WO2015092215A2 - Methode de refroidissement d'une generatrice electrique et dispositif pour la mise en œuvre de cette methode - Google Patents

Methode de refroidissement d'une generatrice electrique et dispositif pour la mise en œuvre de cette methode Download PDF

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Jacques SALAT
Jean-Michel CHASTAGNIER
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Hispano Suiza SA
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Definitions

  • the invention relates to a device comprising a fixed structure, a first rotor adapted to be rotated relative to the fixed structure, an electric generator adapted to supply the first rotor with electrical energy, and a cooling system for evacuating the heat produced. by the electric generator.
  • the invention relates more particularly to the case where the first rotor is the wing of a helicopter; the cockpit of the helicopter then constitutes the fixed structure of the device.
  • a helicopter may comprise a device (de-icing) blades of its rotor.
  • This device usually comprises a set of resistors arranged in the blades.
  • resistors are usually supplied with power via a rotary manifold located between the wing (the first rotor) and the cockpit (the fixed structure) of the helicopter.
  • the current supplying these resistors can be provided by a dedicated generator.
  • This generator is a generator of relatively high power (the power can reach 10 to 15 kW). As a result, this generator generates a significant heat, Joule effect and / or hysteresis in its magnetic parts.
  • the helicopter is therefore usually equipped with a cooling system for the electric generator, for example by circulating oil.
  • the object of the invention is therefore to propose a device of the type presented in the introduction, in which an electric generator supplies electricity to a so-called first rotor, whose cooling system is simple, reliable and light, and this while having a great efficiency for the evacuation of the heat produced by the electric generator.
  • the electric generator is arranged in a chamber arranged inside the first rotor; and that the cooling system comprises a circulating circuit of a two-phase heat transfer fluid, connecting an evaporator thermally coupled to the electric generator to a condenser capable of discharging heat to the outside of the first rotor.
  • the circulation circuit of a two-phase fluid with condenser and evaporator is a relatively simple and lightweight way to form a cooling system.
  • diphasic heat transfer fluid is understood to mean a fluid capable of vaporizing and condensing so as to effect heat exchanges and to perform the expected heat transfer function of a heat transfer fluid.
  • a cooling system transferring heat with a heat transfer fluid (generally other than air) makes it possible to transfer in general - but not necessarily - in a completely passive way (ie say, without a rotating part) a much larger quantity of heat per unit of time than if the heat transfer was based only on the conduction, without displacement of fluid.
  • a heat transfer fluid generally other than air
  • the joint use of a condenser and an evaporator makes it possible to further increase the performance in terms of heat transfer power.
  • the changes in the state of the heat transfer fluid are used to increase the amount of heat transferred by the cooling system.
  • An evaporator here designates a heat exchanger in which the coolant receives heat and stores it in particular by vaporizing.
  • a condenser here designates a heat exchanger in which the heat transfer fluid provides heat, in particular by condensing.
  • the fact that the device is thermally coupled to the evaporator means that at least a large portion of the heat generated by the electric generator during its operation is communicated to the evaporator, including at least 70% of the heat released.
  • the fluid receives heat in the evaporator and vaporizes; it then circulates in the vapor phase to the condenser, where it releases the stored heat by condensing; it then returns to the liquid phase until the evaporator.
  • An important advantage of the device according to the invention is that the power supply means of the rotor are particularly compact, since the generator is located in a chamber arranged inside the rotor itself.
  • the arrangement of the evaporator and the condenser with respect to the first rotor can be realized in different ways.
  • the condenser is rotating and is part of the first rotor.
  • the condenser may be arranged to have an outer surface in direct contact with the air (or fluid) surrounding the rotor. This arrangement thus allows the condenser to effectively remove the heat provided by the fluid by communicating directly to the fluid surrounding the rotor.
  • the evaporator is also rotating and is also part of the first rotor.
  • the evaporator can then for example be fixed on a rotating part of the generator integral in rotation with the first rotor.
  • the entire cooling system can thus be rotating and be part of the first rotor.
  • the first rotor can achieve relatively high rotational speeds.
  • the first rotor in the case where the entire cooling system is rotating and is part of the first rotor, the first rotor has a tubular portion containing the chamber; and the cooling system and optionally a rotor of the electric generator are fixed so that they can be extracted via one end of the tubular part.
  • the cooling system, and possibly the rotor of the generator are mechanically fixed only to the end of the tubular part (without any other mechanical connection): they can thus be disassembled relatively easily from this end of the tubular part.
  • the generator is placed axisymmetrically on the axis of rotation of the first rotor.
  • It can be surrounded by the evaporator so as to allow the thermal coupling between the generator and the evaporator.
  • the generator and the cooling system are without contact with a circumferential wall of the chamber.
