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Conception et fabrication du bord de fuite de l'aube d'une turbine hydraulique

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Bilton, Kevin (2016). Conception et fabrication du bord de fuite de l'aube d'une turbine hydraulique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’acier est communément utilisé pour la fabrication de turbines hydrauliques. Toutefois, ce matériau impose des contraintes géométriques qui limitent l’optimisation de la forme des aubes de ces turbines. L’entreprise GE étudie donc la possibilité de remplacer une portion de ces aubes d’acier par des matériaux plus polyvalents; les matériaux composites. Ce travail, réalisé en collaboration avec GE, porte sur la conception et la fabrication d’une aube de turbine hydraulique possédant un bord de fuite mince en matériau composite.

Le concept d’aube élaboré dans ce travail repose sur le remplacement d’environ 20% de sa corde à l’extrémité du bord de fuite par un matériau composite. L’extérieur de la portion en matériau composite est constitué d’une coque d’une épaisseur de 2 mm faite de fibre de carbone et d’époxy. Cette coque est assemblée à la portion principale d’acier inoxydable de l’aube par un joint de collage ressemblant à un joint en recouvrement double, mais caractérisé par l’absence de discontinuité de relief à la surface de l’aube. À l’intérieur de la coque se trouve un coeur d’époxy chargé permettant de rigidifier la coque. Certaines propriétés mécaniques et physiques des matériaux ont été caractérisées. L’impact d’une immersion prolongée des matériaux de l’aube en eau a été étudié. L’époxy du coeur a connu une expansion hygroscopique de 0,65% et une diminution de la résistance en traction et du module d’élasticité de 43% et 46% respectivement après huit mois d’immersion. L’essai de joints collés représentants le joint de l’aube ont permis d’observer une diminution de 43% de leur résistance mécanique après six mois d’immersion. La résistance transversale en traction du matériau composite a diminuée de 23% après trois mois d’immersion. Le grenaillage de l’acier inoxydable s’est avéré être le traitement de surface favorisant le plus l’adhésion du joint collé parmi tous les traitements qui ont été testés.

Des analyses mécaniques par la méthode des éléments finis ont permis d’évaluer le facteur de sécurité par rapport à la rupture des différentes portions de l’aube. À l’aide des modèles numériques, des facteurs de sécurité de 5,3 pour la coque, 0,79 pour le coeur d’époxy et 2,0 pour les couches d’adhésif ont été évalués en conditions d’opération normales. L’essai destructif en flexion de prototypes d’une petite portion d’aube a permis d’évaluer le facteur de sécurité du concept à 12,8 pour un prototype sans conditionnement et 10,1 pour un autre prototype qui a été immergé pendant 90 jours en eau pour une diminution de 21%. Ces résultats correspondent bien aux prédictions réalisées à l’aide des modèles numériques. La fabrication d’un prototype d’aube complète à bord de fuite mince en matériau composite à échelle réelle a permis de valider la fabricabilité du concept élaboré. L’ajout d’une barrière d’humidité à la coque comme un film d’aluminium ou un revêtement hydrophobe pourrait empêcher toute influence de l’eau sur la résistance mécanique du concept.

Résumé traduit

Steel is commonly used in the manufacturing of hydraulic turbines. However, this material imposes geometrical limitations that restrain shape optimization of turbine blades. Therefore, GE is considering the replacement of a portion of these steel blades with more versatile materials; composite materials. This study, done in collaboration with GE, involves the design and manufacturing of a hydraulic turbine blade with a thin composite trailing edge.

The blade designed in this study is based on the replacement of about 20% of its chord at the trailing edge end by a composite material. The outside of the composite part is formed of a 2 mm thick skin made of carbon fibre and epoxy. The skin is joined to the blades main stainless steel part by a bonded joint similar to a double lap joint but characterized by an absence of any shape discontinuity on the surface of the blade. A charged epoxy core fills the inside of the skin adding stiffness to the composite part. Some mechanical and physical properties of materials were characterized. The impact of long term water immersion of the blades materials was studied. The epoxy core showed a 0.65% hygroscopic expansion and a tensile strength and elastic modulus reduction of 43% and 46% respectively after an eight month immersion. Mechanical tests performed on bonded joints representing the blades joint showed a mechanical strength reduction of 43% after a six month immersion. The composite materials’ transverse strength decreased by 23% after a three month immersion. Abrasive blasting of stainless steel proved to be the most uccessful surface treatment to promote adhesion of bonded joints among the treatments tested.

Using the finite element method, mechanical analyses were performed to evaluate the factor of safety of the parts of the blade. With numerical models, factors of safety were evaluated as 5.3 for the skin, 0.79 for the epoxy core and 2.0 for the adhesive layer in normal operation conditions. Destructive bending tests were performed on prototypes representing a small portion of the blade. These tests showed a factor of safety of 12.8 for a prototype without any conditioning and 10.1 for a second prototype that was immersed in water for 90 days which represents a 21% reduction. These results were in agreement with predictions made using numerical models. The manufacturing of a complete full scale blade prototype with a thin composite trailing edge validated the manufacturability of the design. Water influence on the mechanical resistance of the design could be avoided by adding a moisture barrier to the skin such as an aluminum film or a hydrophobic coating.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 261-268.
Mots-clés libres: matériaux composites, turbine hydraulique, joint, vieillissement, éléments finis
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dubé, Martine
Codirecteur:
Codirecteur
Demarquette, Nicole R.
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 09 nov. 2018 19:53
Dernière modification: 16 nov. 2018 17:23
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1693

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