Simulation rotor turbine hydraulique

[atn]

Bonjour,

Je suis occupé à simuler un rotor de turbine hydraulique sous SolidWorks, mais je rencontre un problème au niveau des déplacements imposés qui fausse mes résultats.

Je ne peux pas partager le modèle, mais voici un aperçu du problème.

Le challenge est de simuler l'action du fluide sur les aubes du rotor. Je détermine pour cela une pression à appliquer sur les aubes qui génère le couple souhaité. Seules les aubes se trouvant face au secteur d'admission sont soumises à une pression. Le rotor est porté par 2 appuis de type palier auto-alignant.

Mon problème se situe au niveau du déplacement imposé permettant de bloquer la rotation. La seule solution que j'ai trouvé est de bloquer la rotation de la face cylindrique sur laquelle est emmanché l'accouplement flexible, mais cela entrave aussi les déplacements radiaux ainsi que l'alignement de l'axe. La face cylindrique de l'accouplement est dans ce cas considérée comme une glissière bloquée en rotation, ce qui ne correspond pas du tout à la réalité (l'extrémité de l'arbre portant l'accouplement est libre). Le modèle simplifié illustre bien le problème.

Connaissez-vous un moyen de bloquer l'arbre en rotation "relativement à lui-même", c'est à dire en conservant les degrés de liberté dans le plan radial et au niveau de l'alignement de l'axe ? Ou voyez-vous un autre moyen de simuler mon problème ?

Il n'est évidemment pas possible d'appliquer un couple résistant correspondant au couple généré par la pression sur les aubes (même avec 2 couples identiques opposés, SW ne parviens pas à calculer).

Merci d'avance pour vos idées et suggestions.

Je joins le modèle simplifié.

rotor_shematise.sldprt

[froussel]

Bonjour,

Ton résultat n'est pas forcément si mal représentatif que ça : il va bien y avoir une différence de comportement entre l'arbre lié à ta génératrice et celui qui ne fait que le guidage (lui peut tourner librement et les efforts ne passerons pas de son coté).

Tu peux éventuellement bloquer ta rotation sur un prolongement de l'arbre que tu as bloqué. Tu fais une extrusion d'un diamètre bien inférieur et tu bloques la rotation sur le bout de ce diamètre. Le bout d'arbre rajouté va avoir des contraintes de dingues et pas mal de déplacement à cause de la torsion mais la modélisation du comportement de ton arbre sera sûrement un peu plus juste (attention à ce que la rotation ne créée pas de soucis au niveau de l'application de ta force)

[m_blt]

Bonjour,

Une approche un peu différente de celle de l'arbre flexible proposé par @froussel .

Il serait intéressant de savoir par quel moyen le "couple" est transmis au récepteur, de façon à confirmer qu'il s'agit bien d'un couple...
Pas d'appui de type couple dans le module de simulation de SW. Pour s'en approcher le plus possible, on peut penser à deux appuis ponctuels diamétralement opposés, au niveau de la face de sortie de l'arbre, avec une normale tangente à l'arête de cette face.
Objectif atteint en faisant un petit usinage pour localiser les deux points et en choisissant convenablement la surface de référence et le déplacement associé (nul suivant z). Ce qui revient à réinventer la double clavette...
   
Le calcul se déroule normalement, et l'affichage des résultats montre que les points de la zone d'extrémité subissent des déplacements dans les trois directions.

Un bémol: en observant les résultats, on constate que les deux efforts "ponctuels" n'ont pas la même norme, ce qui prouve qu'il ne s'agit pas tout à fait d'un couple.
Il est possible de jouer sur la valeur des déplacements suivant z au niveau de ces deux appuis ponctuels pour rendre les normes identiques (environ 0.004 mm, l'arbre est très rigide au regard des efforts appliqués). Ceci confirme que la face en bout d'arbre se déplace légèrement suivant z si le récepteur exerce un couple pur. Ce qui nous renvoie à la question de départ: est-ce un couple ?
Bien entendu, les contraintes ne doivent pas être considérées au voisinage de ces deux points "clavettes".

Cordialement

rotorschematisebis.sldprt
rotorschematisebis.png

[Zozo_mp]

Bonjour

Il serait quand même plus simple de passer par flot simulation au préalable qui vous donnerait déjà une meilleure connaissance de la forme du flux et des pressions en jeu.

