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

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.

Date	13 juil. 2016
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Martine Dubé (Directeur(-trice)) & Nicole R. Demarquette (Codirecteur(-trice))