TP Machines et Systèmes Energétiques: Caractéristiques d un ventilateur contra-rotatif Laboratoire de Dynamique des Fluides version du 24 octobre 2014 Table des matières 1 Généralités 2 1.1 Descriptif de la machine........................... 2 1.2 Problématique................................. 3 1.3 Banc d essai.................................. 3 1.4 Grandeurs à mesurer............................. 4 2 Travail demandé 5 2.1 Préparation de l expérience.......................... 5 2.2 Performances aérodynamiques........................ 5 2.3 Performances aéroacoustiques........................ 5 florent.ravelet@ensam.eu http://www.dynfluid.eu 1
1 Généralités 1.1 Descriptif de la machine Les ventilateurs axiaux contra-rotatifs peuvent contribuer à réduire la consommation, la masse et le volume dans de nombreux domaines industriels. La conception et l optimisation d un tel système sont des défis technologiques et scientifiques, notamment à cause de phénomènes très complexes produits par l interaction d écoulements hautement instationnaires entre les deux rotors. Une conception efficiente de tels systèmes reste à développer. La présence des deux rotors conduit en effet à introduire de nouveaux paramètres libres pour la conception, comme la répartition de charge entre les rotors, la distance et le rapport des diamètres ou des vitesses de rotation, etc. Une méthode originale pour concevoir un étage contra-rotatif a été développée au laboratoire Dynfluid. Des mesures expérimentales des performances globales, des fluctuations de pression et de vitesse sont nécessaires afin de valider une méthode de conception, puis d étudier l effet des paramètres de conception. Figure 1 Vue clate de la gomtrie du moto-ventilateur tudi. L étage d une turbomachine contra-rotative est composé de deux rotors tournant en sens opposés : le rotor amont (FR) et le rotor aval (RR). Le rôle du rotor aval est double : d une part il permet de redresser l écoulement issu du premier rotor, à la manière d un diffuseur convertissant l énergie cinétique de rotation en énergie de pression statique ; et d autre part il contribue par sa rotation à communiquer une énergie supplémentaire au fluide. Le système étudié ici a été conçu au laboratoire. Une photo des deux machines est visible en Fig. 1. Les données caractérisant le point de fonctionnement pour lequel le système a été conçu sont rapportées au Tab. 1. Les principaux paramètres géométriques des deux ventilateurs sont présentés au Tab. 2. 2
Elévation de pression totale (Pa) 420 Débit (m 3.s 1 ) 1 Vitesse de rotation des deux rotors (rpm) 2300/2200 Table 1 Caractéristiques du point de dimensionnement pour le système contra-rotatif, pour un fluide de densité 1.21 kg.m 3 et de viscosité cinématique 1.5 10 5 m 2.s 1 (air à 18.5 o C et 1013.5 hpa). FR RR R γ L chord σ D Profil Re (mm) ( ) (mm) hub 65 40.7 47.2 1.2 0.55 NACA 65(15)11 5.9 10 4 midspan 126.5 63.5 54.6 0.7 NACA 65(08)09 1.3 10 5 tip 187.5 71.6 62.0 0.5 0.37 NACA 65(06)08 1.7 10 5 hub 65 75.3 49.2 0.8 0.68 NACA 65(04)12 9.0 10 4 midspan 126.5 68.1 67.3 0.6 NACA 65(04)09 1.7 10 5 tip 187.5 76.9 85.4 0.5 0.37 NACA 65(03)07 3.1 10 5 Table 2 Paramètres géométriques. R : rayon ; γ : angle de calage ; L chord : corde du profil ; σ : serrage de la grille ; D : facteur de diffusion global ; Les profils sont des NACA65(xx)yy, avec xx la cambrure relative et yy l épaisseur relative ; Re est basé sur la vitesse relative en entrée et la corde, au débit de conception Q = 1 m 3.s 1 pour les vitesses de rotation nominales (voir Tab. 1). 1.2 Problématique Afin de situer la plage de fonctionnement du ventilateur et de vérifier la conformité de ses caractéristiques avec le cahier des charges, il est nécessaire d effectuer une campagne expérimentale. Cette campagne concerne essentiellement des mesures de pression, de débit, de puissance absorbée, de vitesse de rotation, de rendement et du bruit généré par le ventilateur. 