Rupture Des Pales Orientables de L'aéroréfrigérant 09-EM-901E-1A de Boosting Centre de Hassi R'mel. Etude Aérodynamique, Mécanique Et Thermique. [PDF]

Zitiervorschau

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

UNIVERSITE DE BOUMERDES Faculté des Hydrocarbures et de la Chimie Département de transport et équipements des hydrocarbures Mémoire de fin d’études En vue de l’obtention de diplôme master En mécanique des unités pétrochimiques.

Théme Rupture des pales orientables de l’aéroréfrigérant 09-EM-901E-1A de Boosting centre de Hassi R’mel. Etude aérodynamique, mécanique et thermique.

Présenté par Mr :

Suivi par :

SMAIL Abdeslam

Mr. SERIER

YAHIAOUI Saddam Soutenu publiquement le 13/06/2016 devant les jurys : Mme MEFTAH Sihem Mr. REZOUG Mouloud Mr. DJEMAA Mohamed Amine Mr. SERIER Mohamed

Juin 2016

MC/A MC/B MC/B MA/A

Président Examinateur Examinateur Promoteur

I

DEDICACES Je dédie ce modeste travail A ceux qui m’ont éclairé le chemin et m’ont offert tout ce qui est beau, cher et comble le cœur dans la vie avec une immense générosité et une tendre affection. A toi ma très chère mère et à toi mon père. A mes frères, à mes 02 sœurs et à leurs petits-enfants.

A toi Saddam et tous mes chers amis, chacun et chacune à son nom.

Abdeslam. SMAIL

II

DEDICACES Je dédie ce modeste travail A toi ma très chère défunte mère, ton amour comble toujours mon cœur, A vous : cher père et chers frères

A toi Abdeslam et tous mes chers amis.

YAHIAOUI. Saddam

III

Remerciement Nous tenons à exprimer toute notre reconnaissance et gratitude à M.SERIER. On le remercie de nous avoir encadrés, orientés, aidés et conseillés jusqu’à l’achèvement de notre travail. On adresse nos sincères remerciements en général à toutes personnes qui par leurs paroles, leurs conseils et leurs critiques ont guidé nos réflexions et ont accepté à nous rencontrer et répondre à nos questions durant ce modeste travail. Plus particulièrement M. Khaled SAHNOUN. On remercie également le personnel de service Boosting et à leur tête le chef de service Mr N.LAOUSSADI pour l’accueil et le temps qu’ils ont consacré pour nous aider. Notre reconnaissance à tous les enseignants du département « transport et équipements des hydrocarbures » qui ont contribué à notre formation en inculquant leur savoir. Enfin, on tient à remercier tous nos collègues, amis et les proches de l’université de Boumerdès pour leur sincère amitié.

A.SMAIL & S.YAHIAOUI.

IV

La rupture des pales orientables de l’aéroréfrigérant 09-EM-901E-1A De Boosting centre de Hassi R’mel Etude aérodynamique, mécanique et thermique.

Résumé. L’aéroréfrigérant à pales orientables est l’un des types d’échangeurs dont le fluide refroidis est l’air atmosphérique. Dans le calcul thermique de son échangeur nous avons déterminé si la surface d’échange actuelle assure le refroidissement demandé aux niveaux des modules de traitement de gaz. Le principe de fonctionnement de son ventilateur axial est basé sur la variation de l’inclinaison de ses pales en fonction de la température ambiante pour avoir le débit d’air nécessaire. L’étude aérodynamique de profil de ses pales permet de déterminer l’angle d’incidence critique qui provoque le phénomène de décrochage. L’analyse graphique des coefficients aérodynamiques de la portance et de la trainée en fonction de l’angle d’incidence permet de tirer l’angle d’incidence optimale de fixation des pales. Le système dynamique de ventilation (rotor-pales) est soumis à des contraintes importantes et à des efforts de vibrations radiaux et axiaux non négligeables. L’étude de la résistance des pales à la contrainte de traction est conçue pour déterminer sa vitesse de rotation critique. Dans ce travail nous avons démontré avec calcul que le problème de la rupture des pales est dû à l’effet aérodynamique (phénomène de décrochage) et non à un problème de résistance de matériaux ou aux vibrations. Et pour une exploitation sécurisée techniquement avec une rentabilité économique de l’aéroréfrigérant, une recommandation de maintenir la fixation de l’angle d’attaque en optimum, et de faire varier la vitesse de rotation selon le besoin de débit répondrait positivement.

Mots clés : aéroréfrigérant, pales orientables, angle d’incidence, profil aérodynamique, phénomène de décrochage.

V LISTE DES FIGURES. Chapitre I : Figure I 1 : Caractéristiques de quelques profils de pales. .......................................................4 Figure I 2 : caractéristiques géométriques de profil d’une pale. ...............................................5 Figure I 3 : les différents types de profils. ...............................................................................5 Figure I 4 : présentation de l’angle d’incidence sur un profil. ..................................................5 Figure I 5 : la variation de pression en fonction de l’angle d’incidence. ..................................6 Figure I 6 : la zone de décrochage. ..........................................................................................7 Figure I 7 : l’augmentation de la portance avec la cambrure pour des plaques courbes. ...........9 Figure I 8 : présentation de deux cambre de des deux profils différents. ..................................9 Figure I 9 : coefficient de portance en fonction d’incidence pour des cambres différents. ........9 Figure I 10 : Polaire d’une aile et ses quatre points remarquables. ......................................... 10 Figure I 11 : Influence de nombre de Reynolds sur la portance. ............................................ 11 Figure I 12 : Influence de l’angle d’attaque sur le Cx et Cz. .................................................. 12 Figure I 13 : les pressions autour de la pale pour un angle d’incidence faible. ....................... 12 Figure I 14 : les pressions autour de la pale pour un angle d’incidence élevé. ........................ 13 Figure I 15 : les pressions autour de la pale pour un angle d’incidence critique. .................... 13 Figure I 16 : L’influence de nombre de Mach sur Cx et Cz. .................................................. 14 Figure I 17 : présentation du champ Hassi R’mel. ................................................................. 15 Figure I 18 : Le centre national de dispatching du gaz. .......................................................... 19 Figure I 19 : Schéma de placement de la station Boosting. .................................................... 20 Figure I 20 : Répartition des différentes installations sur-le-champ de Hassi R’mel. ............. 20 Figure I 21 : L’organigramme de la direction régionale de Hassi R’mel. ............................... 21 Chapitre II : Figure II 1 : sections de procédé de Boosting ........................................................................ 23 Figure II 2 : présentation de manifold de module MPP4........................................................ 23 Figure II 3 :présentation de manifold de MPP0 et MPP1. ...................................................... 24 Figure II 4 : la section de séparation d’entrée. ....................................................................... 24 Figure II 5: présentation de la section Boosting..................................................................... 25 Figure II 6 : Les différents type des boites et collecteurs. ...................................................... 28 Figure II 7 : tirage induit Figure II 8 : tirage forcé .......................... 29 Figure II 9 : Le hub de ventilateur à pales fixes et à pales orientables.................................... 30 Figure II 10 : système de distribution d’air. ...........................................................................30 Figure II 11 : le hotte et l’anneau de base ............................................................................. 31 Figure II 12: présentation du Jeu recommandé ......................................................................31 Figure II 13: Aéroréfrigérant à tirage forcé ...........................................................................31 Figure II 14: les composants de ventilateur à pales variables ................................................. 34 Figure II 15: chaine cinématique de système ventilateur-moteur. ..........................................35 Figure II 16: La boucle de régulation de la température. ....................................................... 37 Chapitre III : Figure III 1 : Les dimensions des ailettes encastrées des tubes. ............................................. 39 Figure III 2 :L’action de l’air sur une surface. ....................................................................... 48 Figure III 3 : Écoulement laminaire ...................................................................................... 49

VI Figure III 4: Ecoulement turbulent ........................................................................................ 49 Figure III 5: Ecoulement tourbillonnaire ............................................................................... 50 Figure III 6: Représentation de la couche limite .................................................................... 50 Figure III 7 : Influence de la forme du corps sur la trajectoire de l’air ................................... 51 Figure III 8 : Les différentes parties de la pale ......................................................................52 Figure III 9 : représentation de la résultante aérodynamique ................................................. 53 Figure III 10 : théorème de Bernouilli sur une pale. .............................................................. 54 Figure III 11 : résultante aérodynamique pour une plaque plane inclinée. ............................. 55 Figure III 12 : profil biconvexe symétrique ...........................................................................57 Figure III 13 : profil biconvexe dissymétrique ......................................................................57 Figure III 14 : profil plan convexe. ....................................................................................... 57 Figure III 15 : profil creux .................................................................................................... 58 Figure III 16 : profil auto-stable ............................................................................................ 58 Figure III 17 : influence de l’angle d’incidence. .................................................................... 59 Figure III 18 : la force de trainée en fonction de l’épaisseur relative...................................... 60 Figure III 19 : l’incidence d’exploitation et de décrochage. ................................................... 63 Figure III 20 : les coefficients de portance et de trainée en fonction de l’angle d’incidence. .. 65 Chapitre IV : Figure IV 1 : efforts appliqués sur un profil de pale. (Raltz 1990) ......................................... 67 Figure IV 2 : variation des forces de portance et de trainée sur la pale................................... 67 Figure IV 3 : Forces agissant sur la pale en rotation. ............................................................. 68 Figure IV 4 : les trois degrés de liberté sur la pale. [Raletz - 1990]........................................ 69 Figure IV 5 : Moment de flexion sans articulation de battement. ...........................................69 Figure IV 6 : Les forces de Coriolis sollicitent la pale en traînée. ..........................................70 Figure IV 7: Projections des forces sur le rayon d’un disque de rotor d’épaisseur constante .. 71 Figure IV 8:Contraintes dans un disque plein ou percé au centre et non chargé enpériphérie.71 Figure IV 9 : le système ventilateur à pale variable réel. ....................................................... 73 Figure IV 10 : le Bushing. Figure IV 11 : la bague cassée. ............. 73 Figure IV 12 : La forme de la bague. .................................................................................... 73 Figure IV 13 : le profil simplifié de l’ensemble de pale. ........................................................ 75 Figure IV 14 : le centre de gravité des sections connues. ....................................................... 75 Figure IV 16 : la courbe de Wöhler. ...................................................................................... 81 Figure IV 17 : Le comportement de l’alliage d’aluminium à la fatigue……………………...82 Chapitre V : Figure V 1: représentation d’une oscillation. ......................................................................... 84 Figure V 2 : les premiers trois modes de vibration d’une pale. .............................................. 89 Chapitre VI : Figure VI 1: organigramme de service maintenance de Boosting centre de H.R .................... 96 Figure VI 2: Les différents types de maintenances industrielles. ...........................................97 Figure VI 3 : Les étapes de la maintenance préventive .......................................................... 98 Figure VI 4 : Programme d’inspection de routine de groupe dynamique. ............................ 101 Figure VI 5 : Les endommagements provoqués par la rupture des pales .............................. 105

VII Liste des tableaux. Tableau I 1 : les différentes zones de production de Hassi R’mel. ......................................... 17 Tableau I 1 : Les différents types des aéroréfrigérants. .......................................................... 26 Tableau II 2 : Les avantages des aéroréfrigérants à tirage forcé et à tirage induit. .................. 32 Tableau II 3 : Les inconvénients des aéroréfrigérants à tirage forcé et à tirage induit. . ..........32 Tableau II 4 : Les avantages et les inconvénients de ventilateur à pales variables (A.V). ....... 33 Tableau II 5 : Las avantages et les inconvénients de ventilateur à pales fixe.. ........................ 33 Tableau III.1: La proportionnalité entre la vitesse et la résultante aérodynamique…………..55 Tableau IV I : les données de forme de la pale. ..................................................................... 74 Tableau IV II : la composition chimique de l’alliage d’aluminium de la pale. ....................... 74 Tableau IV III : les coordonnées calculées des différentes sections de l’ensemble de pales…76 Tableau VI 1 : L’entretien de moteur électrique de l’aéroréfrigérant. .................................... 99 Tableau VI 2 : L’entretien sur le ventilateur axial de l’aéroréfrigérant................................... 99 Tableau VI 3 : L’entretien de l’arbre de ventilateur axial de l’aéroréfrigérant...................... 100

SOMMAIRE Dédicaces ……………………………………………………………………………………...I Remerciement ………………………………………………………………………………..III Résumé………………………………………………………………………………………..IV Liste des figures……………………………………………………………………………….V Liste des tableaux……………………………………………………………………………VII Chapitre I : Présentation de l’installation (lieu de stage) I.1-Introduction Générale et problématique…………………………………………………...1 I.2-Etude bibliographique. ...................................................................................................3 I.2.1-Les ventilateurs axiaux. ...........................................................................................3 I.2.2-L’aérodynamique……………………………………………………………………4 I.2.3-La conception des pales de ventilateur de l’aéroréfrigérant…………………………...5 I.2.3.1-Caractéristiques géométriques d'un profil de pale. ................................................5 I.2.3.2-Caractéristiques dynamique de la pale. .................................................................5 I.2.4-Etude d’un profil aérodynamique. ...............................................................................6 I.2.4.1-Simulation des pressions en fonction de l’angle d’incidence. ................................6 I.2.4.2-Phénomène du décrochage. ..................................................................................6 I.2.5-Calculs sur le profil de pales. ......................................................................................7 I.2.6-Polaire d’une pale. .................................................................................................... 10 I.2.7-Importance du nombre de Reynolds. ......................................................................... 11 I.2.8-Angle d’attaque des pales. ........................................................................................ 11 I.2.9-Influence du nombre de Mach et de l'angle d'attaque................................................. 12 I.2.9.1-Analyse de l'influence de l'angle d'attaque de l'écoulement……………………...12 I.2.9.2-Analyse de l'influence du nombre de Mach......................................................... 14 I.3-Présentation de lieu de stage. ....................................................................................... 14 I.3.1-Présentation générale et globale de la région gazière de HASSI R’MEL…………...14 I.3.1.1-La Situation géographique de Hassi R’mel. ............................................................ 14 I.3.1.2-L’Historique. ......................................................................................................15 I.3.2-Différentes zones de production de Hassi R’mel. ...................................................... 17 I.3.2.1-Les Modules. ......................................................................................................17 I.3.2.2-Les stations de compression. ............................................................................... 18 I.3.2.3-Le stockage et l’expédition des hydrocarbures liquides………………………….18

I.3.2.4-Centre national de distribution du gaz (CNDG)................................................... 18 I.3.2.5-Station de récupération des gaz associe « SRGA » ……………………………...19 I.3.2.6-Projet Boosting …………………………………………………………………..20 I.3.3-Structure de la Division de Production (SH-DP-HRM). ............................................ 21

Chapitre II : Description-principe de l’installation de l’aéroréfrigérant II.1-Description de l’installation Boosting. ...........................................................................23 II.1.1-Section manifold. .................................................................................................... 23 II.1.2-Section de séparateur d’entrée. ................................................................................ 24 II.1.3-Section Boosting. .................................................................................................... 24 II.2-Description de l’aéroréfrigérant. .................................................................................... 25 II.2.1- Définition. .............................................................................................................. 25 II.2.2-Les types d’aéroréfrigérants. .................................................................................... 25 II.2.3- Les pièces constructives d’un aéroréfrigérant. ......................................................... 26 II.2.3.1-FAISEAUX TUBULAIRES. ............................................................................... 26 II.2.3.2-Système de ventilation......................................................................................... 28 II.2.3.3-Système de distribution et écoulement d’air entre le ventilateur et les faisceaux. . 30 II.3-Installation des aéroréfrigérants sur le site industriel. ..................................................... 31 II.3.1.Comparaison entre les aéroréfrigérants à tirage induit et à tirage forcé……………..32 II.3.2-Les aéroréfrigérants de BOOSTING centre de Hassi R’mel………………………..32 II.3.3-Les avantages et les inconvénients des aéroréfrigérants à pales fixe et à pales orientables. ....................................................................................................................... 33 II.4-Partie mécanique de l’Aéroréfrigérant à pales variables. ................................................ 34 II.4.1-Nomenclateur des pièces de ventilateur. .................................................................. 34 II.4.2-La chaine cinématique de système ventilateur-moteur. ............................................ 35 II.4.2.1-Nomenclateur de la chaine cinématique (ventilateur-moteur)............................... 35 II.4.2.2-Principe de fonctionnement de la chaine cinématique. ......................................... 35 II.5-Principe de fonctionnement de l’aéroréfrigérant à pales orientables de Boosting: ...........36 II.5.1-Commande de l’aéroréfrigérant. .............................................................................. 36 II.5.2-Boucle de régulation de la température de l’aéroréfrigérant à pales variable……….36 Chapitre III : Dimensionnement de l’aéroréfrigérant III.1- Calcul thermique et thermodynamique. ........................................................................ 38 III.1.1- Les données de départ........................................................................................ 38 III.1.2-Calcul de la surface d’échange ............................................................................ 39

III.1.3-Calcul des pertes de charges. .............................................................................. 45 III.1.3.1-Perte de charge à l’intérieur du tube. ................................................................ 45 III.1.3.2- Les pertes de charge de l’air à travers les faisceaux. ........................................ 45 III.2 – Calcul aérodynamique. ............................................................................................... 47 III.2.1-Les coefficients aérodynamiques. ...........................................................................47 III.2.2-La résistance de l’air. ............................................................................................. 47 III.2.3-Trainée et couche limite. ........................................................................................ 48 III.2.4- Paramètres influençant la résistance de l’air. ......................................................... 50 III.2.5-Principales caractéristiques des pales...................................................................... 51 III.2.5.1- Les différentes parties de la pale. .................................................................... 52 III.2.5.2- Caractéristiques géométriques d’une pale........................................................ 52 III.3- Forces exercées sur une pale. ....................................................................................... 53 III.3.1-Action de l’air sur une pale. ................................................................................... 53 III.3.2-Portance et trainée. ................................................................................................. 54 III.4- Etude d’un profil aérodynamique. ................................................................................ 56 III.4.1- Caractéristiques géométrique d’un profil de la pale. .............................................. 56 III.4.2- Caractéristique dynamiques d’une pale. ................................................................. 58 III .5-Partie calcul. ................................................................................................................ 61 III .5.1-Calcul de la vitesse de l’air : .................................................................................. 61 III.5.2-Calcul du nombre de Reynolds. .............................................................................. 62 III.5.3-Recherche de l’angle d’incidence optimum par l’analyse graphique………………64 III.5.4-Interprétation des résultats. ..................................................................................... 65 Chapitre IV : Calcul de résistance d’une pale de ventilateur IV.1- Choix des matériaux. ............................................................................................... 66 IV.2 – Contraintes dans les pales. ...................................................................................... 67 IV 2.1-Les efforts agissant sur une pale en rotation. ....................................................... 67 IV.2.2 - Forces agissant sur une pale en rotation. ........................................................... 67 IV.3 – Contraintes dans le disque du rotor. ........................................................................ 70 IV.4-Partie données et calculs. .......................................................................................... 72 IV.4.1-Calcul et détermination de centre de gravité G de système de la pale…………...74 IV.4.2-Calcul de la vitesse de rotation admissible critique à la traction. ......................... 77 IV.5-Estimation de la fatigue. ........................................................................................... 78 IV.5.1-Définition de la fatigue. ...................................................................................... 78 IV.5.2-La résistance à la fatigue.................................................................................... 79 IV.5.3-la courbe de Wöhler. .......................................................................................... 80

IV.5.4.La limite d'endurance. ......................................................................................... 81 IV.5.5-Calcul de la vitesse de rotation critique admissible à la fatigue. .......................... 82 IV.5.6.Les solutions et préventions à la rupture par fatigue. ...........................................83 Chapitre V : Vibrations des pales V.1.La vibration. ............................................................................................................... 84 V.1.1-Definition de la vibration. .................................................................................... 84 V.1.2-Les causes de la vibration. ................................................................................... 85 V.1.3.Les sources les plus courantes des vibrations........................................................ 85 V.2.Vibrations dans le ventilateur axial de l’aéroréfrigérant. ............................................. 85 V.2.1-La résonance. ....................................................................................................... 85 V.2.2-Vibration et équilibrage aérodynamique. .............................................................. 86 V.2.3-Vibration mécanique. ........................................................................................... 86 V.2.4-Conditions du rotor. ............................................................................................. 86 V.2.5-Entrainement par courroie. ................................................................................... 87 V.3.Efforts axiaux et radiaux de l’aéroréfrigérant. ............................................................. 87 V.3.1-Vibrations des pales ............................................................................................. 88 V.4-Vitesse critique et équilibrage de l’ensemble tournant. ............................................... 90 V.4.1-La vitesse critique. ............................................................................................... 90 V.4.2-L’équilibrage de l’ensemble tournant. .................................................................. 91 V.4.3-Moyens de lutte contre les vibrations. .................................................................. 93 V.5-Détermination de la vitesse de rotation maximale admissible. .................................... 93

Chapitre VI : Maintenance et sécurité technique VI.1-Maintenance employée sur site. ................................................................................ 95 VI.1.1-l’organigramme de service maintenance de Boosting centre. .............................. 96 VI.1.2-Les différents types de la maintenance industrielle. ...........................................97 VI.2-Maintenance des aéroréfrigérants de Boosting centre. ............................................... 98 VI.2.1-Mauvais fonctionnement, les pannes, réparations et entretien. ............................ 99 VI.2.2-L’entretien. ....................................................................................................... 100 VI.3- Sécurité technique. ................................................................................................. 101 VI.3.1-Les consignes de sécurité technique sur site. ..................................................... 101 VI.3.2-Principes généraux de mise à disposition et en service de l’aéroréfrigérant. ...... 103 VI.3.3-Les dégâts et les endommagements résultant de la rupture des pales orientables .................................................................................................................................... 104 VI.3.4-Installation d’un détecteur d’angle. ................................................................... 105

VII-Conclusion générale…………………………………………………………………..106 Bibliographie Les Annexes Annexe A : Graphe de facteur de correction de la différence de la température logarithmique moyenne en fonction des coefficients P et R Annexe B : Le coefficient de frottement des tubes en fonction de nombre de Reynolds Annexe C : La composition chimique du gaz sec passant par les aéroréfrigérants de gaz Annexe D : Les propriétés de l’aire à 1 atmosphère Annexe E : La fiche technique ventilateur axial de l’aéroréfrigérant. Annexe F : partie mécanique de ventilateur automatique (à pales orientables).

CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE)

I.1-Introduction Générale et problématique. Introduction générale. Dans l’industrie pétrolière, gazière ou pétrochimique, la réfrigération est l’un des procédés les plus utilisés pour le refroidissement des produits par un échange de chaleur par conduction, convection ou rayonnement. La recherche d’amélioration de cet équipement est toujours la question d’actualité industrielle. Avec l’évolution technologique et les difficultés de la substitution de ces énergies non renouvelables, optimiser leurs moyens de transferts est un issu indispensable et efficace pour sa bonne exploitation aux différentes contraintes. L’aéroréfrigérant est l’équipement le plus utilisé pour le refroidissement de gaz dans le Boosting centre de complexe gazier de Hassi R’mel qui alimente les modules 0, 1 et 4. La conception d’un aéroréfrigérant repose essentiellement sur les théories de transferts de chaleur pour le coté échangeur (les faisceaux tubulaires) et sur les théories aérodynamiques et mécaniques pour le système de ventilation. Le dimensionnement de l’aéroréfrigérant est très important pour assurer l’alimentation des trains de traitement de gaz des modules par le débit recommandé. Un bon dimensionnement des batteries de l’échangeur coté tubes est conseillé pour répondre efficacement à une longue durée d’exploitation au débit de gaz refroidis souhaité. Le ventilateur de l’aéroréfrigérant utilise des pales caractérisées par une géométrie spéciale ayant un profil aérodynamique. Le dimensionnement et la conception de cette forme géométrique à un grand impact sur son rendement de transfert et par conséquent sur sa rentabilité économique. Les aéroréfrigérants a pales orientables installés au Boosting centre de Hassi R’mel sont très avantageux de côté économique et maintenance par la consommation réduite de l’énergie électrique et le control automatique cependant leurs cout de revient est très élevé par rapport aux aéroréfrigérants à pales fixes. Par conséquent un bon entretien et la mise en veille sur son fonctionnement normal est nécessaire pour l’exploiter pleinement.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE)

Problématique. Après une certaine durée de fonctionnement de ces aéroréfrigérants à pales orientables, deux problèmes majeurs sont posés :  L’inefficacité de refroidissement à la période estivale.  Rupture et éclatement de ses pales orientables. Cependant le problème n’est plus posé sur les aéroréfrigérants à pales fixes. Suite à ces données sur site. Une décision est faite au service Boosting qu’a opté à la fixation de ces pales orientables sur un angle d’attaque déterminé qui est 𝛼= 21° qui a répondu positivement à l’efficacité de refroidissement mais le problème de l’éclatement des pales est toujours présent. Suite à ces résultats, le constructeur a fait des modifications sur la conception des pales qui sont les suivantes : 

La fermeture de l’extrémité libre de la pale pour éviter l’entrée du sable qui provoque une surcharge sur les pales orientables.  Diminution de la longueur des bras reliant les pales au hub (le disque rotor). Mais après une période de fonctionnement le problème de la rupture des pales persiste toujours. L’étude de ce problème constitue le sujet de notre mémoire dans lequel nous tentons d’expliquer les causes de ce phénomène et d’apporter notre modeste contribution à sa solution. Le plan de notre travail se compose de six chapitres répartis comme suit : Le chapitre (I) est consacré à l’étude bibliographique et à la présentation de lieu de stage. Le chapitre (II) pour une description brève de l’installation de Boosting et de l’aéroréfrigérant en montrant son principe de fonctionnement. Le chapitre (III) : traite le calcul thermique de l’aéroréfrigérant et l’étude aérodynamique de son ventilateur à pales orientables. Le chapitre (IV) : étude mécanique et détermination de la vitesse de rotation admissible pour la résistance des pales aux contraintes de traction et de fatigue. Le chapitre (V) est consacré aux vibrations des pales et l’équilibrage de l’aéroréfrigérant. Le chapitre (VI) pour la maintenance et la sécurité technique sur site. Et on finira par l’interprétation des résultats obtenus et une conclusion générale.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE)

I.2-Etude bibliographique. I.2.1-Les ventilateurs axiaux. Les ventilateurs, destinés à véhiculer des fluides compressibles, ont pour objet de transférer de l’énergie mécanique aux fluides qui les traversent, en vue d’en accroître la pression. Dans le domaine des machines tournantes productrices ou consommatrices d’énergie est tout d’abord frappé par la grande analogie qui existe entre les formes géométriques de matériels aussi divers que :  les pompes véhiculant des fluides incompressibles.  les ventilateurs, soufflantes et compresseurs à fluide compressible.  les turbines et moteurs hydrauliques produisant de l’énergie à partir de fluides incompressibles.  les turbines et moteurs à fluide compressible. Dans ces diverses catégories, on peut déjà distinguer deux grandes familles :  les machines volumétriques ;  les machines roto-dynamiques. Historiquement, les machines volumétriques ont été les premières à voir le jour. Le génie des mécaniciens a fait le succès de ce type de matériel. Mais la limitation en débit de cette conception de machine et, surtout, les progrès de la Mécanique des Fluides ont conduit à une autre façon d’échanger mécaniquement de l’énergie avec un fluide. On a bien du mal à trouver un terme générique pour cet autre type de machine et on rencontre dans la littérature les expressions : machines centrifuges, turbomachines, ou encore machines roto-dynamiques. Au cours des années, le terme « machines centrifuges » est devenu impropre. Historiquement, il correspond au fait que les premières machines, autres que volumétriques, construites aux environs de 1900, étaient centrifuges, non pas que ce type de compresseur, inventé par le professeur « Rateau », l’ait été tellement plus tôt que le compresseur axial étudié en Grande-Bretagne par « Parsons » entre 1901 et 1906, mais parce que la machine centrifuge a atteint bien plus rapidement sa maturité technique. Le terme « turbomachine » est le plus employé ; celui de « machine roto-dynamique » est le plus explicite : il signifie que, par l’utilisation d’un système de pales entraînées en rotation autour d’un axe, on transforme l’énergie mécanique en quantité de mouvement sur le fluide. Ensuite, par des dispositifs appropriés inclus dans la machine, on récupère sous forme de pression l’énergie contenue sous forme de vitesse. Suivant l’utilisation, les ventilateurs axiaux ont un faible taux de compression (inférieur à 1,20 en air) et faible vitesse du fluide dans la traversée. Et suivant la forme géométrique les sont capables de débit plus grand par rapport à les ventilateurs centrifuges. D’une façon générale pour le dimensionnement, la mécanique des fluides des ventilateurs peut être considérée sous deux aspects : l’aspect canaux et l’aspect profils. Dans le premier cas, on considère que le fluide est guidé par des parois qui délimitent un canal. Dans le second cas, on considère que le fluide s’écoule autour de profils ressemblant à des ailes d’avion. Chaque profil a des caractéristiques bien spécifiques.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE)

Figure I 1 : Caractéristiques

de quelques profils de pales.

Dans les ventilateurs tout peut vibrer, les pales, les disques, les arbres…etc. mais les vibrations des pales sont les plus fréquentes et celles des arbres les plus dangereuses. [I.1] I.2.2-L’aérodynamique. L'aérodynamique est une discipline qui considère des objets aux prises avec des écoulements. Elle fait partie de la mécanique des fluides. Que ce fluide soit de l'air, c'est à dire un gaz, ou qu'il soit un liquide, ne change rien à la manière d'aborder les choses, et les lois qui s'appliquent aux fluides gazeux sont les mêmes que celles qui s'appliquent aux fluides liquides Simplement, si le fluide est un liquide on parlera d’hydrodynamique alors que s’il s’agit d’un gaz on parlera d’aérodynamique. Une différence cependant distingue les liquides des gaz : ces derniers sont compressibles. La compressibilité apporte une complexification non négligeable au niveau des calculs. L’aérodynamique est avant tout, une science expérimentale. En effet, elle puise ses fondements dans l'expérience sur le réel et pas du tout dans des théories abstraites. Cependant les études théoriques permettent d’élaborer des modèles mathématiques simulant la réalité, ce qui est toujours une économie de temps, d’argent et d’énergie, et apporte une sécurité accrue mais ces modèles doivent toujours faire appel à l’expérience pour confirmer les faits. [I.2]

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE) I.2.3-La conception des pales de ventilateur de l’aéroréfrigérant. I.2.3.1-Caractéristiques géométriques d'un profil de pale. 

Le bord d'attaque est le point le plus en avant sur le profil ; le bord de fuite est la partie arrière (dans le sens de la marche) et amincie du profil optimisée pour diminuer la traînée aérodynamique ; l'extrados correspond au-dessus de la pale et l'intrados audessous.



Profil de la pale : contour géométrique obtenu par une section verticale de la pale.

Figure I 2 : caractéristiques

géométriques de profil d’une pale.

A partir de la coupe de profil on distingue ces types :

Figure I 3 : les

différents types de profils.

I.2.3.2-Caractéristiques dynamique de la pale. 

L'angle d'incidence : par définition, C’est l’angle entre la corde de profil et la direction du vent relatif. Il ne faut pas le confondre avec l'angle de calage figé par construction. l'angle d'incidence est mesuré entre la corde de profil et la direction du vent relatif.

Figure I 4 :

présentation de l’angle d’incidence sur un profil.

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5

CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE)



La finesse d'un ventilateur est définie comme le rapport entre la portance et la traînée. La finesse maximale ne dépend pas du poids mais du coefficient de portance et donc de l'incidence de la pale. La vitesse de finesse maximale augmente avec le poids pour un même ventilateur.

I.2.4-Etude d’un profil aérodynamique. I.2.4.1-Simulation des pressions en fonction de l’angle d’incidence. La variation de l’angle d’incidence influence directement la surpression sur l’intrados et la dépression sur l’extrados de profil de la pale. La séquence d'images ci-dessous montre ces variations de pression pour des incidences de -6 à +9° par pas de 3°. [I.3]

Figure I 5

: la variation de pression en fonction de l’angle d’incidence.

Pour une incidence de 9° on observe : • Une dépression importante (1500 kPa) sur le tiers avant de l'extrados • Une forte surpression (1000 kPa) localisée au voisinage du bord d'attaque. I.2.4.2-Phénomène du décrochage. Par définition, Le décrochage de la pale d'un ventilateur est la perte plus ou moins brusque de portance entraînant de fait une déformation voire une rupture de la pale.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE) En fonctionnement normal, l'écoulement de l'air est laminaire sur les deux faces de la pale, intrados et extrados. Les filets d'air collent au profil de celle-ci, et cela génère de la portance. Le coefficient de portance Cz (et donc la portance) de l’aile augmente lorsque l'angle d'incidence augmente. Cependant, indépendamment de la vitesse du ventilateur, Cz connaît un maximum, atteint pour un certain angle d’incidence.

Figure I 6

: la zone de décrochage.

En effet, à partir de cette valeur, les filets d'air décollent de l'extrados et cela provoque une diminution franche de la portance. Ainsi, au-delà de cet angle maximal d’incidence, la portance ne peut plus compenser le poids des pales, la condition essentielle du fonctionnement n'est plus remplie : la pale (ou le ventilateur) décroche. Cette situation arrive par exemple lorsque la vitesse diminue en deçà d'une certaine limite. Maintenir la portance constante, compenser la diminution de vitesse en augmentant l’angle d’incidence. En résumé. Le décrochage n'est conditionné que par l'incidence. On peut donc atteindre l'incidence de décrochage à toutes les vitesses que peut avoir l'appareil en faisant varier le facteur de charge et/ou la masse de l’appareil. Un décrochage a vitesse élevée est appelé décrochage dynamique. C'est une situation rare mais très dangereuse. [I.4] I.2.5-Calculs sur le profil de pales. La forme des profils des ailes ou des pales déterminent leur performance aérodynamique ou hydrodynamique mais aussi leur résistance. Le compromis entre performance et résistance mécanique est au cœur du problème de la définition et de l’optimisation de la géométrie de pale. Du point de vue aérodynamique ou hydrodynamique, plus le profil est fin moins il génère de résistance à l'avancement. Une légère courbure pour la portance et notre feuille s'envole sans effort.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE) Pour l’optimisation, Un système comportant une pale peut avoir un plus ou moins bon rendement. Que ce soit en terme de finance ou de qualité de réalisation, les matériaux et efforts engagés pour la réalisation d'un projet nécessitent d'être compensés par la qualité du résultat obtenu. Le rendement optimum sera obtenu uniquement par le tracé correct des profils de pales. Les qualités principales pour lesquelles un profil est sélectionné sont sa finesse et la résistance apportée par son épaisseur. Ces deux qualités étant antagonistes elles impliquent un compromis entre résistance et rendement de nos pales. La finesse représente le rapport des forces qui seront en jeu sur le profil. Générer le maximum de portance avec le minimum de traînée c'est la clé du rendement de notre système. C’est le rapport de la portance sur la traînée du profil, ou plus exactement Finesse= Cz/Cx. Un "bon" Cz c'est un Cz fort, et un "bon" Cx c'est un Cx faible. Nous disposons donc de deux leviers pour augmenter notre finesse de notre profil. Le cambre d’un profil est un acteur essentiel de la portance. Nous serions tenté de dire que le cambre apporte de la portance mais un phénomène majeur vient perturber cette relation cambre portance: « Le décrochage » : La force de portance correspond à la variation de quantité de mouvement de notre fluide. La portance est donc le résultat de notre capacité à faire changer de direction le fluide. Plus nous dévierons le fluide vers le bas plus la force de portance vers le haut sera importante. Donc en résumé nous retiendrons que : 

Le changement de direction (correctement orienté) génère de la portance



Le cambre provoque (avec l'incidence) le changement de direction que l'on demande au fluide donc la portance.



Pour les grandes vitesses le cambre doit rester faible, et pour les faibles vitesses, le cambre peut être fort.

Ce graphique d'évolution du coefficient de portance en fonction du cambre pour des plaques courbes nous montre l'augmentation de la portance avec la cambrure.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE)

Figure I 7

: l’augmentation de la portance avec la cambrure pour des plaques courbes.

Une série de graphique représentant les coefficients de portance mesurés sur 3 profils (tôle courbe et plaque plane) de cambre différent à des vitesses différentes. La vitesse d'un profil est donnée par le nombre de Reynolds (Re).

Figure I 8

Figure I 9

: présentation de deux cambre de des deux profils différents.

: coefficient de portance en fonction d’incidence pour des cambres différents.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE) Nous avons vu l’impact de la cambrure des profils sur la portance mais les courbes ci-dessus nous montrent que la cambrure n'est pas suffisante pour prédire la portance car la vitesse et l'épaisseur jouent un rôle difficile à déterminer simplement. [II.5] I.2.6-Polaire d’une pale. Les coefficients de portance et de trainée dépendent de l’angle d’incidence, il existe une représentation graphique, appelée polaire de l’aile, qui consiste à placer Cx en abscisse et Cz en ordonnée. Chaque point de la courbe est donc calculé à un angle d’incidence donné. Les premiers tracés de ce genre ont été réalisés par Otto Lilienthal et Gustave Eiffel. Cette courbe a comme avantage de présenter quatre points remarquables, les trois que nous avons vus avec les graphes Cx et Cz en fonction de i, et un point supplémentaire, qui est le point de finesse maximum.

Figure I 10

: Polaire d’une aile et ses quatre points remarquables.

Il est important de comprendre que les points M de la courbe, partant de M1 et en suivant la courbe, sont obtenus à des angles d’incidences croissants (i1< i2 …< i4..). Les points remarquables de la polaire sont donc les suivants : Point M1 : obtenu à un angle i1 pour lequel la portance est nulle (Cz=0) Point M2 : obtenu à un angle i2 pour lequel la traînée est minimum (on peut aussi pivoter la figure et mettre Cx en ordonnée pour s’en convaincre…) Point M3 : obtenu à un angle i3 pour lequel la finesse est maximale. Point M4 : obtenu à un angle i4 pour lequel la portance est maximale. C’est l’angle limite audelà duquel il y a décrochage (chute de la portance).

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE) I.2.7-Importance du nombre de Reynolds. Nous avons compris le principe de la polaire comme moyen de connaître les performances d’une pale en fonction de l’angle d’incidence. La question est de savoir s’il existe une polaire unique pour chaque pale. La réponse que fournit la physique est non. Car il existe un nombre, appelé nombre de Reynolds, qui caractérise l’écoulement d’air (de fluide en général) et dont va dépendre la polaire. Ce nombre caractérise l’écoulement de l’air autour d’un obstacle en général. Un Reynolds faible implique que les forces de viscosité peuvent dominer. Un Reynolds fort suppose le contraire. On obtient donc une polaire de pale pour chaque nombre de Reynolds. On observe que la portance maximum est plus grande lorsque le Reynolds croît. Il en de même avec la finesse maximum. La conclusion est la suivante : Il sera toujours préférable pour une pale d’avoir un nombre de Reynolds élevé. [I.6]

Figure I 11

: Influence de nombre de Reynolds sur la portance.

I.2.8-Angle d’attaque des pales. L’angle d’attaque est composé de la somme de l’angle d’incidence

et de l’angle de

calage des pales. L’angle de calage est l’angle formé par la pale et le plan de rotation de la pale. L’angle d’incidence est l’angle formé par la pale et la direction apparente du vent. Comme la vitesse tangentielle de la pale augmente en s’éloignant du centre de rotation, la vitesse relative du vent

et l’angle d’incidence changent. Pour conserver un angle d’attaque

constant sur toute la longueur de la pale, il est possible de modifier l’angle de calage en vrillant la pale sur sa longueur.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE)

I.2.9-Influence du nombre de Mach et de l'angle d'attaque. Nous étudions l'évolution des coefficients de portance et de traînée en fonction de l'angle d'attaque de l'écoulement, puis en fonction de deux nombres de Mach différents, Ma = 0,5 et Ma = 0,8 (Mach critique). I.2.9.1-Analyse de l'influence de l'angle d'attaque de l'écoulement.

Figure I 12

: Influence de l’angle d’attaque sur le Cx et Cz.

Angle d'incidence faible (voisin de 0°).

Figure I 13

: les pressions autour de la pale pour un angle d’incidence faible.

Les filets fluides s'écoulent régulièrement autour de la pale et leur trajectoire n'est que peu affectée par la présence de celui-ci. L'air n'est que peu déviée sur l'extrados. En revanche, on remarque une légère turbulence au voisinage du bord de fuite. De faibles dépressions sur l'extrados et sous l'intrados sont observables. Comme on pouvait s'y attendre, une surpression est localisée au niveau du bord d'attaque. A incidence nulle, seule la dépression d'extrados assure la sustentation mais sa valeur est peu élevée d'où une portance faible. L'explication du phénomène de sustentation réside dans le fait que la pale est à la fois aspirée par la dépression et repoussée par la surpression. De plus, la turbulence autour du

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE) profil est peu marquée : les forces dues aux frottements sont réduites, d'où également une traînée faible. Par conséquent, en première approche, l'angle 0° est un angle d'incidence de portance nulle. Les forces de pressions qui s'exercent de part et d'autre du profil se font alors équilibre. La résultante aérodynamique se compose donc de la traînée seule. Angle d'incidence élevé.

Figure I 14

: les pressions autour de la pale pour un angle d’incidence élevé.

L'écoulement de l'air est très perturbé par la présence de la pale : la vitesse croît sur l'extrados et diminue sur l'intrados. Le fluide est très fortement dévié vers le haut sur l'extrados, ce qui provoque une forte dépression. Mais en revanche sous l'intrados, la déviation imposée vers le bas aux filets d'air provoque une surpression qui permet de porter la pale. La portance élevée s'explique par la différence de pression de part et d'autre de la pale. La traînée a également tendance à augmenter : ce phénomène est dû à un décollement des filets d'air sur l'extrados, donc à une zone turbulente. Angle d'incidence critique.

Figure I 15

: les pressions autour de la pale pour un angle d’incidence critique.

Au fur et à mesure de l'augmentation de l'angle d'incidence, les filets d'air cessent de suivre le contour de l'extrados et décollent de celui-ci. Il s'y produit une agitation intense et des tourbillons (recirculations), perturbation synonyme d'augmentation de traînée. Ce phénomène diminue la dépression extrados et l'on observe une brusque chute de portance. La couche limite décroche (phénomène de décrochage). On peut remarquer les recirculations sur l'extrados sur les figures ci-dessus.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE) A noter que l'angle de décrochage lié à ce phénomène important varie avec la forme du profil de pale. I.2.9.2-Analyse de l'influence du nombre de Mach.

Figure I 16

: L’influence de nombre de Mach sur Cx et Cz.

On peut remarquer que pour un nombre de Mach Ma=0,8, les valeurs des coefficients de traînée et de portance sont en tout point supérieures à celles obtenues avec un Ma=0,5. Nous avons cherché une explication à ces observations. Tout d'abord, à Ma=0,8, le Mach critique s'avère être dépassé. Le Mach critique détermine l'instant à partir duquel sur l'extrados, il peut apparaître une zone où la vitesse égale et dépasse la vitesse du son. A Ma=0.8, l'écoulement est de type transsonique. Ce régime est très difficile à étudier. [I.8]

I.3-Présentation de lieu de stage. I.3.1-Présentation générale et globale de la région gazière de HASSI R’MEL. I.3.1.1-La Situation géographique de Hassi R’mel. HASSI R’MEL porte du désert, se trouve à 525 Km au sud d’Alger. Dans cette région relativement plate du Sahara septentrional l’altitude moyenne est d’environ 750m. Le paysage, vaste plateau rocailleux est parsemé de « daïas » petites dépression dans lesquelles s’est accumulé un peu de terre et ou pousse une végétation composée essentiellement de buissons, mais aussi d’arbres. le climat est caractérise par pluviométrie faible (140mm par an)

et une humidité moyenne de19%

en été et 34% en hiver, les

amplitudes thermique sont importantes et les températures varient entre –5°c en hiver et +45°c en été .les vents dominants sont de direction nord-ouest. Le champ de HASSI R’MEL est une vaste étendu de 3500Km2 (70Km de long sur 50Km de large). FHC: 2016 mémoire de fin d’étude pour l’obtention de diplôme master 2 MAUP11

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE)

• Hassi R’Mel est situé à 525 km au sud d’Alger. • Le champ s’étale sur plus de 3500 km2. • Découvert en 1956, il est l’un des plus grands gisements de gaz à l’échelle mondiale. Figure I 17

: présentation du champ Hassi R’mel.

I.3.1.2-L’Historique. 1951 : première compagne géophysique intéressant la région. 1952 : le forage du premier puits d’exploration à quelques kilomètres de BERRIANE, mit en évidence la présence d’un trias gréseux qui présentait toutes les caractéristiques d’un réservoir recouvert d’un trias salifère pouvant jouer le rôle de couverture. 1956 : sondage de HR1 à une dizaine de kilomètres à l’est du point d’eau de HASSI R’MEL. La profondeur de 2132 m fut atteinte et révéla la présence d’un réservoir de gaz humide sous une forte pression. Le puits HR1 venait d’être implanté sur le sommet de l’anticlinal, hypothèse vérifiée par la sismique de la même période. Les forages qui suivirent confirmèrent l’existence d’un important anticlinal et permirent d’étudier avec plus de précision les niveaux géographiques ainsi que les caractéristiques de l’effluent. 1957-1960 : le gisement de HR a commencé à produire en 1961 le réservoir de HR présente une forme elliptique orienté sud-ouest /nord-est. Il s’étend sur une superficie d’environ 3500km2. Les réserves prouvées en place sont évaluées à plus de 2800 milliards de m3. Ces derniers puits ont mis à jour l’existence de trois réservoirs :  Réservoir A Il s’étend sur tout le champ de Hassi R’mel et son épaisseur varie sur l’ensemble du champ de 15 à 30 (m). Ses caractéristiques sont :

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE) 1. Porosité :

15 %

2. Perméabilité :

270. 10-3

3. Teneur en eau :

24 %

 Réservoir B Il est limité à la zone centrale et la zone Nord du champ. Ses caractéristiques sont : 4 Porosité

15%

5 Perméabilité

250.10 -3 Darcys.

6 Teneur en eau

28%.

Cette couche présente 13% des réservoirs en place.  Réservoir C Il s’étend sur la majeure partie du champ de la zone Sud. C’est le plus épais des trois niveaux et le plus important .Ces caractéristiques est : 7 Porosité

08%

8 Perméabilité

800. 10-3 Darcys

9 Teneur en eau

13%.