  • the evaporator comprises at least one fluid circulation duct, in particular in the form of a coil, passing inside the electric generator and allowing the circulation and vaporization of the fluid.
  • the passage of the fluid inside the generator itself allows a particularly efficient heat exchange between the latter and the evaporator.
  • the evaporator comprises at least one fluid circulation passage defined by a wall of an outer casing of the generator and allowing the circulation and vaporization of the fluid.
  • the or preferably the fluid circulation passages then allow the vaporization of the fluid by circulating the fluid only outside the rotor of the generator.
  • the housing has a double wall, and the one or more fluid circulation passages are arranged between an inner wall and an outer wall of the housing.
  • double wall here means that the chamber has two substantially parallel superimposed walls.
  • this embodiment makes it possible to make relatively simple passages in the space separating the inner wall from the outer wall.
  • the cooling system comprises spacers arranged to maintain a constant distance between the two walls.
  • These spacers can take the form of simple pads.
  • at least two of the spacers are elongated and define said passage or one of said passages.
  • the spacers then have a dual role: They maintain the walls constituting the chamber in a fixed relative position, and define or define the fluid passages.
  • the generator housing can have different shapes.
  • the housing has a tubular shape and extends along the axis of rotation of the first rotor.
  • tube or “tubular part” is meant here an elongated piece extending along an axis, and on the axis of which is formed a passage.
  • a tube may nevertheless be plugged at one and / or the other of its ends.
  • a tube may in particular have a form of revolution, in particular cylindrical or conical.
  • the passage or passages can be arranged in different ways in the housing.
  • the evaporator has a plurality of passages parallel to an axis of the housing and distributed over the circumference thereof.
  • the chamber can then be manufactured in a particularly simple manner.
  • the passage or passages may form a constant angle with respect to the axis. They then have a helical shape which makes it possible to favor the return of fluid towards the evaporator.
  • the fluid circulation circuit has a single fill port for fluid filling of the entire fluid circuit. This arrangement facilitates the maintenance of the cooling system of the electric generator.
  • the means for circulating the fluid in the conduits of the fluid circulation circuit between the evaporator and the condenser will now be presented.
  • these means are passive, that is to say do not include a pump.
  • the fluid is thus set in motion either by gravity and / or by centrifugal force.
  • the first rotor is adapted to be rotated about a substantially vertical axis of rotation, and when in this position, the condenser is disposed with respect to the vertical direction above the 'evaporator.
  • the fluid in the condensed liquid phase in the condenser drops down by gravity in the evaporator. There he is vaporized; under the effect of the difference in density between the liquid phase and the vapor phase, the vaporized fluid in the evaporator rises spontaneously under the effect of buoyancy in the condenser.
  • the fluid flow is maintained spontaneously simply because of changes in the state of the fluid in the condenser and the evaporator.
  • the ducts connecting the evaporator and the condenser are made such that when the fluid flows from the condenser to the evaporator, it always moves downwardly, downwards.
  • the ducts arranged between the evaporator and the condenser do not have a bend imposing fluid up. This arrangement avoids the formation of pockets or reservoirs of liquid in the ducts.
  • the condenser and the evaporator are arranged to be offset radially with respect to each other, the evaporator being formed at a radial distance from the axis of rotation greater than that at which the condenser is arranged.
  • the centrifugal force is thus used to promote the circulation of the fluid in the cooling system.
  • the condenser and the evaporator may in particular be bodies having a shape of revolution. They may for example be cylindrical bodies having different diameters from one another.
  • the centrifugal force tends to direct the fluid in liquid phase in the parts of the larger diameter cooling system, and therefore in the evaporator.
  • the fluid in the vapor phase is forced to flow in the opposite direction and to join the condenser. The fluid is thus set in motion in the cooling system.
  • the ducts connecting the evaporator and the condenser are designed so that when the fluid flows from the condenser to the evaporator, it always moves radially in the same direction and only moves away from the axis or stay at a constant distance from it.
  • This arrangement avoids the formation of pockets or reservoirs of liquid in the ducts.
  • One embodiment of a cooling system for such operation of the cooling system is to arrange the conduit (s). connecting the evaporator to the condenser (and optionally the evaporator fluid passageway (s)) on a substantially conical surface.
  • This is a surface in the mathematical sense, which is not necessarily a real surface. Fluid can flow in a serpentine tube.
  • the fluid in the liquid phase accumulates in the larger diameter end of the fluid circulation circuit.
  • the fluid evaporator is naturally arranged in this end of the fluid circulation circuit.
  • the electrical energy generated by the electric generator can be produced in different ways. It can be produced in particular by exploiting a difference in speed between two coaxial rotors.
  • the device further comprises a second rotor, the first and the second rotor being rotated relative to the structure of the device at respective rotational speeds different from each other; and the electric generator has a mode of operation in which it generates electrical energy by relative rotation of the second rotor relative to the first rotor.
