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Water droplet erosion mechanisms of Ti-6Al-4V

Kamkar Zahmatkesh, Niloofar (2014). Water droplet erosion mechanisms of Ti-6Al-4V. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Water impingement erosion of materials can be a life-limiting phenomenon for the components in many erosive environments. For example, aircraft body exposed to rain, steam turbine blade, and recently in gas turbine coupled with inlet fogging system. The last is the focus of this study.

Inlet fogging system is the most common method used to augment gas turbine output during hot days; high ambient temperature causes strong deterioration of the engine performance. Micro-scaled droplets introduced into the inlet airflow allow the cooling of entering air as well as intercooling the compressor (overspray) and thus optimizes the output power. However, erosion damage of the compressor blades in overspray stage is one of the major concerns associated with the inlet fogging system.

The main objective of this research work (CRIAQ MANU419 project) is to understand the erosion induced by water droplets on Titanium alloy to eventually optimize the erosion resistance of the Ti-based compressor blade. Therefore, characterization of the water droplet erosion damage on Ti-6Al-4V receives the major importance. The influence of base material microstructure and impact parameters were considered in erosion evaluation in present study.

This work covers the characterization of the erosion damage on Ti-6Al-4V alloy in two parts:
- The water droplet erosion damage through a novel experimental approach. The collected data were processed both qualitatively and quantitatively for multi-aspects damage study.
- The influence of impact velocity on erosion in an attempt to represent the in-service conditions.

Titre traduit

Mécanismes d'érosion par impacts de gouttelettes d'eau sur l'alliage Ti-6Al-4V

Résumé traduit

L’érosion par impact de gouttelettes est un phénomène pouvant mener à la ruine de matériaux métalliques dans de nombreux environnements. A titre d’exemple, l'érosion par gouttelette d’eau de pluie ou de vapeur sur les composants aéronautiques tels que les aubes de turbomachines et certaines parties du fuselage peut induire la détérioration progressive de ces dernières. Dans le cas spécifique des turbines à gaz couplées avec un système de brumisation (Inlet Fogging System), ce phénomène d’érosion est un point clé dans le dimensionnement de pièces.

Le système de refroidissement par brumisation est la méthode la plus couramment utilisée dans les turbines à gaz pour compenser les variations de température entre les saisons. Une augmentation trop importante de la température provoquant une chute des performances de la turbine à gaz. L’introduction de gouttes d’eau dans le flux d’air en entrée permet alors la régulation de la température des systèmes d’admission et du compresseur et ainsi une puissance de sortie optimale des turbines à gaz. Cependant, l’endommagement par érosion induit par l’introduction de ces gouttelettes d’eau sur les premiers étages du compresseur est problématique.

L'objectif principal de ce travail (projet CRIAQ MANU419) est de comprendre les phénomènes induits par érosion par impact de gouttelette sur un alliage de titane, afin d'optimiser la résistance à l'érosion des aubes de compresseur généralement produites à base de titane. La caractérisation des phénomènes d’endommagement par érosion par impact de gouttelettes sur un Ti-6Al-4V a été de première importance. Les effets de la microstructure du matériau ainsi que des paramètres d’impact des gouttelettes ont été mis en évidence.

Ce travail sur la caractérisation de l’endommagement de l'érosion sur l'alliage Ti-6Al-4V s’articule en deux parties :
- L’endommagement par érosion par impacts de gouttelettes à travers une approche expérimentale originale. Les données collectées ont été traitées à la fois qualitativement et quantitativement pour effectuer une étude multi-échelle de l’endommagement.
- Les effets de l’influence de la vitesse d'impact sur les phénomènes d’érosion afin de représenter les sollicitations induites en service.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Article based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement [i.e. fulfillment] of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 143-148.
Mots-clés libres: Titane Alliages Érosion. Gouttes. Avions Turbines à gaz Aubes. Titane Alliages Microstructure. Texture (Cristallographie) Impact de gouttelette d’eau, Ti-6Al-4V
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bocher, Philippe
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Bridier, Florent
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 25 nov. 2014 16:09
Dernière modification: 10 déc. 2016 16:31
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1393

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