Transferts thermiques convectifs dans le cadre de machines tournantes

par Antoine Giret

Thèse de doctorat en Énergie, thermique, combustion

Sous la direction de Eva Dorignac et de Matthieu Fénot.


  • Résumé

    Les machines tournantes répondent non seulement à des objectifs électriques mais également à des contraintes thermiques. Il s'agit, en effet, de respecter un échauffement autorisé. Un ventilateur monté en bout d’arbre assure ainsi un écoulement de refroidissement. L'air emprunte trois circuits principaux : les canaux statoriques, les canaux rotoriques et l'entrefer. Le travail contribue ici à l'étude des échanges convectifs dans l’entrefer et les canaux statoriques. Il s'inscrit dans l'investigation de l'entreprise Leroy Somer pour l'optimisation du refroidissement des alternateurs électriques. Un dispositif expérimental a été réalisé, il permet de confronter des mesures à des résultats numériques dans une configuration d'entrefer d'alternateur. Comparé au cas lisse, l'originalité vient de la géométrie du rotor avec ses quatre canaux inter-polaires. La thermographie infrarouge est utilisée afin de déterminer les coefficients d'échange convectif au rotor et au stator. Au rotor, les résultats expérimentaux montrent un comportement convectif proche d'une configuration d'entrefer lisse. Une étonnante décroissance des coefficients apparaît cependant pour des grandes vitesses de rotation. La présence d'une structure hélicoïdale dans les canaux inter-polaires intensifie les échanges sur leurs parois. Les transferts au stator semblent améliorés par un effet centrifuge engendré par la rotation des canaux inter-polaires. Que ce soit pour le rotor ou le stator, l'entrée de l'entrefer est favorisée pour les transferts convectifs. Les simulations ont une tendance générale à sous-estimer les échanges convectifs au rotor et à les surestimer au niveau du stator. En complément, une analyse paramétrique numérique a été menée afin d'évaluer le potentiel d'amélioration de la performance des canaux statoriques dotés de perturbateurs.

  • Titre traduit

    Convectiv heat transfers in the rotating machinery context


  • Résumé

    Rotating machinery must respect both electrical aims and thermal constraints. They are to be in agreement with a limit temperature level. Therefore, a blower provides a cooling air flow. There are three main flow ways: statoric ducts, rotoric ducts and air-gap. The work deals with the convective heat transfer study of air-gap and statoric ducts. It is part of the Leroy Somer company researches on electric generator cooling efficiency. A tests bench was developed to perform comparison between experimental results and numerical results on an alternator air-gap case. Our air-gap case originality, compared with a smooth one, comes with the particular rotor geometry and its four inter-polar gaps. Infrared thermography is used to provide convective heat transfer coefficients on rotor and stator. The rotor experimental results show a behaviour close to a smooth air-gap one. However, it is surprising to obtain a convective heat transfer coefficient decreasing when the rotor speed becomes greater. Moreover, an helical structure development in inter-polar gaps intensifies convective heat transfers. Stator heat transfers seem improved thanks to a centrifugal effect provided by the «ducts-between-poles» rotation. The air-gap entrance is the best convective heat transfer zone for both rotor and stator walls. The numerical results have a general tendency to underestimate convective heat transfer coefficients on rotor and to overestimate them on stator. To supplement the study, a parametric analysis is carried out to assess the efficiency improvement capacity of statoric ducts with ribs.

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