Développement des chartes pour les disques de type haute pression

Développement des chartes pour les disques de type haute pression

Contraintes mécaniques de disques de turbine axiale

   La structure rotative d’une turbine à gaz représente les éléments mécaniques en rotation autour de l’axe principal du moteur. Elle englobe notamment les ailettes de compresseur et de turbine, les plateformes, les attaches, les disques, les couronnes et les couverts de rétention. Cette section cherche d’abord à définir les principales fonctions et contraintes d’une partie critique de l’assemblage, soit les disques de turbines. Le rôle principal des disques est de supporter mécaniquement les ailettes ainsi que de transférer le couple absorbé aux arbres de transmission du moteur. Ils forment le lien obligatoire entre la section supérieure (ailettes, attaches, plateformes, couronnes) et centrale du moteur constituée d’arbres intermédiaires liés à un arbre principal. Le type de disques utilisés pour ces travaux est celui de turbine axiale provenant d’engins de classe turbosoufflante et turbopropulseur produit par la compagnie P&WC.

Sollicitations mécaniques

  Les contraintes mécaniques des disques sont générées par des sources multiples. D’abord, les grandes vitesses de rotation, qui peuvent atteindre 50 000 RPM, génèrent une force de tirée importante due à l’effet centrifuge. Celle-ci représente la source principale de sollicitation mécanique du disque. La masse des ailettes, des plateformes et des couronnes compte pour approximativement 1/3 des contraintes mécaniques au bas du disque. Ainsi, la balance (2/3) est générée par la masse du disque elle-même. Une autre source importante de contraintes mécaniques provient de l’effet thermique. Contrairement aux compresseurs, les disques de turbines sont situés en aval de la chambre de combustion, ce qui résulte en des températures très élevées qui diminuent les propriétés mécaniques des matériaux. La force centrifuge, combinée à ces hautes températures, sont les éléments considérés lors de la phase de conception préliminaire des disques.

Il existe d’autres sources de sollicitation mécaniques, telle la flexion des ailettes due à la différence de pression ainsi que l’effet des vibrations, mais celles-ci ne sont considérées que plus tard dans le processus de conception. Comme la recherche présentée se concentre exclusivement sur l’étape préliminaire de conception, seules les considérations de l’effet centrifuge et thermique sont abordées. Lors de la conception, une attention particulière doit être apportée à certains points critiques des disques. Ceux-ci représentent les endroits où la défaillance mécanique est susceptible de survenir. Les travaux de Witek (2006), portant sur l’analyse de bris des disques, mettent en lumières 3 de ces points, soit la partie intérieure du dernier lobe de l’attache, la section centrale des parois du disque, généralement plus mince et la partie inférieure du disque, à l’alésage. Les 2 derniers points critiques sont illustrés à la Figure 1.2. L’expérimentation établit que les contraintes et déformations mécaniques à ces points sont dominantes pour une grande plage de vitesse rotationnelle. L’attache, ne faisant pas partie de la présente recherche, n’est pas considérée. Seules les sollicitations mécaniques des parois (au centre) et de l’alésage (au bas) sont ainsi mesurées et considérées lors de la conception de disques.

Optimisation de pièces mécaniques

  L’optimisation lors de la conception en ingénierie est de plus en plus utilisée afin d’augmenter les performances et de diminuer le temps de développement. Afin d’appliquer ces méthodes à la conception de disques de turbine, différentes approches disponibles dans la littérature sont revues et présentées : Une première méthode d’optimisation géométrique est définie par Haslinger et Mäkinen (2003) et Bendsoe et Sigmund (2004) de la façon suivante :
(i) L’optimisation par dimensionnement : une dimension typique de la structure est modifiée;
(ii) L’optimisation de la forme : la forme est modifiée en conservant la topologie;
(iii) L’optimisation de la topologie : la forme et la topologie sont modifiées. L’optimisation dimensionnelle fait appel à des changements de dimensions typiques telle l’épaisseur d’une plaque ou d’un élément répété de la structure. Normalement contrôlé par un paramètre global, ces modifications ne perturbent pas ou très peu le modèle géométrique de la pièce, ce qui nécessite peu ou aucune contrainte particulière. La seconde catégorie, touchant la forme, demande beaucoup plus de contrôle lors de son application. En effet, la modification de la forme se réfère à toutes modifications applicables aux modèles (changement d’un angle, d’une longueur, d’un rayon, etc.) qui n’entrent pas dans la première catégorie, et qui nécessitent, par le fait même, une modification au niveau du maillage (Haftka et Grandhi, 1986). Selon la complexité du modèle géométrique, il peut être difficile de conserver l’intégrité du design lors du processus. La section sur le paramétrage aborde ces difficultés, qui sont importantes et qui devront être expérimentées sur les modèles de disques utilisés. La dernière catégorie se base strictement sur la topologie. En fait, l’optimisation topologique permet de générer, d’ajouter ou d’enlever de la matière d’une pièce de façon libre afin de créer un design. Ces trois catégories représentent différentes méthodologies d’optimisation susceptibles d’être appliquées à la seconde section de cette recherche.

