 1981. Malheureusement, son fabricant a depuis cessé toute activité.

La fabrication additive est alors devenue la meilleure solution pour reconstruire ce type de pièce obsolète impossible à obtenir autrement. Cette technologie d'avenir permet ainsi aux centrales d’un certain âge de continuer à fonctionner en sécurité et, dans le cas de Krško, de prolonger leur espérance de vie.

L’équipe d’experts Siemens basée en Slovénie après une étape de rétroconception, a établi le jumeau numérique du rouet de pompe avant fabrication additive sur le site suédois de Finspång., Expédié en suède, le nouveau fichier numérique de la pièce à remplacer a été, introduit dans le processus de fabrication additive métallique.

« Nous poursuivons investissements et innovations dans la fabrication additive », confie Tim Holt, PDG de la division Power Generation Services de Siemens, « ce projet dans la centrale de Krško est un exemple de l’impact significatif de la transformation numérique et de nos compétences dans le secteur de l’énergie. La réduction des délais et l’accélération des productions grâce aux fabrications additives intéressent sérieusement bon nombre de nos clients ».

En outre, pour la centrale de Krško, il a fallu réaliser des tests complets pendant plusieurs mois, de façon à s’assurer que la nouvelle pièce imprimée en 3D serait fiable et fonctionnerait en toute sécurité. Des recherches de matériaux supplémentaires effectués dans un institut indépendant, ainsi qu’un scanner, ont montré que les caractéristiques mécaniques de la pièce imprimée en 3D étaient supérieures à celle de la pièce d’origine.

« La performance, meilleure que prévu, de cette pièce réalisée par fabrication additive métallique nous a confortés dans l’idée que nous pouvons prolonger l’espérance de vie de nos ressources », précise de son côté Vinko Planinc, responsable de la maintenance de la centrale.

Celle-ci a été classée parmi les meilleures centrales nucléaires européennes en termes de sécurité par le Groupement européen des autorités de sûreté nucléaire (ENSREG), selon les évaluations réalisées suite à Fukushima. Elle fournit plus d’un quart de l’énergie en Slovénie et 15 % de l’énergie en Croatie, d’où son importance cruciale pour la région.

MSM

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