  • This arrangement is especially interesting when the second rotor has a high speed of rotation relative to that of the first rotor.
  • the generator may for example be arranged in such a way that the second rotor is coaxial with the first rotor and disposed therein, a portion of the generator then forming part of the second rotor.
  • the invention also relates to a method of cooling an electric generator designed to supply a first rotor with electrical energy, the first rotor being able to be rotated relative to a fixed structure, in which the electric generator is arranged. in a chamber arranged inside the first rotor, the method comprising the following steps:
  • the fluid is condensed in the condenser, the heat supplied by the fluid being transmitted to the air surrounding the condenser.
  • the previous cooling method can in particular be implemented by arranging the condenser higher than the evaporator, and especially above the evaporator, to allow condensed fluid return from the condenser to the evaporator simply by gravity.
  • the heat transfer step a) is carried out in a rotating evaporator forming part of the first rotor.
  • the fluid condensation step c) is carried out in a rotary condenser forming part of the first rotor.
  • FIG. 1 is a partial schematic view of the wing of a helicopter according to the invention.
  • FIG. 2 is a partial perspective view of the cooling system integrated into the rotor of the helicopter of FIG. 1;
  • FIG. 3 is another partial perspective view of the cooling system integrated into the rotor of the helicopter of FIG. 1;
  • - Figure 4 is an axial sectional view of the cooling system and the electric generator built into the rotor of the helicopter of Figure 1; and
  • FIG. 5 is a schematic longitudinal sectional view of a cooling system fitted to a helicopter forming a second embodiment of the invention.
  • FIGS. 1 to 4 a helicopter 10 comprising a cooling system in a first embodiment of the invention will now be described.
  • the helicopter 10 comprises a cockpit not shown, supported in flight by a rotary wing 12. This is constituted by a set of blades 14 fixed on the periphery of a hub 16.
  • the hub 16 consists mainly of two integrally formed parts, namely a tubular shaft 18, and a fastening flange 20.
  • the hub 16 generally has a cylindrical shape, defined around an axis of rotation A normally directed in the vertical direction .
  • the wing 12 is rotated in the following manner:
  • the output shaft of the engine of the helicopter (not shown) rotates the shaft 18 of the hub 16, via a mechanical transmission.
  • the hub 16 then transmits the rotational movement to the blades 14.
  • the speed of rotation of the wing 12 is of the order of a few hundred revolutions per minute.
  • the mechanical transmission also rotates about the axis A a second output shaft 22, coaxial with the shaft 18 and disposed therein.
  • the speed of rotation of the shaft 22 is of the order of several thousand revolutions per minute.
  • first rotor all the parts of the helicopter related to the shaft 18, relatively low rotational speed
  • second rotor all the parts connected to the shaft 22, at a relatively high rotational speed.
  • the rotational speeds are measured relative to the cockpit of the helicopter, which constitutes the fixed structure of the latter.
  • the difference in rotational speed between the shafts 18 and 22 makes it possible to produce electrical energy by means of an electric generator 50.
  • This is disposed within the shaft 18 which constitutes a 'tubular part' within the meaning of the invention.
  • the generator 50 consists of:
  • stator part 52 forming part of the first rotor 60 constituted by a set of coils arranged around bodies of ferromagnetic material (in practice these bodies are laminated and formed of sheets of ferromagnetic material);
  • a rotor part 53 forming part of the rotor 30, comprising a steel axial core 25 fixed in the extension of the drive shaft 22, and four permanent magnets 24A, 24B, 24C and 24D; and
  • a housing 70 integral in rotation with the stator part 52, and whose functions will be specified later.
  • the "stator" part 52 is so named because its rotation speed is much lower than that of the rotor part 53.
  • the generator 50 When the second rotor 30 is rotated relative to the first rotor 60, the generator 50 produces an electric current. This current is delivered by electrical wires 51 to an electrical distribution unit 54.
  • the electrical distribution unit 54 serves to distribute the current produced by the generator 50 to heating resistors 56 arranged at the blades 14.
  • the generator 50 When atmospheric conditions cause the formation of an ice layer on the blades, the generator 50 is used to produce electric current. This current is distributed to the resistors 56. Under the effect of this current, the resistors 56 heat up by Joule effect; the heating produced makes it possible to melt or prevent the formation of an undesirable layer of ice on the blades 14.
  • the relative position hold and the relative rotation between the first rotor 60 and the second rotor 30 are provided by two ball bearings 58A and 58B. These are arranged respectively at the low end and the high end of the generator 50.
  • the generator is disposed within the shaft 18.
  • the inner cavity of this shaft is a chamber or cavity 62, of cylindrical shape.
