Aujourd’hui, la conjugaison de nouvelles capacités logicielles avec de bonnes pratiques de conception et des environnements de calcul hautes performances puissants permet de prévoir la performance des turbomachines et de résoudre les difficultés de conception de produit plus rapidement que jamais, avec un degré de confiance accru.

Voici plusieurs exemples d’applications qui bénéficient des dernières avancées en matière de simulation “turbo” :

Grilles d’aubes : Nouvelles méthodes de calcul instationnaires

L’écoulement à travers les grilles d’aubes influence de nombreux aspects du fonctionnement d’une turbomachine, notamment les niveaux d’entrées / sorties, le rendement, l’efficacité et la plage de fonctionnement. De nouvelles méthodes permettent de dépasser l’analyse des grilles d’aubes en régime permanent stationnaire pour obtenir une analyse transformationnelle, qui intègre les subtilités d’écoulement en conditions réelles au gré de la rotation des grilles. La performance peut ainsi être anticipée dans le temps, dans les conditions opérationnelles réelles de la turbomachine.

Aéromécanique : Limiter les vibrations et les flottements

Fin 2011, une défaillance catastrophique à la centrale thermique de Sherburne County dans l’Etat du Minnesota a attiré l’attention de toute l’industrie des turbomachines. Lors d’un essai de survitesse, des vibrations ont été constatées et les pales ont cassé ; le rotor de 80 tonnes a vrillé et des composants métalliques ont été propulsés dans un local technique adjacent. Si personne n’a été blessé, cet accident de turbine aura coûté plus de 200 millions de dollars à la compagnie de production d’électricité, Xcel Energy, et entraîné l’immobilisation des équipements pendant des mois [3].

La direction de Xcel a déclaré publiquement que le problème de vibration provenait de la conception originelle du produit [4], ce qui souligne l’impérieuse nécessité d’identifier les modes de défaillance au plus tôt de la phase de conception. La simulation haute-fidélité permet d’étudier simultanément l’aérodynamique et la mécanique structurelle des grilles d’aubes, et ainsi de trouver des solutions fiables aux questions de vibrations et de flottements. Ces derniers peuvent être modélisés très finement grâce à l’analyse transformationnelle basée sur la méthode de Fourier.

Composites : de hauts niveaux de robustesse et de fiabilité

On sait que les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans les carrosseries d’automobiles et les fuselages d’avions, mais on les retrouve aussi dans les turbomachines. L’utilisation de ces matériaux avancés dans la fabrication des pales d’éoliennes, par exemple, permet aux producteurs d’électricité de conjuguer légèreté, ergonomie et performances aérodynamiques exceptionnelles.

Il existe aujourd’hui des outils de simulation numérique spécialisés dans la conception de composites, qu’ils soient stratifiés ou à matrice céramique. Ces matériaux offrent de belles perspectives, en particulier parce qu’ils sont capables de supporter les hautes températures souvent associées aux turbomachines. Aujourd’hui, la simulation numérique permet aux ingénieurs de définir quelle formule de matériau et quelle stratégie de superposition sont les plus adaptées, puis de soumettre leurs projets aux conditions de stress physiques que le produit final sera amené à rencontrer. En simulant la détérioration progressive, la délamination et les fissures, les ingénieurs utilisant les outils de simulation numérique les plus avancés sont en mesure de prévoir les failles et de les associer à la mise en oeuvre de conditions précises.

[3] Shaffner, D. – “Sherco Power Plant Repairs May Take 16 Months, Cost $200 Million”. Star Tribune, October 2, 2012.

[4] Shaffner, D. – “Failed Turbine Blades Caused Xcel Energy’s Generator Accident”. Star Tribune, April 15, 2013.