Influence d un jet d air sur le refroidissement d un rotor de machine tournante de technologie discoïde

Transcription

1 Journée d étude SFT 9 Mars 2006 Espace Hamelin Paris Influence d un jet d air sur le refroidissement d un rotor de machine tournante de technologie discoïde J. Pellé, S. Harmand

2 Introduction Méthode utilisée pour la mesure du h Description du banc expérimental Résultats Interprétation Conclusion 2

3 Introduction Méthode utilisée pour la mesure du h Description du banc expérimental Résultats Interprétation Conclusion 3

4 Système rotor-stator discoïde sans jet ω Rotor h(r) Stator R ext Machine tournante discoïde (éolienne ) 1. Rotor et stator face à face 2. Fort couple et faible vitesse de rotation 3. Différentes pertes dégagées en chaleur au rotor 4. Ecoulement dans l entrefer créé par la rotation 5. Convection forcée au niveau des deux disques e Echauffement au rotor Amélioration des techniques de refroidissement (fiabilité, stabilité et rendement) 4

5 Système rotor-stator discoïde sans jet L échange convectif à la surface du rotor et les écoulements au sein de l entrefer sont étroitement liés: 1. Batchelor (1951) 2. Stewartson (1953) 3. Owen (1974) 4. Daily et Nece (1960) les écoulements, entrefer ouvert ou fermé transferts convectifs, entrefer fermé Owen (1989): espacement, vitesse de rotation profil de températures Réalisation d essais pour la détermination du coefficient d échange sans jet en entrefer ouvert 5

6 Influence d un jet sur une paroi 1. Popiel et Boguslawski (1986) 2. Angioletti et al. (2003) Impact Jet Tourbillons Mixte Rotation 6

7 Influence d un jet sur une paroi Nu = h d λ a Angioletti et al. (2003) Pics = recollement des tourbillons Echange maximum décalé par rapport au point d impact Détermination des coefficients d échanges sur le rotor d un système discoïde avec un entrefer non-confiné soumis à l impact d un jet 7

8 Introduction Méthode utilisée pour la mesure du h Description du banc expérimental Résultats Interprétation Conclusion 8

9 ROTOR 9

10 Aluminium: homogénéisation des T inter Isolant: h(r) représentée par des T s (r) Equation de la chaleur dans l isolant: ²T r² + 1 r T r + ²T x² = 0 Conditions aux limites: T inter par thermocouples T s (r) par caméra infrarouge Flux conductifs dans l isolant connus Bilan de flux à la surface du rotor: ϕ cv = ϕ cd ϕ ray 10

11 Introduction Méthode utilisée pour la mesure du h Description du banc expérimental Résultats Interprétation Conclusion 11

12 Système rotor-stator discoïde avec jet Rotor Stator la similitude donne: ω h(r) Nu r = f ( G,Re r,re j ) d, q v Avec: Nu r = h r λ air e G = e R ext Re r ω r² = υ air Re j = 4 π q d v υ 12

13 Diamètre des disques : 620 mm Diamètre du jet : 26 mm Emissivité rotor: 0,93 ± 0,02 Emissivité stator: 0,65 ± 0,03 Transmission fluorine : 0,95 ± 0,01 Validation en configuration Disque libre 13

14 Bilan de flux à la surface du rotor: ϕ cv = ϕ cd ϕ ray Avec: ϕ cv ϕ ray [ T ( r ) ] = h T s = σ 1 r ϕ cd Fε rε s F²( 1 ε )(1 ε s T = λ x ) x= 0 ( 4 4 T ( r ) T ) s stator Ainsi: Nu r = r λ air où: ϕ T s cd F ϕ ( r ) T = 1+ ray G² 2 G G² 1 Erreur relative: 12% 14

15 Introduction Méthode utilisée pour la mesure du h Description du banc expérimental Résultats Interprétation Conclusion 15

16 0,01 < G < 0,16 0, < Re(Rext) < 6, < Rej < 41, Observation des Nusselt locaux Observation des Nusselt moyens f ( G,Re, ) r Re j 16

17 Nusselt local G=0,04 Re= Rej=16666 Re= Rej=16666 Re= Rej=16666 Re= Rej= r/d

18 1000 G=0, Nusselt local 100 Rej=0 Rej=16666 Rej= r/d

19 Nusselt local Jet Rej=16666 G=0, Centrifuge partout Mixte Owen (1989) Centrifuge au rotor + centripète au stator Rotation r/d

20 Re= Rej=41666 G=0.01 G=0.04 G=0.16 Nusselt local Influence sur la zone dominée par le jet r/d

21 Nusselt moyen G= Re= G= Re= Inversion Rej Centrifuge dans tout l entrefer 21

22 Nusselt moyen G= Re= G= Re= Diminution de l influence de la rotation avec l augmentation de Rej Rej 22

23 Nusselt moyen Jet dominant sur la majorité du rotor G= Rej=8333 G= Rej=16666 G= Rej=25000 Coexistence des trois régimes sur le rotor Diminution de l influence du jet avec l augmentation de Re Re 23

24 Introduction Méthode utilisée pour la mesure du h Description du banc expérimental Résultats Interprétation Conclusion 24

25 Mise en place d une méthodologie de mesure et d un banc expérimental Validation en configuration disque seul Etude en configuration rotor-stator avec et sans jet Trois aires d influence à la surface du rotor (thermique) Cohérence avec les écoulements (Owen, 1989) Amélioration sensible des échanges 25

26 Perspectives Visualisation d écoulements Influence du diamètre d du tube Modification de la géométrie du tube Questions?