  • Generator 50 being placed inside this confined space, the evacuation of the heat generated by its operation (several hundred watts) is difficult.
  • the heat evacuation system is constituted by a cooling system 65 integrated in the first rotor 60 and completely integral in rotation thereof.
  • This cooling system 65 comprises two main components: an evaporator 64 and a condenser 66, connected by conduits 68 so as to constitute a coolant circulation circuit.
  • the evaporator 64 serves to absorb the heat released by the generator 50. For this, it is arranged around the generator in the thickness of the cylindrical housing 70 thereof.
  • the casing 70 is formed of heat conducting material, for example aluminum, to allow the evaporator to be thermally coupled with the electric generator and to absorb the heat generated by it.
  • the housing 70 thus has a double wall, namely an inner wall 701 and an outer wall 70O.
  • the two walls 701 and 70O are cylindrical and coaxial with axis A.
  • the internal diameter of the wall 701 is substantially equal to the outside diameter of the stator part 52, to minimize the thermal resistance at the interface between the casing 70 and the part stator 52.
  • the two walls 701 and 70O are separated and kept at a constant distance from each other by elongate straight ribs 74, which constitute spacers within the meaning of the invention. These ribs are formed on the outer surface of the inner wall 701 of the housing 70.
  • the wall 70O is not integrally formed with the inner wall 701, but formed separately and reported by hooping. This design leads to arranging between the ribs 74 multiple passages 76 parallel to the axis A. These passages extend substantially from bottom to top (in the normal position of the helicopter) of the evaporator 64.
  • the inner wall 701 has in the lower part an external circumferential annular shoulder 78.
  • the ribs 74 stop axially (with reference to the axis A) at a distance from this shoulder.
  • the different fluid passages 76 are respectively connected to fluid exchange conduits 68, which allow the exchange of fluid with the condenser 66.
  • These ducts 68 are formed in the thickness of the upper part of the casing 70, which extends above the generator 50.
  • the condenser 66 has the function of evacuating outside the helicopter 10 the heat taken from the generator 50 by the fluid flowing in the evaporator 64.
  • the condenser 66 comprises a condensing portion 82 connected to a radiator 84.
  • the condensing portion 82 has the shape of a cylindrical tube section, of axis A. In the thickness of the condensing portion 82 is arranged an annular condensation chamber 86.
  • This enclosure 86 is formed between two concentric cylindrical walls: the inner wall 87, constituted by the upper end of the casing 70, and an outer wall 88, formed in a holding part 90.
  • the holding part 90 comprises the cylindrical wall 88, in which the enclosure 86 is formed. It is fixed to the first rotor 60 via a flange 91 screwed onto the flange 20.
  • the radiator 84 is mushroom-shaped, with a cap 85 having multiple cooling fins 88.
  • the plane of the cap 85 is perpendicular to the axis A of the first rotor 60.
  • the radiator 84 as well as the housing 70 of the generator 50 are fixed on the holding part 90.
  • the casing 70 is also fixed rigidly to the stator part 52 of the generator 50.
  • the entire cooling system 65 ie the evaporator 64, the condenser 66, and the ducts 68 formed in the upper part of the casing 70
  • the entire cooling system 65 is fixed via the holding member 90 to the flange 20.
  • the cooling system 65 is filled with heat transfer fluid through a single orifice 75.
  • This is arranged in the outer wall 87 of the condensing portion 82.
  • the cooling system 65 operates as follows.
  • the generator 50 releases heat, which is communicated by conduction to the housing 70.
  • Annular speakers 80 and 86 and passages 76 are filled with heat transfer fluid, in this case acetone.
  • the heat transfer fluid is chosen so that its vaporization temperature is compatible with the temperature ranges likely to be reached by the generator and the radiator during operation of the helicopter.
  • the generator 50 When the generator 50 operates and supplies current, the temperature rises in the chamber 72. Under the effect of heat, the fluid vaporizes in the chamber 80 and the passages 76. The difference in density of the fluid between the liquid state and the gaseous state are then sufficient for the vapor phase fluid, vaporized in the evaporator 64, to move spontaneously in the passages 76 and the ducts 68 to join the annular enclosure 86.
  • This enclosure remains at a relatively low temperature, because the cooling fins 88 are permanently cooled in contact with the air stirred by the blades of the helicopter.
  • the temperature of the radiator thus remains relatively tempered and by conduction, the same goes for the condensing portion 82.
  • the vapor phase fluid that arrives in the chamber 86 condenses in this chamber.
  • the liquid fluid then simply drops back by gravity, via the ducts 68 and the passages 76, to the enclosure 80.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the invention. This illustrates one embodiment of the invention in which the centrifugal force is used to cause the circulation of fluid in the cooling system.
