Design of a microfabricated steam Rankine microturbine for high temperature operation

Le projet présenté ici consiste en la conception et l’étude de faisabilité d’une microturbopompe de type Rankine destinée à être opérée à haute température. Une étude préliminaire est d’abord effectuée pour déterminer la configuration globale ainsi que les matériaux possibles pour l’isolation thermique du dispositif. Il en découle la nécessité d’utiliser des matériaux isolants pour le rotor et la structure statique. Les matériaux retenus sont le quartz et le Pyrex et la surface de la structure statique doit être réduite tout en s’assurant de la solidité du dispositif. Le domaine d’application retenu est la récupération de la chaleur de gaz d’échappements automobiles pour la génération d’énergie électrique. Dans cette application, l’utilisation de panneaux de microturbines pourrait permettre d’économiser jusqu’à 2.7% du carburant consommé. Après que la configuration globale soit définie, les composants rotodynamiques sont conçus en utilisant les modèles physiques les plus actuels. La conception finale comporte la pompe centripète, la turbine à un étage, deux paliers axiaux, un palier radial anisotropique comportant quatre réservoirs ainsi que trois joints d’étanchéité (un joint d’étanchéité spiral à viscosité et deux joints d’étanchéité annulaires) permettant de découpler les écoulements des différents composants. Par la suite, une séquence de procédés est définie ainsi que le concept détaillé incluant les aménagements permettant l’instrumentation et l’opération dans un banc d’essai de la microturbopompe de démonstration. La conception des dix-huit photomasques de fabrication découle de cet exercice. Finalement, des tests de microfabrication sont effectués pour évaluer la faisabilité des principales étapes définies dans la séquence de procédés de fabrication. Les étapes de photolithographie, de gravure du silicium, de collage anodique et par fusion sont démontrées tandis que les défis inhérents à la gravure du Pyrex et du quartz sont explorés. Une approche pour compléter la fabrication d’un dispositif de démonstration est proposée à la fin de ces travaux. Cette étude définit pour la première fois la configuration détaillée d’une microturbopompe à vapeur opérant à haute température, confirmant la faisabilité de ce concept. Les jalons sont posés pour la fabrication d’un prototype de démonstration et la validation des modèles présentés ici