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MATÉRIAUX À HAUTES PERFORMANCES

MATÉRIAUX POUR L’ENERGIE

DIMENSIONNEMENT D’UNE AUBE DE TURBINE

Jean-Hubert [email protected]

M88 : moteur du Rafale

09/12/2014Matériaux Hautes Performances - Aube

turbine2

Disque et aubes de turbine

Compresseur


turbine3

J85-GE-17A turbojet engine / photo Sanjay Acharya

Disque et aubes de turbine

Aube de turbine HP du M88


turbine4

Contraintes sur une aube de turbine


turbine5

Géométrie d’une aube de turbine

Rext = 290 mm

L = 44 mm

Aube HP M88


turbine6

Rint = 246 mm

l = 35 mme = 0,6 à 1 mmS = 110 mm2

Conditions de fonctionnement

Rint = 246 mm

Rext = 290 mm

L = 44 mm

ω = 17650 tr/minm = 100 gd = 8,6

A 900°C :E = 90 GPa pour <100>α = 1,45.10-5 K-1

Tgaz = 1580°CTair = 550°C

� T = 1050°C


turbine7

l = 35 mme = 0,6 à 1 mmS = 110 mm2

� Text = 1050°C� Tint = 800°C

Calcul simplifié des contraintes Aube HP M88

Ordre de grandeur des contraintes :

‒ Calculer la contrainte σ dans la section en supposant cette section constante et T constant dans une section

‒ Comparer à la valeur admissible de la


turbine8

‒ Comparer à la valeur admissible de la contrainte pour un superalliage de Ni

‒ Calculer σ et ε induites par ∆T� ∆T = 100°C dans l’épaisseur de la parois

externes en continu� ∆T = 400°C entre interne et externe lors des

cycles moteur

Calcul simplifié des contraintes

Rint = 246 mm

Rext = 290 mm

L = 44 mm

ω = 17650 tr/minm = 100 gd = 8,6

A 900°C :E = 90 GPa pour <100>α = 1,45.10-5 K-1

Tgaz = 1580°CTair = 550°C

� Text = 1050°C� Tint = 800°C


turbine9

l = 35 mme = 0,6 à 1 mmS = 110 mm2

Résistance spécifique fonction de la température (SNECMA)

σ/ρ

T

� Tint = 800°C


I. Equilibre en rotation

Rext

r

Tranches « planes » à r donné

σ(r) et T uniformes sur S(r)

rotation ω


turbine10

Rint

rotation ω

masse volumique ρ

Équilibre

Forme: S = cste rdr

rd

rSrrdrrSdrrSdrr

2

2

)(

0)()(])([)()(

ρωσσωρσ

−=⇒

=×−++×+

2 2 21( ) [ ]

2 extr R rσ ρω= −


• σmax en pied d’aube : r = Rint

2 2 21( ) [ ]



turbine11



turbine12



• σ proportionnelle à ρ ⇒ choix matériaux en résistance spécifique σadm/ ρ

• σmax proportionnelle à ω² ⇒ survitesses critiques (15% max)

• σmax proportionnelle à la section de passage A=π[R1² - R0²]

2 2 21( ) [ ]



turbine13


=>

σ limitante pour aubes « fan » (Rext >> Rint)

aubes THP (T ⇑)






2 2 21( ) [ ]



turbine14


=>


aubes THP (T ⇑)

Aube M88 ⇒ σw ≈ 346 MPa

σ /d ≈ 40,3à 1050 °C


σ/ρ


turbine15Résistance spécifique fonction de la température (SNECMA)

T






2 2 21( ) [ ]



turbine16


=>


aubes THP (T ⇑)

Aube M88 ⇒ σw ≈ 346 MPa

σ /d ≈ 40,3à 1050 °C ⇒ excessif pour AM1 !



turbine17

Géométrie d’une aube de turbine


turbine18

Tgaz ≈ 1580 °C

Tair ≈ 550 °C

Calcul thermomécanique


turbine19

Chargements thermomécaniques cycliques subis par les aubes

II. Contraintes thermiques seules, liées au gradient de T

∆T

e• ∆T dans l’épaisseur : 100 °C

• ∆T parois internes / externes liés aux cycles moteur : 400 °C

•On suppose un régime thermique simplifié avec gradient constant

• Géométrie aube ⇒ déformation totale uniforme sur la section (sym.)



turbine20

• Géométrie aube ⇒ déformation totale uniforme sur la section (sym.)

• εtotal = εméca+ εtherm

• différence ∆εtherm compensée par ∆ εméca

• ∆εméca= - ∆εtherm et ∆σ méca= E.∆ε méca avec CL effort vertical nul

(chaud ⇒ compression)

Gradient thermique et équilibre mécanique <σ> = 0 ⇒ ∆σthermique = ± ½ α.E.∆T

(si dilatation biaxiale r, θ : E -> E/1-ν )

0

- ∆σ

+ ∆σ

(T + ∆T) (T)


II. Contraintes thermiques liées au gradient de T

∆σthermique = ± ½ α.E.∆T

• AM1 : ENi ≈ 90 GPa pour <100> ⇒

αNi ≈ 1,45.10-5 K -1

• Epaisseur paroi en continu: ∆σth = ± 65 MPa

• Int / ext de l’aube, décollage: ∆σth = ± 260 MPa

Contraintes mécaniques (rotation) à ajouter


turbine21

αNi ≈ 1,45.10 K th

Rappel σ(ω) = 346 MPa

Cycles moteur ⇒ ∆εp cycliques !

0

− ∆σ

+ ∆σ

(Τ + ∆Τ) (Τ)

REM :

AM1 monocristal avec E<100> ≈ ½ E<111>

<100> orienté selon r et ⊥ parois

Evolution des contraintes lors des cycles thermiques

Cyclage vol par volσ

ε

T2 T1

σméca

ε (t)

surfaces externes / nervures internes


turbine22

ε = εe + εVP + α ∆T

Fin du 1er cycle : σ résiduelles négatives en surface, positives à cœur ⇒ évolution cycle après cycle

Mécanique : σ imposée (cycles 10-300-10 s)

Thermique : T1 , T2 …

Géométrie : ε (t) uniforme

Calculs numériques en thermo-viscoplasticité cyclique

1992première simulation

3500 degrés de liberté

1997aube entière

44000 degrés de liberté


turbine23

J.M.Cardona – Thèse Mines 2004

2000maillage sans le pied

560000 degrés de libertéCalcul parallèle



turbine24

Champ thermique



turbine25



turbine26



turbine27

Champ de contrainte et de température dans la section de l’aube



turbine28

Contrainte de Von Mises (MPa) au temps 250 s

Ex. de mission de vol (amplitude : coef multiplicatif de l’accélération max)

Nouveaux développements matériaux

σ/ρ


turbine29Résistance spécifique fonction de la température (SNECMA)

T

Nouveaux développements matériaux

Disque de turbine et aubes HP


turbine30

Disque de turbine et aubes HP en composite SiC-SiC

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