  • FIG. 5 shows a cooling system 165 comprising an evaporator 164 and a condenser 166 connected by conduits 168.
  • the evaporator 164 has the shape of a section of cylindrical tube, axis A. In its wall is arranged an annular vaporization chamber 180, in which occurs the vaporization of the fluid.
  • the inner wall of the evaporator 164 (or enclosure 180) delimits a cylindrical chamber 162 formed inside the evaporator 164.
  • this chamber 162 is disposed an electric generator not shown, similar to the generator 50.
  • the condenser 166 is made very similarly to the condenser 66, with a condensing portion 182 whose wall contains an annular condensation chamber 186, and which is connected to a finned radiator 184.
  • the cooling system 165 operates in a similar manner to the cooling system 65.
  • the entire cooling system, as well as the electric generator, are rotated about the axis A.
  • the only difference with respect to the cooling system 65 relates to the circulation of the fluid.
  • the centrifugal forces apply to the fluid that fills the enclosures 180 and 186, and the conduits 168.
  • the fluid in the liquid phase is mass. volume higher than the fluid in the gas phase, the fluid in the liquid phase tends to return to the evaporator; as a result, the gas phase fluid tends to return to the condenser. This double movement thus maintains a spontaneous flow of fluid in the cooling system 165.
  • the ducts 168 are rectilinear ducts, which connect the respective peripheries of the speakers 180 and 186.
  • the ducts 168 are thus formed on the surface of a conical surface. As they are rectilinear, the fluid flowing from the condenser to the evaporator moves at increasing distance from the axis A. Thus, the formation of pockets or fluid retainers is avoided.

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Abstract

Méthode de refroidissement d'une génératrice électrique (50) prévue pour alimenter un premier rotor (60) en énergie électrique, le premier rotor étant apte à être mis en rotation par rapport à une structure fixe, la méthode se caractérisant en ce que la génératrice électrique est disposée dans une chambre (62) aménagée à l'intérieur du premier rotor, et en ce qu'elle comprend les étapes suivantes : a) on transfère une chaleur produite par la génératrice à un fluide caloporteur en vaporisant le fluide dans un évaporateur (64); b) on transporte le fluide vaporisé jusqu'à un condenseur; c) on condense le fluide dans le condenseur, la chaleur fournie par le fluide étant transmise à l'air environnant le condenseur.

Description

Méthode de refroidissement d'une génératrice électrique et dispositif pour la mise en œuvre de cette méthode
L'invention concerne un dispositif comportant une structure fixe, un premier rotor apte à être mis en rotation par rapport à la structure fixe, une génératrice électrique prévue pour alimenter le premier rotor en énergie électrique, et un système de refroidissement pour évacuer la chaleur produite par la génératrice électrique.
L'invention concerne plus particulièrement le cas où le premier rotor est la voilure d'un hélicoptère ; l'habitacle de l'hélicoptère constitue alors la structure fixe du dispositif.
De manière connue en soi, un hélicoptère peut comporter un (dispositif de dégivrage (de-icing) des pales de son rotor. Un tel dispositif comporte le plus souvent un ensemble de résistances disposées dans les pales.
Ces résistances sont alimentées en courant habituellement via un collecteur tournant situé entre la voilure (le premier rotor) et l'habitacle (la structure fixe) de l'hélicoptère.
Le courant alimentant ces résistances peut être fourni par une génératrice dédiée. Cette génératrice est une génératrice de relativement forte puissance (la puissance peut atteindre 10 à 15 kW). Par suite, cette génératrice dégage une chaleur importante, par effet Joule et/ou par hystérésis dans ses parties magnétiques.
On équipe donc habituellement l'hélicoptère d'un système de refroidissement de la génératrice électrique, par exemple par circulation d'huile.
Cette solution technique est cependant peu satisfaisante. En effet, le refroidissement par huile de la génératrice augmente la complexité, le coût et le poids de l'hélicoptère, au détriment des performances de celui- ci.
Il existe donc, au moins dans le domaine des hélicoptères, un besoin pour un dispositif tel que présenté précédemment, dont le système de refroidissement soit allégé et simplifié par rapport aux systèmes à circulation d'huile utilisés actuellement. De manière plus générale, le but de l'invention est donc de proposer un dispositif du type présenté en introduction, dans lequel une génératrice électrique alimente en électricité un rotor dit premier rotor, dont le système de refroidissement soit simple, fiable et léger, et cela tout en ayant une grande efficacité pour l'évacuation de la chaleur produite par la génératrice électrique.
Ce but est atteint grâce au fait que dans le dispositif, la génératrice électrique est disposée dans une chambre aménagée à l'intérieur du premier rotor ; et que le système de refroidissement comprend un circuit de circulation d'un fluide caloporteur diphasique, reliant un évaporateur couplé thermiquement à la génératrice électrique à un condenseur apte à évacuer de la chaleur vers le milieu extérieur au premier rotor.
