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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
[email protected]
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
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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
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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
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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
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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
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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
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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 plane (z =
0)
Dformation plane => suffisamment serrePlane183 : lment de
Serendip quadratique a 8 nuds adapt pour simuler des dformations
planes29
30Comparaison des conditions aux rives simulesRsultats des
modles numriques pour la membrane dpaisseur constante
3 modles : algorithme non linaire
Essais de gonflement logiquement encadrs
!!! On na pas encore russi modliser fidlement les essais
exprimentaux30
Plan de la prsentation31Ralisation 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
31
32Modle analytique de Vlassak [6] adapt pour membrane
quadratiqueObjectif et modle analytique
[6] VLASSAK, 1992ObjectifAnalyser linfluence des conditions aux
rives sur la flche maximale
La flche maximale est fonction :
de la pression applique des proprits matriau influentes :
de la gomtrie :
des conditions aux rives avec pour une membrane simplement
appuye
Vlassak : membrane isotrope + simplement appuye
=> f dpend de coefficient de Poisson=> pas de g
Mon modle quivaut Vlassak dans le cas dune membrane isotrope et
simplement appuye
f dpend des caractristiques de la membrane => moindre carr
avec g(CR)=1g dpend des CR => moindre carr32
33Analyse de linfluence des conditions aux rivesRsultats des
modles analytiques pour la membrane dpaisseur constante
Moindre carr
Fonction f avec g(CR)=1Puis les autres fonctions g(CR)
Simplement appuye : R=0,9999
Glissement : R = 0.9868
Glissement + def plane = 0.965
Exp : 0,997
33
34Analyse de linfluence des conditions aux rivesRsultats des
modles analytiques pour la membrane dpaisseur variable
34
35Conclusions
Modle numrique de rfrence : membrane simplement appuye
Bonnes corrlations entre les modles numriques et analytiques
grce aux coefficients correctifs des conditions aux rives
Obtention du coefficient correctif du systme de fixation du
dmonstrateur
Importance de connatre les conditions aux rives relles du systme
de fixation pour prdire correctement la dforme de la membrane
Travaux futurs : tudier le frottement dans la fixationAnalyse de
linfluence des conditions aux rives
35
Plan de la prsentation36Ralisation 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
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Aspirateur de la centrale Les Cdres37ContexteCalcul prliminaire
dune membrane 3D insrable dans la centrale Les Cdres
Hauteur de chute : 10 m 1 bar
Surface de la membrane : 85 mMembrane insrable dans la centrale
Les CdresArchitecture de la membrane 3D
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38lments SHELL281
Membrane 3D simplement appuye
Membrane 3D soumise une pression diffrentielle de 1,5
barGomtrie, maillage, conditions aux rives et chargement
Gomtrie initiale et maillage de la membrane 3D
sous-pressionMembrane insrable dans le barrage des Cdres
Shell281 : elements de Serendip quadratiques 8 noeuds38
39Rsultat numrique
Champ de dplacement aux nuds de la membrane 3D
sous-pressionRsultats prometteurs
MAIS
Borne infrieure car conditions aux rives idales
Gomtrie initiale dfinir
Membrane insrable dans le barrage des Cdres
39
40ConclusionsSynthses des travaux
40
41
Concevoir un systme de fixation mieux adapt aux membranes
Dfinir la gomtrie initiale de la membrane avant mise sous
pression
tudier linteraction fluide/structure
Faire des essais sur un barrage miniature
RecommandationsConclusions
41
42RemerciementsMembres du jury
Franois TrochuAurelian Vadean, prsidentDirecteurs de
recherche
Martin LvesqueEdu Ruiz
Partenaires du CREFARRE
Alstom PowerHydro-Qubec
Associs et professeurs
Roland Edith FotsingFrdrick Gosselin
tudiants et aux groupes
LMCCHP
Audrey Favre
LM : Amine, Elias, Thibaud Crochon et Chatel, IlyassCCHP :
Vincent, Cdric, Joffrey, Christophe
Laure Morch
42
43QuestionsMerci de votre attention !
44Rfrences[1] CALOUMENOS A. Membrane gonflable pour aspirateur.
Document confidentiel. Alstom, 2010
[2] FAVRE A. Caractrisation de leffet du vieillissement en
milieu aqueux sur les proprits mcaniques de composites matrice
lastomre. Mmoire de matrise. cole Polytechnique de Montral,
2013
[4] VENTSEL E. et al. Thin Plates and Shells : Theory, Analysis,
and Applications. CRC Press Taylor & Francis, 2001
[5] TIMOSHENKO S. et al. Thorie des plaques et des coques. Libr.
Polytechnique Ch. Branger, 1951
[6] VLASSAK J. et al. A new bulge test technique for the
determination of Young's modulus and Poisson's ratio of thin films.
Journal of Materials Research, vol. 7, no. 12, 3242-3249, 1992.