 Développement. 1961-1969 : mis en service des anciennes unités du module «0 » avec une capacité de traitement de gaz sec de 107 milliards de m3 par an. 1971 : 24 février 1971, nationalisation historique des hydrocarbures. 1971-1974 : la capacité de production de cette unité a été portée à 4 milliard de m3/an de gaz sec par l’apport de la mise en service de nouvelles installations. Cependant, cette extension n’est qu’une étape d’un vaste plan de développement du gaz naturel, en effet, en tant que source privilégiée d’énergie domestique et industrielle de matière première pour l’industrie pétrochimique, le gaz naturel a pris une place prépondérante dans la politique énergétique de l’entreprise. La caractéristique de l’effluent et l’homogénéité du réservoir ont conduit au choix d’un modèle de développement relativement simple .il s’agit d’un schéma d’exploitation alterné comportant trois zones de production (nord, centre et sud) entre les quelles ont été intercalées deux zones de réinjection (nord et sud). Cette philosophie de développement a permis d’atteindre les objectives suivant :  Augmentation de la capacité de traitement de 14 à 94 milliard de m3 par an de gaz.  Maximisation de la récupération des hydrocarbures liquides tels que le condensât (gaz liquéfie par refroidissement ou par compression) et le GPL (gaz de pétrole liquéfie) par un cyclage partiel du gaz. FHC: 2016 mémoire de fin d’étude pour l’obtention de diplôme master 2 MAUP11

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE) 1978-1980 : la réalisation de cet objectifs a nécessité la mise en place de :  Quatre usines de traitement de gaz dont la capacité nominale unitaire est de 20 milliards de m3 par an de gaz sec (module 1, 2, 3 et 4).  Deux stations de réinjection de gaz dont la capacité nominale unitaires est de 30 milliards de m3 par an de gaz sec (station nord et sud).  D’un centre de stockage et de transfert de condensât et de GPL (CSTF) I.3.2-Différentes zones de production de Hassi R’mel. Le champ de Hassi R’mel se compose de trois zones d’exploitation (nord, centre et sud) entre les quelles ont été intercalées deux zones de réinjection. Zone centre Zone nord Zone sud -Module de traitement de gaz -Module de traitement de gaz -Module de traitement de gaz 0,1 et 4 et les installations 3. 2. communes (communs ou -Station de compression nord -Station de compression sud phase B). (SCN). (SCS). -Station Boosting centre -Centre de traitement de gaz (SBS). CTG /Djebel-bissa. -Centre de stockage et de -Centre de traitement de gaz transfert (CSTF). CTG/Hassi R’mel- sud -Centre national de dispatching de gaz (CNDG). -Station de récupération des gaz associés (SRGA). Tableau I 1 : les différentes zones de production de Hassi R’mel. I.3.2.1-Les Modules. Le Module, c’est le diminutif de "Module Processing Plant" il désigne une usine de traitement du gaz naturel à l’échelle industrielle. Cinq modules sont implantés sur le champ de Hassi R’mel, quatre ont une capacité unitaire de 60 millions m3 / jour, le module zéro à une capacité de 30 millions m3 /jour. Il est le plus ancien. Arrivant aux unités de traitement en provenance des puits producteurs, le gaz naturel brut est un mélange d ‘ hydrocarbure (liquide et gazeux) et de l’eau, avec quelques impuretés. Le rôle essentiel de l’unité de traitement, est de séparer la partie liquide (condensât, GPL, eau) de la partie gazeuse (gaz humide) en première étape, et de les traiter séparément en deuxième étape, en vue de produire du condensât, du GPL et du gaz sec conforme à certaines spécifications. Ces spécifications doivent être respectées dans le but de faciliter le transport, le stockage d’une part et la commercialisation de ces produits d’autre part.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE) I.3.2.2-Les stations de compression. Les stations de compression ont pour but de réinjecter le gaz sec dans le gisement afin de : 

Maintenir la pression du gisement.



Récupérer les hydrocarbures liquides (condensât, GPL).



Flexibilité du fonctionnement.

Leurs implantations au nord et au sud sont définies de telle sorte à avoir une récupération maximale. La capacité de réinjection de chaque unité est de 90 millions standard de m3/jour. I.3.2.3-Le stockage et l’expédition des hydrocarbures liquides. Le condensât et le GPL produit dans tous les modules de traitement de gaz sont acheminés vers le centre de stockage et de transfert (CSTF) qui se trouve dans la zone centrale de Hassi R’mel. Ils passent à travers un séparateur ou d’éventuelles particules solides et liquides (eau) sont récupérées, comptabilisés puis expédies vers Arzew. Le CSTF comprend trois (03) bacs de 3500 m3 et quatre (04) bacs de 45000 m3 chacun pour le stockage du condensât ; douze (12) sphères de 7000 m3 pour le stockage du GPL. Les vapeurs formées dans les sphères, sous l’effet de la température ambiante, sont comprimées par les turbocompresseurs, condensées puis remises pour le stockage pour éviter la boille off et le torchage du gaz. I.3.2.4-Centre national de distribution du gaz (CNDG). Son rôle est la collecte de toutes les quantités de gaz produites au niveau de Hassi R’mel et d’autre région du sud, ces quantités sont ensuite distribuées vers les centres de consommation comme les centres de GNL, Sonalgaz, et à l’étranger : l’Italie via la Tunisie et l’Espagne via le Maroc. Avant son expédition sur chaque ouvrage, le gaz collecté est filtré et comptabilisé. Les quantités de gaz excédentaires seront acheminées vers les stations de compression Nord et sud.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE)

Une partie du Gaz sec des Modules (Gaz vendu)

Figure I 18

CNDG

Arzew Bejaia Skikda Alger Espagne Maroc

: Le centre national de dispatching du gaz.

I.3.2.5-Station de récupération des gaz associe « SRGA ». C’est une unité qui a démarré le18 avril 1999, avec une capacité de 4000m3/jour design. Elle comporte quatre turbocompresseurs avec une capacité unitaire de 1 million de m3/jour. 

Hassi R’mel-sud.

Ce projet comporte une unité de traitement de gaz naturel, destiné à traiter Le gaz brut pour obtenir du gaz sec et la récupération des hydrocarbures liquides estimés à 2000millions standard de m3/jour. Sa capacité est de 10 millions standard de m3/jour de gaz sec. HR-SUD comporte trois unités de traitement, d’une capacité de 6 millions de m3/jour et deux de 2 millions de m3/jour chacune. 

Le centre de traitement d’huile (CTH).

Cinq unités sont implantés à HASSI R’MEL (CTH1, CTH2, CTH3, CTH4 et CTH-sud) sont exploités après la découverte d’un anneau d’Huile qui a été mis en évidence sur le flanc Est du champ de Hassi R’mel en Mars 1979. Elles sont dotées de manifolds de séparateurs et de bacs de stockage qui permettent de produire le pétrole brut et de le transfert au module 0 pour stockage intermédiaire avant d’être expédie vers SP4 (station de pompage de transport) Le niveau de production est de : 

4000 m3 /j d’huile,



900 m3 /J condensat,



8 Million m3/j gaz.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE) I.3.2.6-Projet Boosting. Lors du design des installations gazières de Hassi R’mel, les constructeurs ont pris en compte qu’au fur et à mesure de l’exploitation des gisements la pression des gaz sortant allait baisser en dessous de la pression de service. Pour cela ils ont élaboré le projet Boosting qui a pour rôle d ‘augmenter la pression des gaz jusqu’à la pression de service. L’implantation des stations de Boosting entre les puits de production et les modules de traitement de gaz du champ leurs confèrent un rôle important dans la supervision et le contrôle de tous les puits producteurs. Le démarrage du Boosting c’est fait en 2005 et il est dans sa première phase de démarrage, comme la pression des gisements continuera de baisser. Les stations de Boosting deviendront le cœur de la production du champ.

Gaz entrée Modules. Station Boosting

Puits gaz

(100 bars

85 bars Figure I 19 :

Figure I 20

Schéma de placement de la station Boosting.

: Répartition des différentes installations sur-le-champ de Hassi R’mel.

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CHAPITRE I : PRESENTATION DE L’INSTALLATION (LIEU DE STAGE) I.3.3-Structure de la Division de Production (SH-DP-HRM). Le développement du champ de Hassi R’mel a nécessité des moyens humains et matériels considérables et pour maintenir la production dans les meilleures conditions tout en assurant la sécurité des travailleurs, la direction régionale de HRM est répartie à travers les directions et divisions suivantes.

Figure I 21 : L’organigramme

de la direction régionale de Hassi R’mel.

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CHAPITRE II: Description -Principe de fonctionnement de l’aéroréfrigérant.

Introduction. Les procédés des industries pétrolières demandent que les fluides traités soient réchauffés ou refroidis avec ou sans changement de phase aux cours des opérations auxquelles sont soumis. La chaleur représente une importante dépense d’énergie dont il est nécessaire de récupérer le maximum de quantité possible. Les Aéroréfrigérants sont les équipements les plus utilisés dans les complexes pétroliers et gaziers qui assurent ces fonctions de refroidissement. Fonction réfrigération.  REFRIGERANT (COOLER) : il refroidit un liquide ou un gaz par circulation d’un fluide auxiliaire généralement de l’eau.  REFREGERANT INTERMEDIAIRE (INTERCOOLER ou AFTERCOOLER) : sont des termes réservés aux réfrigérants de gaz comprimés aux étages de compression.  AEROREFRIGERANT (AIRCOOLER EXCHANGER) : le fluide réfrigérant est l’air.  REFRIGERANT FINAL (TRIM COOLER): c’est le réfrigérant qui finalise la réfrigération d’un produit avant le stockage dans les conditions de sécurité requise.il désigne généralement l’association aéroréfrigérant suivi d’un réfrigérant à eau.  CHILER : son fonction est le refroidissement de fluide de procédé par évaporation d’un fluide frigorigène (l’eau réfrigérée). Les autres fonctions qu’existent dans l’industrie pétrolière sont : les fonctions de réchauffage, de condensation, de vaporisation et les fonctions particulières. Le principe de fonctionnement de ces équipements est celui des échangeurs de chaleur par surface interposée entre les deux fluides chaud et froid et mettant en œuvre la transmission par conduction et convection. Les avantages des Aéroréfrigérants qu’on peut citer brièvement sont : -la disponibilité de l’air (fluide de refroidissement) et qui ne coute rien. -l’installation de l’Aéroréfrigérant n’est pas conditionné par la situation d’une usine ou complexe. -l’absence de corrosion (l’air est rarement corrosif) et donc n’est pas nécessaire de prévoir le nettoyage ou l’encrassement. -un faible cout d’entretien.

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CHAPITRE II: Description -Principe de fonctionnement de l’aéroréfrigérant.

II.1-Description de l’installation Boosting. Comme le gaz brut est une énergie non renouvelable, il y a une baisse de pression au niveau de gisement de Hassi R’mel. Et vu que les unités de traitement du gaz (modules 0, 1 et 4) sont conçues pour fonctionner à une pression d’entrée minimale de 100 bars de fait que le traitement du gaz se base sur plusieurs détentes afin de récupérer le maximum de liquides (GPL et Condensât).Tenant compte de ces deux paramètres, l’installation de Boosting était une nécessité incontournable pour assurer le refoulement du gaz à cette pression vers les modules. L’installation « Boosting » est constitué de 03 sections.

Figure II 1 : sections

de procédé de Boosting

II.1.1-Section manifold. Le mot « manifold » est d’origine anglais qui veut dire « collecteur », il rassemble certain nombre de puits, dans cette section on trouve manifold d’entré et de sortie, ligne de bypass de la station et vannes d’entrée (XV-901 A et B) et celles de sortie (XV-920, XV-921 et XV-922). La station Boosting est ressourcée par 91 puits producteurs. Les Figures suivantes représentent les manifolds du MPP4, MPP1 et MPP0

Figure II 2 :

présentation de manifold de module MPP4.

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CHAPITRE II: Description -Principe de fonctionnement de l’aéroréfrigérant.

Figure II 3 :présentation

de manifold de MPP0 et MPP1.

II.1.2-Section de séparateur d’entrée. Elle est composée de 06 séparateurs D-901 de A jusqu’à F et des aéroréfrigérants de condensat E-904/905 respectivement. Le condensat et l’eau qui comporte le gaz brut sont respectivement séparés dans le séparateur D-901. Le gaz sec séparé est envoyé vers les unités de Boosting (turbocompresseurs).

Figure II 4

: la section de séparation d’entrée.

II.1.3-Section Boosting. Elle est composée d’un ballon D-902, d’un compresseur centrifuge K-901 et des aéroréfrigérants de gaz E-901. Le gaz venant de la section de séparation d’entrée, est envoyé via le D-902 de chaque unité Boosting, qui sert à enlever le liquide en gouttelettes restant dans le gaz pour assurer l’exploitation sure des compresseurs centrifuges. Le gaz sera comprimé par le compresseur centrifuge jusqu’à une pression supérieur à 100 kg/cm2 et a une température de 104 °C puis refroidit par les aéroréfrigérants de gaz E-

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CHAPITRE II: Description -Principe de fonctionnement de l’aéroréfrigérant. 901 à une température moyenne de 60 °C, afin de réunir dans le collecteur de refoulement et sortie de la station vers les module 0,1 et 4. Cette compression du gaz est assurée par des turbines à gaz de type MS5002C.

Figure II 5:

présentation de la section Boosting

II.2-Description de l’aéroréfrigérant. II.2.1- Définition. L’aéroréfrigérant est un échangeur de chaleur, refroidi par de l’air insufflé par un ventilateur sur la surface extérieure des tubes, surface qui est élargie grâce à des ailettes en aluminium. L’aéroréfrigérant est composé essentiellement de faisceaux échangeurs, de système de ventilation, des chambres de distribution d’air entre le ventilateur et les faisceaux tubulaires, un moteur de commande, une courroie de transmission et d’une charpente métallique ou partiellement en béton. L’air est aspiré par des ventilateurs et traverse les faisceaux tubulaires (généralement ailetés). A l’intérieur des tubes circulent le fluide chaud. Le débit de fluide est reparti en une ou plusieurs passes grâce à des boites de distribution. Les faisceaux tubulaires sont horizontaux, verticaux ou inclinés. La circulation de l’air et du fluide process de tubes s’effectue à courant croisée. Pour une meilleure efficacité la circulation à courant croisée doit etre à contre-courant. Le refroidissement est donc maintenu par l’action mécanique sur l’inclinaison des pales fixes ou variables des aéroréfrigérants.

II.2.2-Les types d’aéroréfrigérants. Sont présentés dans le tableau suivant:

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CHAPITRE II: Description -Principe de fonctionnement de l’aéroréfrigérant. Type

Faisceau

Ventilation

1

Horizontal

Forcé

2

Vertical

Forcé

3

Incliné

Forcé

4

Presque incliné

Naturel

Tableau I 1 : Les

Schéma

différents types des aéroréfrigérants.

-les types rencontrés habituellement dans l’industrie pétrolière sont de type : 1a et 1b. II.2.3- Les pièces constructives d’un aéroréfrigérant. Les différentes pièces d’un aéroréfrigérant peuvent etre classées comme suit : -Faisceaux tubulaires. -Système de ventilation. -Chambre de distribution d’air. -Pièces de structures. II.2.3.1-FAISEAUX TUBULAIRES. L’échangeur à faisceau tubulaire à deux passes est l’élément essentiel de l’aéroréfrigérant La section frontale de passage du fluide externe de refroidissement est obtenue par l’intermédiaire de tôles (cadres latéraux) munies de déflecteurs dont le but est d’éviter tout by-pass. Les tubes sont reliés à leurs extrémités par dudgeonnage, soudure ou combinaison des deux, dans des plaques tubulaires. Les cadres latéraux de guidage sont fixes sur les plaques tubulaires. Un dispositif élastique est interposé entre ces cadres et l’une des plaques tubulaires pour permettre la libre dilatation du faisceau de tubes. Les faisceaux sont constitués de tubes généralement ailettés, de boite de distribution et de châssis qui assurent la rigidité de l’ensemble.

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CHAPITRE II: Description -Principe de fonctionnement de l’aéroréfrigérant. 

Les tubes à ailettes.

Les faisceaux tubulaires des aéroréfrigérants sont fabriqués en tubes extérieurement ailetés placés en hauteur. Les ailettes sont enroulées en hélice. La qualité de la liaison mécanique est primordiale et fonction de température d’opération. La réalisation de ses ailettes qui sont généralement en aluminium doit etre adaptée aux conditions de services. Le choix d’aluminium comme matériau est intéressant par sa ductilité pour le façonnage et sa conductivité thermique pour le transfert de chaleur. Les tubes à ailettes les plus utilisés sont classés comme suit : 

Tubes à ailettes enroulées sous tension :

-Les ailettes sont formées de bandes d’aluminium. -Le pied de l’ailette est enroulé sous tension. -Température opérationnelle de 120 à 150 °C. -Connue sous le nom « ailette en L » -Ce type est assez peu utilisé. 

Tubes à ailettes encastrées.

-Les ailettes sont formées de bandes d’aluminium enroulées sous tension en rainures hélicoïdales dans le tube. -Les ailettes sont encastrées par ailettages spéciaux et formage dans la paroi du tube. -Température opérationnelle max est de 300 à 400 °C. -Connue sous le nom « ailette en G » 

Ailettes extrudées.

-Température opérationnelle maximale : 250 à 300 °C. -Les ailettes sont dentelées de manière à augmenter la turbulence et par suite le coefficient de transfert coté air. 

Dispositions et dimensions des tubes ailettés.

La disposition des tubes est à pas triangulaire équilatéral droit. Le pas entre axe des tubes est choisi conventionnellement par les valeurs suivantes : 55.5 (mm) à 66.7 (mm) pour un diamètre du tube extérieur de 24.4 (mm), 35.075 (mm), 76.25 (mm). Le diamètre du tube extérieur est généralement de 24 (mm) avec un diamètre externe d’ailette entre 50.8 (mm) et 63.5 (mm) [le plus utilisé est 57 (mm) (2.25 inch)]. -Epaisseur d’ailette : 0.4 (mm) en environ. -pas d’ailette selon le nombre d’ailettes par inch allant de 7 à 11.

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CHAPITRE II: Description -Principe de fonctionnement de l’aéroréfrigérant. -Nombre d’ailettes par inch

7

8

9

10

11

-Nombre d’ailettes par mètre

275

315

354

394

433

Rapport : Surface ailetté /Surface tube nu.

17.1 19.2

21.2

23.2



Les boites de distributions ou collecteurs.

Elles permettent d’introduire le fluide chaud et de le répartir à l’intérieur des tubes et de récupérer le fluide réfrigéré à la sortie. Les faisceaux tubulaires sont d’entrés et sortis sont soudés sur les boites de distributions. Les plaques tubulaires sont coiffées de boîtes de distribution méthodique (distribution pouvant se faire en une ou plusieurs passes) du fluide à refroidir. Il y a une très large sélection concernant le choix des boîtes de distribution. Les différents types de boites de distribution qu’existent dans l’industrie pétrolière et qu’on peut citer sont :  Boites à couvercle démontables : Pour des pressions de fonctionnement p à 150 bars). Utilisées pour les hautes pressions. Les tubes sont reliés au collecteur par raccords soudés.

Figure II 6 :

Les différents type des boites et collecteurs.

II.2.3.2-Système de ventilation. L’air est véhiculé à travers les faisceaux par l’intermédiaire de ventilateurs en position « tirage forcé » (ventilateurs soufflant l’air vers les faisceaux) ou en position « tirage induit » (ventilateurs aspirant l’air sur les faisceaux).

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CHAPITRE II: Description -Principe de fonctionnement de l’aéroréfrigérant. Ces ventilateurs sont entraînés par des moteurs électriques via une transmission à courroies pour les faibles puissances (de l’ordre de 30 kW) ou un réducteur pour les puissances supérieures. Pour les très faibles puissances (de l’ordre de quelques kilowatts), on utilise très souvent un entraînement direct moteur-ventilateur. Lorsque l’on désire une régulation de la température du fluide à refroidir, la variation du débit d’air de refroidissement, en fonction de la charge thermique (quantité de chaleur évacuée) et de la température d’air extérieur, peut se faire à l’aide de ventilateurs à vitesse fixe comportant des pales dont l’angle de calage est réglable en marche, ou bien à l’aide de ventilateurs à pales fixes entraînés par des moteurs à vitesse variable. Les ventilateurs peuvent soit :  Souffler l’air à travers les tubes c’est le tirage forcé, les ventilateurs sont installés audessous des tubes transférants le fluide chaud.  Rejeter l’aire à travers les tubes c’est le mode du tirage induit, les ventilateurs sont installés au-dessus des tubes.

Figure II 7

: tirage induit

Figure II 8

: tirage forcé

Pour assurer une bonne dispersion et distribution de l’air à travers les faisceaux tubulaires, le ventilateur doit etre situé au centre à la moitié de son diamètre et la surface ventilée par les pales doit etre supérieur à 40% de la surface faciale de faisceau (la batterie). Le nom de la vitesse faciale désigne la vitesse de l’air avant son entrée dans les faisceaux sur toute la surface offerte. Les ventilateurs utilisés au BOOSTING centre de Hassi R’mel sont de grand diamètre (environ 4(m)) et de vitesse de rotation de 251 (tr/min).Les pales en nombre de 06 sont en alliage d’aluminium. L’entrainement de ses ventilateurs se fait par les moteurs électriques d’une puissance (travail nominal) de 30 (kw) pour chacun qui est nécessaire pour assurer le débit d’air désiré. La transmission de cette puissance du moteur au ventilateur est indirecte par l’intermédiaire des poulies et courroies.

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CHAPITRE II: Description -Principe de fonctionnement de l’aéroréfrigérant. Dans la phase A de Boosting tous les ventilateurs installés sont à pales fixes cependant dans la phase B on trouve les deux types à pales fixes et à pales variables. Les figures suivantes montrent le Hub (le disque rotor) de ces deux types de ventilateurs des aéroréfrigérants. Elles montrent respectivement le hub de ventilateur à pales fixes et à pales variables.

Figure II 9 : Le

hub de ventilateur à pales fixes et à pales orientables.

II.2.3.3-Système de distribution et écoulement d’air entre le ventilateur et les faisceaux. La chambre de distribution d’air est de type pyramido-tranconique pour assurer une meilleur répartition d’air sur toute la surface faciale. Un élément cylindrique ç l’intérieur duquel se trouve le ventilateur est soudé sur la hotte et constitue l’anneau de ventilation. Le jeu entre les pales et l’anneau de ventilation doit etre très faible pour une bonne efficacité. Tout en réduisant le jeu on abaisse le niveau sonore (bruit) du ventilateur et aussi d’éviter la création d’un mouvement tourbillon de l’air passant par le jeu qui crée par la suit une contre pression sur les pales. Le jeu recommandé par le constructeur pour ce système doit etre compris entre : 9 (mm) 112 °C à la température maximale recommandé (exigé) par les modules de traitements qui est de l’ordre de Ts=< 61°C. En total le Boosting contient deux phases A et B dont la phase A est constituée par 4 machines de 12 aéroréfrigérants à pales fixe pour chacune et la phase B est constituée de 5 machines de 12 aéroréfrigérants dont 04 à pales fixes et 08 à pales orientables pour chacune. Donc pour assurer le refroidissement de gaz sec au niveau de Boosting, 108 aéroréfrigérants sont mets en disposition dont 68 sont à pales fixes et 40 à pales variables. II.5.1-Commande de l’aéroréfrigérant. Outre le poste de commande locale antidéflagrant sur site, l’alimentation électrique de moteur de l’aéroréfrigérant est située dans une sous station qui est composée d’un certains nombres de panneaux alimenté par des jeux de barres, chaque panneau constitue un CC (control center). Et chaque CC contient plusieurs casiers appelés M.C.C (moteur control center) et chacun de ces derniers réalise la commande d’un moteur. II.5.2-Boucle de régulation de la température de l’aéroréfrigérant à pales variable. Les pales orientables (réglables) se ferment et s’ouvrent en fonction de la température voulue en fonction du processus. Les éléments qui constituent cette boucle de régulation sont : -

Thermocouple : élément capteur serve à la mesure de la température. Régulateur de température Convertisseur du courant à pression.