[HS ON]

Je me permet de donner mon avis sur le modèle et aussi sur la démarche     (pas taper la tête SVP) dans toutes les turbines existantes il n'y en a aucune ayant  deux appuis diamétralement opposés (désolé @m.blt  l'idée est bonne avec beaucoup de limites mais je ne conseillerai pas tout à fait la même démarche. Cf. ce qui suit)

Pourquoi ! Parmis les trois types de turbine les plus courantes (Francis, Kaplan et Pelton ) ce qui se rapprocherait de votre modèle (sans en avoir l'efficacité)serait la Pelton qui a un flux strictement tangenciel alors que la Kaplan fonctionne comme l'hélice carénée de bateau et que la Francis à un flux de l'intérieur vers l'extérieur de la turbine.

De mon point de vue seule une analyse faite sur un flux tangentiel limité à la hauteur de l'aube concave est pertinente.

Or votre modèle se rapproche plus d'une éolienne Savonius       Si l'eau frappe toute la turbine le godet offrant sa face convexe a l'eau n’est pas, par définition, aussi efficace que le godet qui offre au même moment sa face concave au flux d'eau..

Tout ça pour dire qu'il faut à minima considérer les deux forces séparément. Pour cela simuler la face convexe puis la face concave puis faire une simulation PEF avec les deux valeurs.

Le très gros hic c'est de connaître les efforts sur les pales convexes car pour les concaves on peu tricher un peu.
Par contre si vous avez une goulotte ou des buses qui ont leur jet tangentiel alors le problème est nettement plus simple.
A noter qu'une simulation statique ne vous donnera qu'une approximation puisque vous ne pourrez pas intégrer les vibrations, les fréquences, etc.. dans votre modèle, etc... etc...

Ce qui se rapprocherait le plus de votre image ce serait les ventilateurs tangentiels mais dont le principe de circulation du flux est très différent.

[HS /OFF]

Cordialement

 

[m_blt]

Bonjour @Zozo_mp , bonjour @Atn ,

Aucune dissonance entre nos propositions, juste un écart spatial et temporel sur la modélisation/simulation envisagée.
Votre développement sur les turbines vous place à l'entrée du système, et concerne la recherche des actions que le fluide va exercer sur le rotor, au moyen d'une étude de l'écoulement et du champ de pression sur les pales.

Je me situe à l'autre extrémité de la chaîne de puissance, où le récepteur doit exercer une action résistante (en principe). La question posée par @Atn concerne la capacité de l'arbre à supporter les efforts, et l'évaluation des déformations et contraintes qui en résultent.
"Mon problème se situe au niveau du déplacement imposé permettant de bloquer la rotation".
Le modèle envisagé  pour immobiliser l'arbre est un couple pur.
C'est d'ailleurs la finalité de la pièce simplifiée fournie comme base de réflexion.

J'ai parfaitement conscience que la charge répartie agissant sur une zone d'un moignon prismatique au milieu de l'arbre simplifié est très loin d'être un modèle réaliste de l'action fluide/rotor... Mais je vois mal comment faire une autre proposition à partir des données fournies.

Ma proposition concerne simplement la manière d'immobiliser l'arbre au moyen de ce qui se rapproche au mieux d'un "couple pur". Tout en doutant de la pertinence de ce modèle au regard de la solution réelle...
Comme vous à propos de la modélisation des actions fluide/rotor, je m'interroge sur la façon de modéliser cette action du récepteur sur l'arbre de sortie.

Cordialement.

[froussel]

Merci @Zozo_mp pour ses digressions m'ayant permis de m'intéresser au monde merveilleux des turbines.

Vu le design de @Atn sa turbine doit être prévue pour des chutes faible et débit pas forcément énorme (donc seule la kaplan pourrait éventuellement être dans le même registre d'utilisation) ou un fluide autre que l'eau.

Par contre si son fluide est un liquide un gros soucis de son design est l'évacuation de ce liquide une fois qu'il aura tapé les aubes supérieures : il va se retrouvé 'coincé' dans la roue et risque de très fortement dégrader l'efficacité globale du design (phénomène absent des 3 turbines évoquées par zozo qui évacuent correctement le fluide).

[Zozo_mp]

Bonjour @froussel 

Bien d'accord avec toi sur l'évacuation de l'eau.

Seule une queue de morue avec un flux strictement tangentiel permettrait d'obtenir un résultat.