En effet, le circuit de circulation d'un fluide diphasique avec condenseur et évaporateur est un moyen relativement simple et léger pour constituer un système de refroidissement.
Par 'fluide caloporteur diphasique', on entend un fluide susceptible de se vaporiser et de se condenser de manière à réaliser des échanges de chaleur et à réaliser la fonction de transfert de chaleur attendue d'un fluide caloporteur.
L'utilisation d'un système de refroidissement transférant la chaleur à l'aide d'un fluide caloporteur (généralement autre que l'air) permet de transférer en général - mais pas nécessairement - de façon totalement passive (c'est-à-dire, sans pièce tournante) une quantité de chaleur par unité de temps beaucoup plus importante que si le transfert de chaleur n'était fondé que sur la conduction, sans déplacement de fluide.
De plus, l'utilisation conjointe d'un condenseur et d'un évaporateur permet d'accroître encore la performance en termes de puissance de transfert de chaleur. En effet, avantageusement dans le système de refroidissement selon l'invention les changements d'état du fluide caloporteur sont exploités pour accroître la quantité de chaleur transférée par le système de refroidissement.
Un évaporateur désigne ici un échangeur de chaleur dans lequel le fluide caloporteur reçoit de la chaleur et emmagasine celle-ci notamment en se vaporisant.
Un condenseur désigne ici un échangeur de chaleur dans lequel le fluide caloporteur fournit de la chaleur notamment en se condensant. Le fait que le dispositif soit couplé thermiquement à l'évaporateur signifie qu'au moins une grande portion de la chaleur dégagée par la génératrice électrique lors de son fonctionnement se communique à l'évaporateur, notamment, au moins 70% de la chaleur dégagée.
Ainsi dans le système de refroidissement selon l'invention, le fluide reçoit de la chaleur dans l'évaporateur et se vaporise ; il circule alors, en phase vapeur jusqu'au condenseur, où il libère la chaleur emmagasinée en se condensant ; il retourne alors en phase liquide jusqu'à l'évaporateur.
Un avantage important du dispositif selon l'invention est que les moyens d'alimentation en énergie électrique du rotor sont particulièrement compacts, puisque la génératrice est située dans une chambre aménagée à l'intérieur même du rotor.
Cet agencement est rendu possible grâce au système de refroidissement décrit précédemment, qui assure l'évacuation de la chaleur dégagée par la génératrice et permet ainsi que la température atteinte par les organes internes de la génératrice ne dépasse pas une valeur maximale acceptable.
L'agencement de l'évaporateur et du condenseur par rapport au premier rotor peut être réalisé de différentes manières.
De préférence, le condenseur est tournant et fait partie du premier rotor. Ainsi, le condenseur peut être agencé de manière à avoir une surface externe en contact direct avec l'air (ou le fluide) environnant le rotor. Cet agencement permet ainsi que le condenseur évacue efficacement la chaleur apportée par le fluide en la communiquant directement au fluide environnant le rotor.
Dans un mode de réalisation, l'évaporateur est également tournant et fait également partie du premier rotor. L'évaporateur peut alors par exemple être fixé sur une partie tournante de la génératrice solidaire en rotation du premier rotor. L'intérêt de ce dernier agencement est qu'il permet de manière simple de réaliser le circuit de circulation de fluide caloporteur reliant l'évaporateur au condenseur.
Le système de refroidissement tout entier peut ainsi être tournant et faire partie du premier rotor. Dans certains modes de réalisation, le premier rotor peut atteindre des vitesses de rotation relativement importantes. Pour réduire les sollicitations auxquelles est soumis le système de refroidissement, il est préférable qu'au moins le condenseur et/ou l'évaporateur soient disposés de manière axisymétrique par rapport à l'axe de rotation du premier rotor.
Dans un mode de réalisation, dans le cas où le système de refroidissement tout entier est tournant et fait partie du premier rotor, le premier rotor comporte une partie tubulaire contenant la chambre ; et le système de refroidissement et éventuellement un rotor de la génératrice électrique sont fixés de manière à pouvoir être extraits via une extrémité de la partie tubulaire.
De préférence, le système de refroidissement, et éventuellement le rotor de la génératrice sont fixés mécaniquement uniquement à l'extrémité de la partie tubulaire (sans aucune autre liaison mécanique) : ils peuvent ainsi être démontés relativement aisément depuis cette extrémité de la partie tubulaire.
Dans un mode de réalisation, la génératrice est placée de manière axisymétrique sur l'axe de rotation du premier rotor.
Elle peut être entourée par l'évaporateur de manière à permettre le couplage thermique entre la génératrice et l'évaporateur.
