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Encrassement des turbines à gaz

Dans cet article un peu plus approfondi, nous allons aborder les problèmes de saleté des turbines à gaz, car l’une des utilisations les moins connues des brosses est le nettoyage de ce type de machines, à l’aide de meuleuses ou d’outils similaires.
Les turbines à gaz, qu’elles soient utilisées pour la production d’électricité ou pour la propulsion des avions à réaction, sont un type de machine particulièrement sensible à la poussière et à d’autres types de salissures.

Nous évoquerons également les alternatives pour le nettoyage des turbines et le rôle que joue la brosse industrielle dans ce type de machines.

Fondamentalement, le fonctionnement d’une turbine est le suivant :

L’air froid entre dans la turbine et augmente sa pression dans le compresseur.
-Dans la chambre de combustion, le combustible est brûlé, ce qui augmente la température de l’air lorsqu’il se mélange au gaz chaud.
-L’air chaud passe par les étapes de production d’énergie (turbine), déplaçant l’arbre tout en diminuant sa pression. Ce mouvement de l’arbre est utilisé pour produire de l’énergie et alimenter le compresseur.

La présence de saletés dans les turbines peut dégrader considérablement leur efficacité et leur capacité, ce qui entraîne un certain nombre de problèmes majeurs.

Le compresseur comporte un certain nombre de petits orifices qui facilitent le refroidissement. Ces orifices peuvent être obstrués par la poussière, ce qui augmente les températures d’entrée et réduit l’efficacité de l’ensemble. Dans une turbine destinée à la production d’électricité, la puissance générée serait moindre, tandis que dans une turbine destinée à la propulsion, comme celle d’un avion, plus de carburant serait consommé pour se déplacer à la vitesse de croisière. En outre, les températures élevées peuvent finir par endommager les aubes des compresseurs.

Les fuites d’huile peuvent se mélanger à la poussière et créer une boue qui entraîne des blocages vraiment problématiques. Les roulements du compresseur constituent probablement le point faible le plus courant, à la fois en raison des températures relativement basses (insuffisantes pour évaporer l’huile) et de la proximité des orifices de refroidissement mentionnés plus haut. Sur les avions A-10, ce problème était dû au propergol des mitrailleuses qui, lorsqu’il était utilisé, était ingéré par les turbines (situées derrière le canon) et qui, mélangé à la poussière du désert à basse altitude, provoquait des blocages dans le compresseur.

Saleté dans les turbines à gaz

Dans la section précédente, nous avons parlé des blocages de poussière dans le compresseur, mais des dépôts minéraux peuvent également se former. Ce phénomène est fréquent lorsque les turbines sont utilisées dans des environnements poussiéreux et/ou sablonneux, ce qui oblige à utiliser des systèmes de filtrage très complexes et coûteux. L’un des cas les plus connus est celui du char M1 Abrams de l’armée américaine, dont le moteur est une turbine Honeywell AGT1500.

Bien que les turbines soient théoriquement plus fiables que les moteurs diesel parce qu’elles ont moins de pièces mobiles, l’utilisation dans le désert signifie que tout problème avec les filtres à air d’admission se traduit rapidement par des défaillances de la turbine, ce qui a valu au M1A1 de nombreuses critiques pour son choix de propulsion.

Les dépôts de poussière et de saleté peuvent également provoquer des déséquilibres dans les aubes de la turbine et du compresseur, entraînant une augmentation des vibrations pendant la rotation.

Un autre problème potentiel est que la saleté peut s’incruster dans la racine des lames, les déplaçant légèrement et les faisant fonctionner dans une position différente de leur position de conception. Cela augmenterait les contraintes dans cette zone et contribuerait à l’usure des pales. En outre, des problèmes d’écoulement surviennent lorsque la géométrie des turbines est modifiée. Ce problème est généralement causé par la poussière de ciment, le charbon et les cendres volantes.
Des problèmes d’érosion peuvent également survenir lorsqu’il y a de la saleté dans les turbines : lorsque les turbines tournent à très grande vitesse, les particules qui sont collées les unes aux autres peuvent être emportées par le vent. Les chocs produits par ces petites particules peuvent finir par éroder et user les pales.

