Caractérisation mécanique des structures sandwichs utilisées comme extension d'avant-directrices des turbines hydroélectriques

Composite materials have a significant advantage for their application in engineering structures, which is derived from their high strength-to-weight ratio, resistance to corrosion and high durability. They are being increasingly utilized for the development of many civil infrastructures such as seismic modernization of bridge columns and the reinforcement of the floor slabs in the new bridge structures. The research carried out by the Alstom Company, the industrial partner of this project, has shown that the modification of the shape and geometry of the leading edge of the stay vane increases the efficiency of the turbines, which makes it possible to achieve significant gains. The current research project is about the rehabilitation of existing and already operational hydroelectric turbines. The objective of the current research work is to develop an efficient and durable sandwich structure made of composite materials capable of fulfilling the role of an extension of a hydraulic turbine stay vane. The shape of this structure is a U-section of two meters high. This section is about 20 cm wide and 60 cm deep. The composite material forming the skin (shell) of the sandwich is a glass/epoxy laminate or glass/vinylester manufactured by vacuum infusion. The core material is an epoxy casting, polymer foam, or a combination of both. The skin/core assembly is made in-site over the stay vane, because they cannot be moved from their base. In order to meet the ultimate objective of this project, the following studies were undertaken : - Study of the materials constituting the core. - Study of the materials constituting the skin. - Study of the sandwich skin/core. - Effect of water absorption on mechanical properties - Impact behavior of a composite sandwich panel. In the first step, the effects of the particle size and the mass fraction of ATH on the physical and mechanical properties of an epoxy resin, used as a casting for the stay vane extensions, were studied. For this purpose, five different sizes of ATH particles were used: 2, 4, 6, 8, and 12 μm, and for each size, samples with mass fractions ranging from 10 to 60% were manufactured. The results showed that the exothermic peak, the curing time, the viscosity of the mixture and the flexural properties are significantly influenced by particle size and the mass fraction of ATH fillers.

Résumé

Les matériaux composites, utilisés jusqu'à présent principalement dans les applications aérospatiales et marines, sont de plus en plus utilisés pour le renouvellement des infrastructures civiles, allant de la modernisation parasismique des colonnes de ponts jusqu'au renforcement des dalles de plancher dans les nouvelles structures de pont. Leur résistance à la corrosion, leur durabilité globale potentiellement élevée, leur adaptabilité et leurs caractéristiques de performances spécifiques élevées permettent leur utilisation dans des applications où l'utilisation de matériaux conventionnels pourrait être limitée en raison de la durabilité, du poids ou du manque de flexibilité de la conception. Des travaux de recherche réalisés par la compagnie Alstom, qui est le partenaire industriel de ce projet, ont prouvé que la modification de la forme et de la géométrie du bord d'attaque des avant-directrices augmente le rendement des turbines ce qui permet de réaliser d'importants gains. Le projet de recherche présenté se situe dans le cadre de la réhabilitation des turbines hydroélectriques existantes et déjà opérationnelles. Sphériquement, il s'agit de modifier l'écoulement d'eau en rajoutant une extension en matériaux composites aux avant-directrices. L'objectif de cette recherche est de proposer une structure sandwich performante et durable en matériau composite capable de remplir le rôle d'une extension d'avant-directrice de turbine hydraulique. Cette structure est d'environ deux mètres de haut et de section en U. La section est d'environ 20 cm de largeur et 60 cm de profondeur. Le matériau composite formant la peau (coque) du sandwich est un stratifié verre/époxy ou verre/vinylester fabriqué par la méthode d'infusion. Le matériau formant l'âme est soit une coulée d'époxy, soit un mousse polymère, soit une combinaison des deux. Les peaux doivent être fabriquées â l'extérieur du site où sont implantées les avant-directrices qui doivent être modifiées. L'assemblage peau/âme se fait directement sur les avant-directrices du site puisque ces dernières ne peuvent pas être bougées de leur socle. Afin de répondre à l'objectif ultime de ce projet, les études suivantes ont été entreprises : - Étude des matériaux constituant l'âme. - Étude des matériaux constituant la peau. - Étude des sandwichs peau/âme. - Effet de l'absorption d'eau sur les propriétés mécaniques