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CHAPITRE II: Description -Principe de fonctionnement de l’aéroréfrigérant. -

Positionner. Les pales orientables (variables).

Figure II 16:

La boucle de régulation de la température.

En conclusion les aéroréfrigérants permettent de résoudre tous les problèmes de réfrigération dans un très large domaine d’applications (raffineries, pétrochimie, chimie, production d’énergie, etc.), même lorsque la quantité d’eau disponible par l’utilisateur est limitée, voire nulle. Elles conviennent pour le refroidissement des fluides les plus divers grâce au choix de matériaux compatibles avec les propriétés physiques et chimiques des fluides à traiter. La construction est entièrement modulable et se trouve donc adaptée cas par cas aux demandes de l’utilisateur et les exigences de site.

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT Ce chapitre de dimensionnement est constitué de deux parties : La première partie consacré à le calcul thermique de l’aéroréfrigérant coté échangeur et la deuxième partie pour le calcul aérodynamique sur les pales orientables de son ventilateur.

III.1- Calcul thermique et thermodynamique. Les batteries des faisceaux tubulaires (l’échangeur) représentent le cœur de l’aéroréfrigérant, c’est là ou se passe le transfert de chaleur entre le fluide (gaz) et l’air refoulé par le ventilateur axial.la surface d’échange est le premier paramètre qui doit vérifier afin de répondre au transfert de chaleur recherché. L’objectif de ce calcul est de vérifier la validité de l’installation dans les conditions extrêmes de température (t =45°C). Ce calcul consiste à vérifier si la surface d’échange actuelle répond suffisamment au refroidissement du gaz ou non, et de déterminer par la suite les pertes de charges dans l’aéroréfrigérant. [III.1] III.1.1- Les données de départ  Les paramètres du gaz circulant coté tubes. La température d’entrée du gaz : T1=385.15 (K). La température de sortie du gaz : T2=333.15 (K). La température d’entrée de l’air : t1= 318.15 (K). Le débit massique du gaz : G gaz= 659710 (kg/h). Le rendement de l’aéroréfrigérant : η = 0.74 La chaleur spécifique moyenne du gaz : 2.115 (kj/kg.K). Le débit volumique de l’air : Qv = 65.6 (m3/s) pour un ventilateur. La conductivité thermique moyenne du gaz : λmoy = 0.030719 (kcal/m. h.K). La viscosité moyenne du gaz : µmoy = 0.02586 Cp.  Les paramètres du tube. Longueur du tube : 12102 (mm). Nombre de tube par cellule : 294 Diamètre extérieur : d0= dr =25.4 (mm). Diamètre intérieur : dint=22.098 (mm). Epaisseur : 1.651 (mm). Pas triangulaire des tube : s = 63.5 (mm). FHC: 2016 mémoire de fin d’étude pour l’obtention de diplôme master 2 MAUP11

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT Nombre de rangé : 06 Nombre de passe : 02 Conductivité thermique du tube : λ= 40 (kcal/m.h.K).  Les paramètres des ailettes. Ailette de type KLM 1050 Aluminium. Nombre d’ailettes par mètre : 433 Diamètre extérieur : df = 57.15 (mm). Epaisseur : t= 0.35 (mm) Résistance thermique de l’ailette : Rail = 0.000151 (m2.h.K/kcal). R ail = 0.00013 (m2.K/W). Le pas entre les ailettes : δ =1.9594 (mm). La hauteur d’une ailette : l = 15.875 (mm).

Figure III 1

: Les dimensions des ailettes encastrées des tubes.

III.1.2-Calcul de la surface d’échange. Selon la loi de FOURRIER on a :

Q = Ut*A*DTLM …………………….. (III.01) Q : la quantité de chaleur échangée en (kcal/h). Ut : coefficient de transfert de chaleur global en (kcal/h.m2.K). A : la surface d’échange en (m2). DTLM : différence de température logarithmique moyenne en (K).

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT  La chaleur échangée. Le bilan thermique entre les deux fluides nous permet d’écrire :

Q = Ggaz*Cpgaz *(T1-T2) = Gair*Cpair*η (t2-t1)

……………………. (III.02)

Ggaz : le débit massique du gaz en (kg/h). Gair : le débit massique du l’air en (kg/h). Cpgaz : la chaleur spécifique du gaz en (kcal/kg.K). Cpair : la chaleur spécifique de l’air (0,24 kcal/kgK). η: le rendement de l’aéroréfrigérant A.N : Q = 659710*2.115*0.239*(385.15 – 333.15).

Q=17340622.49 (kcal/h).  Calcul de la température de sortie de l’air t 2. Le débit massique de l’air est :

Gair = ρair*Qv Avec : ρair =1.11 kg/m3 à (45°C).

Qv= 65.5 (m3/s).

Et

65.5

𝐆 𝐚𝐢𝐫 = 1.11 ∗ 2.778∗10−4 = 261717.063 (kg/h). (𝐭 𝟐 − 𝐭 𝟏 ) = 𝐆

Q

𝐭𝟐 = 𝐆

𝐚𝐢𝐫 ∗𝐂𝐩 𝐚𝐢𝐫 ∗η

𝐭𝟐 =

Q 𝐚𝐢𝐫 ∗𝐂𝐩 𝐚𝐢𝐫 ∗η

+ 𝐭𝟏

17340622.49 + 318.15 12 ∗ 261717.063 ∗ 0.25 ∗ 0.74

t2 = 𝟑𝟒𝟕. 𝟗𝟗𝟔 (𝐊)  Calcul de la différence de température logarithmique moyenne. On a : ΔTmax = T1- t2 = 385.15-347.996 =37.154 (K). ΔTmin = T2- t1= 333.15- 318.15 = 15 (K).

𝐃𝐓𝐋𝐌 𝐜𝐨𝐧𝐭𝐫𝐞 𝐜𝐨𝐮𝐫𝐚𝐧𝐭 = A.N:

( 𝚫𝐓𝐦𝐚𝐱− 𝚫𝐓𝐦𝐢𝐧) 𝐥𝐧(𝚫𝐓𝐦𝐚𝐱/𝚫𝐓𝐦𝐢𝐧)

𝐃𝐓𝐋𝐌 𝐜𝐨𝐧𝐭𝐫𝐞 𝐜𝐨𝐮𝐫𝐚𝐧𝐭 =

………………. (III.03)

(𝟑𝟕.𝟏𝟓𝟒−𝟏𝟓) 𝟏𝟓𝟒 ) 𝟏𝟓

𝐥𝐧(𝟑𝟕.

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT DTLM contre-courant =𝟐𝟒. 𝟒𝟐𝟓 (𝐊). Pour notre cas étudié on a un écoulement croisé, donc on doit multiplier DTLM par un facteur de correction (Fc). Pour tirer la valeur de ce facteur on calcule les coefficients P et R en fonction des températures d’entrée et de sortie des fluides. (𝐭 −𝐭 )

𝐏 = ( 𝐓𝟐− 𝐭 𝟏) ………………………..(III.04) 𝟏

𝐑= P=

347.996− 318.15 385.15− 318.15

𝟏

( 𝐓𝟏− 𝐓𝟐 ) ( 𝐭𝟐 − 𝐭𝟏 )

………………………..(III.05)

= 0,445

385.15−333.15

R = 347.996−318.15 = 1.742 En utilisant l’annexe A et les deux coefficients on trouve que Fc= 0.93 ……………………..(III.06)

𝐃𝐓𝐋𝐌 𝐜𝐨𝐫𝐫𝐢𝐠é𝐞 = 𝐅𝐜 *DTLM contre-courant

Donc :

DTLM corrigée = 0.93*24.425 = 22.715 (K).  Calcul du coefficient de transfert de chaleur globale 𝟏 𝐔

𝟏

=𝐇

𝐞

𝐚𝐢𝐫

𝐞

𝐞

𝟏

+ ( 𝛌 )𝐢𝐧𝐭 + (𝛌 )𝐞𝐱𝐭 + (𝛌 )𝐀𝐥 + 𝐇

𝐈𝐄

……………………………. (III.07)

Hair : le coefficient de transfert thermique coté air en (kcal/h.m2.K). (e/λ)int =0.0002 (m2.K/kcal) c’est la résistance thermique de la couche d’encrassement interne. (e/λ)ext=0.0004 (m2.K/kcal) c’est la résistance thermique de la couche d’encrassement externe. (e/λ)Al = 0.001651/40=4.1275*10-5 (h.m2.K/kcal) c’est la résistance de la paroi du tube en aluminium. HIE: coefficient de transfert thermique coté tube en (kcal/h.m2.K).  Calcul du coefficient de transfert thermique coté air H air 𝐍𝐮 =

𝐇𝐚𝐢𝐫 ∗𝐝𝟎 𝛌𝐚𝐢𝐫

………. (III.08) on aura :

𝐇𝐚𝐢𝐫 =

𝐍𝐮 ∗𝛌𝐚𝐢𝐫 𝐝𝟎

………..(III.9)

𝐍𝐮 : Nombre de NUSSELT (c’est un nombre adimensionnel qui caractérise le transfert thermique entre un fluide et une paroi.). H air : est donné par la formule de BRIGGS et E.YOUNG : 𝐇𝐚𝐢𝐫 = 𝟎. 𝟏𝟑𝟒(

𝐝𝟎 ∗𝐆𝐦𝐚𝐱 𝟎.𝟔𝟖𝟏 ) µ𝐚𝐢𝐫

∗(

𝐂𝐩𝐚𝐢𝐫 ∗µ𝐚𝐢𝐫 𝟏 𝛌𝐚𝐢𝐫

𝛅

𝛅

𝛌

𝐀

)𝟑 ∗ ( 𝐥 )𝟎.𝟐 ∗ ( 𝐭 )𝟎.𝟏𝟏𝟑𝟒 ∗ ( 𝐝𝐚𝐢𝐫) ∗ (𝐀 𝐭 )…… (III.10) 𝟎

𝟎

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT d0 : diamètre extérieur du tube en (m). Gmax : la vitesse de l’air dans la surface faciale en (kg/m2.s). µair : la viscosité dynamique de l’air à la température moyenne en (m2.s-1). Cp air : la chaleur spécifique de l’air Cpair=0.24 (kcal/kg.K). λair : la conductivité thermique de l’air à la température moyenne en (kcal/h.m.K). δ : la distance entre deux ailettes en (m) δ = (1/Na) – t t : épaisseur d’une ailette. l : la hauteur d’une ailette l = (df – d0)/2 (At/A0) : le rapport entre la surface d’ailettes et la surface du tube nu At/A0=22.686  Calcul de la surface faciale installée.

𝐅𝐀 = 𝐘 ∗W*nbre cellules Y : la longueur d’une cellule. W : la largeur d’une cellule. FA =12.102*3.188*8 = 308.649 (m2).  Calcul de la vitesse de l’air dans la surface faciale 𝐆𝐦𝐚𝐱 = 𝐆𝐦𝐚𝐱 =

12∗261717.063 308.649

𝐆𝐚𝐢𝐫 𝐅𝐀

………………………(III.11)

= 10175.328 (kg/h. m2).

Gmax= 2.826 (kg/m2.s)  Détermination de λair et µair à la température moyenne 𝐭 𝐦𝐨𝐲 =

𝐭 𝟐+ 𝐭 𝟏 318.15 + 347.996 = = 333.073 (K) 𝟐 2

D’après l’annexe D on tire : λair= 0.0287 (W/mK) = 6.853*10-6 (kcal/s.m.K) = 0.0247 (kcal/h.m.K).

µair= 19.9*10-6 (Pa.s).

L’application numérique nous donne la valeur du coefficient de transfert coté air :

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT Hair = 0.134(

0.0254 ∗ 2.826 0.681 0.24 ∗ 19.9 ∗ 10−6 1 0.001951 0,2 ) ∗( )3 ∗ ( ) 19.9 ∗ 10−6 6.853 ∗ 10−6 0.015875 0.001951 0.1134 0.0247 ∗( ) ∗( ) ∗ (22.686) 0.00035 0.0254

Hair = 553.862 (kcal/h.m2.K).  Calcul du coefficient de transfert coté tube. 𝐍𝐮 =

𝐡𝐢𝐧𝐭 ∗𝐝𝐢𝐧𝐭

……..(III.12)

𝛌𝐠𝐚𝐳

𝐡𝐢𝐧𝐭 =

𝐍𝐮 ∗𝛌𝐠𝐚𝐳 𝐝𝐢𝐧𝐭

………………(III.13)

𝐍𝐮 : nombre de NUSSELT. hint : coefficient interne de transfert de chaleur en (kcal/hm2.K). dint : diamètre intérieur du tube en(m). λgaz : la conductivité thermique du gaz à la température moyenne. 𝐇𝐈𝐄 = 𝐡𝐢𝐧𝐭 ∗

On sait que : Et :

Soit :

𝐔

𝐍𝐮 = 𝐉𝐡 ∗ 𝐏𝐫 𝟏/𝟑 ∗ ( 𝐔𝐭 )𝟎.𝟏𝟒

𝐔

( 𝐔𝐭 )𝟎.𝟏𝟒 = 1

𝐝𝐢𝐧𝐭 𝐝𝟎

……………………………. (III.14)

(la corrélation de COLBURN)……… (III.15)

Jh = 0.027*Re0.8 ………(III.16) et 𝐑 𝐞 =

𝐆𝐭∗𝐝𝐢𝐧𝐭 µ𝐠𝐚𝐳

…………. (III.17)

Nu=0.027*Re0.8* Pr1/3

Donc on aura :

Gt : la vitesse massique du gaz en (kg/m2.s).  Calcul de la vitesse massique du gaz 𝐆𝐭 =

𝐆𝐠𝐚𝐳

……………………. (III.18)

𝐚𝐭

Ggaz : le débit massique du gaz en (kg/h) at : la section de passage en (m2)

avec :

N

at = n t ∗ ( pt

π∗d2 int 4

)………..(III.19)

Nt : nombre de tubes. npt : nombre de passes. at =

2352 2

𝐆𝐭 =

∗(

3.14∗0.0220982 4

𝟔𝟓𝟗𝟕𝟏𝟎 𝟑𝟔𝟎𝟎∗𝟎.𝟒𝟓𝟏

) = 0.451 m2

= 406.325 (kg/m2.s).

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43

CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT  Calcul du nombre de REYNOLDS et de PRANDTL 𝐑𝐞 =

406.325∗0.022098 0.02586∗10−3

= 3.472*105

Re > 104 donc le régime est turbulent par conséquent : Jh= 0.027*(3.472*105)0.8=730.849 𝐂𝐩𝐦𝐨𝐲 𝐠𝐚𝐳∗ µ𝐦𝐨𝐲 𝐠𝐚𝐳

𝐏𝐫 =

𝛌𝐦𝐨𝐲 𝐠𝐚𝐳

……………………………………. (III.20)

2.115∗0.02586∗10−3∗3600

𝐏𝐫 =

0.03471∗4.18

= 1.357

Nu=0.027*Re0.8* Pr1/3= 0.027*(3.472*105)0.8(1.357)1/3= 809.135 𝐡𝐢𝐧𝐭 =

𝐍𝐮 ∗𝛌𝐠𝐚𝐳 𝐝𝐢𝐧𝐭

𝐇𝐈𝐄 = 𝐡𝐢𝐧𝐭 ∗

=

𝐝𝐢𝐧𝐭 𝐝𝟎

809.135∗0.03471 0.022098

= 1270.933 (kcal/h.m2.K).

= 1270.933 ∗

0.022098 0.0254

= 1105.712 (kcal/h.m2.K).

 Calcul du coefficient global de transfert de chaleur U. 𝟏

𝟏

𝐔

=𝐇

1

𝐞

𝐚𝐢𝐫

𝐞

𝐞

𝟏

+ ( 𝛌 )𝐢𝐧𝐭 + (𝛌 )𝐞𝐱𝐭 + (𝛌 )𝐀𝐥 + 𝐇

𝐈𝐄

1

= 553.862 + 0.0002 + 0.0004 + 4.1275 ∗ 10−5 + U

1 1105.712

= 0.003351173

U = 298.403 (kcal/h.m2.K) Avec de la résistance des ailettes : 𝟏 𝐔

𝟏

=𝐇 1 U

𝐚𝐢𝐫

𝐞

𝐞

𝐞

𝟏

+ ( 𝛌 )𝐢𝐧𝐭 + (𝛌 )𝐞𝐱𝐭 + (𝛌 )𝐀𝐥 + 𝐇 + 𝐑 𝐚𝐢𝐋 ………………………. (III.21) 𝐈𝐄

1

1

= 615.999 + 0.0002 + 0.0004 + 4.1275 ∗ 10−5 + 1105.712 + 0.000151 = 0.003502173

Ut = 285.537 (kcal/h.m2.K)  Calcul de la surface d’échange A=

Q 17340622.49 = Ut ∗ DTLM corrigée 285.537 ∗ 22.712

𝐀 = 2673.911 (m2).  Calcul de la surface d’échange installée A installée= A tubes nu *

𝐀𝐭 𝐀𝟎

…………………………………. (III.22)

A tubes nu : la surface totale des tubes nu.

Atubes nu= π*de*L*Nt…………. (III.23)

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT 𝐀𝐭 𝐀𝟎

: Le rapport entre la surface des ailettes et la surface du tube nu.

A tubes nu =3.14*0.0254*12.102*2352= 2270.167 (m2). A.N :

A installée= 2270.167 * 22.686 = 51501.008 (m2). III.1.3-Calcul des pertes de charges. III.1.3.1-Perte de charge à l’intérieur du tube. La perte de charge est donnée par l’équation conventionnelle pour les échangeurs : 𝚫𝐏 𝐭 = 𝐧 𝐩𝐭 ∗ 𝛒 ∗ 𝐕 𝟐 ( 𝐟𝐭 ∗

𝐋𝐢 𝐝𝐢𝐧𝐭

+ 𝟐)

( 𝐏𝐚) ………………………(III.24)

npt : nombre de passes. ρ : la masse volumique du gaz (dans les conditions opératoires ρ gaz= 66.456 (kg/m3). V : la vitesse du gaz à l’intérieur du tube. 𝐕=

𝐆𝐠𝐚𝐳 𝐚𝐭 ∗ 𝛒𝐠𝐚𝐳

………………………………….. (III.25)

659710

m

𝐕 = 0.451∗66.456∗3600 = 6.114 ( s ). at : la section de passage en (m2) :

St=0.451 (m2)

ft : coefficient de frottement des tubes en fonction du nombre de Reynolds. D’après l’annexe B : ft =0.008 12.102

ΔP t = 2 ∗ 66.456 ∗ 6.1142 (0.008 ∗ 0.022098 + 2) = 31704.300 (Pa).

ΔPt = 0.317043 (bars). III.1.3.2- Les pertes de charge de l’air à travers les faisceaux. On utilise la formule de ROBINSON et BRIGGS :

𝚫𝐏𝐚 =

𝐅𝐚 ∗ 𝐆𝐦𝐚𝐱 𝟐 ∗ 𝐍𝐑 𝛒𝐦𝐨𝐲

………………………………………………. (III.26) 𝐝𝐫 ∗𝑮𝒎𝒂𝒙 −𝟎,𝟑𝟏𝟔 𝐬 −𝟎,𝟗𝟐𝟕 ) ( ) µ𝐚𝐢𝐫 𝐝𝐫

Avec : 𝐅𝐚 = 𝟏𝟖, 𝟗𝟑(

0.0254 ∗ 2.826 −0.316 0.0635 −0.927 𝐅𝐚 = 18.93( ) ( ) = 0.608 19.9 ∗ 10−6 0.0254 ρmoy : la masse volumique moyenne de l’air. FHC: 2016 mémoire de fin d’étude pour l’obtention de diplôme master 2 MAUP11

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT 𝒕

𝛒𝐦𝐨𝐲 = 𝛒𝟎 ( 𝐭 𝟎 ) 𝐟𝐚 ……………………………………………………(III.27) 𝐦

fa : facteur de correction de densité de l’air en fonction de l’altitude. Pour déterminer sa valeur on utilise l’annexe C. L’altitude de la région est de 762 (m) donc : fa=0.93 293.15

ρmoy = 1.204 (273.15+60) 0.93 = 0.985 (kg/m3) ΔPa =

0.608∗2.8262 ∗6 0.985

= 29.578 (Pa)

ΔPa= 2.9578*10-4 (bars).

ΔPtotale= ΔPt+ ΔPa ΔPtotale= 0.317043 +2.9578*10-4 = 0.317333878 (bars). Et on a comme donnée : ΔPadm=0.5 (bars). Donc :

ΔPtotale < ΔPadm

Interprétation des résultats Les pertes de charge côté air ne doivent pas être très importantes, en effet les ventilateurs axiaux permettent de vaincre des pertes de charges variant entre 200 et 400 Pa, ce qui laisse en réalité une marge possible de vitesses faciales assez petites et variant de 2 à 4 m/s. Si les pertes de charges côté air sont trop importantes, on doit revoir à la baisse de la vitesse faciale de l’air de façon à réduire la perte de charge et si cette perte de charge est au contraire très faible, il est nécessaire alors d’augmenter la vitesse de l’air pour améliorer le coefficient de convection. La perte de charge totale, qui est la somme des pertes de charges coté air et des pertes de charges à l’intérieur du tube, est comparé à la perte de charge admissible. Si Δptotale>Δpadm, on peut réduire principalement la vitesse d’écoulement du fluide à l’intérieur du tube en augmentant le nombre de rangées par passes ou le nombre de tubes par rangée. On peut aussi exceptionnellement augmenter le diamètre du tube si l’encombrement devient important, ou si l’on dépasse un nombre de rangées totales maxi (12) D’après le calcul fait précédemment, la surface d’échange actuelle est encore suffisante pour le refroidissement du gaz. Donc l’échangeur de l’aéroréfrigérant est toujours en bon état coté performance et fiabilité et Le calcul des pertes de charges totales ΔPtotale < ΔPadm, nous permet de conclure que l’installation fonctionne normalement.

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46

CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT

III.2-Calcul aérodynamique. Cette partie de calcul est basé sur l’étude aérodynamique de profil creux de la pale orientable de ventilateur axial. La plupart des définitions sont extrait de [III.2] et [III.3] III.2.1-Les coefficients aérodynamiques. 

Coefficients de portance et de traînée.

La résultante aérodynamique varie selon de nombreux paramètres (surface, vitesse du vent relatif, densité de l'air, etc. .). La résultante varie également en fonction de la forme en plan de la pale, de son profil, de son état de surface et de son incidence. On a coutume de regrouper ces derniers paramètres et de les représenter par des coefficients uniques dit coefficients aérodynamiques. Ces coefficients sont le reflet des qualités aérodynamiques d'un objet placé dans un écoulement. Le Cz traduit l'aptitude du volume à transformer en portance les pressions exercées sur lui par les tubes de courant qui le contournent. Le Cx est le coefficient de « défaut résiduel », générateur de traînée, qui accompagne inévitablement cette transformation. Il faut savoir que le Cz et le Cx varient en fonction de l’angle d’attaque. III.2.2-La résistance de l’air. L’air est un mélange gazeux qui constitue l’atmosphère terrestre .Il est composé de molécules extrêmement mobiles les unes par rapport aux autres. Comme tous les fluides, il a des propriétés physiques bien définies :    

La compressibilité : il a la tendance de diminuer son volume sous l’effet d’une pression. L’expansibilité : il a la tendance à occuper un plus grand espace. L’élasticité : il a la tendance de reprendre leur état primitif dès que cesse la compression ou la détente. L’air est pesant par rapport aux autres corps, mais leur poids reste faible.

L’état de l’air est définit par : La masse volumique, la pression, la température, la viscosité dynamique et cinématique, la conductivité thermique.

