Calculation methodology for turbine rotor fragment containment

Résumé

Le processus de conception des turbines à gaz est complexe, soumis à de nombreuses réglementations imposées par les autorités nationales et internationales, et aussi gouverné par des impératifs économiques dans un marché concurrentiel. Partie intégrante de ce processus, les méthodologies analytiques actuelles utilisées pour déterminer l'épaisseur minimale de caissons de turbines à gaz mènent souvent à des résultats imprécis. Cette étude propose une nouvelle procédure analytique pour déterminer l'épaisseur minimale du caisson de turbine requise pour le confinement d'un fragment de rotor. Cette méthode groupe les résultats d'investigation de trois domaines de recherche distincts: le confinement des fragments de rotor de turbine à gaz, la balistique terminale et l'analyse par éléments finis. Les hypothèses généralement acceptées par l'industrie concernant le confinement des fragments sont que toute l'énergie cinétique de translation du fragment est échangée avec le caisson, que la zone d'impact est proportionnelle aux dimensions de la lame de l’aube, que le fragment est considéré comme non déformable et que l'impact des aubes suivantes est négligeable. Ce mémoire présente un modèle de confinement amélioré: l'énergie cinétique de translation du fragment est partiellement échangée avec le caisson, la déformation du fragment et son interaction avec les aubes suivantes ne sont pas négligeables. De plus, il s'avère que, contrairement à la modélisation traditionnelle, l'endommagement principal est créé par la section volumineuse (le pied, la plateforme ou le carénage) et non par la lame de l’aube. Enfin, cette étude met en évidence les principales différences entre la modélisation du confinement d'un fragment de l’aube carénée par rapport à un fragment de l’aube sans carénage, aspects non pris en compte dans la littérature actuelle. Certains chercheurs, lors de la caractérisation du modèle balistique terminal, supposent que les dommages résultent du cisaillement du caisson, tandis que d'autres supposent que la tension et/ou la flexion sont les principaux modes de défaillance. Ce travail de maîtrise propose une nouvelle méthodologie qui considère les deux principaux modes de rupture, cisaillement et étirement, comme une fonction de la géométrie du fragment et des conditions cinématiques. La méthode proposée a été validée avec des résultats obtenus lors d'essais de confinement sur deux moteurs Pratt&Whitney jugés représentatifs pour les grandes turbines à gaz: JT3D et JT8D. Le matériau du caisson (A-286) a été défini en utilisant le modèle de Johnson-Cook, qui est considéré comme le point de la technologie de définition du matériel en LS-DYNA. Les courbes de matériaux ont été calibrées avec les résultats obtenus à partir de essais effectués à différentes températures et vitesses de déformation. Le facteur de dommage des matériaux a été déterminé à partir d'une autre série d'essais en tant que fonction de surface de différentes triaxialités et de paramètres de Lode. En résumé, ce mémoire propose une méthodologie analytique pour la conception préliminaire de caissons de turbines à gaz pour le confinement de fragments par suite d’une défaillance du rotor. Ce modèle amélioré du phénomène d'impact conduit à des résultats précis dans la phase de conception préliminaire et amène en conséquence des réductions de poids importantes.

Date	10 juil. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Henri Champliaud (Directeur(-trice))