1.3 Banc d essai Le banc d essai utilisé pour ces mesures est conforme à la norme ISO 5801 permettant de déterminer les performances aérodynamiques des ventilateurs industriels de tous types. Cette norme présente la méthodologie de calcul des différentes caractéristiques aérodynamiques et les incertitudes attachées à ces grandeurs. Le banc (Fig. 2) est constitué d un tube de diamètre intérieur D = 380 mm. Une cloche est ajustée à l entrée afin de réduire les pertes singulières à l entrée. Le rotor FR est à une distance 5D de l entrée. Deux moteurs brushless PANASONIC A4 pilotent indépendamment chaque rotor. Un dispositif en étoile de longueur 2D est situé 2D en aval du système, afin de casser la rotation résiduelle et d homogénéiser les champs de pression et de vitesse. La pression statique relative est mesurée 1D en aval de l étoile par une moyenne sur quatre prises de pression en paroi. Afin d avoir une installation compacte, un coude à 180 o est placé 1D en aval des prises de pression. Le débit est alors mesuré par un diaphragme normalisé, placé 10D en aval du coude et 5D en amont de la sortie. Ce diaphragme a un 3
diamètre de d = 0.73D. Un diaphragme à iris utilisé normalement pour la régulation des débits d air dans la ventilation est placé à la sortie du tuyau pour régler l impédance hydraulique du banc et varier ainsi le point de fonctionnement. En cas de besoin, un ventilateur d aspiration en sortie du banc permet également d atteindre de plus hauts débits. Moyens de mesure à votre disposition : Manomètre différentiel connecté à un sélecteur de voies Variateurs + carte d acquisition + PC Sonomètre 1.4 Grandeurs à mesurer Grandeurs mesurables directement à partir de l instrumentation disponible La différence de pression entre l intérieur du caisson et l atmosphère P v. La perte de charge singulière au niveau du diaphragme P q Le niveau de pression acoustique Lp. Les vitesses de rotation et les couples de chaque moteur. La température de l air. La pression atmosphérique peut être relevée sur http://www.meteociel.fr/obs/ classement.php?mode=12&all=1 Grandeurs à déduire à partir des données ci-dessus Le débit est donné par la formule empirique suivante (norme ISO 5801) : Q = α π 2 P q 4 d2 ρ (1) Q débit volumique. α coefficient de débit, donné par : α = 0.7218 + 0.0407 P 0.36 q d diamètre du diaphragme P q perte de charge singulière au niveau du diaphragme ρ masse volumique de l air (gaz parfait de constante r = 287 J.kg 1.K 1 ) L élévation de pression totale P du ventilateur doit être corrigée de la perte de charge du circuit (entrée, tube à l aspiration, cages moteurs, tube de refoulement et dispositif anti-giration) mesurée au préalable : P = P v + 0.36 P q La puissance absorbée par le système P abs. Les couples mesurés doivent être corrigés du couple à vide, mesuré au préalable et donné par la relation : avec N la vitesse de rotation en rpm. C vide = 0.04 + 2.7 10 5 N 4
Le rendement du système η = Q P P abs 2 Travail demandé On placera le sonomètre dans le tube, en aval du système contra-rotatif. On effectuera deux ou trois séries de mesures en ne changeant qu un paramètre à la fois (vitesse de rotation du premier rotor, rapport des vitesses). Dans le rapport, il vous est demandé de tenir un «cahier de manip» décrivant les conditions d expérimentation. Les caractéristiques du système seront analysées et comparées au point de conception (Tab. 1), en faisant éventuellement appel aux lois de similitudes. On cherchera à établir un lien entre performances aérodynamiques et performances acoustiques. Toute remarque intelligente est la bienvenue. Vous pouvez consulter le polycopié de cours. 2.1 Préparation de l expérience Avant toute expérience, il convient de choisir les plages de fonctionnement des différents appareils et de les étalonner. Il est également judicieux d estimer les diverses incertitudes et précisions des appareils. 2.2 Performances aérodynamiques Tracez l évolution de la différence de pression produite par l aspirateur en fonction du débit. Tracez l évolution du rendement global en fonction du débit. Comparez les courbes obtenues par rapport au point défini dans le tableau 1. Commentez. Pensez aussi à regarder les évolutions de la puissance absorbée. Prenez des initiatives. 2.3 Performances aéroacoustiques Tracez la courbe du niveau sonore en fonction du débit. Existe-il un lien entre le point de fonctionnement nominal et les performances acoustiques? Expliquez. 5
Figure 2 Banc d essai Aero 2 Fans. 6