Dans un mode de réalisation, la génératrice et le système de refroidissement sont sans contact avec une paroi circonférentielle de la chambre.
Dans un mode de réalisation, pour permettre le couplage thermique entre la génératrice et l'évaporateur, l'évaporateur comporte au moins un conduit de circulation de fluide, notamment en forme de spire, passant à l'intérieur de la génératrice électrique et permettant la circulation et la vaporisation du fluide. Le passage du fluide à l'intérieur même de la génératrice permet un échange thermique particulièrement efficace entre celle-ci et l'évaporateur.
Cependant, il est souvent suffisant que le fluide circule sur la périphérie de la génératrice.
Ainsi dans un mode de réalisation, l'évaporateur comprend au moins un passage de circulation de fluide délimité par une paroi d'un carter externe de la génératrice et permettant la circulation et la vaporisation du fluide. Le ou de préférence les passages de circulation de fluide permettent alors la vaporisation du fluide en ne faisant circuler le fluide qu'à l'extérieur du rotor de la génératrice. Dans un mode de réalisation, le carter présente une paroi double, et le ou les passages de circulation de fluide sont agencés entre une paroi interne et une paroi externe du carter. Le terme 'paroi double' signifie ici que la chambre présente deux parois superposées sensiblement parallèles. Avantageusement, ce mode de réalisation permet de réaliser des passages de manière relativement simple dans l'espace séparant la paroi interne de la paroi externe.
De préférence dans ce cas, le système de refroidissement comporte des entretoises agencées de manière à maintenir une distance constante entre les deux parois. Ces entretoises peuvent prendre la forme de simples plots. Selon une variante, au moins deux des entretoises sont allongées, et définissent ledit passage ou l'un desdits passages.
Les entretoises ont alors un double-rôle : Elles maintiennent les parois constituant la chambre en position relative fixe, et définissent ou délimitent les passages de fluide.
Le carter de la génératrice peut avoir différentes formes.
De préférence, le carter a une forme tubulaire et s'étend suivant l'axe de rotation du premier rotor. Par « tube » (ou « partie tubulaire »), on désigne ici une pièce allongée s'étendant suivant un axe, et sur l'axe de laquelle est formé un passage. Un tube peut néanmoins être bouché à l'une et/ou l'autre de ses extrémités. Un tube peut notamment avoir une forme de révolution, en particulier cylindrique ou conique.
Le ou les passages peuvent être agencés de différentes manières dans le carter.
Dans un mode de réalisation, l'évaporateur présente une pluralité de passages parallèles à un axe du carter et répartis sur la circonférence de celui-ci. La chambre peut alors être fabriquée de manière particulièrement simple.
Selon une variante, le ou les passages peuvent former un angle constant par rapport à l'axe. Ils ont alors une forme hélicoïdale qui permet de favoriser le retour de fluide vers l'évaporateur.
Dans un mode de réalisation, le circuit de circulation de fluide présente un orifice de remplissage unique pour le remplissage en fluide de l'ensemble du circuit de fluide. Cette disposition facilite la maintenance du système de refroidissement de la génératrice électrique. Les moyens pour faire circuler le fluide dans les conduits du circuit de circulation de fluide entre l'évaporateur et le condenseur vont maintenant être présentés.
De préférence, ces moyens sont passifs, c'est-à-dire ne comportent pas de pompe. Le fluide est donc mis en mouvement soit par gravité, et/ou par la force centrifuge.
Dans un mode de réalisation, le premier rotor est prévu pour être mis en rotation autour d'un axe de rotation sensiblement vertical, et lorsqu'il est dans cette position, le condenseur est disposé par rapport à la direction verticale au-dessus de l'évaporateur. Dans ces conditions, le fluide en phase liquide condensé dans le condenseur redescend par gravité dans l'évaporateur. Là, il est vaporisé ; sous l'effet de la différence de masse volumique entre la phase liquide et la phase vapeur, le fluide vaporisé dans l'évaporateur remonte spontanément sous l'effet de la poussée d'Archimède dans le condenseur. Ainsi, la circulation de fluide se maintient de manière spontanée simplement du fait des changements d'état du fluide dans le condenseur et l'évaporateur.
De préférence, les conduits reliant l'évaporateur et le condenseur, sont réalisés de telle sorte que lorsque le fluide circule du condenseur vers l'évaporateur, il se déplace toujours en descendant, vers le bas. Cela signifie donc notamment que les conduits aménagés entre l'évaporateur et le condenseur ne présentent pas de coude imposant au fluide de remonter. Cet agencement évite la formation de poches ou de retenues de liquide dans les conduits.
