Soutenance M.Sc.A.

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26 aot 2014tude de faisabilit de linsertion dune membrane lastomre renfort textile dans laspirateur dune centrale hydrolectrique

Rolland Delorme, Candidat au M.Sc.A. Martin Lvesque, Professeur, directeur de rechercheEdu Ruiz, Professeur, codirecteur de recherche

rolland.delorme@polymtl.ca

1

Mise en contexte2Lhydrolectricit qubcoise*GES : Gaz effet de serreQuelques chiffres

lectricit produite : 200 TWh/anHydrolectricit : > 96 %61 centrales Hydro Qubec

nergie propre et renouvelable

Faible mission de GES*Cycle de leau

nergie constante et fiable

Ajustement la demandeDure de vie > 60 ansTravaux de rfection et de modernisation pour maintenir la qualit des installationsCentrale Ren Lvesque. Hydro Qubec

Electricit produite au Qubec : 200 TWh/an

Qubec/Hydro Qubec exploite sa richesse hydraulique : + 500000lacs et 4500rivires.

61 centrales hydrolectriques Hydro-Qubec => 96 % de son lectricit

Avantages :

nergie propre/renouvelable

Energie constante/fiable

= > hydrolectricit : source dnergie constante, disponible en permanence, ajustable la demande.

Pour maintenir la qualit des installations et assurer leur modernisation, Hydro-Qubec/Alstom font des investissements importants.

En particulier, ils sont membres du CREFARRE (Consortium de recherche en fabrication et rparation des roues d'eau) qui financent des projets de recherches3 M$ sur 5 ans

2

Mise en contexte3Fonctionnement dune centrale hydrolectrique

Architecture de la centrale de Long Spruce. Manitoba HydroModernisation propose par Alstom : modifier le profil dcoulement dans laspirateur

Fonctionnement :

L'eau situe dans le bief d'amont est conduite vers la turbine raction, l'entranant en rotation (nergie cintique + diffrence pression), avant de scouler dans l'aspirateur pour rejoindre le canal de fuite.

Rle de laspirateur : rcuprer lnergie cintique de leau non transforme par la turbine => baisse de vitesse de sortie dbit constant => chute de pression en sortie de turbine => augmentation diffrence de pression forme vase (limiter les pertes de charges)

Modernisation propose par Alstom : modifier le profil dcoulement dans laspirateur

3

Membrane gonflable dans laspirateur dun barrage

Mise en contexte4Une membrane pour moduler la forme de laspirateurObjectifs

Moduler la forme de laspirateur aux points de fonctionnement choisis pour la turbine

Diminuer les pertes dues la non uniformit de lcoulement [1]

Cahier des charges

Sadapter la structure existante/entretien facile

tre flexible pour la modulation de forme

Supporter des pressions leves

Utilisation en milieu aqueux[1] CALOUMENOS, 2010[2] FAVRE, 2013 Membrane gonflable en silicone renforce de tissus en fibres de verre slectionne [2]

Chaque turbine fonctionne un point de fonctionnement donn (rendement donn) qui dpend de : H, Q, triplet gnratrice/turbine/aspirateur

4

Objectifs5Objectif long termeInsrer une membrane gonflable silicone/fibres de verre dans laspirateur dun barrage pour augmenter la performance de la centralevaluer la faisabilit technique de cette modificationObjectif de la matrise

Raliser un dmonstrateur : valider le concept

Caractriser : obtenir les proprits matriau grce essais de gonflement, traction (CIN)

Modliser : essais de gonflement, membrane 3D

5

Plan de la prsentation6Ralisation du dmonstrateur

Essais de gonflement des membranes

Essais de traction

Modlisation numrique des essais de gonflement

Modlisation analytique des essais de gonflement

Modlisation dune membrane insrable dans un barrage

6

7Contraintes de budget et de fabricationCahier des charges

Membranes fabriques par ERFT Composites

7

8Montage dessai conu

Montage dessai

Montage d'essai constitu d'un plateau de support sur lequel reposent une membrane et les barres de fixation maintenues par des boulons. Des orifices d'entre et de sortie d'eau pour gonfler la membrane sont prsents sous le plateau.

