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ﻲﻤϠﻌϟ΍ ﺚﺤΒϟ΍ ﻭ ﻲϟΎﻌϟ΍ ﻢﻴϠﻌﺘϟ΍ Γﺭ΍ﺯﻭ BADJI MOKHTAR-ANNABA UNIVERSITY جامعة باجي مختار – عنابة UNIVERSITE BADJI MOKHTAR-ANNABA Faculté des Sciences de l’Ingénieur Département de Génie Mécanique THESE Présentée en vue de l’obtention du diplôme de Master 02 Option : Mécanique des Matériaux Par : SAMI BOUTERRA DIRECTEURE DE THESE : Mme. Daas MCA ESTI Annaba DEVANT LE JURY : Pr HAMADACHE HAMIDE Pr ZEMMOURI ZAHIA Dr MERABTINE ABDRAHMANE Dr MENAIL YOUNES Année : 2016/2017 Etude comparative par simulation de deux aubes de turbine à vapeur Sans toi je n’aurais été qu’un voilier à la dérive, je te dédis ce travail ...mon école. Remerciements : A tous ceux qui m’ont encouragé, cru en moi et supporté je vous dis merci. Aux employés de la section maintenance à Fertial qui m’ont offert un accueil des plus chaleureux, merci pour votre aide Mounir et Naima. Un éloge spécial pour de mon encadreur Mme Daas .D merci pour vos précieux conseils et vos efforts. Liste des figures liste des tableaux Résumé Introduction générale CHAPITRE I : Généralités sur les turbomachines I. Introduction……………………………………………….…………………………1 I.1. Historique……………………………………………….…………………………1 I.2. Présentation de Fertial……………………………………………………………..1 I.2.1. Production de l’entreprise …………………………………………………...….2 I.2.2. Exportation …...…………………………………………………………….…3 I.2.3. Missions de l’entreprise ...…..……………………………….………….……..3 I.3. La turbine du compresseur 105JT……………………………………….……….4 I.4.Les turbomachines……………………….………………………………….……5 I.4.1.Turbine à vapeur ………………………………………………………….……6 I.4.1.1. Définition …………………………………………………………….……...6 I.4.1.2. Types des turbines à vapeur ………………………………………….……...6 I.4.1.3 Composants de la turbine ……………………………………………….……6 I.4.1.4. Principe de fonctionnement de la turbine à vapeur …………………….……7 I.4.1.5. Avantages et inconvénients des turbines à vapeur :………………………….9 I.4.2. Turbine à gaz …………………………………………………………….…….9 I.4.2.1. Principales applications ………………………………………………..…...10 I.4.2.2. Principe de fonctionnement ……………………………………………..….11 I.4.2.3. Différents types de turbine à gaz ……………………………………..…….11 I.4.2.4.Avantages et inconvénients des turbines à gaz :………………………….….12 I.4.2.5.Conclusion ……………………………………………………………….......13 CHAPITRE II : La turbine à vapeur II.Introduction…………………………………………………………………......…14 II.1.Turbine à vapeur…………………………………………………………………15 II.1.1.Théorème d’Euler……………………………………………………………...15 II.1.2.Triangles des vitesses………………………………………………………….16 II.2.Composition d’une turbine………………………………………………………18 II.2.1.Conception d’une grille d’aube………………………………………………..18 II.2.2.Géométrie des aubes…………………………………………………………...19 II.2.3.Différentes formes de grilles d’aubes …………………………………………20 II.2.4.Forme et Fonctions des rotors…………………………………………………24 II.3.Phénomènes indésirables………………………………………………………...25 II.3.1.Effets de la vapeur mouillée …………………………………………………..25 II.3.2.Fissuration par corrosion sous contrainte des aubes…………………………...26 II.3.3.La fatigue…………………………………………………………………........26 Conclusion…………………………………………………………………................27 CHAPITRE III : Etude comparative et simulation des aubes HP et BP III. Introduction ………………………………………………………………….......28 III.1.Méthodologie …………………………………………………………………..28 III.2.La force centrifuge …………………………………………………………...29 III.3.Propriété des matériaux utilisés………………………………………………..30 III.3.1.Acier Inoxydable AISI 403,X6Cr13…………………………………………30 III.3.2.Titane, alliage alpha-beta Ti-6Al-4V………………………………………...31 III.4.Considération géométrique du Modèle I (Aube de l’étage HP) ……………….33 III.5.Méthode des Eléments Finis (MEF…………………………………………….34 III.6.Etude statique ………………………………………………………………….34 III.6.1.Cas de l’acier allié X6Cr13………………………………………….