Intégration des systèmes

  L’intégration des systèmes est un élément clé de la mise au point d’une plateforme unique et de l’optimisation structurelle car elle permet de lier et automatiser les différentes étapes de conception requises dans une seule boucle continue. Certains critères de base sont nécessaires à l’intégration et l’optimisation du processus de conception. Les principaux sont présentés par Bin, Nan et Huajun (2010) comme étant :
– la régénération d’un modèle paramétrique;
– l’automatisation du maillage et de l’analyse numérique;
– la capacité d’exécuter chacune des étapes en traitement par lot (« batch »);
– la liaison du processus à un algorithme d’optimisation. La génération d’un modèle paramétrique en lot (« batch ») pour l’approche CAO était généralement impraticable dans le passé, selon ce que rapportent un article touchant l’intégration (Langer, Pühlhofer et Baier, 2002). La méthode analytique restait ainsi la seule option à utiliser dans ces cas. De récents développements ont cependant permis l’apparition de nouveaux outils, nommé API (« Application programming interface »), capables d’interagir par traitement en lot avec les logiciels CAO. Une de celles-ci permet de modifier et de régénérer les composantes d’un arbre de construction d’un modèle CAO et ainsi avoir accès à cet outil à partir d’un programme externe, tel qu’utilisé par Haimes et Follen (1998). Cette fonctionnalité est intéressante dans le cadre de cette recherche car elle offre la possibilité d’incorporer des modèles CAO dans la boucle d’intégration.

Table des matières

INTRODUCTION
Mise en contexte
Objectifs
Organisation du mémoire
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Contraintes mécaniques de disques de turbine axiale
1.1.1 Définition
1.1.2 Sollicitations mécaniques
1.1.3 Calcul analytique (1D)
1.1.3.1 Contraintes pour un disque uniforme
1.1.3.2 Vitesse d’éclatement du disque
1.1.4 Calcul numérique (2D)
1.2 Automatisation de la conception mécanique
1.2.1 Optimisation de pièces mécaniques
1.2.2 Paramétrage géométrique
1.2.3 Intégration des systèmes
1.2.4 Méthodes d’optimisation
CHAPITRE 2 DÉVELOPPEMENT DE LA PLATEFORME DE CONCEPTION ET D’ANALYSES
2.1 Introduction
2.1.1 Système actuel
2.1.2 Exigences de l’outil
2.2 Développement de l’architecture d’intégration
2.2.1 Première partie (calculs 1D)
2.2.2 Deuxième partie (analyses 2D)
2.3 Fonctions de l’outil
2.3.1 Modèle géométrique
2.3.2 Analyses automatisées
2.3.2.1 Prétraitement de l’analyse
2.3.2.2 Traitement et post-traitement de l’analyse
2.3.3 Outil de conception du disque RD
2.3.4 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 3 CONCEPTION AUTOMATISÉE DU DISQUE
3.1 Introduction
3.2 Optimisation du disque selon le modèle original
3.2.1 Faisabilité et flexibilité du disque
3.2.1.1 Méthodologie
3.2.1.2 Variation du modèle original détenant les paramètres initiaux
3.2.1.3 Modification du paramétrage
3.2.1.4 Conclusion de la faisabilité du disque
3.2.2 Optimisation du disque
3.2.2.1 Méthodologie
3.2.2.2 Méthodes d’optimisation
3.2.2.3 Configuration des séquences d’optimisation
3.2.2.4 Résultats et interprétation
3.2.2.5 Conclusion de l’optimisation des disques originaux
3.2.2.6 Comparaison des algorithmes d’optimisation
3.3 Développement et optimisation de nouveaux modèles paramétriques
3.3.1 Développement des modèles
3.3.2 Optimisation des modèles
3.3.2.1 Disque de turbine haute pression
3.3.2.2 Disque de turbine basse pression
3.3.2.3 Optimisation rapide (200 itérations)
3.3.3 Conclusion du développement de nouveaux modèles
3.4 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 4 DÉVELOPPEMENT DE CHARTES DE CONCEPTION DE DISQUES DE TURBINE
4.1 Objectifs
4.2 Paramètres principaux et méthodologie
4.2.1 Évaluation des paramètres
4.2.2 Méthodologie
4.3 Développement des chartes pour les disques de type haute pression
4.3.1 Génération des chartes
4.3.2 Impact du rayon à l’alésage
4.3.3 Impact de la masse des ailettes
4.3.4 Impact de la largeur de l’attache
4.3.5 Impact de la vitesse de rotation
4.3.6 Effet de la température
4.3.7 Évaluation des droites optimales par un cas pratique
4.4 Interprétations des courbes de niveau
4.4.1 Relation entre les performances et le poids
4.4.2 Limitation des performances
4.5 Conclusion du chapitre
CONCLUSION….
ANNEXE I CHARTES DE CONCEPTION
BIBLIOGRAPHIE

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