Amélioration d'un modèle analytique permettant d'estimer la durée de vie en fatigue de récupérateurs de chaleur pour micro turbines à gaz

Abstract

Il était question dans ce travail de n d’études d'améliorer un modèle analytique préexistant d'estimation de la fatigue des échangeurs de chaleur de type compact fabriqués par la société ACTE S.A. et de faire des propositions permettant d’améliorer la durée de vie en fatigue de ces échangeurs de chaleur, de sorte qu'ils puissent avoir une durée de vie en fatigue minimale de 10 000 cycles. Le modèle analytique en question était établi sous le logiciel de résolution d'équations différentielles appelé EES. Pour atteindre les objectifs escomptés, plusieurs étapes ont été nécessaires. Premièrement, le calcul du rayon neutre de la structure a été amélioré, en le faisant sur la base de l'équilibre global de l'échangeur et non plus sur l'hypothèse du rayon quadratique. Dans un second temps, des calculs des déformations initiales à température ambiante (20°C) et des déformations thermiques (600°C) en utilisant d'autres méthodes de la Mécanique des matériaux ont été faits. Parallèlement, des recherches de courbes de Wöhler (courbes de fatigue) plus indiquées pour le cas qui nous intéresse ont été faites pour de l'acier inoxydable AISI 321. Troisièmement, des méthodes de superposition de ces contraintes initiales et thermiques s'effectuant à des températures différentes ont été investiguées puis utilisées en vue de déterminer les contraintes et les déformations maximales dans la section des spires les plus critiques de l'échangeur de chaleur. Les résultats montrent que l'échangeur de chaleur étudié a une durée de vie en fatigue thermique d'environ 5 500 cycles, dans sa con guration et les conditions de fonctionnement actuelles. Pour terminer, après estimation de la durée de vie en fatigue de l'échangeur de chaleur en utilisant des courbes de Wöhler trouvées dans la littérature, des études paramétriques ont été faites en faisant varier certains paramètres clés, liés principalement à la géométrie de l'échangeur. Ces études paramétriques ont permis de trouver des con figurations de l'échangeur de chaleur, permettant à celui-ci de tenir jusque 10 000 cycles en fatigue thermique. Les résultats montrent qu'avec une réduction du nombre de collecteurs sur chaque face, en le faisant passer de 7 à 5 ou une réduction de la différence de température entre les spires et les collecteurs d'environ 40°C, on parviendrait à l'objectif visé qui est d'atteindre 10 000 cycles de fonctionnement en fatigue thermique.