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Optimisation du carénage d’aube de turbine intégré dans la phase de conception préliminaire

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Martin, Salomé (2020). Optimisation du carénage d’aube de turbine intégré dans la phase de conception préliminaire. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le carénage d’aube de turbine permet d’augmenter l’efficacité aérodynamique du rotor en réduisant l’écoulement de fuite en extrémité de pale. Plus le carénage est grand, entre le bord d’attaque et le bord de fuite, plus l’écoulement est affaibli, mais plus les contraintes mécaniques sont importantes. Surtout deux contraintes sont impactées : la concentration de contrainte dans le rayon de raccordement entre le carénage et la pale et la contrainte sur la surface supérieure de la pale due à la masse du carénage en rotation. Pour réduire cette première contrainte il est possible d’augmenter la valeur du rayon, cependant cela augmente la masse en extrémité de pale et donc la contrainte associée.

Dans ce contexte, ce travail de maîtrise a permis de développer une méthode permettant d’évaluer rapidement un point optimal, pour les valeurs de la taille du carénage et du rayon, respectant les contraintes associées, et ce pour tout modèle de rotor ayant une pale carénée. Cette méthode est adaptée au cadre de développement, c’est-à-dire à l’environnement du logiciel d’automatisation de conception préliminaire implémenté chez Pratt & Whitney Canada.

Le processus est le suivant : à partir d’une géométrie de rotor l’algorithme effectue plusieurs analyses mécaniques dans CATIA, ce qui permet de réaliser des interpolations et de déterminer l’espace des ensembles admissibles pour enfin extraire le point correspondant à la taille de carénage la plus grande. Les simulations reposent sur une géométrie de rotor allégée : l’aube et son carénage. Les résultats de ces simulations ont été comparés aux résultats obtenus avec la procédure usuelle : les écarts relatifs ne dépassent pas 4%, ce qui est satisfaisant pour la phase de conception préliminaire. De plus le gain de temps est considérable : 10 minutes pour le processus habituel contre 1 minute pour les simulations allégées.

Le procédé développé montre qu’un dimensionnement local et ciblé, limitant ainsi le nombre de paramètres et de contraintes, répond rapidement et précisément au problème. Toutefois le choix des paramètres variables est crucial, d’où l’importance de l’étude de l’influence des paramètres présentée dans ce mémoire. Cette méthode d’optimisation contribue à la phase de conception préliminaire du carénage pour réduire le temps de conception et gagner en précision tout en assurant la robustesse du procédé.

Titre traduit

Turbine shroud optimization in preliminary design phase

Résumé traduit

The turbine blade shroud increases the aerodynamic efficiency of the rotor by reducing the leakage flow at the blade tip. The larger the shroud, between the leading and trailing edges, the more the flow is weakened, but the greater the mechanical stresses. Two stresses in particular are impacted: the stress concentration in the fillet of the connection between the shroud and the blade and the stress on the tip surface of the blade due to the mass of the rotating shroud. To reduce this first stress it is possible to increase the value of the fillet, however this increases the mass at the blade tip and therefore the associated stress.

In this context, this master work has allowed the development of a method to quickly evaluate an optimal point, for the values of the size of the shroud and the fillet, respecting the associated stress, and this for any model of rotor having a shrouded blade. This method is adapted to the development framework, i.e. the preliminary design automation software environment implemented at Pratt & Whitney Canada.

The process is as follows: from rotor geometry, the algorithm performs several mechanical analyses in CATIA, allowing interpolations to be performed and the space of admissible assemblies to finally extract the point corresponding to the largest shroud size. The simulations are based on lighter rotor geometry: the blade and its shroud. The results of these simulations were compared with the results obtained with the usual procedure: the relative deviations do not exceed 4%, which is satisfactory for the preliminary design phase. In addition, the time saved is considerable: 10 minutes for the usual process as opposed to 1 minute for the lighter simulations.

The process developed shows that a local and targeted dimensioning, limiting the number of parameters and constraints, responds quickly and precisely to the problem. However, the choice of variable parameters is crucial, hence the importance of the study of the influence of the parameters presented in this paper. This optimization method contributes to the preliminary design phase of the shroud to reduce the design time and gain in accuracy while ensuring the robustness of the process.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Mots-clés libres: carénage de pale, optimisation, conception préliminaire, écoulement de fuite
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Moustapha, Hany
Codirecteur:
Codirecteur
Sanjosé, Marlène
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 13 janv. 2021 16:30
Dernière modification: 13 janv. 2021 16:30
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2529

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