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT Un corps en mouvement dans l’espace est soumis à une résistance de la part de l’air, cette résistance tend à s’opposer leur mouvement. Elle dépend des propriétés de l’air et aussi des caractéristiques du corps. En chaque point de la surface de ce corps, l’action de l’air se traduit par :  

Une force élémentaire de pression perpendiculaire à la surface. Une force élémentaire de frottement tangente à la surface.

Figure III 2 :L’action

de l’air sur une surface.

Les paramètres influençant sur la résistance de l’air sont : L’aire, la vitesse, la masse volumique et la forme du corps. Cette résistance est exprimée par l’équation : R = K.ρ.V2.S …………………………………………………… (III.28) R : la résistance de l’air exprimée en (N). K : coefficient qui tient compte de la forme du corps et de son état de surface. ρ : la masse volumique de l’air exprimée en (kg/m3 ). V : la vitesse exprimée en (m/s). S : l’aire exprimée en (m2). D’où on voit bien que la résistance de l’air est proportionnelle à la surface et au carré de la vitesse. III.2.3-Trainée et couche limite. Les écoulements de l’air. 

Ecoulement laminaire.

L’air se déplace sans rencontrer d’obstacles ou de forces de déviation. Le fluide se comporte comme s’il était inclus dans une multitude de tuyaux parallèles et juxtaposés. Tous FHC: 2016 mémoire de fin d’étude pour l’obtention de diplôme master 2 MAUP11

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT ces filets d’air affichent la même vitesse et la même direction. La pression est uniforme dans toute la veine.

Figure III 3



: Écoulement laminaire

Ecoulement turbulent.

Le mouvement d’ensemble du fluide suit toujours la même direction, mais le déplacement des molécules devient anarchique et ne présente plus aucun caractère de permanence et de régularité.

Figure III 4:



Ecoulement turbulent

Ecoulement tourbillonnaire.

Cas particulier de l’écoulement turbulent dépassé. Ce régime tourbillonnaire semble vouloir réorganiser l’agitation désordonnée de l’écoulement turbulent. Les filets d’air déviés dans tous les sens s’organisent, se regroupent, prennent une direction commune circulaire et associent leur intensité.

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT

Figure III 5:

Ecoulement tourbillonnaire

La couche limite. Dans un écoulement, au voisinage d’une surface solide, la vitesse de l’écoulement ralentit au fur et à mesure que l’on s’en approche pour finalement s’annuler au contact de celle-ci.

Figure III 6:

Représentation de la couche limite

Alors là, la couche limite c’est la couche entre la surface et la limite de l’écoulement non ralenti. La trainée : est une résistance rencontrée par un corps qui passe à travers d’un fluide. La trainée de forme : est accordée à l’écoulement d’un fluide visqueux autour d’un corps solide ce que provoque la formation des tourbillons et les filets de l’écoulement ne sont pas lisses. III.2.4- Paramètres influençant la résistance de l’air. Ce gaz pesant est constitué d'un ensemble de particules élémentaires que l’on doit déplacer lorsque l’on avance. A basse vitesse et compte tenu que notre surface opposée aux molécules est petite, les forces engendrées pour ce déplacement sont de faible valeur et la difficulté de déplacement n’apparaît presque pas. Par contre, l’augmentation de vitesse ou de (et) de surface engendre un effet de résistance de l'air non négligeable. Cette résistance de l'air est le principal problème des ingénieurs aérodynamiciens, que ce soit pour les véhicules automobiles, les trains ou les avions.

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT 

Influence de la surface de la pale.

Les forces de frottement, dues à la viscosité de l’air, ont un effet directement en rapport avec l’étendue de la surface du corps et aussi avec l’état de cette surface. D’où la résistance de l’air est proportionnelle à l’air opposée au vent relatif. 

Influence de la forme de la pale.

Les forces de pression dépendent de la forme du corps et la disposition que celui-ci occupe par rapport à la direction de la vitesse relative. Pour des différentes formes des corps : un disque plat perpendiculaire au courant d’air, une demi-sphère à l’avant, une sphère et un corps en forme ogive.

Figure III 7 :

Influence de la forme du corps sur la trajectoire de l’air

On remarque que l’écoulement est amélioré et la résistance est fortement diminuée pour ces dernières formes respectivement. III.2.5 - Principales caractéristiques des pales. Une pale est un dispositif aérodynamique destiné à transformer une énergie motrice en accélération du fluide dans lequel il se déplace. Sa conception doit être assurée le bon fonctionnement, le bon rendement et une durée de vie assez importante. Pour avoir telles pales le constructeur doit prendre en considération plusieurs contraintes qui caractérisent ces pales : Leur longueur. Leur largeur. Leur profil.

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT Leurs matériaux. Leur nombre.

III.2.5.1- Les différentes parties de la pale. Le bord d’attaque : le point le plus en avant de la pale ou la pale commence à brasser l’air. Le bord de fuite : le point le plus en arrière de la pale, à partir de lequel l’air n’est plus brasser par la pale. L’extrados : c’est la surface supérieure de la pale. L’intrados : c’est la surface inférieure de la pale. Saumon : extrémité libre de la pale. Emplanture : extrémité de la pale en contact avec le rotor.

Figure III 8 :

Les différentes parties de la pale

III.2.5.2- Caractéristiques géométriques d’une pale. La géométrie d’une pale se définit en fonction de plusieurs éléments : L’envergure L : c’est la distance entre les deux extrémités de la pale. La surface alaire S : c’est la surface de la projection du contour horizontale des pales. La flèche : c’est l’angle entre la perpendiculaire de l’axe longitudinale du ventilateur et le bord d’attaque de la pale. La charge alaire : exprimée par le rapport portance/surface alaire ou bien poids du ventilateur/surface alaire. L’allongement : en aérodynamique, l’allongement se calcule en divisant le carré de l’envergure par la surface des pales. A =L2/S……………. (III.29) FHC: 2016 mémoire de fin d’étude pour l’obtention de diplôme master 2 MAUP11

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT Et aussi c’est l’envergure par la longueur de la corde moyenne

A =L/C…….. (III.30)

Le dièdre : c’est l’angle formé par le plan des pales et le plan horizontal. L’angle de calage : c’est l’angle formé par la corde du profil d’emplanture et l’axe longitudinale de référence du fuselage.

III.3 - Forces exercées sur une pale. III.3.1-Action de l’air sur une pale. La résultante aérodynamique. C’est la force générée par l’ensemble des surpressions sur l’intrados et dépressions à l’extrados, en réalité ces forces sont réparties sur toute la surface mais pour simplifier l’étude on les ramène vers un point d’application appelé le centre de poussé.

Figure III 9 : représentation

de la résultante aérodynamique

Ce dernier point dépend de deux contraintes : le profil et son orientation par rapport au vent relatif, l’angle d’incidence. Origine de la surpression intrados et dépression extrados. L’ingénieur Bernoulli a mis en évidence que toute augmentation de la vitesse d’un fluide induit une diminution de la pression statique (dépression) : Pression totale = Pression statique + Pression dynamique = constante Le filet d'air de l'extrados parcourt, du fait de la forme du profil, une distance supérieure à celle qu'il aurait parcourue en atmosphère non perturbée (hors de la présence de la pale). Comme il ne peut y avoir accumulation ou disparition de l'air, le filet d'air sur l'extrados est accéléré ce qui entraîne une dépression (-). Le phénomène inverse se produit sur l'intrados, (chemin plus court, ralentissement de l'air, compression), ce qui entraîne une surpression (+). La figure ci-dessous traduit cette théorie selon le théorème de BERNOUILLI :

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT

Figure III 10 : théorème

de Bernoulli sur une pale.

III.3.2- Portance et trainée. La portance et la trainée sont des projections orthogonales (sur l’axe x et l’axe z de la pale) d’une force appelée résultante aérodynamique. La portance est la force, due à la surpression - dépression, exercée sur le profil de la pale lors de sa rotation, qui est orientée perpendiculairement à l'axe du vent relatif. La portance est la partie utile de la résultante, si on prend un avion comme un exemple, dès que la portance est égale ou supérieure à son poids, celui-ci peut se maintenir en équilibre dans l’air. Le profil de l’aile présentant une certaine surface au vent relatif (maitre-couple) est freiné, on appelle ce freinage : la traînée. C'est la force exercée par le vent relatif sur le profil. Elle a le même axe que 1e vent relatif, la traînée est donc un obstacle à la vitesse de la pale car elle le ralentit. La traînée est une source de pertes de performances aérodynamiques. La trainée est la partie nuisible de cette résultante, c’est pour ça il faut la diminuer au maximum pour que le corps peut avancer facilement. Portance et trainée à partir d’une plaque. Pour une plaque plane placée perpendiculairement à la direction d’un courant d’air, on distingue deux zones l’une d’une pression à l’avant de la plaque et l’autre d’une dépression à l’arrière. Pour une plaque plane parallèle au courant d’air, le frottement de l’air sur les deux surfaces de la plaque crée une résistance minimale. Si on incline la plaque avec un certain angle par rapport à la direction du courant de l’air, l’effet de l’air cette fois se traduit par une force inclinée vers l’arrière, c’est la résultante aérodynamique.

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT

Figure III 11 : résultante

aérodynamique pour une plaque plane inclinée.

Cette dernière peut se décomposer en deux forces composantes :  

Une composante horizontale parallèle au sens de l’écoulement, on l’appelle la trainée. Une composante perpendiculaire à la trainée, dirigée vers le haut, c’est la portance.

Influence de la surface et de la vitesse. 

La surface alaire.

L'un des premiers paramètres qui influe sur la résultante aérodynamique est la surface totale sur laquelle les forces sont appliquées, plus la surface offerte au courant d'air est grande, plus la résultante aérodynamique est importante. Des essais en soufflerie montrent que cette résistance est directement proportionnelle à la surface alaire. 

La vitesse de déplacement.

L'intensité de la résultante aérodynamique augmente avec le carré de la vitesse de la pale. On peut déduire ça à partir de la formule de la résultante aérodynamique qui est la suivante : Fa = ρ. S .V2. Cr ……………………………………… (III.31) Cr : coefficient aérodynamique. ρ : masse volumique de l'air en (kg/m3). V : vitesse de la pale en (m/s2). S : surface de la pale en (m2). Vitesse multipliée par

Résultante multipliée par

2

4

3

9

4 16 Tableau III.1 : La relation de proportionnalité entre la vitesse et la résultante aérodynamique.

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT Expression de la portance Fz et de la trainée Fx. La portance :

Fz = ½. ρ .S .V². Cz ……………………………… (III.32)

Tel que : Fz : c’est la force de portance exprimée en (N). ρ : la masse volumique de l’aie exprimée en (Kg/m3). S : la surface du corps exprimée en (m2). V : la vitesse du vent relatif exprimée en (m/s). Cz : le coefficient de portance sans unité. La trainée :

Fx = ½ .ρ .S .V². Cx ……………………………….. (III.33)

Tel que : Fx : la force de trainée exprimée en (N). Cx : le coefficient de trainée sans unité.

III.4- Etude d’un profil aérodynamique. Un profil aérodynamique c’est une section verticale de la pale par un plan perpendiculaire au plan de rotation, cette section détermine un contour géométrique que l’on utilise pour figurer le profil d’une pale. III.4.1- Caractéristiques géométrique d’un profil de la pale. Le bord d’attaque : le point le plus en avant du profil. Le bord de fuite : le point le plus en arrière du profil. La corde : segment de droite joignant le bord d’attaque au bord de fuite, appelée également profondeur de profil et sa longueur varie le long de la pale. Profondeur : la longueur de la corde. La ligne moyenne : ligne formée par tous les points équidistants de l’extrados et l’intrados. Epaisseur : la distance maximale entre l’intrados et l’extrados. Epaisseur relative : le rapport entre l’épaisseur et la profondeur du profil, exprimé en pourcentage. Cambrure : la distance entre la corde et la ligne moyenne mesurée perpendiculairement à la corde, la cambrure varie du bord d’attaque au bord de fuite le long d’un profil. La forme de la pale selon son profil et son allongement influe sur la résultante aérodynamique, d’où la nécessité de bien choisir les profils qui sont classés en différent types suivant la forme générale qu’ils ont. Il existe plusieurs types de profil parmi eux on distingue : FHC: 2016 mémoire de fin d’étude pour l’obtention de diplôme master 2 MAUP11

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT 

Profil biconvexe : l’intrados et l’extrados sont tous les deux convexes, on a deux types :

Profil biconvexe symétrique : ce profil n’a pas de portance aux faibles incidences car, à 0°, l’air parcourt strictement la même distance sur l’extrados et l’intrados (l’intrados et l’extrados convexes sont symétriques par rapport à la corde). La ligne moyenne est rectiligne et est confondue avec la corde. Ces profils sont utilisés pour les empennages verticaux et horizontaux.

Figure III 12 : profil

biconvexe symétrique

Profil biconvexe dissymétrique : La courbure de l’extrados est plus accentuée que celle de l’intrados. La ligne moyenne est à simple courbure (intrados et extrados convexes) Ces profils sont les plus employés pour les ailes d’avion de loisir.

Figure III 13 : profil



biconvexe dissymétrique

Profil plan convexe : la ligne moyenne est à simple courbure, l’intrados est plat et l’extrados convexe.

Ce profil a une très forte portance dès les faibles incidences et une trainée moyenne et son centre de gravité a tendance de se déplacer. Il est très utilisé en modélisme car il est facile.

Figure III 14 : profil



plan convexe.

Profil creux : L’extrados est convexe et l’intrados concave. Ces profils sont très porteurs mais génèrent une trainée importante.

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT Ce type de profil était très utilisé La ligne moyenne est à simple courbure.

Figure III 15 : profil





pour

les

planeurs.

creux

Profil dit auto-stable ou double courbure: La ligne moyenne est à double courbure. La seconde courbure de la ligne moyenne confère des qualités de stabilité́ d’où̀ le qualificatif d’AUTOSTABLE. Ce profil peu répandu est surtout utilisé pour les ailes volantes

Figure III 16 : profil



autrefois

auto-stable

Profil supercritique ou reflex : Double courbure inversée. Extrados très tendu (grand rayon de courbure). Dans la zone du bord d'attaque de l'extrados rayon de courbure mini. Forte épaisseur relative de l'ordre de 17%. Profil laminaire : ces profils utilisés pour des vols plus rapide, ce sont des biconvexes symétriques ou dissymétriques de très faible épaisseur, ce qui permet de limiter la trainée aux très hautes vitesses.

III.4.2- Caractéristique dynamiques d’une pale. 

L’angle d’incidence(i): est l’angle formé entre la corde et la direction des filets d’air (vent relatif).

Il existe d’autre angle que on ne doit pas les confondus avec l’angle d’incidence. L’angle de calage c’est l’angle formé par la pale et le plan de rotation de la pale, la somme de ses deux angles forme l’angle d’attaque.

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT :angle d’attaque (en degrés) : angle d’incidence (en degrés) : angle de calage (en degrés) : vitesse du vent (en m/s) : vitesse tangentielle (en m/s) Lorsque l’angle d’incidence change, les conditions changent aussi bien sous l’intrados que sur l’extrados. Au fur et à mesure que l’angle d’incidence augmente, l’air sur l’extrados doit alimenter seul, une zone, s’élargissant de plus en plus. Lorsque l’incidence atteint une certaine valeur, le champ de dépression sur l’extrados diminue brutalement alors qu’à l’intrados il y a peu d’évolution c’est l’incidence de décrochage. L’augmentation de la portance avec l’angle d’incidence vient à la fois de l’augmentation de la pression dynamique sous l’intrados et de l’augmentation de la vitesse d’écoulement sur l’extrados à cause de la légère pression qui règne en aval.

Figure III 17 : influence



de l’angle d’incidence.

La finesse : est le rapport entre la portance et la trainée, elle doit être assez grande pour que la trainée n’absorbe pas une partie trop élevée du couple moteur.

La finesse maximale ne dépend pas du poids mais du coefficient de portance et donc de l'incidence de la pale. La finesse d’un profil augmente avec son allongement. Les différentes expressions de la finesse :

F= Fz/Fx = Cz/Cx = 1/tan(i) ……………………………… (III.34) Avec :

F : la finesse. Fz et Fx force de portance et de trainée respectivement. Cz et Cx coefficient de portance et de trainée respectivement. i : l’angle d’incidence.

D’après la formule de la finesse on voit bien qu’elle dépend de deux facteurs :

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59

CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT 

Le Cx : plus l'épaisseur relative du profil est importante plus le Cx est important, pour augmenter la finesse nous pouvons donc diminuer l'épaisseur relative.

La traînée est principalement le résultat de deux forces, les forces de pression et les forces de frottement. Notons que la traînée de pression peut devenir minoritaire aux faibles épaisseurs relatives, ce qui implique que pour optimiser notre pale à la faible épaisseur nous devrons prêter attention à l’état de surface qui est fortement impliqué dans la traînée de frottement. La figure ci-dessous nous donne la dépendance entre la force de trainée et l’épaisseur relative :

Figure III 18 : la



force de trainée en fonction de l’épaisseur relative.

Le Cz : nous pouvons augmenter notre finesse, en augmentant le coefficient de portance Cz de notre profil, plus nous dévierons le fluide vers le bas plus la force de portance vers le haut sera importante tout en assurant que l’angle de déviation est

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60

CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT inférieur à l’angle de décrochage qui peut être définit comme la perte plus ou moins brusque de portance entraînant de fait une déformation voire une rupture de la pale.

III .5-Partie calcul. Notre objectif dans cette partie est de déterminer l’angle d’incidence qui correspond à une portance maximale afin de le comparer à l’angle mis en service actuellement sur site et de mettre en évidence à partir de quel angle on aura le risque de décrochage aérodynamique. Le déroulement de calcul sera comme suit : On doit tout d’abord calculer la vitesse de l’air en utilisant le triangle de vitesse afin de calculer le nombre de Reynolds (Re). Connaissant ce nombre et l’angle d’incidence (i) on détermine la valeur de Cz et Cx en utilisant les graphes représentant ces deux coefficients en fonction de (Re) et (i). A partir de la polaire on détermine l’angle de portance maximale qui est l’angle critique et par la suite la recherche de l’angle d’incidence optimum. III .5.1-Calcul de la vitesse de l’air. La vitesse angulaire :

ω= 2𝝅. 𝒇 ………………………………….. (III.35) : vitesse angulaire (en rad/s) : fréquence de rotation du rotor (en hertz == s-1 == tour/seconde) On a:

= 4,183 tour/s

D’où :

= 2π*4,183= 26,269 rad/s

La vitesse du vent créé par le déplacement de la pale.

: vitesse du vent dû au déplacement de la pale ou vitesse tangentielle (en m/s) : vitesse angulaire du rotor (en rad/s) : distance du point considéré à l'axe de rotation (en m) : Fréquence de rotation du rotor (en tour/min) U=

D

∗ 2 = 26,269 ∗

3,658 2

= 48,401 (m/s).

La vitesse relative de la pale. ………………………………………….. (III.36)

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61

CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT : vitesse relative de la pale (en m/s) : vitesse du vent (en m/s) : vitesse tangentielle du point considéré (en m/s) Angle d'attaque des pales.

Avec :

: angle d’attaque (en degrés) : angle d’incidence (en degrés) : angle de calage (en degrés) : vitesse du vent (en m/s) : vitesse tangentielle (en m/s)

On a α = 21° D’où on peut déterminer la valeur de la vitesse du vent ( ). tan(α) =

= tan(α) ∗

donc:

= 0,384 ∗ 48,401 = 18,586 m/s.

La vitesse relative de la pale. = √18.5862 + 48.4012 = 51,847 (m/s). Vitesse spécifique. C’est le paramètre de rapidité noté (λ) égale au rapport entre la vitesse de l’extrémité de pale U et la vitesse du vent, selon ce rapport on peut classer les éoliennes comme suit : 𝛌=

𝐔

………………………………………. (III.37)

Si λ < 3 le ventilateur est lent. Si λ > 3 le ventilateur est rapide. Pour notre cas : λ =

U

=

48,401 18,586

= 2,6 donc il est lent.

III.5.2-Calcul du nombre de Reynolds. Nombre de Reynolds, qui caractérise l’écoulement d’air (de fluide en général) et dont va dépendre la polaire. Ce nombre caractérise l’écoulement de l’air autour d’un obstacle en général. On définit le nombre de Reynolds (Re), qui est un nombre sans unité, par :

𝐑𝐞 = Tel que

𝐈∗𝐕∗𝛒 µ

…………………………. (III.38)

V : est la vitesse de l’air m/s.

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62

CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT l : est une longueur de référence en (m) égale à la longueur de la corde pour la pale (ou bien la corde moyenne) ρ: la masse volumique de l’air (1,110 kg/m3 à 45 °C) μ : est la valeur de la viscosité dynamique, exprimée en Poiseuille (m2 s-1). Sa valeur est de 1,925* 10-5 à 45 °C.

𝐑𝐞 =

𝟎.𝟒𝟎∗𝟏𝟖.𝟓𝟖𝟔 ∗𝟏.𝟏𝟏 𝟏.𝟗𝟐𝟓∗ 𝟏𝟎−𝟓

=3,862*105

Les graphes suivants nous permettent de tirer les valeurs de Cz et Cx :

Figure III 19 : l’incidence

d’exploitation et de décrochage.

A partir des graphes on voit que : Cz= 1.18 et Cx = 0.078 Connaissant (Re) on peut déduire la polaire de notre pale. La polaire: par définition est la courbe essentielle pour déterminer les caractéristiques d'un profil, d'une aile d’un avion ou d'une pale d’un ventilateur. Elle montre comment varie la portance et la trainée, en fonction de l'angle d'incidence. La polaire est donc la "carte d'identité " aérodynamique de la pale. Elle indique les caractéristiques de la pale et permet des comparaisons avec d'autres. Le but étant d'obtenir le maximum de portance pour un minimum de trainée. Il est donc intéressant de calculer le rapport entre le coefficient de portance et le coefficient de trainée.

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CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT DE L’AEROREFRIGERANT 𝐂𝐳

Pour notre cas. f = 𝐂𝐱 =

1.18 0.078

= 15.128

L=1.21 (m) , c = 0.4(m), la surface d’une pale : 0.484 (m2), A =

𝐋 𝐜

=

1,21 0,31

= 3.903 ,

= 9°

Surface de la pale ……………………………………. (III.39) : La surface de la pale en (m2) : Corde de la pale en (m). : Longueur de la pale en (m). Calcul de portance et de trainée pour notre cas (profil creux). On a S = 0.484 (m2), V= 51.847 (m/s) , ρ = 1.110 (kg/m3) à 45 (°C), Cz = 1.18

et Cx =0.078

Fz = ½ *1.11* 51.8472*0.484*1.18 = 852.055 (N). Fx = ½* 1.11* 51.8472*0.484*0.078 = 56.322 (N). Connaissant ces deux composantes, on peut calculer la résultante aérodynamique. Calcul de la résultante aérodynamique. En utilisant le théorème de PETHAGORS :

Fa2 = Fz2 + Fx2 ……………………. (III.40)

Alors : Fa = (Fz2 + Fx2)1/2 = (852.0552 + 56.3222)1/2 = 853.914 (N). Fa : résultante aérodynamique. Détermination de l’angle de portance maximale (angle critique). Par une lecture sur le graphe de la polaire on détermine le coefficient de portance maximale (le point ou la tangente est nulle), après on détermine l’angle correspondant à ce coefficient en utilisant le graphe Cz = f(i). On trouve que : Cz = 1,2 et i = 11° III.5.3-Recherche de l’angle d’incidence optimum par l’analyse graphique. En aérodynamique des pales, le choix des incidences est gouverné par deux contraintes : portance maximale, trainée minimale. Tenant compte de ces deux contraintes on peut proposer l’angle d’incidence optimum pour notre pale. Par l’analyse du graphe Cx = f (i, Re), on voit bien que aux incidences faibles le coefficient de trainée reste faible (i= 120 (MPa). La limite d’élasticité est donnée : σ0.2 >= 60 (MPa). IV.4.1-Calcul et détermination de centre de gravité G de système (pale +bras +le Bushing (la bague)). Le travail qu’on effectuera consiste à déterminer les coordonnées X G et YG du système dans le repère cartésien indiqué sur le profil de la perspective étudie ci-dessous. En utilisant la méthode de moment statique. Sachant que les dimensions de chaque section décomposée sont connues.