Je rajoute au titre des digressions ;-)  ;)   que même les pico-turbines utilisent peu ou prou les trois modèles que j'ai cité.

Je me posait une question ! ! ! ! ! 
Ne serais-ce pas un travail d'un étudiant qui n'aurai pas vu ou mal interprété les turbines Fourneyron bien que le modèle se rapprocherait plutôt d'une turbine Poncelet et ses roues hydrauliques à aubes courbe.

Bref attendons des compléments d'informations de la part du primo-demandeur qui ne semble pas en mesure de nous répondre pour l'instant.

Cordialement

[atn]

Bonjour à tous et merci pour vos réponses, je suis impressionné par votre réactivité et l'intérêt que suscite ma question. J'essaie de faire une réponse globale.

Premièrement, il s'agit d'une turbine Crossflow (ou Banki-Mitchell), c'est-à-dire à "flux traversant". C'est une turbine à action dans laquelle le fluide est injecté sur un secteur d'admission d'environs 1/3 de cercle (et non sur tout le rotor comme c'est le cas pour une éolienne Savonius). Le fluide entre dans le rotor en traversant une première fois la couronne d'aubages puis en ressort en la traversant une seconde fois ; il agit donc sur la couronne d'aubage en entrant et en sortant du rotor.

Vu la complexité de l'écoulement dans ce genre de turbine et le manque de moyens/temps, une simulation du flux n'est pas envisagée ; d'où la modélisation grossière du phénomène avec une pression appliquée uniquement sur l'intrados des aubes. Pour la même raison, ne connaissant pas précisément l'effet du fluide en sortie de roue, celui-ci n'est pas pris en compte (a priori sécuritaire).

@froussel, merci pour la suggestion. Je l'ai testée, mais comme tu le craignais, j'obtiens des "grands déplacements" dès lors que je réduis le diamètre du prolongement d'arbre de manière à obtenir une liberté suffisante. A l'inverse, si je définis un diamètre assez grand pour reprendre le couple sans avoir de grands déplacements, on perd l'effet flexible. L'option grands déplacements du solveur est-elle gênante pour l'exactitude des résultats ?

J'ai testé une autre solution avec un genre d'accouplement "pneu", mais je n'en suis qu'aux essais préliminaires. Il semble que ça pose moins de problèmes de "grands déplacements" dus à la torsion de l'arbre. Les premiers résultats indiquent une différence négligeable en termes de contraintes entre la version initiale "blocage en rotation de la face cylindrique" et la version "accouplement pneu" ; mais la déformée de la version initiale est assez dérangeante visuellement.

@m.blt, merci également pour la suggestion. Ce qui me gêne dans cette solution est que le bout d'arbre est tout de même plaqué sur le plan XY me semble-t-il (il ne peut fléchir que vers le haut ou le bas). Concernant ta question sur le couple, oui il s'agit d'un couple "relativement au bout d'arbre". La position déformée du bout d'arbre est stationnaire. Certes, le demi-accouplement côté récepteur contrera le déplacement du bout d'arbre, mais dans quelle mesure... ?

@Zozo_mp, je ne travaille pas chez Siemens et il nous est malheureusement impossible de prendre en considération les vibrations et autres phénomènes (ni le temps ni les ressources matérielles ;). Ce n'est pas l'objet de cette étude. Une étude du flux et une déduction du champ de pressions serait en effet intéressante, mais à nouveau, je crains que nous manquions de ressources pour cela. Je ne sais pas non plus comment intégrer les résultats de la simulation "flux" dans l'étude mécanique.

Savez-vous s'il existe des liaisons plus adaptées dans d'autres logiciels genre Ansys ou Abaqus ?

Cordialement,

Antoine

[m_blt]

Bonsoir,

Puisque la solution du couple sur la base de deux ponctuelles ne vous a pas convaincu. Et pourtant... ;o)
Puisque l'arbre "souple" ne convient pas mieux...
Il reste la solution de l'accouplement mobile type joint de Oldham, dans une forme revisitée, avec des contacts adaptés pour obtenir les "bons" degrés de liberté. Ce choix, de type mécanisme, oblige à créer un assemblage pour représenter le joint d'accouplement.

Tout est dans le fichier zip joint (SW 2021 et doc Word).