……….34 III.6.1.1.Calcul de la force centrifuge ………………………………………………34 III.6.1.2.Maillage du Modèle I ……………………………………………………...35 III.6.1.3.Simulation de l’étude statique ……………………………………………..36 III.6.1.4.Résultats …………………………………………………………………...37 III.6.2.Cas de l’alliage de Titane Ti-6Al-4V………………………………………...41 III.6.2.1.Calcul de la force centrifuge……………………………………………….41 III.6.2.2.Résultats …………………………………………………………………...42 III.3.Discussion des résultats de l’étude statique……………………………………46 III.7. Considération géométrique du Modèle II (Aube de l’étage BP) ……………...46 III.7.1.Maillage du Modèle II ……………………………………………………….47 III.8.Etude statique ………………………………………………………………….48 III.8.1.Cas de l’acier allié X6Cr13 ………………………………………………….48 III.8.1.1.Calcul de la force centrifuge……………………………………………….49 III.8.1.2.Simulation de l’étude statique ……………………………………………..49 III.8.1.3.Résultats …………………………………………………………………...50 III.8.2.Cas de l’alliage de Titane Ti-6Al-4V………………………………………...54 III.8.2.1.Calcul de la force centrifuge……………………………………………….54 III.8.3.Discussion des résultats de l’étude statique …………………………………59 III.9.Conclusion de l’étude ………………………………………………………….60 III.10.Conclusion…………………………………………………………………….61 Conclusion générale Liste des figures Figure -1- : Organigramme de Fertial-ANNABA…………………………………………….3 Figure. 2. : Schéma de la turbine 105JT entrainant un compresseur.………….…………..…15 Figure.3. Triangles des vitesses dans un écoulement axial.………………………………..…17 Figure.4. Grille d’aube d’un étage de turbine à vapeur.………………………………………18 Figure.5. Profil d’aube……………………………………………………………………..…20 Figure.6. : Répartition des pressions sur l’extrados d’une aube vrillée………………………21 Figure.7. : Répartition des pressions sur l’intrados d’une aube vrillée………………………22 Figure.8. Fixation et géométrie en pied de sapin………………………………………….…23 Figure.9. Disques du rotor de turbine à vapeur………………………………………………23 Figure.10. Rotor monobloc………………………………………………………………...…24 Figure .11. Efforts sur les paliers montés sur un arbre………………………………………25 Figure.12. Dimension du Squelette de l’aube. ………………………………………….…...33 Figure.13: Force centrifuge appliquée sur model I (X6Cr13)…………………………….…34 Figure.14. Maillage en éléments finis de l’aube (Modèle I)………………………………...36 Figure.15. Géométrie fixe du Modèle I……………………………………………………...36 Figure.16. Distribution des contraintes de Von Mises sur l’aube (X6Cr13)……………..….37 Figure.17. Zone de contraintes Maximale et minimale sur le Modèle I (X6Cr13)………….38 Figure.18. Contraintes de Von Mises du haut vers le pied de l’aube(X6Cr13)……….…….38 Figure. 19. Déformations sur le Modèle I(X6Cr13)…………………………………….…..39 Figure. 20 Zone de la déformation Maximale et minimale(X6Cr13)…………………….…40 Figure. 21. Déplacements résultant du Modèle I (X6Cr13)………………………………....40 Figure. 22. Valeurs des Déplacement du haut vers le pied de l’aube (X6Cr13)…………….41 Figure. 23. Force centrifuge appliquée sur model I (Ti-6Al-4V)……………………….…...41 Figure. 24. Distribution des contraintes de Von Mises sur l’aube (Ti-6Al-4V) ..……….…42 Figure. 25. Zone de contraintes Maximale et minimale sur le Modèle I (Ti-6Al-4V)……....43 Figure. 26. Valeurs des contraintes de Von Mises du haut vers le pied de l’aube (Ti-6Al- 4V).43 Figure. 27. Répartition des déformations sur le Modèle I (Ti-6Al-4V)……………..……..44 Figure. 28. Zone de la déformation maximale et minimale Modèle I (Ti-6Al-4V)……......44 Figure. 29. Déplacements résultant du Modèle I (Ti-6Al-4V)…………………………......45 Figure. 30. Valeurs des Déplacement du haut vers le pied de l’aube (Ti-6Al-4V)…..…….45 Figure. 31. Maillage en éléments finis de l’aube de l’étage basse pression (Modèle II)…....47 Figure. 32. Aube vrillée de l’étage BP en acier allié (Modèle II)…………………………..48 Figure. 33. Géométrie fixe du Modèle II……………………………………………………49 Figure. 34. Distribution des contraintes de Von Mises sur l’aube (X6Cr13)……………….50 Figure. 35. Zone de contraintes Maximale et minimale sur le Modèle II (X6Cr13)………..50 Figure. 36. Contraintes de Von Mises du haut vers le pied de l’aube (X6Cr13)……………51 Figure. 37. Répartition des déformations sur le Modèle II(X6Cr13)……………………….52 Figure. 38. Zone de la déformation Maximale et minimale(X6Cr13)……………………....52 Figure. 39. Déplacements résultant du Modèle II (X6Cr13)………………………………..53 Figure. 40. Valeurs des déplacements du haut vers le pied de l’aube Modèle II(X6Cr13.....53 Figure. 41. Aube vrillée de l’étage BP en titane (Modèle II)……………………………….54 Figure. 42. Distribution des contraintes de Von Mises sur l’aube (Ti-6Al-4V)…………….55 Figure. 