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74

Chapitre IV : Calcul de résistance d’une pale de ventilateur

Figure IV 13

: le profil simplifié de l’ensemble de pale.

-On définit la section d’étude en utilisant les données que nous avons procurées et ensuite on positionne le repère. -On décompose la section d’étude en figures géométriques simples dont leurs centres de gravités sont connus. - et la dernière étape consiste à mener le calcul des coordonnées XG et YG de centre de gravité de la section totale par l’application des formules mathématiques de moment statique suivantes. Ʃ Mi, sta (/X)=Ʃ Si . YG ………. (1) Ʃ Mi ,sta (/Y) =Ʃ Si . XG ............ (2) On rappelle que : -Dans un triangle rectangle, il est facile de repérer la position du centre de gravité en utilisant la régler des 2/3. Comme il est montré sur la figure ci-dessous. -Le centre de gravité d’un rectangle (carré) se trouve à l’intersection des 2 diagonales.

Figure IV 14

: le centre de gravité des sections connues.

Donc par projection sur les deux axes X et Y on peut tirer les coordonnées de chaque section. On regroupe les résultats du calcul dans le tableau suivant :

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Chapitre IV : Calcul de résistance d’une pale de ventilateur Elément

Surface (mm2)

XG (mm)

YG (mm)

1042

Moment statique (/YG) 491719800

44.5

Moment statique (/XG) 20999550

1

471900

2

6050

840.33

5083996.5

234.83

1420721.5

3

6050

840.33

5083996.5

-153.83

-930671.5

4

24225

224.5

5438512.5

36.5

884212.5

5

876

6

5256

36.5

31974

Total

509101

Tableau IV III

?

507331561.5

?

22405786.5

: les coordonnées calculées des différentes sections de l’ensemble de pales.

Et le calcul des coordonnées de centre de gravité de l’ensemble des sections (l’intégrité de la pale) sera comme suit :

XG =

YG =

𝑺𝒐𝒎𝒎𝒆 𝒅𝒆𝒔 𝒎𝒐𝒎𝒆𝒏𝒕𝒔 𝒔𝒕𝒂𝒕𝒊𝒒𝒖𝒆𝒔 /𝒀 𝑺𝒐𝒎𝒎𝒆 𝒅𝒆𝒔 𝒔𝒖𝒓𝒇𝒂𝒄𝒆𝒔

𝑺𝒐𝒎𝒎𝒆 𝒅𝒆𝒔 𝒎𝒐𝒎𝒆𝒏𝒕𝒔 𝒔𝒕𝒂𝒕𝒊𝒒𝒖𝒆𝒔 /𝑿 𝑺𝒐𝒎𝒎𝒆 𝒅𝒆𝒔 𝒔𝒖𝒓𝒇𝒂𝒄𝒆𝒔

=

=

507331561.5 509101

22405796.5 509101

= 996.52 (mm) = 0.9965 (m).

= 44.01 (mm) = 0.044 (m)

Donc les coordonnées de centre de gravité de la pale sont : XG = 0.9965 YG = 0.044

En mètre

Par la suite on déduit que la valeur numérique du rayon est : R= XG= 0.9965 (m). La masse de la pale est: m = Ʃ mi = m1+ m2+ m3 ……(3). A.N : m = 4.8+3.5+0.5= 8.8 (Kg).

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Chapitre IV : Calcul de résistance d’une pale de ventilateur IV.4.2-Calcul de la vitesse de rotation admissible critique à la traction. Hypothèses : -on suppose que l’extrémité de la bague coté rotor est maintenu par la force de rappel de système pneumatique à l’angle maximale de l’orientation des pales. -la pale est soumise à trois forces : -son poids 𝜌 = 𝑚. 𝐺 -la résultante aérodynamique Fa -la force centrifuge Fcent. -la force de portance et le poids sont négligeables devant la force centrifuge et le système est en équilibre. Donc on a d’une part : Fcent = (m. v2)/R = m. R. ω2 ……..(4) Avec : Fcent : force centrifuge en (N). m : masse de système étudié (l’ensemble de la pale) en (kg). v : la vitesse linéaire en (m/s). R : le rayon en (m). ω : la vitesse angulaire en (rad/s). Et d’autre part : σadm = Fcent /S ……….. (5) D’où :

Fcent = σadm. S

Avec : σadm : la contrainte de traction de matériau admissible (alliage d’aluminium) en (MPa) Fcent : force centrifuge en (N). S : la surface de la bague (la pièce la plus dangereuse contre la traction) en (mm2). Application numérique: Fcent = σadm. S = 120 * 2550.47= 306056.4 (N). Par la suite on tire la vitesse de rotation critique de l’équation (4) : ω2 critique = Fcent / m. R …………(6). Le calcul numérique nous donne : ω2 critique = 34901.29

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Chapitre IV : Calcul de résistance d’une pale de ventilateur

ω critique = 186.82 (rad/s) Et on a : ω= 2π.N/60 …….. (7)

N= 60.ω/2.𝝅

Application numérique nous donne : N= 1784 (tr/min)

Pour un disque rotor à lequel un nombre de pales >2 est attaché, la vitesse de rotation de sécurité est 50% de la vitesse critique calculée. Donc pour notre cas la vitesse de rotation de sécurité à laquelle le ventilateur peut tourner est : Ns = N*50% = 892 (tr/min)

Interprétation du résultat : On voit bien que le problème de la résistance de matériau de la bague aux contraintes de traction n’est pas de tout poser. Donc le choix de l’alliage d’aluminium convient bien et que la vitesse de rotation de fonctionnement de ventilateur est très réduite (251 tr/min) par rapport à celle critique calculée (892 tr/min). Donc les ventilateurs de ces aéroréfrigérants sont de type lent pour plusieurs raisons et exigences à les quelles sont destinées. On cite en bref quelques critères de ce choix : -

-

Tout d’abord ces aéroréfrigérants sont conçus à travailler et assurer le refroidissement dans ces industries pour une longue durée dans l’installation et donc éviter le problème de fatigue de ses éléments surtouts tournants et garder leurs performances. Ils sont fabriqués et destinés pour travailler dans des conditions extrêmes d’une façon permanentes et son arrêt. La complexité de leurs maintenances qui demande l’arrêt complet si l’entretien concerne le ventilateur et l’échangeur.

IV.5-Estimation de la fatigue. IV.5.1-Définition de la fatigue. La fatigue est un mode de rupture différé qui se produit lorsque le matériau est soumis à des chargements cycliques et cela même pour des contraintes bien inférieures à sa limite d’élasticité. Ce mode de rupture limite la durée de vie des composants de la plupart des pièces mécaniques et des installations industrielles. Les paramètres souvent utilisés pour prédire le comportement en fatigue et ainsi le nombre de cycles à la rupture d'une structure sont : l'amplitude de la sollicitation (chargement ou déformation imposée), sa valeur moyenne, l'état de surface et le milieu dans lequel la structure sera utilisée. [IV.4]

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78

Chapitre IV : Calcul de résistance d’une pale de ventilateur Même si l'étude de la fatigue s'appuie sur des considérations théoriques (en particulier mécanique de la rupture), c'est essentiellement un domaine expérimental. La caractérisation d'un matériau, d'une pièce, d'un ensemble, d'une structure, … nécessite de nombreux essais et mesures. La rupture présente en effet trois stades : 1er stade : germination de fissures ; extérieurement, on ne voit rien, mais le matériau se modifie petit à petit localement ; il se crée alors des fissures, qui se situent dans un plan de cisaillement maximal, à 45 ° de l'axe de l'éprouvette ; 2eme stade : propagation de la fissure ; au moins une fissure atteint une taille critique et commence à se propager ; la propagation se fait dans un plan perpendiculaire à la sollicitation. La fissure progresse à chaque cycle, donc si l'on regarde le faciès de rupture au microscope électronique à balayage (MEB), on voit des stries de fatigue, si la sollicitation change (arrêt et redémarrage de la machine, changement de régime), il se produit une ligne plus marquée, visible à l'œil nu, appelée ligne d'arrêt. 3eme stade : rupture brutales, la fissure a réduit la section résistante de la pièce, la contrainte dépasse la résistance à la traction. On a donc une zone de rupture finale présentant des cupules si le matériau est ductile, ou des plans de clivage ou des joints de grain si la rupture est fragile. IV.5.2-La résistance à la fatigue. L'estimation de la durée de vie en fatigue d'une structure est un problème complexe. 





Le premier problème est celui de la caractérisation du matériau. On a recours pour cela à des essais qui doivent être faciles à réaliser, pour pouvoir être reproductibles. Cela permet d'établir des « courbes de fatigue ». Le deuxième problème est celui de la caractérisation de la sollicitation, c'est le cahier des charges de l’étude. Notons que les essais sur les matériaux utilisent un chargement simple, sinusoïdal, et dans une seule direction, or, dans notre cas de l'aérodynamique, toutes les formes et lois de chargements interviennent et existent peuvent etre sauf une loi sinusoïdale uni axial. Le troisième problème est celui de la caractérisation de la structure.

Pour simplifier le calcul on ne va pas pris en compte :  La concentration des contraintes : Lorsqu'une pièce (bras) présente une brusque variation de section, la contrainte varie et prend localement des valeurs plus élevées que la contrainte nominale (celle calculée en divisant la force par la section ou le moment d'effort par le moment quadratique). Ceci est pris en compte par le coefficient de concentration de contrainte Kt :

σmax = Kt×σnom.  Les dimensions de la pièce : Les essais de fatigue sont faits sur des éprouvettes de petit diamètre, typiquement 6 à 10 (mm). Si une pièce est à une section droite plus importante, sa durée de vie est plus petite : FHC: 2016 mémoire de fin d’étude pour l’obtention de diplôme master 2 MAUP11

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Chapitre IV : Calcul de résistance d’une pale de ventilateur D’une part, la probabilité d'avoir un défaut est plus important, et d'autre part, dans le cas de la torsion ou de la flexion, la circonférence soumise à un niveau de contrainte donné est plus important, donc il y a d'autant plus de risque d'y avoir un défaut. Cela est pris en compte par un facteur d'échelle Ke:

σD = Ke×σD0. Le facteur Ke est une fonction décroissante du diamètre.  L’état de surface : L’amorçage de la fissuration a lieu en surface, et les défauts de surface créent des concentrations de contrainte. On définit donc un facteur d'état de surface Ks, qui dépend de la rugosité totale Rt et non pas de la rugosité moyenne Ra :

σD = Ks×σD0 Le facteur Ks est inférieur à 1, puisque les éprouvettes d'essai sont usinées avec soin. Il est donné par un abaque en fonction de Rt et de la résistance à la traction σadm. Les considérations ci-dessus permettent de valider de manière simple l'utilisation d'une pièce soumise à la fatigue dans les conditions suivantes :    

la pièce subit un état de contrainte uni axial : typiquement, c'est une poutre subissant des sollicitations simples : traction-compression, flexion plane, flexion rotative, torsion. la pièce subit des efforts pouvant être décrits par une fonction sinusoïdale, dont on connaît la contrainte moyenne σmoy et l'amplitude de contrainte σa. la pièce est faite dans un matériau dont on connaît la limite d'endurance dans les conditions de sollicitation (type de sollicitation, σmoy et σa données). la pièce est faite en alliage d’aluminium, et l'on connaît sa résistance à la traction σm.

Résistance à la fatigue. On détermine la limite d'endurance comme étant le rapport entre la limite à la fatigue à 10 en contraintes alternées (traction-compression) et la charge de rupture en traction monotone. Ce rapport varie entre 0,25 et 0,35 dans le cas des alliages d’Aluminium. Ce rapport sert à caractériser l’endurance en fatigue. [IV.5] 8

Donc : la résistance à la fatigue de notre alliage est :

σD= σs/σm = 0.25 D’où :

σs = 0.25*σm =0.25*120 = 42 (Mpa).

IV.5.3-la courbe de Wöhler. Cette courbe est appelée courbe S/N (Stresses – Number of cycles).la courbe de Wöhler est une représentation des résultats d’essais de chargement cyclique capable de rendre plus visible la tenue de la pièce ou des matériaux en fatigue. Pour tracer une telle courbe, on réalise généralement des essais à contrainte moyenne constante et on fait varier l'amplitude du cycle de contrainte appliquée. Ainsi, à chaque pièce essayée correspond donc un point du plan (N,σ)

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Chapitre IV : Calcul de résistance d’une pale de ventilateur et à partir d'un certain nombre d'essais à contraintes généralement décroissantes, on peut tracer une courbe qui a l'allure de la figure suivante (Figure IV15). On utilise souvent un modèle analytique N = ƒ (σ) pour décrire la courbe, notons que la courbe de Wöhler est ’elle en σ= ƒ(N).

Figure IV 16

: la courbe de Wöhler.

IV.5.4.La limite d'endurance. La méthode des essais censurés ne permet pas de déterminer la limite d'endurance. Par ailleurs, alors que certains matériaux semblent montrer une asymptote horizontale non nulle (en particulier les aciers), on a en revanche l'impression que la courbe de Wöhler tend vers 0 pour d'autres (en particulier les alliages d'aluminium). En clair, certains matériaux ont une limite d'endurance nulle, n'ont pas de limite d'endurance, et pour une amplitude contrainte donnée même faible, il suffit d'attendre « suffisamment longtemps » pour que la pièce casse par fatigue. On définit de fait la limite conventionnelle comme étant la contrainte la plus élevée pour laquelle il n'y a pas de rupture après un nombre donné de cycles, 106 ou 107. Pour la déterminer expérimentalement, on utilise des méthodes d'essais tronqués, c'est-à-dire que l'on fait varier l'amplitude de contrainte σa entre deux essais. La limite d'endurance σD est définie pour un rapport de contrainte R= 6

𝜎 𝑚𝑎𝑥 𝜎 𝑚𝑖𝑛

donné, et pour un

7

nombre de cycle conventionnel (typiquement 10 ou 10 ). Pour les aciers par exemple, il existe une formule empirique donnant σD en fonction de la résistance à la traction σadm. En première intention, on peut utiliser : -pour des aciers, σD= σadm/2. Et pour l’alliage d’aluminium, comme il est déjà cité ci-dessus n’a pas une limite d’endurance (tend vers 0) et donc la pièce casse directement par la fatigue après un temps suffisamment long. Approximativement pour notre alliage d'aluminium.

σs = σadm/3.

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Chapitre IV : Calcul de résistance d’une pale de ventilateur Numériquement elle vaut : σs = 40 (Mpa).

Figure IV 17 : Le

comportement de l’alliage d’aluminium à la fatigue

IV.5.5-Calcul de la vitesse de rotation critique admissible à la fatigue. On effectue le même calcul précèdent en remplaçant la contrainte de traction admissible par la fatigue.

Fcent = σs.s Avec : σs : la contrainte admissible à la rupture par fatigue. Donc : Fcent = 40*2550.47=102018.8 (N). Et on a d’autre part :

Fcent = (m. v2)/R = m. R. ω2

ω2 =Fcent /m.R

A.N : ω2 = 10228.8/8.8*0.9965 = 11633.76. Et par conséquent : ω = 107.86 (rad/s). On a encore : ω= 2π.Ns/60

Ns = ω.60/2.𝝅

A.N : N = 1030.51 (tr/min). Donc la vitesse de rotation critique de sécurité contre la fatigue (Ns) est : Ns= N*50%

A.N : Ns = 1030.51*0.5= 515.25 (tr/min).

Ns = 515 (tr/min)

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Chapitre IV : Calcul de résistance d’une pale de ventilateur IV.5.6.Les solutions et préventions à la rupture par fatigue. Le phénomène de fatigue peut être aggravé par la corrosion : un alliage d’aluminium résistant bien à la fatigue et très bien à la corrosion dans un milieu donné, peut se rompre de manière catastrophique sous l'effet combiné de la fatigue et de la corrosion. La prévention de la rupture par fatigue repose sur la maîtrise de différents ingrédients :         

la connaissance du chargement la conception de la pièce. choix du matériau. optimisation des formes : concentration de contraintes, état de surface maîtrise des températures maîtrise du processus d'élaboration (caractéristiques minimales du matériau) maîtrise des contraintes résiduelles prévision de la durée de vie et des durées entre inspections (tolérance au dommage basée sur la mécanique de la rupture) le contrôle de son utilisation : inspections périodiques, validation des hypothèses initiales (températures, chargement)

Conclusion. Cette étude mécanique nous a montré que le problème d’éclatement des pales n’est pas causé par le non résistance de matériau aux contraintes de tractions. La vitesse de rotation en sécurité de ventilateur est largement acceptable et est loin de la vitesse critique que peut provoquer la rupture de la bague de pale qui reste la pièce la plus soumise à la rupture par traction. Et donc pour assurer un débit de refoulement important en toute sécurité sur la résistance de matériau de ventilateur on peut faire appel à remplacer les moteurs électriques actuels par d’autres moteurs à variateur de vitesses qui allant jusqu’à 500 (tr/min).

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CHAPITRE V : VIBRATIONS DES PALES

Introduction. Le dimensionnement mécanique d’un ventilateur est bien sûr guidé par des contraintes économiques qui mènent à la sélection des aciers (rotor) et de leurs épaisseurs, ainsi qu’à un design minimisant les heures de fabrication, pour aboutir à un prix de vente compétitif. Néanmoins, le ventilateur étant une machine tournante, il est interdit de faire l’économie d’un calcul rigoureux, assorti de coefficients de sécurité suffisants, pour garantir un fonctionnement sûr tant pour la sécurité du personnel exploitant que pour les équipements annexes à son installation. Avec le calcul des contraintes dans la roue, celui de la vitesse critique de l’arbre est à ce titre un des paramètres essentiels de dimensionnement, car du résultat découlera la définition du diamètre de l’arbre, de la masse du rotor, d’où la taille des paliers et enfin le design du support permettant de soutenir l’ensemble, pour un fonctionnement dans de bonnes conditions vibratoires. L’étude de la dynamique et de la stabilité du mouvement des machines tournantes joue un rôle important dans l’amélioration de la sécurité et des performances de ces systèmes. Au fur et à mesure que la vitesse de rotation d’un objet tournant augmente, son niveau de vibration traverse souvent un seuil, sa vitesse critique. Cette évolution est souvent excitée par un déséquilibre de la structure tournante. Si l’ampleur de la vibration à ces vitesses critiques devient excessive, une défaillance catastrophique peut se produire. En parcourant cette étude, nous familiariserons d'abord avec les causes de vibrations dans les ventilateurs. Il sera ensuite question de quelques aspects et moyens pratiques de lutte contre ces vibrations et le déséquilibre du ventilateur.

V.1-La vibration. V.1.1-Definition de la vibration. La vibration par définition est le résultat du mouvement d’une masse de part et d’autre d’un point central. Une oscillation complète (aller-retour) correspond à un cycle.

Figure V 1:

représentation d’une oscillation.

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CHAPITRE V : VIBRATIONS DES PALES V.1.2-Les causes de la vibration. Les causes courantes qui peuvent faire part à la naissance de la vibration sont :  Distribution inégale de masse autour du centre de gravité. Ce type de vibration est souvent en fonction de :    

Masse excédentaire causant le débalancement. Sa distance du centre de gravité. La vitesse de rotation. Impact.

Ce type de vibration est en fonction de :    

Hauteur de la chute. Masse tombante vs masse réceptive. Élasticité des deux masses. Mouvement alternatif.

V.1.3-Les sources les plus courantes des vibrations. Les sources qui peuvent causer la vibration dans la machine tournante sont :       

Déplacement. Distribution inégale de poids autour d’un pivot qui est du à la saleté, corrosion, déformation, expansion, …etc. Mauvais alignement que ce soit horizontal ou vertical. Les roulements. Entrainement par courroies. Problème électrique de moteur d’alimentation. Forces aérodynamique.

V.2-Vibrations dans le ventilateur axial de l’aéroréfrigérant. Les ventilateurs sont sujets aux vibrations principalement à cause de la faible rigidité de leur structure combinée avec des vitesses de fonctionnement élevées ou bien des surcharges non supportées. Les vibrations d'origine "aérodynamique" et "mécanique" sont les plus susceptibles de causer des problèmes. Pour les ventilateurs, la fréquence de pulsation = nbre de pales x rpm. (Fp=n.rpm) Avec : rpm : vitesse de rotation en (tr/min). n : nombre de pales. V.2.1-La résonance. On parle de résonance quand: la fréquence d’excitation coïncide avec la fréquence naturelle.

fn= √𝑲/𝑴 Avec :

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CHAPITRE V : VIBRATIONS DES PALES fn = fréquence naturelle. K = rigidité M = masse Il est particulièrement important d’éviter les résonances des divers éléments constituant la machine. Pour notre ventilateur, sa fréquence naturelle est : fn= 6*251=1506 (cpm) = 25.1 (Hz). Et si on augmente la vitesse de rotation jusqu’à rpm=515 (tr/min) on aura : fn=6*515=3090 (cpm)=51,5 (Hz) Connaissant la fréquence de résonance des pales admissible qui est fn.adm= 137 (Hz), donc on peut conclure que notre machine même si on augmente sa vitesse de rotation jusqu’à 515 (tr/min) on reste toujours loin de cette limite de résonance. V.2.2-Vibration et équilibrage aérodynamique. La vibration aérodynamique est liée à l'opération du système, c'est à dire qu'elle pourrait disparaître ou être grandement affectée à la suite d'une variation importante du volume d'air passant à travers du système. On trouvera les causes à l'origine de ce type de vibration dans une conception déficiente du système de ventilation, un choix inapproprié dans la sélection du ventilateur ou encore des conduites de ventilation qui s'avèrent problématiques, surtout à l'entrée du ventilateur. Si la vibration demeure inchangée quel que soit le volume d'air circulant dans le système, il est alors plus que probable que l'origine de la vibration soit de nature mécanique. Equilibrage aérodynamique : Equilibre des formes : la traction est caractéristique du profil, de la dimension et du pas de chaque pale. Leurs formes doivent être rigoureusement identiques sinon chaque pale générerait une traction différente. Ce problème affecte souvent sur les pales orientables ou réglables mal accordées. En rotation les pales fléchissent légèrement vers l’avant sous l’effet de la traction. C’est une déformation en forme de cône très aplati. Si l’équilibrage aérodynamique n’est pas bon ou si les pales n’ont pas toutes la même rigidité elles ne fléchissent pas de la même façon et ne décrivent pas le même cône ce qui produit des vibrations. [V.1] V.2.3-Vibration mécanique. La vibration la plus destructrice dans un ventilateur est attribuée au déséquilibre du rotor. C'est pourquoi nous devrions vérifier principalement la condition du rotor, l'état des courroies ainsi que l'intégrité des structures du rotor et de la machine en entier avant de procéder à l'équilibrage du ventilateur. En effet, tous ces paramètres sont susceptibles de causer une vibration élevée à la vitesse de rotation. V.2.4-Conditions du rotor. Equilibrage statique : Chaque pale doit avoir exactement la même masse répartie de la même façon, de sorte que l’axe de rotation de l’ensemble tournant passe par son centre de gravité. Le plan du disque rotor doit être perpendiculaire à son axe de rotation. Les causes d’un déséquilibre du disque rotor sont multiples par exemple : FHC: 2016 mémoire de fin d’étude pour l’obtention de diplôme master 2 MAUP11

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CHAPITRE V : VIBRATIONS DES PALES     

Défaut de fabrication. Serrage non équilibré des vis du moyeu. Saleté sur le plan de pose. Axe tordu. les pales déformées.

