Étude des structures sandwichs verre/époxy de grandes épaisseurs utilisées comme extension d'avant directrices de turbines hydroélectriques

Composites are currently occupying an important place in all industrial sectors. The major advantage of these materials is their wide range of properties with the ability to design custom composite accurately to meet the demands of a particular application. Therefore, innovation is essential to discover new composites that can be used in various applications where conventional materials have already reached their limits of performance. This project focuses on screening and mechanical characterization of composite materials used to make an extension to the stay vane of a hydraulic turbine. Materials selection is the first stage of the project which involve the manufacture of sandwich panels and then the stay vane extension. Two epoxy resins (Resin A and Resin B) were chosen as candidate for this project. Because the curing of the epoxy is an exothermic reaction and it is planned to use thick moldings for the stay vane, three different types of fillers were selected in order to lower the maximum temperature at the exotherm. These filling materials are: Aluminum powder, glass bubbles and alumina trihydrate. To study the effect of short glass fibers on the exothermic and mechanical properties of the core, two different lengths of short glass fibers (1/16" and 1/32") were used. For the reinforcement of skin, we kept the same tissues already used by ALSTOM, however, the skin thickness and laminate sequence was varied. The second step is the final selection of materials to be used for manufacturing the extension of the stay vane. For this part, we used the trial and error method and we performed several formulations containing various filler content and various short glass fibers. After a comparative analysis, it was concluded that the most appropriate formulation for the core of the sandwich structure is formed by the resin A and 60% ATH as fillers. Concerning the skins, it was decided that the resin (A) is best suited to make the skins by infusion. The third part is devoted to the manufacture of sandwich structures and the determination of their mechanical properties. For this, we made two different sandwich structures: sandwich A and sandwich B. For the two sandwich configurations, the skin is made of a 4 mm thick bidirectional laminate of a glass fiber reinforced epoxy. The first sandwich configuration has a 35 mm thick core made of alumina trihydrate filled epoxy E/ATH making the overall thickness 43 mm. The second sandwich configuration differs from the first one only by the insertion of a 100 mm thick expanded polystyrene foam in its middle, making the overall thickness 143 mm.

Résumé

Les matériaux composites occupent actuellement une place considérable dans tous les secteurs industriels. L'intérêt majeur de ces matériaux réside dans leur large éventail de propriétés grâce à la possibilité de concevoir des composites personnalisés avec précision pour répondre aux demandes d'une application particulière. De ce fait, l'innovation est essentielle pour découvrir des nouveaux composites qui peuvent être utilisés dans diverses applications où les matériaux classiques ont déjà atteint leurs limites de performance. C'est dans ce contexte qu'est né ce projet qui s'intéresse au tamisage et la caractérisation mécanique des matériaux composites utilisés pour fabriquer une extension pour l'avant-directrice d'une turbine hydroélectrique. La première étape du projet est d'effectuer une première sélection des matériaux qui participeront à la fabrication des panneaux sandwich et ensuite à l'extension de l'avant-directrice. Pour la résine, on a choisi deux résines époxy (Résine A et Résine B). Vu que le durcissement de l'époxy est une réaction exothermique, on a choisi trois types de charges différents pour étudier leurs effets sur le comportement du durcissement de l'époxy : poudre d'aluminium, billes de verre et le trihydrate d'alumine. Pour étudier l'effet des fibres de verre courtes sur l'exotherme et les propriétés mécaniques de l'âme, deux dimensions différentes des fibres de verre courtes (1/16″ et le 1/32″) ont été utilisées. Pour le renfort des peaux, nous avons gardé les mêmes tissus déjà utilisés par ALSTOM mais en essayant des stratifications différentes afin de décider de la grandeur de l'épaisseur des peaux. La deuxième étape est la sélection finale des matériaux qui seront utilisées pour la fabrication de l'extension de l'avant-directrice. Comme il n'y a aucun modèle prévisionnel fiable pour répondre à cette question, on a procédé par la méthode essais/erreurs en essayant plusieurs formulations de résine contenant des taux de charges et de fibres de verre courtes différents. Après une étude comparative, on a été convaincu que la formulation la plus adéquate pour l'âme de la structure sandwich est celle formée par la résiné A et 60 % d'ATH comme charges. En ce qui concerne les peaux, on a décidé que la résine (A) est la mieux adaptée pour fabriquer les peaux par infusion. La troisième partie est consacrée à la fabrication des structures sandwich et la détermination de leurs propriétés mécaniques.