Modélisation multiphysique, reconception et optimisation d’une motopompe à rotor noyé

Multiphysics Modeling, Redesign and Optimization of a Canned Motor Pump

• Auteur / Autrice : Amadou Tinni
• Direction : Mohammed Nouari, Dominique Knittel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 08/10/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Gabriel Abba
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samuel Gomes, Patrice Wira, Hélène Chanal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samuel Gomes, Patrice Wira

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durée de vie (ingénierie)

Rendement mécanique

Sensibilité, Théorie de la (mathématiques)

Conception technique simultanée

Conception et construction

Pompes

Mots clés libres

Motopompe à rotor noyé à très hautes performances

Couplage Électrique – Thermique

Modélisation et simulation multiphysique

Optimisation multi objectifs

Analyse de sensibilité

Reconception

Very high-performance canned motor pump

Electrical - Thermal coupling

Multiphysical modeling and simulation

Multiobjective optimization

Sensitivity analysis

Redesign

Résumé

Utilisées dans les domaines nucléaire et chimique, les motopompes à rotor noyé sont l'un des moyens les plus sûrs pour pomper des fluides dangereux (radioactifs ou toxiques), couteux et volatils. La motopompe à rotor noyé est une unité compacte intégrant une partie hydraulique et un moteur à induction avec un arbre commun. La particularité du moteur est que deux chemises amagnétiques sont insérées dans l'entrefer pour étanchéifier le rotor des enroulements statoriques. Le fluide pompé passe à travers l’entrefer pour refroidir le moteur et lubrifier les paliers. Les nouvelles normes européennes sur le rendement (normes IEC), l’augmentation de la durée de vie des centrales nucléaires, ainsi que l’augmentation de la sécurité des installations après la catastrophe de Fukushima font que la nouvelle génération des motopompes à rotor noyé doit avoir un meilleur rendement et une meilleure durée de vie tout en remplissant les fonctions de sureté. Le but de cette thèse est de développer un modèle multiphysique combinant les parties électrique et thermique du moteur afin de déterminer le rendement et la durée de vie des moteurs à rotor noyé. L’efficacité du modèle multi-physique et son respect des tendances d’évolution ont été mis en évidence grâce à la comparaison avec les résultats d’essais expérimentaux. Une large campagne d’essais a été effectuée sur différents moteurs prototypes instrumentées. Une analyse de l’influence des paramètres caractérisant les performances électrique et thermique du moteur à rotor noyé a été réalisée et des indications sur la reconception des motopompes à rotor noyé ont été formulées afin d’avoir un meilleur rendement et grande durée de vie.

Canned motor pumps are one of the safest ways to pump dangerous (radioactive, toxic), expensive and volatile fluids in nuclear and chemical fields. The canned motor pump is a compact unit integrating a hydraulic part and an induction motor with a common shaft. The special feature of the motor is that two non-magnetic cylindrical tube called “the can” are inserted into the air gap to seal the rotor from the stator windings. The pumped fluid passes through the air gap to cool the motor and lubricates the bearings. The new European standards on the motor efficiency (IEC standards), the increase in the service life of nuclear power plants in France, as well as the increased safety of the nuclear power plant installations after the Fukushima catastrophe are the reasons why canned motor pumps have to be designed with better efficiency and service life while fulfilling safety functions. The purpose of this PhD thesis is to develop a multiphysical model combining the electrical and thermal parts of canned motor to determine the efficiency and service life of canned motor. The reliability of the established multi-physical model has been validated by a comparison with the experimental test results carried out on different instrumented prototype motors. An analysis of the influence of parameters that determine the electrical and thermal performances of the canned motor was carried out and indications on the redesign of canned motor pumps were formulated to have motors with better efficiency and longer service life.