L’importance du déséquilibre causé par une fine couche de saleté est non négligeable. En pratique, nous devrions en tout temps assurer de la propreté du rotor avant d'entreprendre une tâche d'équilibrage. Au besoin, nous utiliserons un solvant, une brosse métallique, ou encore, un grattoir pour nettoyer le rotor. La méthode choisie variera selon la nature des dépôts. La pose d'une porte d'accès est par ailleurs souvent indispensable pour assurer le nettoyage complet du rotor. Quand le rotor est propre, on mesure la vibration résiduelle. Il est possible que l'amplitude mesurée soit alors à l'intérieur des limites acceptables. On doit éviter d'équilibrer un ventilateur encrassé, même si l'économie de temps réalisée alors peut sembler attrayante. Pourquoi ? D'abord parce qu'un ventilateur ne fonctionnera pas efficacement si l'écoulement de l'air est perturbé par l'encrassement des pales. De plus, une partie des dépôts peut se détacher après l'équilibrage, ce qui aura pour conséquence le retour d'une vibration élevée à la vitesse de rotation et un équilibrage à reprendre. V.2.5-Entrainement par courroie. Le mauvais alignement des poulies produit non seulement une vibration indésirable, mais conduit également à une usure précoce des poulies et des courroies. L'amplitude de la vibration dans la direction axiale est alors supérieure à 50 % comparée à la vibration la plus élevée mesurée dans la direction radiale. Donc utiliserons la mesure de l'angle de phase pour confirmer au besoin des diagnostics.

V.3-Efforts axiaux et radiaux de l’aéroréfrigérant. Lorsque la machine est verticale, les paliers sont d’abord soumis à des efforts axiaux fixes dus au poids déterminés par les règles de la statique. En mouvement la force de portance sur les pales s’ajoute. Ces forces sont seules en jeu si le mobile est parfaitement équilibré (un axe principal d’inertie confondu avec l’axe de rotation). Dans le cas contraire, on s’approche de l’équilibre le mieux possible, par apport à l’enlèvement de matière, et l’on peut dire qu’il reste alors à la vitesse de rotation :  des forces tournantes égales au poids si le mobile a subi un équilibrage très soigné.  des forces tournantes égales à dix fois le poids si le mobile a subi seulement un équilibrage grossier. À ces forces axiales s’ajoutent des forces radiales dues au poids de la machine (la force centrifuge).

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CHAPITRE V : VIBRATIONS DES PALES V.3.1-Vibrations des pales Ce calcul peut se faire par la méthode de Rayleigh, elle est basée sur le fait que dans un mouvement oscillatoire l’énergie cinétique maximale est égale à l’énergie potentielle maximale. [V.2] L’énergie potentielle est maximale dans les positions ou la déflexion est la plus grande et l’énergie cinétique est maximale dans la position ou la vitesse est la plus élevée. Pour une pale, l’expression de la déflexion à un instant donné est de la forme :

Y= y*sin (𝟂t) y : la déflexion maximale. ω : la fréquence de vibration de la pale. L’énergie cinétique maximale est donnée par la formule : 𝟏

𝟏

dWcin = 𝟐 d(mω2y2) = 𝟐 ρω2 sy2 dx 𝒍

𝟏

dWcin = 𝟐 ρω2∫𝟎 𝒔(𝒙). 𝒚𝟐 (𝒙)𝒅𝒙 L’expression de l’énergie potentielle dans le cas d’une poutre est un peu plus complexe et les formules de résistance des matériaux donnent : 𝟏 𝓜𝟐

dWpot = 𝟐

𝑬𝑰

𝒅𝒙

E: module de Young. I : moment d’inertie par rapport à un axe perpendiculaire au plan de la pale. ℳ : Moment fléchissant dans la section S. 𝑑2 𝑦

𝑀

On sait que : 𝑑𝑥 2 = 𝐸𝐼 donc on peut écrire l’énergie potentielle comme suit: dWpot = dWpot =

𝟏

𝒅𝟐 𝒚

𝟏

𝒍

𝑬𝑰(𝒅𝒙𝟐 )𝟐 𝒅𝒙 𝟐 𝒅𝟐𝒚

𝑬 ∫𝟎 𝑰(𝒅𝒙𝟐 )𝟐 𝒅𝒙 𝟐

L’égalité entre les deux énergies (cinétique et potentielle maximales) permet d’obtenir :

ω2 =

𝟏 𝒍 𝒅𝟐 𝒚 𝑬 ∫𝟎 𝑰( 𝟐 )𝟐 𝒅𝒙 𝟐 𝒅𝒙 𝒍 𝟏 𝝆 ∫𝟎 𝒔(𝒙).𝒚𝟐 (𝒙)𝒅𝒙 𝟐

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CHAPITRE V : VIBRATIONS DES PALES On suppose que la section et l’inertie de la pale sont connues. Cependant la déformée y(x) ne l’est pas, on peut inventer une déformée vraisemblable, et il se trouve que le résultat obtenu se rapproche beaucoup de la solution exacte. Pour qu’une déformée soit vraisemblable, il faut que l’on ait aux conditions limites suivantes : y = 0 pour x = 0 (la pale est attachée au pied). 𝑑𝑦 𝑑𝑥

= 0 pour x = 0 (la pale est en générale encastrée au pied).

𝑑2 𝑦 𝑑𝑥 2

= 0 pour x = l (le moment fléchissant est nul en bout de la pale). 𝜋𝑥

La solution y = y0 (1- cos2 𝑙 ) convient, on obtient donc : Wpot =

𝝅𝟒 𝑬𝑰 𝟔𝟒 𝒍𝟐

y02 𝟑

𝟐

𝟒

𝝅

Wcin = ρs ω2 y02𝒍𝟐 ( - ) Par l’égalité de ces deux expressions, on obtient : 𝟂2 =

𝝅𝟒 𝟔𝟒

.

𝑬𝑰

.

𝟏

𝝆𝒔𝒍𝟒 𝟑 − 𝟐 𝟒 𝝅

Soit : 𝟂 = 3.66√

𝑬𝑰 𝝆𝒔𝒍𝟒

Le calcul exact très difficile, donne 3.52 au lieu de 3.66 Une pale peut vibrer d’une infinité de façons qu’on appelle des modes, si l’on prend comme formule :

𝟂 = ai√

𝐸𝐼 𝜌𝑠𝑙4

Figure V 2

: les premiers trois modes de vibration d’une pale.

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CHAPITRE V : VIBRATIONS DES PALES L’application de cette méthode sur notre pale permet de trouver la valeur de la fréquence. Supposant que notre pale vibre selon le premier mode (ai = 3.52). 𝟂 = 3.52√

𝑬𝑰 𝝆𝒔𝒍𝟒

= 3.52√

𝑬𝑰 𝝆𝒔𝒍𝟒

.

V.4-Vitesse critique et équilibrage de l’ensemble tournant. V.4.1-La vitesse critique. Vitesse critique: vitesse de rotation correspondant à la fréquence naturelle de l’arbre dans ses paliers, fréquence à laquelle une pièce va vibrer après un choc (cloche). [V.3] Données de calcul. Arbre en acier E = 196000 (MPa) de diamètre d= 60 (mm). Paliers à patin à huile de diamètre dp et de largeur lp=30 (mm) avec un jeu radial a= 50 (µm). Distance entre paliers l=1 (m). Viscosité de l’huile µ=21*10-3 (Pa.s). On pose k la raideur globale, k1 la raideur propre de l’arbre et k2 la raideur d’un des paliers. On sait que : k =

𝐹 𝑦1 +𝑦2

avec : y1=

Ce qui nous donne : k =

𝐹 𝑘1

et y2 =

𝐹 𝑘2

𝟏 𝟏 𝟏 + 𝒌𝟏 𝒌𝟐

K1 est défini par les formules de RDM pour une poutre sur deux appuis. K 1=

𝟒𝟖𝑬𝑰 𝒍𝟑

A.N : I = Et K1=

avec: I =

3.14∗0.062 64

𝜋∗𝑑 2 64

= 6.358*10-7 (m4)

𝟒𝟖∗𝟏𝟗𝟔𝟎𝟎𝟎∗𝟏𝟎𝟔 ∗𝟔.𝟑𝟓𝟖∗𝟏𝟎 −𝟕 𝟏

= 5981606.4 (N/m).

K2 est donné par la relation suivante (valable pour les paliers à patin). k2 =

𝟎.𝟏𝟓𝟏∗µ∗𝒖∗𝒅𝒑 ∗𝒍𝒑𝟐 𝒂𝟑

u : est la vitesse périphérique de l’arbre.

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CHAPITRE V : VIBRATIONS DES PALES En admettant que la première vitesse critique se situé au voisinage de 2596 tr/min (issue d’une 𝒌

première approximation dans laquelle on a supposé k2 infini, donc on aura k = k1 et ωc=√𝑴 ). u=

𝟐𝝅∗𝑵 𝒅𝒑 *𝟐 𝟔𝟎

k2=

𝟐𝝅∗𝟐𝟓𝟗𝟔 𝟎.𝟎𝟔

=

𝟔𝟎

*

𝟐

= 8.15 (m/s)

0.151∗21∗10−3 ∗8.15∗0.06∗0.032 𝑎3

On déduit la valeur du k: k =

= 11164456.8 (N/m) 𝟏 𝟏 𝟏 + 𝟓𝟗𝟖𝟏𝟔𝟎𝟔.𝟒 𝟏𝟏𝟏𝟔𝟒𝟒𝟓𝟔.𝟖

= 3.895*106 (N/m)

On aura donc comme vitesse critique : 𝒌

ωc= √𝑴 = √

𝟑.𝟖𝟗𝟓∗𝟏𝟎𝟔 𝟖𝟏

= 219.286 (rad/s).

Nc = 2095 (tr/min). Nc : correspond à la fréquence propre de rotor. Et on a la vitesse de rotation de l’ensemble tournant sur site est N=251 (tr/min).et par définition il n y a pas de résonance car Nc ≠ N et par conséquent il n y a pas risque de rupture qui est due à la résonance. V.4.2-L’équilibrage de l’ensemble tournant. Lorsque l’on étudie les conditions d’équilibre du mobile indéformable tournant autour d’un axe, on trouve que :  la résultante générale des forces d’inertie n’est nulle que si le centre de gravité est sur l’axe de rotation.  le moment résultant des forces d’inertie n’est nul que si l’axe de rotation est un des trois axes principaux d’inertie du solide ; dans le cas contraire, il faudra ajouter (ou enlever) de petites masses dans deux plans P1 et P2, appelés plans d’équilibrage, afin de réduire les balourds aux valeurs les plus faibles possible ; la force tournante due à un balourd étant F=m.ω2.r, ce balourd est exprimé par le produit d’une masse par une longueur. [V.4] L’opération d’équilibrage s’effectue d’une façon relativement automatique au moyen d’une machine appelée équilibreuse dynamique. Dans une telle machine, le corps en rotation est monté sur des supports de paliers souples, qui vibrent fortement sous l’effet des défauts d’équilibrage. On estime l’équilibrage terminé lorsque, par l’action des masses correctrices, ces vibrations ont beaucoup diminué. Considérons le cas de notre arbre avec une masse du ventilateur M.

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CHAPITRE V : VIBRATIONS DES PALES La force centrifuge est : Fcent=M.ω2.(R’ + E’). Tel que : M : la masse supportée par l’arbre en (kg). ω : la vitesse angulaire (rad/s). E’ : l’excentricité en (m). R’ : la déflexion de l’arbre en (m).

La force de rappel est : F=k.R’ Tel que : k : la raideur de l’arbre. Ces deux forces doivent être égales, on a donc : M.ω2.R’+ M.ω2.E’ = k.R’. Soit : R’= E’

Donc R’=

𝝎𝟐 𝒌 – 𝝎𝟐 𝑴

𝑲

et on pose que ωc=√𝑴

𝟐 𝒄 E’. 𝟐 𝟏−(𝝎𝝎 ) 𝒄

(𝝎𝝎 )

L’excentricité est liée au balourd par l’expression : E’=

𝒎.𝒓(𝒃𝒂𝒍𝒐𝒖𝒓𝒅) 𝑴(𝒎𝒂𝒔𝒔𝒆)

Le balourd et la masse de l’ensemble tournant sont donnés par le constructeur : m.r =0.126 (g.mm) et La masse M=81 (kg). [Voir la fiche technique dans les annexes] 𝟎.𝟏𝟐𝟔

Donc : E’=𝟖𝟏.𝟏𝟎𝟎𝟎 =1,55.10-9 (m). Don on peut par la suite calculer la déflexion R’ R’=E’.

(

𝛚 𝟐 ) 𝛚𝐜 𝛚 𝟐

𝟏−(

𝛚𝐜

)

= 1,55.10-9.0.014 =0,022.10-9 (m).

On voit que la déflexion R’ de l’arbre, d’abord faible pour les petites vitesses de rotation, croit 60

indéfiniment lorsqu’on s’approche de ω = ωc avec (N = 2𝜋 ωc). Les vibrations les plus dangereuses sont celles sur le rotor voilà pourquoi il est équipé par un système (vibrations switch) qui déclenche automatiquement contre l’excitation des vibrations. Un commutateur de vibrations est fixé sur le montage du moteur, coupe le circuit électrique en cas de vibrations excessives.

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CHAPITRE V : VIBRATIONS DES PALES Les capteurs de vibrations sont fixés sur les supports des paliers avec un raccord fileté et sont utilisés pour révéler les vibrations irrégulières de l'unité d'entraînement. Donc s’il y a un problème d’équilibrage qui provoque des vibrations excessives au niveau de l’ensemble tournant, le système de protection contre les vibrations coupe le circuit électrique automatiquement pour ne pas risquer de perdre notre équipement. V.4.3-Moyens de lutte contre les vibrations.     

Elimination des forces produisant des vibrations dangereuses (balourds, équilibrage) Modification des propriétés dynamiques (moments d’inertie des masses, flexibilité) Amortisseurs de vibrations. Utilisation de matériaux absorbant les chocs. Eviter les vitesses critiques durant l’opération

V.5-Détermination de la vitesse de rotation maximale admissible. L’inclinaison maximale des pales est donnée par le constructeur et égale à : 𝛼 = 30°. A cet angle et pour N=251 (tr/min), la vitesse relative de la pale est vr=51.847 (m/s) [calculé au chapitre III], le débit refoulé est:

Q= vr.Sb = vr.S/cos 𝜶. Avec : vr : vitesse relative de la pale Sb : surface balayée Q : le débit d’air refoulé A.N : Q=51.847.0.484/cos(30°)=28.98 (m3/s) On fixe l’angle d’attaque à l’angle optimum déjà déterminé au chapitre (III), 𝛼 = 16° Et on tire la vitesse de rotation N qui nous assure le même débit Q=28.98 (m3/s) Donc Q= vr.sb = vr.s/cos(16°)

vr=Q.cos(16)/s A.N : vr= 28,98.0,96/0,484=57,48 (m/s). On a aussi d’après le triangle de vitesse de calcul aérodynamique (chapitre III) :

(Vr)2= v2+U2 avec : U : la vitesse tengentielle v : vitesse de vent , v=18.586 (m/s). on tire U la vitesse tengentielle : U2= (vr)2-v2 A.N : U2= 3303,95+345.44=3649,39 D’où U=60,41 (m/s). on a d’autre part : à l’extrimité libre de la pale

U=ω.

𝑫 𝟐

avec : ω : vitesse angulaire en (rad/s) et D : le diametre de ventilateur. A.N nous donne : ω= 2.60.41/3.658 =33 (rad/s) FHC: 2016 mémoire de fin d’étude pour l’obtention de diplôme master 2 MAUP11

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CHAPITRE V : VIBRATIONS DES PALES

Finalement on peut tirer la vitesse de rotation maximale (N) : ω = 2.𝝅. 𝑵/𝟔𝟎 Donc N=ω.60/2.𝝅 A.N :

N= 33.60/6.28= 315 (tr/min).

Conclusion. Avec ces résultats de calcul des vibrations, on constate bien que le problème des vibrations sur le rotor est éloigné même si on augmente la vitesse de rotation à 515 (tr/min). Et par conséquent la rupture des pales n’est due aux vibrations que ce soit sur l’ensemble tournant ou sur les pales eux-mêmes. Et pour récompenser l’angle maximal d’inclinaison des pales qui dépasse l’angle de décrochage pour assurer le même débit, on peut varier la vitesse de rotation de l’ensemble tournant jusqu’à N=315 (tr/min) sans risque de rupture.

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Chapitre VI : Maintenance et Sécurité technique VI.1- Maintenance employée sur site. Introduction. La maintenance par définition, c’est «l’ensemble des actions permettant de maintenir ou de rétablir un bien dans un état spécifié ou en mesure d’assurer un service déterminé » (NFX 60-010 de AFNOR). Dans l’industrie pétrolière ou gazière, maintenir, c’est donc effectuer des opérations (inspection, graissage, contrôle, révision etc.) après un certain temps d’usage recommandé par le constructeur qui permettent de conserver le potentiel du matériel afin d’assurer la production avec efficacité et qualité souhaité toute en optimisant la durée de vie de ces équipements exploités. La connaissance de fonctionnement des machines et les conditions de leurs mises en marche permettent à l’operateur ou au technicien de pouvoir prédire les pannes et les anomalies qui peuvent arriver en observant, écoutant, sentant un certain nombre de signes, sons, bruit, vibrations …etc. anormal. Différents types de maintenance qui existent et qu’on peut appliquer sur site, suivant l’état de matériels et la durée d’utilisation. Pour le choix de type de maintenance a appliqué sur site, plusieurs critères qui imposent. Parmi ces critères, les deux s’imposent souvent sont :  Critère de sécurité. Ce critère est prédéterminant dans les secteurs stratégiques et à haut risque tels que : l'aviation, le nucléaire, l'industrie du gaz.  Critère économique. C'est un critère qui tient compte des différents coûts reliés entre eux tels que : - Les coûts de pression. - Les coûts de perte de production. - Les charges. -etc La définition de la maintenance fait donc apparaître 4 notions de base :    

Maintenir qui suppose un suivi et une surveillance Rétablir qui sous-entend l’idée d’une correction de défaut Etat spécifié et service déterminé qui précise le niveau de compétences et les objectifs attendus de la maintenance Coût optimal qui conditionne l’ensemble des opérations dans un souci d’efficacité économique.

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Chapitre VI : Maintenance et Sécurité technique VI.1.1-l’organigramme de service maintenance de Boosting centre. Le service maintenance doit mettre en œuvre la politique de maintenance définie par la direction de l’entreprise, cette politique devait permettre d’atteindre le rendement maximal des systèmes de production ainsi d’assurer une durée de vie maximale des machines et équipements en garantissant toujours la sécurité matériels et personnels. Pour le bon déroulement de la maintenance sur site les fonctions sont partagées suivant l’organigramme ci-dessous.

Figure VI 1:

organigramme de service maintenance de Boosting centre de H.R

 La fonction Méthode. C’est le cerveau du service maintenance, elle définit les méthodes, les techniques les moyens et les normes d’entretien.  Étude technique du matériel :  Détermination des pièces de rechange.  Préparation des interventions : (outils à utiliser, gamme de travail, personnel qualifié, bon de sortie magasin).  Élaboration de la documentation nécessaire.  Proposition de modification en cas de pannes répétitives.  Définir et choisir les procédures de la maintenance.  Choisir les procédures d’essai.  Choisir les procédures de contrôle.  Etudier les procédures de déclenchement des interventions.  Vérification des travaux effectués.  Etude économique :  Analyser les coûts de maintenance (CM).  Analyser les coûts de défaillance (CD).  Analyser les coûts de fonctionnement (CF).  La fonction ordonnancement.  Etablir les plannings d’interventions.  Répartir le personnel en fonction des travaux et des délais.  Calcul de temps d’intervention.  Suit l’avancement des travaux.  La fonction exécution où réalisation.

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Chapitre VI : Maintenance et Sécurité technique Les principales tâches sont les suivantes:       

Assurer l’installation des machines et des matériels (réception contrôle, mise en fonctionnement). Informer le personnel sur les équipements (consignes d’utilisation). Assurer la remise en marche du matériel après intervention. Établir le diagnostic de défaillance du matériel. Gérer les stocks, pièces de rechange, outillages, appareils de contrôles. Gérer l’intervention de la maintenance. La fonction documentation.

Elle consiste à créer, organiser, animer, compléter et mettre à jour toute la documentation relative à la maintenance : 

La documentation technique :

Résumant le fonctionnement des machines et leurs caractéristiques ainsi que les caractéristiques des pièces d’usine (cette documentation est fournie par le constructeur) 

La documentation historique :

Résumant les interventions effectuées sur machines ainsi que leurs durées. 

La documentation fournisseur :

Résumant l’évolution des techniques. 

La documentation économique :

Documentation des constructeurs qui porte ou contient les frais des machines et des pièces de rechange VI.1.2-Les différents types de la maintenance industrielle. Deux types de maintenance qu’on peut distinguer dans le milieu industriel qui sont :  La maintenance corrective (curative).  La maintenance préventive (systématique et conditionnelle).

Figure VI 2:

Les différents types de maintenances industrielles.

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Chapitre VI : Maintenance et Sécurité technique VI.2-Maintenance des aéroréfrigérants de Boosting centre. OBJECTIF. Les Pannes de ventilateur de l’aéroréfrigérant est très probablement le résultat d'une répétition destructive de contrainte agissant sur une période de temps. Ces contraintes peuvent être causés par l'abus mécanique, par exemple engrenages rugueux ou arbre d'entraînement déséquilibre, ou par abus aérodynamiques tels que la surcharge de la lame ou les conditions d'écoulement anormal. Heureusement, ces contraintes se manifester d'une manière typique qui peuvent facilement être détectée sur l'inspection si l'on sait ce qu'il faut chercher. Le but de cette section de chapitre est de décrire les symptômes de problèmes mécaniques potentiellement dommageables. Sachant que la plupart des pannes et anomalie enregistrés sont au niveau de système rotatif (le ventilateur) ou au niveau de moteur électrique qui alimente le ventilateur de l’aéroréfrigérant. Cependant l’échangeur (les faisceaux tubulaires) fonctionne normalement jusqu’à l’arrivé de son révision générale après une période de temps de fonctionnement bien déterminée. Le type de maintenance effectué réellement sur le site est la maintenance curative et ça est dû aux différentes anomalies rencontrées dans le fonctionnement de l’aéroréfrigérant avant d’atteindre la durée des étapes de maintenances préventives recommandé par le constructeur. Les étapes de la maintenance préventive suivi par le service Boosting centre de Hassi R’mel sont comme suit en fonction de temps : Graissage

Inspection Figure VI 3

Révision générale

: Les étapes de la maintenance préventive

Elle vise à diminuer la probabilité de défaillance d’un système, pour cela elle s’appuie sur la maintenance systématique et la maintenance conditionnelle.  Le graissage. C’est la 1ere opération à effectuer après de l’installation et la mise en service de l’aéroréfrigérant. Elle consiste à lubrifier les éléments de machines. Le graissage peut le réaliser soit à l’arrêt complet de la machine ou en parallèle suivant la partie qu’on doit graisser.  L'inspection. C’est la 2eme opération à effectuer, après une durée de service bien déterminée l’inspection doit etre intervenu sur l’aéroréfrigérant. La fréquence des inspections varie considérablement selon les conditions de services et de l’atmosphère avec la sévérité des paramètres influençant sur la machine. Et donc un calendrier d'inspection appropriée doit être respecté et a développé avec l'expérience au fil du temps. Pendant la première semaine de fonctionnement, au moins une inspection doit être réalisée. Lors de ces contrôles initiaux de chaque élément constituant la machine. Si aucune anomalie n’est enregistrée alors un plan de vérification quotidien doit etre fait par un opérateur sur le terrain pour suivre la mise en marche normale de la machine et de signaler toutes ces observations des opérations anormales (bruit, vibrations, fuites ...etc. anormal).

