Caractérisation de l'écoulement d'air dans une maquette d'alternateur hydroélectrique par méthodes numérique et expérimentale

Le potentiel d'augmentation de la puissance des alternateurs hydroélectriques existants est un sujet de recherche actuel à l'Institut de Recherche d'Hydro-Quebec (IREQ). Un aspect important de cette étude est l'analyse du refroidissement de l'alternateur par ventilation, qui se base en partie sur les simulations numériques d'écoulements fluides (CFD). En raison de la complexité des calculs numériques, un processus de validation est nécessaire et pour cette raison une maquette d'alternateur à l'échelle de 1 : 4 a été construite à l'IREQ. L'objectif global du présent projet de maîtrise est d'effectuer des simulations CFD de l'écoulement de ventilation dans la maquette d'alternateur afin de déterminer les caractéristiques principales de l'écoulement et de les comparer à des mesures expérimentales. Une étude numérique préliminaire en 2D et en 3D indique qu'une interface rotor-stator de type "mixing plane" est plus appropriée pour les conditions de l'écoulement dans l'entrefer de l'alternateur. En conséquence, ce type d'interface est utilisée tout au long de cette étude. Les principales caractéristiques de l'écoulement et la répartition des débits d'air dans la maquette sont décrites à partir des résultats de simulations 3D. Par ailleurs, la présence et l'orientation du jet principal sortant de l'ouverture du radiateur et du débit de retour vers le rotor sont confirmées qualitativement via des techniques de visualisation de l'écoulement. Les simulations CFD avant et après une modification de l'orientation des pales des ventilateurs radiaux et de la forme des capots indiquent que ce changement a entraîné une augmentation substantielle des pertes de ventilation, ce qui est en bon accord avec les mesures de pertes sur la maquette. Ceci est causee par l'accroissement du débit généré par les ventilateurs suite à leur modification. Cependant, le débit utile qui atteint les ouvertures de radiateur diminue en raison d'une augmentation majeure des fuites de capots, causée par l'agrandissement du jeu entre le capot et le rotor. Les simulations réalisées avec les propriétés de l'air à 25.0 C et a 46.2 C révèlent une réduction uniforme des débits massiques d'air dans la maquette lorsque la température augmente. Ceci est principalement causé par la diminution de la densité de l'air, puisque les débits volumiques demeurent presque identiques. De plus, la réduction de débit massique occasionne une réduction équivalente des pertes de ventilation.

Abstract

The possibility of increasing the power output of existing generators is currently being investigated at the Hydro-Quebec Research Institute (IREQ). An important part of this study is the analysis of generator ventilation cooling, which is achieved by CFD simulations. Due to the complexity of flow calculations, a validation process is necessary and for this reason a 1:4 scale model of a hydro-generator has been built at IREQ. The objective of the present study is to perform CFD simulations of the ventilation flow in the scale model generator in order to determine the main flow characteristics and compare them to experimental data. Preliminary 2D and 3D simulations suggest that the "mixing plane" rotor-stator interface type is more appropriate for the flow conditions in the generator air gap. Therefore, this interface type is used throughout the study. The main characteristics of the flow and its distribution are described based on 3D simulations results. Moreover, the presence and orientation of dominant flow features, such as the main jet exiting the radiator opening and the return flow to the rotor, are confirmed qualitatively via flow visualization techniques. Simulations of the flow before and after a slight design change of the radial fans and overhang baffles indicate an increase in windage losses, which is in good agreement with measurements on the scale model. The increase in losses is caused by the increased flow rate through the fans after the design change. However, the useful flow rate that reaches the radiator openings actually decreases, as leakage from the overhang baes is increased. Simulations performed with the properties of air at 25 C and 46.2 C reveal a linear reduction in mass flow rates in the scale model when the temperature is increased. This is mainly caused by the decrease in the density of the air as volume flow rates remain fairly constant. Furthermore, the reduction in mass flow rate is associated with an equivalent reduction in windage losses.