[Tribune] Comment l'impression 3D débride l'innovation dans les turbomachines

La fabrication additive offre une liberté de design qui intéresse de plus les acteurs de l’énergie. Scott Green, responsable Solutions principales chez 3D Systems détaille dans cette tribune quatre avancées permises par l’impression 3D dans le domaine des turbomachines.

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[Tribune] Comment l'impression 3D débride l'innovation dans les turbomachines

Face à la nécessité de réduire les émissions, le secteur de l'énergie abandonne les combustibles à base de charbon et de pétrole au profit du gaz naturel, qui brûle plus proprement. Cette évolution induit une transformation rapide des centrales électriques qui utilisent désormais d'énormes turbines industrielles pour transformer le gaz naturel en électricité.

La fabrication additive offre aux fabricants de turbomachines une grande souplesse de conception, des performances et un rendement améliorés, une meilleure fiabilité, une mise sur le marché plus rapide et une plus grande efficacité de la chaîne d'approvisionnement. Elle révolutionne différents procédés de fabrication utilisés dans la production de composants de turbomachines.

1 – Optimiser les chambres de combustion

Les chambres de combustion jouent un rôle fondamental au niveau des performances des turbomachines. L'obtention du meilleur rendement énergétique et de la plus grande puissance possible dépend de structures internes capables de favoriser la combustion et qui brûlent proprement. Les composants de combustion exigent la meilleure qualité possible et sont fabriqués en superalliages solides et résistants à la chaleur. Cependant, lorsque les fabricants utilisent des procédés d'usinage traditionnels pour façonner ces matériaux, ils réduisent généralement la durée de vie des outils et produisent des niveaux de déchets plus élevés.

De son côté, la fabrication additive apporte une souplesse sans précédent aux ingénieurs chargés de concevoir des chambres de combustion. Ni la géométrie ni le type de superalliage ne pose problème. Les ingénieurs peuvent développer de nouvelles formes d'orifices et de chambres de mélange, et optimiser ainsi les mélanges de carburant et d'air. Le remplacement des assemblages de plusieurs pièces (notamment dans les injecteurs de carburant, les swirlers et les mélangeurs) par des pièces monolithiques peut améliorer le rendement, réduire les coûts de main-d'œuvre et garantir l'intégrité du composant aux températures et pressions de fonctionnement les plus élevées.

2 - Concevoir des aubes de stator plus résistantes

A l'intérieur des « zones chaudes » des turbomachines, les aubes de stator des compresseurs et des turbines subissent des contraintes thermiques et structurelles importantes. Chaque aube ou stator intégré doit répondre à des exigences strictes en matière d'intégrité, de précision et de qualité des pièces afin de garantir les performances de l'ensemble de la turbine.

Les deux procédés traditionnels utilisés pour fabriquer les aubes de stator présentent d'importants inconvénients. Dans le cas de la fonderie de précision, le principal problème est le temps. Ce processus, vieux de plusieurs décennies, repose sur l'utilisation de modèles en cire, mais les moules qui servent à estamper les modèles sont coûteux à usiner et prennent des semaines ou des mois à produire. L'autre méthode traditionnelle, qui consiste à fabriquer des aubes et des anneaux à partir de billettes, est coûteuse, surtout à cause de la robustesse des superalliages utilisés. De plus, ces formes complexes doivent ensuite être soudo-brasées ensemble, un procédé qui peut amoindrir la résistance et la longévité du composant final.

La fabrication additive permet de pallier ces différents problèmes grâce à la consolidation de plusieurs pièces en une seule. La consolidation des assemblages de pièces augmente le rendement de la fabrication et en améliore considérablement la fiabilité. Elle permet également aux concepteurs d'intégrer des canaux de refroidissement internes complexes (trop difficiles à usiner) à ces pièces critiques, et donc d'améliorer les performances thermiques et d'optimiser l'efficacité.

3- Obtenir des rotors aux performances inédites

Les turbines à gaz industrielles sont coûteuses à produire par les méthodes de fabrication traditionnelles. Les formes étant complexes et les métaux extrêmement difficiles à découper, les taux de déchets peuvent atteindre 80 %. C'est particulièrement vrai pour les turbines hautes performances carénées, qui sont plus coûteuses à produire en raison de leur forme fermée. Les ingénieurs sont donc souvent amenés à faire des compromis pour pouvoir proposer des conceptions rentables.

La fabrication additive permet aux producteurs de turbomachines de concevoir des turbines carénées sophistiquées, beaucoup plus efficaces pour comprimer l'air. L'optimisation de la topologie et l'application d'une structure en treillis à ce composant critique de l'équipement rotatif permettent également aux ingénieurs de réduire son poids, et donc d'atteindre un régime plus élevé avec moins d'énergie tout en augmentant la puissance totale du système.

Deux procédés de fabrication additive en particulier offrent des avantages importants. Passer de l'usinage de billettes à l'impression directe en métal élimine les contraintes liées à la complexité de la pièce tout en accélérant la production et en réduisant les déchets. En cas de recours à la fonderie de précision (par exemple, pour les grands rotors ou les pièces de grand volume), il est possible d'utiliser des modèles en cire imprimés en 3D dans n'importe quel alliage, et de bénéficier ainsi de la souplesse et des économies associées à un workflow sans outil.

4- Eliminer les coûts d'outillage

Une bonne évacuation des gaz d'échappement est tout aussi importante pour l'efficacité des turbines à gaz qu'un apport généreux en air d'admission. Les conduits sont essentiels aux deux, et les turbines à gaz industrielles exigent des carters et des conduits complexes et de grande taille qui sont souvent adaptés au site.

Les procédés de fabrication additive de haut niveau permettent aux architectes et aux ingénieurs de passer du fichier CAO au moulage en seulement quelques jours. La fabrication additive donne aux ingénieurs la liberté de créer des modèles de fonderie de précision plus solides et plus fiables pour les carters et les conduits des turbines, améliorant ainsi l'efficacité du flux de gaz. La diminution du nombre de composants élimine des points de défaillance et se traduit par une durée de fonctionnement et une fiabilité accrues.

Dans le secteur concurrentiel et hautement technologique des turbomachines, il est tout aussi important d'accélérer l'innovation que d'apporter des améliorations fonctionnelles majeures. La fabrication additive accélère le cycle de conception en offrant la possibilité de produire rapidement et à moindre coût des pièces complexes pour des tests de forme, d'ajustement et de fonctionnement. C'est toute la centrale électrique qui peut bénéficier de ces améliorations, sous la forme d'un meilleur rendement énergétique, d'une diminution des coûts de maintenance et d'une réduction des émissions de gaz à effet de serre.

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