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Chapitre VI : Maintenance et Sécurité technique L’importance de l’inspection c’est de prévoir et de suivre le contrôle des machines de plus proche pour éviter l’arrêt et la destruction de la machine.  La révision générale. Le but d’une révision générale est d’examiner toutes les pièces intérieures et extérieures de l’aéroréfrigérant. Une inspection générale doit être programmée selon les recommandations du manuel de maintenance fourni avec la machine, et avec le résultat des inspections effectuées précédemment pendant son fonctionnement. VI.2.1-Mauvais fonctionnement, les pannes, réparations et entretien. On regroupe dans les tableaux ci-dessous les mauvais fonctionnements qui peuvent etre possibles, leurs effets et remèdes éventuels: [VI.1]  Sur le moteur électrique : - Les Causes - courroies trop tendues - graissage insuffisant - nombre de démarrages Excessif. - entrée de corps étrangers dans les joints d’étanchéité (H2O, poussière, saleté) Tableau VI 1

-

L’Effets

- usure des paliers - rupture de l’arbre -surchauffe des enroulements panne moteurs. - usure des paliers.

-Les préventions et remèdes - tension correcte de la courroie et graissage. -démarrages selon spécification et remise en état enroulement. - remplacement joints d’étanchéité selon livret d’instructions moteurs.

: L’entretien de moteur électrique de l’aéroréfrigérant.

 Sur le ventilateur. - Les causes

-

L’effet

-Les préventions et remèdes.

- angle des pales plus grand/plus petit par rapport à la spécification. - pales calées avec un angle différent entre elles, Longueur pales différentes entre elles. Montage au hasard. - serrage incorrect des boulons. - pression air du réseau insuffisante.

- absorption plus élevée - caler à nouveau les pales échauffement enroulement Correctement. moteur (angle grand), débit - caler à nouveau toutes les d’air réduit, température pales avec le même angle fluide de procédé plus élevée monter les pales de longueur (angle très petit). différentes par couples - vibrations induites à travers opposés. l’arbre sur la traverse, - suivre scrupuleusement conséquences sur les paliers. les instructions du manuel - rupture possible du du ventilateur. ventilateur et par conséquent - assurer une pression air endommagement de parties du réseau aux valeurs de vitales de l’aéroréfrigérant. la spécification. - hystérésis excessive du débit d’air différent de la demande. Tableau VI 2 : L’entretien sur le ventilateur axial de l’aéroréfrigérant.

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Chapitre VI : Maintenance et Sécurité technique  Pour l’arbre de ventilateur : - Les causes -

L’effet

-Les préventions et remèdes

- arbre plus incliné que la valeur de tolérance par rapport à l’arbre moteur. - Tension élevée sur les courroies. - absence ou fuites de graisse du palier. - serrage excessif des bagues d’arrêt du palier. - serrage lâche des bagues d’arrêt du palier. - corps étrangers, impuretés dans la graisse, Graisse non adéquate. - graisse en excès dans le support.

- usure précoce joints - Corriger inclinaison des d’étanchéité et courroies. arbres par des cales - charge pulsatile sur d’épaisseur. traverse, usure précoce - mettre en tension correcte. paliers, - vérification selon le tableau -bruit et usure précoce du d’inspections de routine, Palier. lubrifier à travers graisseurs - rotation du palier bloquée, spéciaux avec la graisse usure précoce du palier, spécifiée en utilisant une bruit, hausse de la pompe manuelle. température. - serrage à la valeur indiquée - usure précoce du palier sur le plan. désalignement possible - soin dans le graissage du des poulies, bruit usure Palier, Utiliser des précoce des courroies. équipements propres et - endommagement paliers, utiliser la graisse conseillée. efficacité réduite de la - pas mélanger des types de graisse, bruit, fatigue, bruit, graisse différents, ne pas fatigue, hausse de la dépasser la quantité indiquée, température, fuites de éliminer la graisse en excès graisse, endommagement du selon le schéma de graissage. palier. - hausse de la température, efficacité réduite de la graisse, fuites de graisse des joints d’étanchéités Tableau VI 3 : L’entretien de l’arbre de ventilateur axial de l’aéroréfrigérant.

VI.2.2-L’entretien. Le programme d’entretien est donné par le constructeur qu’on doit suivre lorsque le fonctionnement de la machine (aéroréfrigérant) est normal si non un plan secondaire à suivre est tracé par le bureau méthode.

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Chapitre VI : Maintenance et Sécurité technique

Figure VI 4

: Programme d’inspection de routine de groupe dynamique.

VI.3- Sécurité technique. Introduction. L’objectif de cette partie est de rappeler les connaissances et règles générales requises pour mettre à disposition l’aéroréfrigérant en vue de visites ou travaux puis pour les remettre en service. La sécurité sur site industriel est une tâche importante a assuré. Des consignes et règles sont faites pour réduire le maximum des risques en montrant les zones dangereuses et les différents risques sur lesquels le personnel et les opérateurs sont exposés. Pour ce qui est des risques ne pouvant être éliminés (résiduels) la présence de conditions de danger est mise en évidence par des plaquettes de sécurité placées sur la machine. La liste des lieux à risque résiduel est donnée ci-dessous: - risques dû à des températures extrêmes sur les collecteurs d’entrée et de sortie du fluide. - interdiction de démonter la protection de la transmission lorsque les organes sont en mouvement. -l’operateur ou l’utilisateur de l’installation est informé de la nécessité de prévoir l’éclairage de la zone d’utilisation de l’aéroréfrigérant. Et pour la sécurité des machines chaque operateur ou utilisateur doit suivre les manuels indiquant les instructions et les étapes à suivre lors de montage / remontage ou autre opérations sur le site ou à l’atelier. VI.3.1-Les consignes de sécurité technique sur site. Les opérations de la maintenance présentent un potentiel de risques plus élevé que la période d’exploitation normale de l’aéroréfrigérant. FHC 2016 mémoire de fin d’étude pour l’obtention de diplôme master MAUP11

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Chapitre VI : Maintenance et Sécurité technique La sécurité du personnel et du matériel, l’hygiène industrielle et la protection de l’environnement restent des préoccupations majeures pendant ces phases particulières d’exploitation. Pour cela toute intervention sur la maintenance doit respecter et répondre les procédures suivantes :  Situations dangereuses. Lors de ces opérations, il est indispensable de prendre les précautions permettant d’éviter toute situation dangereuse pouvant être cause « d’accident corporel », de dégradations matérielles ou de pollutions. De telles situations peuvent etre dues :           

à l’environnement proche : équipement ou unités en service à proximité, incidents externes, matériel de chantier en service à la production de produits hors spécification à des plages de régulation hors des échelles normales à la création d’un mélange explosif et aux risques d’inflammation à la mise sous-vide ou à la surpression à la mise en mouvement de mécanismes, de machines, … à un risque d’asphyxie par manque d’oxygène, d’intoxication par présence de vapeurs, de brûlures thermiques ou chimiques, … à un risque d’électrisation, d’irradiation aux travaux indispensables à ces opérations (pose et dépose de joints pleins, mise en place d’échafaudages, utilisation de citerne mobile de vidange, …) à l’organisation des travaux (co-activité entre opérations de production et opérations de maintenance, …) à la coordination en cas de changement de postes.

Il est donc important : 

  

de garder en service le matériel de lutte contre l’incendie : réseau eau incendie, mousse, extincteurs, …, et le matériel de détection fixe (détection gaz toxiques ou inflammables) qui sera protégé si nécessaire de s’assurer que les circuits de purge et de vidange sont opérationnels (torche, videvide, évents, égouts, …) garder en service les protections collectives (douches, lave-oeil, …) de déconnecter ou d’isoler tout ce qui est inutile à l’ensemble de ces opérations (réseau d’azote par exemple)  La mise en sécurité de l’installation.

Avant toute opération d’arrêt ou de démarrage des machines de l’installation les interventions doivent prendre en considération les paramètres suivants :    

isolement par fermeture des vannes vidange des produits contenus et dépressurisation si nécessaire lavage et neutralisation si nécessaire dégazage ou inertage préliminaire

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Chapitre VI : Maintenance et Sécurité technique    

condamnation des appareils statiques, des équipements mécaniques, des circuits électriques, des sources radioactives, … dégazage définitif ouverture et ventilation naturelle ou forcée contrôles d’atmosphère.

Certaines de ces phases : - nécessitent l’utilisation de fluides auxiliaires tels que l’eau, la vapeur, un gaz inerte, etc. - s’accompagnent de la délivrance de permis (autorisations) correspondantes. Donc La mise en sécurité ou consignation d’un équipement statique, électrique, tournant, … est l’ensemble des dispositions interdisant, sans l’action volontaire de tous les intervenants et sans que le moindre doute puisse subsister : - toute présence ou toute mise en communication de l’équipement avec des lignes contenant ou étant susceptibles de contenir des produits : sous pression/vide, combustibles, corrosifs, toxiques chauds que se soient à l’état gazeux, liquide ou vapeur. - toute mise en mouvement de mécanisme interne (agitateurs, …) ou de machine tournante (pompes, aéroréfrigérants, …) - toute mise sous tension d’appareillages électriques (moteurs, éclairage, instrumentation,…). - toute irradiation due aux sources radioactives (mesures de niveau, de densité, appareils d’analyse). La consignation de l’aéroréfrigérant quel qu’il soit à pale variable ou à pale fixe doit comporter 4 étapes indissociables : - la séparation - la condamnation (isolement) et signalisation - la purge - la vérification et identification. VI.3.2-Principes généraux de mise à disposition et en service de l’aéroréfrigérant. Trois étapes sont conseillées à suivre afin d’assurer la réhabilitation de l’aéroréfrigérant en service.  Mise à disposition. L’équipe d’intervention doit etre qualifié et connaître précisément la nature de l’intervention (visite, type de travaux, …) nécessitant la mise à disposition.     

Anticiper l’impact sur le procédé et/ou sur l’environnement. Identifier la zone géographique. Préparer le planning des travaux, la logistique, les organigrammes. Préparer la procédure d’arrêt. Établir un plan de prévention pour l’opération si nécessaire.

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Chapitre VI : Maintenance et Sécurité technique   

      

Préparer l’arrêt sur le terrain : balisage, échafaudages, branchement des flexibles utilités, identification des brides à jointer/déjointer, … Arrêter l’équipement. Consigner l’équipement comme suit :  éliminer les produits  poser les isolements “procédé” en batteries limites d’unité ou d’atelier  poser les isolements “travaux” (au plus près des capacités)  consigner électriquement et mécaniquement les parties mobiles de l’équipement  procéder aux analyses d’atmosphère Délivrer les autorisations de pénétrer et de travaux.  La remise en service. Remettre en conformité (fermeture des purges et évents, remise en place des brides pleines et bouchons). Enlever les isolements “travaux” et “procédés”. Désaérer si nécessaire. Décondamner électriquement et mécaniquement. Effectuer les tests d’étanchéité. Conditionner l’installation suivant les commandes de module. Redémarrer et vérifier par la suite la bonne marche de la machine.

VI.3.3-Les dégâts et les endommagements résultant de la rupture des pales orientables -Arrêt complet de l’aéroréfrigérant et déclanchement de Boosting si la température de d’entrée du gaz aux modules est supérieur à 65 (°C) et par la suite il by passer le gaz vers les torches, donc des pertes économiques importantes. -Le grand débit de refoulement qui est du à la fixation à l’angle maximal des pales provoque des pannes graves sur le moteur électrique qui ne supporte pas cette surcharge. -l’éclatement des pales provoque la déformation des ailettes de l’échangeur. - des déformations et cesses des autres pièces de l’aéroréfrigérant etc. La série des photos ci-dessous montrent ces différents endommagements

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Chapitre VI : Maintenance et Sécurité technique

Figure VI 5

: Les endommagements provoqués par la rupture des pales

VI.3.4-Installation d’un détecteur d’angle. Pour la sécurité technique de l’aéroréfrigérant, et suite aux résultats de calcul trouvé sur les vibrations des pales qui sont fréquentes. Donc une fixation des pales à l’angle maximal peut dépasser l’intervalle tolérable d’angle qui résulte de ces vibrations fréquentes. Pour une sécurité technique de ventilateur et donc de l’aéroréfrigérant, l’installation d’un détecteur d’angle en parallèle avec le vibroswitch (détecteur des vibrations dangereuses sur le rotor) est recommandé et qui déclenchera automatiquement au dépassement d’angle critique.

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VII-Conclusion générale. Les études aérodynamiques des rotors d’aéroréfrigérant fondées sur la théorie de Rankine-Froude et la théorie des éléments de pale définissent les caractéristiques géométriques des pales ainsi que les forces aérodynamiques qui s’y appliquent et leurs conséquences sur la résistance de l’ensemble des éléments du rotor. L’effet de ces forces aérodynamiques dépend évidemment de la configuration géométrique de la pale et de l’angle d’attaque du fluide dont le choix est capital pour éviter le phénomène de décrochage, une des causes de la rupture des pales. L’étude a montré qu’augmenter le débit d’air en agissant sur d’angle d’orientation des pales est sujet à un angle d’incidence de décrochage dangereux qui provoque la déformation des pales et la rupture de leurs supports. L’étude conseille d’augmentation du débit d’air brassé par les pales avec un angle d’attaque optimal normal en agissant sur la vitesse de rotation de l’ensemble tournant sans toutefois dépasser une vitesse critique préalablement déterminée par des condition de résistance mécanique. L’étude thermique sur l’échangeur a montré avec calcul que la surface d’échange est toujours suffisante ce qui prouve que les faisceaux tubulaires sont fiables et ne posent pas des problèmes de bouchage ou autres. Le bon refroidissement du gaz est assuré par le débit d’aire refoulé par le ventilateur qu’est une fonction de la surface et de la vitesse (Q= Vr.Sb), et comme la surface dépend de l’angle d’incidence qui provoque le phénomène de décrochage des pales à un certain angle bien définie (i=11) déterminé au chapitre III, une incidence optimale de fonctionnement ne répond pas avec efficacité au débit recommandé en période estivale.et on a constaté par calcul dans le chapitre IV sur la résistance des pales que le ventilateur tourne à une vitesse réduite faible par rapport à la vitesse critique de sécurité. Suite à ces résultats obtenus, pour assurer toujours le débit souhaité qui peut refroidir efficacement le gaz, l’étude propose une solution améliorante, techniquement sur la vie de l’aéroréfrigérant et économiquement par l’optimisation de la consommation de la puissance électrique de moteur qui est : -

De fixer les pales à l’angle d’attaque optimale calculée (𝛼 = 16°) qui correspond à l’incidence (i=7°). De remplacer les moteurs électriques actuels par d’autres à variateur de vitesses et de faire varier ces vitesses selon le besoin de débit souhaité à chaque période.

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La bibliographie. [I.1] : Livre « ventilateurs, compresseurs. Notions fondamentales. Dimensionnement » par Jean-Marie MÉRIGOUX Ancien Ingénieur en Chef à la Direction Technique de l’Établissement Rateau de la société Alsthom. [I.2] : Thèse doctorat « Analyse des caractéristiques aérodynamiques d’une aile d’avion de différents profils sous l’effet des vitesses subsoniques » présenté par Melle : MERABET Amel. [I.3]: Livre « Aérodynamique et Mécanique de vol » Club aéronautique BIA [I.4] : Quelques notions aérodynamique de base et leur calcul, Révision 1.3 – Copyright A. Deperrois - septembre 2009 [I.5] : le site internet http://home.nordnet.fr/aerologie0004.htm [I.6] : L’aérodynamique : du vol à voile à la navette spatiale par Deborah Mueller Mentor M. Eduardo Principi le 10.12.2004. [I.7], [I.8] : Site internet « www.Hiliciel.com » [II.1] : Process Engineering Guide : Air Cooled Heat Exchanger design [II.2] : Formation industrielle sur aéroréfrigérant « technologie et utilisation des échangeurs», ENSPM, IFP training. [III.1] : Formation continue, Séminaire sur « Aéroréfrigérants : Selection, Design & Exploitation» Animé par Dr. M.A. MASRI. IAP Avril 2007 [III.2] : Livre « aérodynamique et mécanique de vol » Club aéronautique BIA. [III.3] : Mécanique des fluides par Jean GOSSE, Docteur ès Sciences, Professeur Honoraire au Conservatoire National des Arts et Métiers [IV.1] : R. Raletz, "Théorie élémentaire de l'hélicoptère", Collection aviation, Cépaduèséditions, Toulouse, 1990. [IV.2] : Thèse doctorat «Contribution à la modélisation énergétique des hélicoptères en vue de la maîtrise de leurs comportements dynamiques » à l’école paris Tech par Zineb CHIKHAOUI. [IV.3] : Livre « Ventilateurs. Compresseurs Notions fondamentales. Dimensionnement » par Jean-Marie MÉRIGOUX Ancien Ingénieur. [IV.5] : Thèse doctorat « « Etude du comportement cyclique et de l'endommagement par fatigue d'un alliage d'aluminium anisotrope du type 2017A» Abdelghani MAY 2013. [V.1] : « Analyse de la vibration » GPO-261 maintenance industrielle. [V.2] : Le site internet : http://www.gilbertpernot.fr [V.3] : Livre « Ventilateurs. Compresseurs Notions fondamentales. Dimensionnement » par Jean-Marie MÉRIGOUX Ancien Ingénieur. [VI.1] : « Owner’s manual : installation, maintenance, operating for classe 10000 fans » MOORE FANS.pdf

Annexe C.

Altitude (m)

Fa

0 300 600 1200 1500

1 0,964 0,930 0,844 0,832

Tableau : facteur de correction de la densité de l’air en fonction de l’altitude.

Concentration moléculaire X%

Masse molaire (M)

Température critique

Pression critique

KG/K mol

Tcr (°R)

Pcr (psi)

N2

3,10

28,02

227,34

491,986

CO2

0,25

44,01

547,740

1070,959

CH4

79,33

16,04

344,16

673,120

C2H6

13,69

30,07

550,26

709,815

C3H8

2,01

44,09

666,18

617,426

iC4H10

0,42

58,12

734,94

529,098

nC4H10

0,69

58,12

565,54

550,708

iC5H12

0,18

72,15

829,26

482,976

nC5H12

0,24

72,15

845,46

489,502

C6H14

0,04

86,17

914,04

295,007

composant

La somme

100%

Tableau : la composition chimique du gaz passant par l’aéroréfrigérant La masse molaire de mélange Mmél =∑Xi* Mi Mmél =19,71 g/mol

Annexe D : Tableau 02 : Propriétés de l’air à la pression atmosphérique. Propriétés de l'air à 1 atm

θ (°C) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

ρ

Cp

λ

(kg/m3) 1,292 1,204 1,127 1,059 0,999 0,946 0,898 0,854 0,815 0,779 0,746 0,700 0,688 0,662 0,638 0,616

(J/kg.°C) 1006 1006 1007 1008 1010 1012 1014 1016 1019 1022 1025 1028 1032 1036 1040 1045

(W/m.°C) 0,0242 0,0257 0,0272 0,0287 0,0302 0,0318 0,0333 0,0345 0,0359 0,0372 0,0386 0,0399 0,0412 0,0425 0,0437 0,0450

10-5. µ

10-5. α

Pr

(Pa.s) 1,72 1,81 1,90 1,99 2,09 2,18 2,27 2,34 2,42 2,50 2,57 2,64 2,72 2,79 2,86 2,93

(m2/s) 1,86 2,12 2,40 2,69 3,00 3,32 3,66 3,98 4,32 4,67 5,05 5,43 5,80 6,20 6,59 6,99

0,72 0,71 0,70 0,70 0,70 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68

Corrélations entre 0 et 100 °C (θ température en °C,T température en K)

ρ=

353 𝜃+273

Cp=1008

…………………………….. (kg/m3) ……………………………… (J/kg.°C)

λ = 7.57*10-6 + 0.0242 ………………… (W/m.°C) µ =10-5(0.0046 θ + 1.7176)

…………..(Pa.s)

α = 10-5(0.0146 θ + 1.8343)

………….. (m2 /s)

Pr = -2.54*10-4θ + 0.7147

Annexe B. Figure : Coéfficient de frottement ft

Annexe A.

PARTS LIST

3.6 AUTOMATIC FANS PARTS LIST 2 DETAIL AA FOR HUB WITH POSITIONER

DETAIL AA FOR HUB WITHOUT POSITIONER

3 4

12

2

3

5

4

7

6

8

5

14

13 6

11

1

7

9

9 SEE DETAIL AA 15 NOT TO SCALE: SOME DIMENSIONS AND ANGLES HAVE BEEN EXAGGERATED FOR CLARITY

10 16 17

32

28

ITEM

PART #

1 2 3 4 5 6 7 8

2624 1625 733 771 179 162 163 159

9

257

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

21 210 344 264 186 1532 164 52 2886 644

PAGE 12

36

34

33

26

20

37

22

31

21

35

DESCRIPTION CSP UNION ASSEMBLY (WITH POSITIONER) 10mm STAINLESS STEEL NUT (3) 3/8" SEALED WASHER (3) 10mm x 30mm STAINLESS STEEL BOLT (6) 3/8" FIBER WASHER (6) UNION PLATE UNION PLATE GASKET STAINLESS STEEL STOP STUD (3) 12" STANDARD NEOPRENE AIR HOSE ASSEMBLY WITH 1/4" NPT EXTERNAL THREADS BOTH ENDS POSITIONER 1/4" BRASS STREET ELL 5/8-18 LH LOCKNUT CS ROTARY UNION CS UNION ASSEMBLY WITH HARDWARE 18mm ALUMINUM NUT 3/4" ALUMINUM FLAT WASHER 5/8" RESILIENT WASHER 24mm x 98mm ALUMINUM BLADE BOLT SMALL CLEVIS CLAMP RANGE SPRING RETURN SPRING SHIM

24

23

25

ITEM

PART #

22 23 24

4515

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

36 37

152 1530 16 167 169 4269

27

19

29

30

18

DESCRIPTION RETURN SPRING 16mm x 32mm ALUMINUM ANCHOR TEE BOLT (4 per BLADE) 12mm HEX BOLT FOR T BUSHING (2) 12mm HEX BOLT FOR U BUSHING (4) 16mm HEX BOLT FOR W BUSHING (4) 16mm HEX BOLT FOR X BUSHING (4) 5/8" ALUMINUM LOCK WASHER (4 per BLADE) 18mm x 302mm ALUMINUM HUB STUD DIAPHRAGM ACTUATOR 16mm x 70mm ALUMINUM BOLT 16mm ALUMINUM NUT ROD END AUTOMATIC FAN BUSHING ADAPTER PISTON STRUT ASSEMBLY WITH HARDWARE PISTON PLATE AUTOMATIC HUB PLATE T BUSHING (3") U BUSHING (4") W BUSHING (5.5") X BUSHING LONG (5.5") HUB TUBE ASSEMBLY WITH HARDWARE CYLINDER PLATE

MOORE FANS LLC, MARCELINE, MO 64658 PHONE (660) 376-3575 FAX (660) 376-2909

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