43. Zone de contraintes Maximale et minimale sur le Modèle II (Ti-6Al-4V)……..55 Figure. 44. Contraintes de Von Mises du haut vers le pied de l’aube (Ti-6Al-4V)…………56 Figure. 45. Répartition des déformations sur le Modèle II (Ti-6Al-4V)…………………….57 Figure. 46. Zone de la déformation maximale et minimale Modèle II (Ti-6Al-4V)………..57 Figure. 47. Déplacements résultant du Modèle II (Ti-6Al-4V)…………………………......58 Figure. 48. Valeurs des Déplacement du haut vers le pied de l’aube (Ti-6Al-4V)……….....58 Liste des tableaux Tableau -I- : Production de Fertial.…………………………………………………………..2 Tableau -II- Caractéristiques de la turbine 105-JT……………………………………………4 Tableau -III- Caractéristiques du compresseur 105-JT……………………………………….4 Tableau .V. Information sur le maillage effectué (Modèle I) ………………………………35 Tableau.VI. Paramètre géométrique du Modèle II…………………………………………..48 Tableau. VII. Information sur le maillage effectué (Modèle II) ……………………………49 Résumé Ce mémoire portera en premier sur la connaissance de deux types essentiels de turbines : la turbine à vapeur et la turbine à gaz. Leurs définitions, avantages et inconvénients ainsi que leurs domaines d’application et mode de fonctionnement. Ces connaissances nous permettrons ensuite d’approfondir et de focaliser notre étude sur la turbine à vapeur, et ses composants essentiels et ce que leur fonction dans l’enceinte de la machine implique comme problèmes indésirables qui nuisent au bon fonctionnement de la machine. Nous avons tenté par la simulation d’une étude statique de deux modèles d’aubes de turbine à vapeur, haute pression et basse pression dessinés au préalable sous le logiciel Solidworks en utilisant la méthode des éléments finis (MEF) de déterminer les zones de concentration de contraintes et les déformations que subissent les aubes sous la charge de la force centrifuge appliquée. Cette dernière sera calculée et introduite dans le logiciel pour deux alliages de métaux : l’acier allié X6Cr13 et l’alliage de Titane Ti-6Al-4V. Avec une valeur maximale de 106N, On a tiré des courbes à partir des points sondés sur la géométrie des deux modèles et trouvé la concentration de contraintes au milieu de l’intrados du modèle II. L’alliage de Titane était le choix le plus adéquat car il présente une meilleure résistance surtout pour les étages basse pression, aussi le type de matériau utilisé pour ces aubes est primordial pour endiguer la propagation de valeurs excessives des contraintes. On notera l’importance de l’outil de simulation et de conception dans l’étude des turbomachines qui nécessite plus de développement pour mieux étudier des machines comme les turbines à vapeurs. Abstract This thesis will discuss two main turbine types: steam turbines, and gas turbines, with detailing their working principles, definitions, application areas, their advantages and disadvantages. This information will allow us afterwards to deepen and focus our study on the main components and their functions in the steam turbine, with the challenges and undesirable phenomenon that their role induce. We will attempt by the simulation of a static study of two steam turbine blade models, High pressure and low-pressure model sketched beforehand under Solidworks software using finite elements method (FEA) to determine the stress concentration zones and resulting strain of the blades in high-pressure stage under applied centrifugal loading during rotor rotation. The applied force will be calculated and entered in the software, for two different alloys: Alloy steel X6Cr13 and Titanium Ti-6Al-4V with the maximum value of 106N, we obtained graphics from different points of the model’s geometry to show the stress distribution over both models. The Titanium alloy was best suited for these blades, because it provides a better resistance especially for low-pressure stages, so the choice of material type is crucial to control the extension of excessive stress concentration values which is localized on the middle part of the intrados Model II. We will note the importance uploads/Geographie/ sami-bouterra.pdf