Turbine à Combustion W501F-D2

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1 Étude de la sensibilité au rubbing rotor/stator d un compresseur de turbine à combustion : couplage des effets thermomécaniques et vibratoires Franck MEISSONNIER & Carlo STOISSER EDF R&D Dépt. AMA Clamart 1

2 Turbine à Combustion W501F-D2 Puissance 187 Mwe Rendement 37% (CS) 56.5% (CC) Nox 25 ppmv T C entrée turbine 1418 C T C échappement 593 C Débit d air 447 Kg/s Taux de compression 16/1 IGV 2

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4 Contexte: rubbing sur TAC W501F-D2 (2) Problèmes de rubbing sur W501F-D2 pendant les phases de redémarrage à chaud (Hot Restart) Mise en place par Siemens-Westinghouse d une limitation sur les Hot Restarts : Impact sur la disponibilité de la TAC (5h d attente si le HR n est pas effectué dans les 20mn après un arrêt) L augmentation sensible des cas de rubbing est principalement lié à: Introduction de nouvelles technologies et nouveaux designs Ex. Upgrade W501F FC FD FD2 Évolution du marché de l électricité La W501F a été initialement développée pour satisfaire à un marché essentiellement orienté sur une exploitation en base Actuellement, utilisation de plus en plus fréquente en Arrêt/Démarrage quotidien (augmentation du nombre de Hot Restart) 4

5 Objectifs de l étude Développer un outil d analyse de risque rubbing compresseur : Afin de maîtriser au mieux l évolution des jeux rotor/stator au cours d un cycle Hot Restart Prenant en compte les principaux phénomènes physiques auxquels est soumise une TAC: Thermomécanique du compresseur (inerties thermiques, centrifugation) Vibrations de la ligne d arbres Exploiter l outil d analyse de risque rubbing sur des TAC du parc EDF Évaluer la criticité des procédures d exploitation vis-à-vis du risque rubbing Procédures déjà existantes (Ex. Restriction Hot Restart Forced Cooling) Procédures à venir Maîtriser le risque rubbing suite à des upgrades (Ex. Levée de la limitation sur les Hot Restart) Disposer d une expertise technique face au constructeur 5

6 Approche technique 1. Calcul thermomécanique 2. Calcul vibratoire 3. Analyse de risque Modèle du compresseur (Code_Aster ) Modélisation par éléments finis - Thermoélasticité Carter 3D avec prise en compte des soutirages et des diaphragmes Rotor 3D Poly disques assemblés par tirants : modélisation monobloc 3 aubages mobiles modélisés en tridimensionnel (1, 7 et 13) Voiles des aubages modélisés par des éléments discrets de type masse ponctuelle Voiles = elt. ponctuels éléments finis 6

7 Approche technique 1. Calcul thermomécanique 2. Calcul vibratoire 3. Analyse de risque Modèle thermomécanique e du compresseur (Code_Aster ) Conditions aux limites Symétries Ancrage support Chargements Centrifugation Échanges thermique dans la veine compresseur T C de l air (calcul de rendement isentropique) Coefficients d échanges (relation de Colburn) 7

8 Approche technique 1. Calcul thermomécanique 2. Calcul vibratoire 3. Analyse de risque Validation : Comparaison entre les jeux résiduels normalisés prédits avec Code_Aster et les mesures S-W pour un cycle d arrêt-démarrage type Γ n δ 0 = δ 0 δ δ MAX cons cons Conclusions: Conservatisme du modèle EDF R&D (Modèle aux éléments finis) Corrélation satisfaisante après recalage des CET et du jeu de montage, δ 0 8

9 Approche technique 1. Calcul thermomécanique 2. Calcul vibratoire 3. Analyse de risque Application : Calcul des jeux consommés au cours d un cycle "Hot Restart" 9

10 Approche technique 1. Calcul thermomécanique 2. Calcul vibratoire 3. Analyse de risque Résultats : iso-température sur configuration déformée Dévrillage des aubages Distorsion du carter 10

11 Approche technique 1. Calcul thermomécanique 2. Calcul vibratoire 3. Analyse de risque Mise en évidence des inerties thermiques au cours d un Hot Restart 11

12 Approche technique 1. Calcul thermomécanique 2. Calcul vibratoire 3. Analyse de risque Calcul de la réponse au balourd de la ligne d arbres (analyse harmonique) Modélisation EF 1D du groupe TAC-Alternateur Calcul chaîné Edyos (modélisation des paliers) - CADYRO Identification des balourds à partir de mesures sur site au niveau des paliers Évaluation des jeux d origine vibratoire en fonction de la fréquence de rotation Déformée modale@22hz Évolution des excentricités au cours d un Hot Restart 12

13 Approche technique 1. Calcul thermomécanique 2. Calcul vibratoire 3. Analyse de risque Évaluation du risque rubbing compresseur au cours d un cycle Comparaison jeux prédits / jeux d assemblage δ = dr a + δ vib δ 0 dr Interfaces compresseur étudiées c 13

14 Résultats Étude de la limitation LHR Limitation sur les Hot Restarts (LHR) imposée par le constructeur pour s affranchir de tout risque rubbing compresseur : LHR = 5h d attente si le HR n est pas effectué dans les 20mn après un arrêt Peut-on identifier cet intervalle d indisponibilité à partir des simulations numériques (calculs thermomécaniques + analyse vibratoire)? Levée de la LHR par le constructeur Augmentation/diminution des jeux rotor/stator δ 0 Tip/Casing δ 0 Rotor/Diaph Peut-on valider la levée de la LHR à partir des prédictions issues de l analyse de risque? 14

15 Résultats Étude de la levée de la LHR Influence du temps de redémarrage à chaud Évaluer l évolution du risque maximal et en déduire la période d indisponibilité du compresseur Risque maximal obtenu au niveau des étanchéités R7/D6 (jeux "Anahuac" - avant limitation HR) Risque écarté avec les jeux corrigés (Lomas de Real) Intervalle d indisponibilité 15 Validation levée HR

16 Conclusions Faisabilité d une analyse de risque rubbing compresseur de TAC (W501FD2) 16 Analyse basée sur une approche duale thermomécanique et vibratoire Applicabilité : méthodologie générique (mais nécessité du MEF de la TAC étudiée ) Mise en évidence de la nécessité d une limitation sur les Hot Restarts Validation qualitative des développements réalisés Validation de la levée de la limitation sur les Hot Restarts Cohérence des modifications apportées par le constructeur Nécessité de considérer les excentricités vibratoires dans une analyse de risque rubbing compresseur Perspectives Application de la méthodologie : Évaluation de la criticité des transitoires vis-à-vis du risque rubbing

17 Étude de la sensibilité au rubbing rotor/stator d un compresseur de turbine à combustion : couplage des effets thermomécaniques et vibratoires Franck MEISSONNIER & Carlo STOISSER EDF R&D Dépt. AMA Clamart 17

18 Résultats Influence des jeux d origine Vibratoire Influence de la vibration de la ligne d arbres dans l analyse de risque rubbing δ δ vib vib dr a + δ vib dr e + δ vib 18

19 Résultats Étude de la limitation HR Analyse de risque rubbing veine compresseur Ailette/Carter Jeu résiduel optimal: PAS DE RISQUE RUBBING à l interface ailette/carter 19

20 Résultats Étude de la limitation HR Analyse de risque rubbing veine compresseur R7/D6 Rotor/Diaphragme R1/D1 R13/D13 R7/D7 RISQUE RUBBING au niveau de l étage 7 (R7/D6) écarté avec les jeux de montages modifiés 20