Cela modifie leur profil, altère leur comportement aérodynamique et réduit leur résistance à l’enlèvement de matière. Des modifications de la fréquence naturelle des pales dues à l’érosion ont également été observées, ce qui est très important car cette fréquence doit toujours être connue : les vibrations à la fréquence naturelle peuvent détruire les machines en quelques secondes si elles entrent en résonance.

Les turbines sont des machines de précision, et bien qu’elles soient conçues pour être très robustes, la maintenance est critique. Outre les problèmes de fiabilité qui peuvent résulter de l’encrassement, l’impact sur les performances est très important. Pour avoir une idée de l’ampleur de cet impact, dans une petite turbine à gaz, une couche de saleté de 0,1 millimètre sur les pales peut réduire le débit de 10 % en raison des turbulences qu’elle provoque, ce qui a également un impact négatif de 5 % sur les performances du compresseur.

Alternatives pour le nettoyage des turbines

Et quel rôle joue le brossage industriel dans ce type de machines?

Comme nous l’avons vu dans les articles précédents de cette série, la saleté dans les turbines à gaz est à l’origine de nombreux problèmes, qui peuvent être évités grâce à un entretien adéquat. Le nettoyage régulier des turbines est essentiel dans le cadre des travaux de maintenance. Le plus grand défi de ce nettoyage est le nombre de trous, ce qui oblige tout outil de nettoyage utilisé à pouvoir pénétrer dans les petits trous que la poussière peut obstruer, limitant ainsi les outils utilisables à ceux à base d’eau, d’air ou de brosses à poils fins.

La forme la plus simple de nettoyage est le nettoyage par pression d’air. Tout comme les compresseurs d’air sont utilisés pour nettoyer les composants électroniques où la poussière est le principal problème et qui présentent de petits trous dans lesquels la poussière peut se déposer, les compresseurs d’air sont également utilisés pour nettoyer les turbines. Le problème de cette méthode est que dans le cas d’une saleté constituée de poussière mélangée à de l’huile ou à d’autres éléments fortement incrustés, l’air sous pression peut ne pas suffire. Dans ce cas, on utilise de l’eau.

L’eau sous pression est une autre méthode de nettoyage des turbines à gaz qui est très similaire à l’air. Toutes deux sont basées sur un fluide sous pression qui entraîne les particules de saleté loin de la turbine. L’eau a toutefois un pouvoir nettoyant supérieur à celui de l’air. Cette méthode présente un problème majeur : la vapeur présente dans la turbine peut obstruer le flux et provoquer des dysfonctionnements, c’est pourquoi (bien que cela soit possible) cette méthode n’est généralement pas utilisée lorsque la machine est en marche. Dans les turbines de production, la machine est généralement arrêtée pendant huit à dix heures, avec les inconvénients économiques que cela implique.

Les brosses sont souvent utilisées pour le nettoyage manuel de petites surfaces, en raison de la bonne portabilité d’une meuleuse équipée d’une brosse. Elles présentent l’avantage de pouvoir éliminer la saleté incrustée grâce au pouvoir abrasif de ces brosses, qui sont généralement fabriquées en acier à haute résistance formant des fils très fins. Le problème de cette méthode de nettoyage est qu’elle n’est pas recommandée pour nettoyer des turbines entières, mais seulement des zones localisées. En effet, l’abrasion de la brosse peut avoir des effets négatifs à long terme sur les performances de la turbine. Cette méthode n’est donc recommandée que pour éliminer les salissures tenaces qui ne peuvent pas être nettoyées avec des méthodes moins agressives, comme l’air.

Source : Meher-Homji, CB., Chaker, M.A., Motiwala, K., 2001, « Gas Turbine Performance Deterioration », Proceedings from the 30th Turbomachinery Symposium, Texas A&M, College Station, TX.

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