Cordialement

rotorschematisebis.avi
rotorschematisebis.zip

[Zozo_mp]

Bonjour @Atn 

Merci pour la précision sur le type de turbine .

Je dirais que cela simplifie le problème d'une certaine façon car il devient possible de réduire le PB à deux types d'interaction : le flot entrant (une pression) et le poids de l'eau sur la partie du flot sortant (autant dire des queue de cerises pour le second)

Je pense qu'il est plus simple de partir du modèle complet (j'ai trouvé un modèle dur le net) car les pales ainsi que les renforts entretoises contribue très largement à la rigidité de l'ensemble. De mon point de vue il faut faire la simulation du système complet puisque les entretoises et les aubes rigidifies aussi le système.

Si tu peux attendre Lundi (là je suis en déplacement) je te ferais une simulation. Par contre confirme moi que les entretoises rejoignent bien l'arbre central comme sur les images.

Donne également les tailles approximatives  des différents éléments.

Cordialement

 

[atn]

Bonjour,

@m.blt, merci beaucoup pour tes recherches et ta procédure très détaillée, j'imagine que tu as consacré ta soirée à mon problème. Je n'ai pas encore eu le temps d'essayer ta méthode sur le modèle détaillé du rotor, mais je vais y regarder. J'espère que ma machine est capable de gérer ces contacts glissants ; je suis déjà limite pour résoudre le problème avec un maillage décent et j'ai l'impression que la capacité requise augmente fort dès lors qu'on applique des contacts glissants. A voir.

@Zozo_mp, la simulation est effectivement réalisée sur le modèle détaillé du rotor. La version simplifiée n'est utilisée que pour faire des essais rapides et observer le comportement du côté DE de l'arbre en fonction des liaisons utilisée. Ceci dit, je pense que le modèle simplifié est tout-à-fait représentatif du modèle réel.

Les entretoises contribuent en effet grandement à la rigidité de l'ensemble. Ce sont des couronnes, elles ne sont pas emmanchées sur l'arbre. Seules les flasques latérales et une entretoise centrale sont frettées sur l'arbre.

L'action du fluide en sortie de rotor n'est pas négligeable mais très difficile à quantifier ; on parle de ~20-30% tout de même. Il est par contre très difficile de savoir sur combien d'aubes il agit, lesquelles, avec quelle force (probablement très variable d'une aube à l'autre) ; c'est pourquoi l'action en sortie est négligée, et que l'intégralité du couple est appliqué sur les aubes en entrée (via une pression sur l'intrados). L'action sur les aubes en sortie aurait pour effet d'équilibrer les efforts (davantage symétrique) et de soulager les aubes du secteur d'admission. Cette simplification me parait donc sécuritaire.

Ca me gêne un peu de te faire travailler comme ça, même si cela semble être une passion ;-). Voici tout de même les principales dimension du rotor étudié.

• Diamètre du rotor : 400 mm.
• Diamètre arbre : 90 mm.
• Largeur des aubes : 740 mm avec une entretoise centrale frettée sur l'arbre séparant la cage en deux portions de 475/265 mm.
• Puissance : 250 kW, 470 rpm, 5 kNm.

Je ne pourrai pas vous répondre la semaine prochaine, je me re-pencherai sur le problème la semaine d'après.

Cordialement,

Antoine

[Zozo_mp]

Bonjour @ toutes et @ Tous   et @Atn 

Votre avis SVP !

Je ne suis pas d'accord avec la remarque suivante de @Atn      """"intégralité du couple est appliqué sur les aubes en entrée (via une pression sur l'intrados)"""

Bien que pour une turbine on ne puisse pas parler d'intrados (dans le sens des ailes d'avions) je dirais que la pression est exercé sur la partie concave (intérieur de l'aube comme pour une Pelton) en effet pour qu'il y ait quelque chose sur l'intrado il faudrait un écoulement laminaire alors que là nous sommes plutôt dans un flux turbulant. Avec un temps de passage dans l'aube de quelques millisecondes pas le temps d'avoir un effet intrado AMHA

A noter aussi des différences notables selon que  que l'on n'a le régulateur de flot vertical ou horizontal ! mais bon !   (voir la vue 2)

Je pose la question pour mettre correctement les efforts sur les aubes.     (demain dès l’aube, à l’heure où blanchit la campagne, je dessinerais)

Cordialement

 

flux___vue_1.jpg
flux___vue_2.jpg