CATIA V5R208

9Architecture des membranes silicone/fibres de verreDeux membranes de dimensions 711 x 864 mm (28 x 34)

Empilement de couches matrice/renfort/matrice dpaisseur 0,75 mm

Zone sous-pression : 356 x 508 mm (14 x 20)

paisseur dfinir711 mm(28)864 mm (34)paisseur : 3 x 0,75 = 2,25 mmDimensions des membranes

Architecture

9

10Membrane dpaisseur constante

Dimensions de la membrane dpaisseur constante dans la zone sous pression

Dimensions de la membrane dpaisseur variable dans la zone sous pressionArchitecture des membranes silicone/fibres de verreMembrane dpaisseur variable

2 membranes pour tester des architectures diffrentes et VALIDER LES MODELES10

Plan de la prsentation11Ralisation du dmonstrateur

Essais de gonflement des membranes

Essais de traction

Modlisation numrique des essais de gonflement

Modlisation analytique des essais de gonflement

Modlisation dune membrane insrable dans un barrage

11

12ObjectifsValider le gonflement leau

Mesurer la flche max. en fonction de la pression applique

Observer le comportement de la membrane pour dvelopper un modle par lments finisEssais de gonflement des membranes

HandyScan 3D REVScan de Creaform

Dmonstrateur quipMatriels utilissScanneur 3D portable

Dmonstrateur et son systme de rgulation de pression

Parler des pastilles, rgulateur, manomtre12

13Acquisitions sur les deux membranes en augmentant la pression graduellement

Analyse des acquisitions au format STL sur CATIA

Numrisation 3D dune membrane

Rsultat de la numrisation de la membrane dpaisseur constante soumise une pression de 0,26 barProcdures exprimentalesEssais de gonflement des membranes

13

14Rsultats des essais de gonflementEssais de gonflement des membranes

Flche=0 p=014

15tanchit et gonflement scuritaire des deux membranes lair et leau

Glissement des membranes sous les barres de fixation

Glissement visible 0,72 barApparition dondulation aprs le dgonflementObservations communes aux deux membranesEssais de gonflement des membranes

15

Plan de la prsentation16Ralisation du dmonstrateur

Essais de gonflement des membranes

Essais de traction

Modlisation numrique des essais de gonflement

Modlisation analytique des essais de gonflement

Modlisation dune membrane insrable dans un barrage

16

17ObjectifsMesurer les proprits mcaniques dans le plan de la membrane par Corrlation dImages Numriques (CIN)Essais de traction par CIN

Dcoupe des chantillons

Camra FL2G-50S5M-C de Point Grey Matriels utilisschantillons dcoups dans la membrane dpaisseur constante

Camra monochromatique

Machine de traction MTS INSIGHT avec cellule de 5 kN

Essais raliss luniversit McGill

CIN : Mthode optique de mesure de champs (dplacements/dformations)Sans contact Remplace le collage de jauges de dformations sur le silicone

8 chantillons utiliss

17

18

Vido dun essai de traction avec CIN (vitesse x5) Dformations longitudinalesEssais de traction par CINPrparation de lchantillon et du mouchetis (points noir/fond blanc)

Alignement du systme camra/chantillon

Acquisitions simultanes des enregistrements de la cellule de charge et des prises de photos (5 Hz)

Interprtation des rsultats avec le logiciel de VIC-2D de Correlated SolutionsProcdures exprimentales

Expliquer la Corrlation dImage pendant la procdure18

19Essais de traction par CIN

*Normes ASTM D412 et D3039 **Rupture dans les mors valeur conservatrice

19

20Essais de traction par CIN

*Norme ASTM D638

20

21Essais de traction par CIN

*Norme ASTM D3518

21

22Essais de relaxation

5 min 15 %

5 min => dure de gonflement

Gonflement lent => quilibre quasi-statique => dgradation des modules de 15%22

Plan de la prsentation23Ralisation du dmonstrateur

Essais de gonflement des membranes

Essais de traction

Modlisation numrique des essais de gonflement

Modlisation analytique des essais de gonflement

Modlisation dune membrane insrable dans un barrage

23

24ObjectifModliser les essais effectus sur le dmonstrateur

Rappel : glissement des membranes lors des essais de gonflement

ANSYS : approche dencadrement avec diffrentes conditions aux rives Modlisation numrique des essais de gonflement[4] VENTSEL et al., 2001[5] TIMOSHENKO et al., 1951Comportement mcanique non linaires des membranes

24

25Proprits lastiques de la membrane

Proprits mesures exprimentalement*Proprits choisies arbitrairement car peu influentes dues leffet membrane*phnomne de relaxation pris en compte

Proprits hors-plan peu influentes (littrature)

Attention : Vrification par une tude sensibilit

25

26Modle ANSYS : membrane dpaisseur constanteDmonstrateur assembl et boulonn

Gomtrie modlise

26

27Modle ANSYS n1

Membrane simplement appuye (fixe sous les barres de fixation)

Modle le plus rigide permet dtudier un cas idal

Shell181 : lment bilinaire 4 nuds27

28

Membrane retenue par les visModle ANSYS n2

Modle le plus souple28

29Modle ANSYS n3

Membrane retenue par les vis et serre en dformation pl