Développement d’un échangeur de chaleur en fabrication additive métallique pour la microturbine Inside-Out Ceramic Turbine

Abstract

La Inside-Out Ceramic Turbine (ICT) est une microturbine aux pales en céramique conçue pour atteindre de hautes efficacités. Afin de concurrencer les moteurs diesel, son efficacité doit dépasser les 40 %. Les travaux antérieurs ont permis d’augmenter la température d’entrée (TIT) en utilisant la céramique. Pour augmenter son efficacité davantage, il faut la configurer en cycle de Brayton récupéré et l’ajout d’un échangeur de chaleur est nécessaire. Toutefois, les échangeurs ne sont pas utilisés dans le domaine de l’aéronautique en raison de leur masse élevée. La réduction de celle-ci au maximum est nécessaire pour trouver son application dans ce domaine. La fabrication additive est une technique de fabrication prometteuse pour résoudre cette problématique. Cependant, elle induit une rugosité de surface élevée qui fait augmenter le facteur de friction et le transfert thermique. Pour mieux en comprendre les effets, un échangeur de chaleur représentant 1 % (1.5 g/s) du débit total de la ICT a été développé. D’abord, l’échangeur de chaleur a été conçu et modélisé à l’aide d’un modèle 1D d’éléments finis qui a été préalablement développé. Ensuite, il a été fabriqué par fusion laser sélective sur lit de poudre (LPBF). L’impression a montré que les tolérances du procédé de fabrication, qui sont de l’ordre de 0.1 mm, ont une incidence importante sur les performances puisque les mini-canaux ont de petites longueurs caractéristiques. Une fois fabriqué, l’échantillon a été mis à l’essai avec de l’air chaud. La comparaison des résultats modélisés et expérimentaux a démontré la validité du modèle. Finalement, le prototype a été soumis à un essai sous un environnement de combustion à une température d’entrée de 1123 K durant une heure pour représenter les conditions d’opération actuelles de la turbine. Des analyses visuelles et par microscope ont démontré qu’il n’y avait pas de problème concernant l’oxydation du matériau à court terme. L’étude de la performance de l’échangeur montre que la fabrication additive permet de réduire la masse de 6 à 13 % pour ce prototype. Ceci est attribué à la rugosité de surface élevée du procédé. Il serait possible de diminuer la masse davantage en effectuant de nouveaux designs de géométries pour augmenter le transfert thermique et qui peuvent être réalisés seulement par fabrication additive. La fusion laser sélective sur lit de poudre est une méthode de fabrication intéressante pour la réalisation d’un échangeur complet pour la ICT.