Selon une variante, le condenseur et l'évaporateur sont disposés de manière à être décalés radialement l'un par rapport à l'autre, l'évaporateur étant formé à une distance radiale par rapport à l'axe de rotation supérieure à celle à laquelle est disposé le condenseur. La force centrifuge est ainsi utilisée pour favoriser la circulation du fluide dans le système de refroidissement.
Le condenseur et l'évaporateur peuvent être notamment des corps ayant une forme de révolution. Ils peuvent être par exemple des corps cylindriques présentant des diamètres différents l'un de l'autre.
En effet, lorsque le système de refroidissement est mis en rotation, la force centrifuge tend à diriger le fluide en phase liquide dans les parties du système de refroidissement de plus grand diamètre, et donc dans l'évaporateur. Sous l'effet de la pression du fluide en phase liquide, le fluide en phase vapeur est contraint de circuler en sens inverse et de rejoindre le condenseur. Le fluide est ainsi mis en mouvement dans le système de refroidissement.
De préférence, les conduits reliant l'évaporateur et le condenseur sont réalisés de telle sorte que lorsque le fluide circule du condenseur à l'évaporateur, il se déplace toujours radialement dans le même sens et ne fasse que s'éloigner de l'axe ou rester à distance constante de celui-ci. Cet agencement évite la formation de poches ou de retenues de liquide dans les conduits.
Un mode de réalisation de système de refroidissement permettant un tel fonctionnement du système de refroidissement (c'est-à-dire, avec mise en circulation du fluide sous l'effet de la rotation du système de refroidissement) consiste à agencer le ou les conduits reliant l'évaporateur au condenseur (et éventuellement le ou les passages de circulation de fluide de l'évaporateur) sur une surface sensiblement conique. Il s'agit ici d'une surface au sens mathématique, qui n'est pas nécessairement une surface réelle. Le fluide peut circuler dans un tube en forme de serpentin.
Dans ce mode de réalisation, lorsque la chambre est entraînée en rotation, sous l'effet des forces centrifuges, le fluide en phase liquide s'accumule dans l'extrémité de plus grand diamètre du circuit de circulation de fluide. L'évaporateur de fluide est naturellement agencé dans cette extrémité du circuit de circulation de fluide. L'énergie électrique générée par la génératrice électrique peut être produite de différentes manières. Elle peut être produite notamment en exploitant une différence de vitesse entre deux rotors coaxiaux.
Ainsi dans un mode de réalisation, le dispositif comporte en outre un deuxième rotor, le premier et le deuxième rotor étant en rotation par rapport à la structure du dispositif à des vitesses de rotation respectives différentes l'un de l'autre ; et la génératrice électrique présente un mode de fonctionnement dans lequel elle produit de l'énergie électrique par rotation relative du deuxième rotor par rapport au premier rotor. Cet agencement est surtout intéressant lorsque le deuxième rotor présente une vitesse de rotation élevée par rapport à celle du premier rotor.
La génératrice peut par exemple être agencée de telle sorte que le deuxième rotor soit coaxial au premier rotor et disposé à l'intérieur de celui-ci, une partie de la génératrice faisant alors partie du deuxième rotor.
Enfin, l'invention concerne également une méthode de refroidissement d'une génératrice électrique prévue pour alimenter un premier rotor en énergie électrique, le premier rotor étant apte à être mis en rotation par rapport à une structure fixe, dans laquelle la génératrice électrique est disposée dans une chambre aménagée à l'intérieur du premier rotor, la méthode comprenant les étapes suivantes :
a) on transfère une chaleur produite par la génératrice à un fluide caloporteur en vaporisant le fluide dans un évaporateur ;
b) on transporte le fluide vaporisé jusqu'à un condenseur ;
c) on condense le fluide dans le condenseur, la chaleur fournie par le fluide étant transmise à l'air environnant le condenseur.
La méthode de refroidissement précédente peut notamment être mise en œuvre en disposant le condenseur plus haut que l'évaporateur, et notamment au-dessus de l'évaporateur, afin de permettre le retour de fluide condensé du condenseur à l'évaporateur simplement par gravité.
Dans un mode de mise en œuvre, l'étape a) de transfert de chaleur est réalisée dans un évaporateur tournant faisant partie du premier rotor.
Dans un mode de mise en œuvre, l'étape c) de condensation de fluide est réalisée dans un condenseur tournant faisant partie du premier rotor. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique partielle de la voilure d'un hélicoptère selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue en perspective partielle du système de refroidissement intégré au rotor de l'hélicoptère de la figure 1 ;
- la figure 3 est une autre vue en perspective partielle du système de refroidissement intégré au rotor de l'hélicoptère de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue en coupe axiale du système de refroidissement et de la génératrice électrique intégré au rotor de l'hélicoptère de la figure 1 ; et
- la figure 5 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un système de refroidissement équipant un hélicoptère formant un deuxième mode de réalisation de l'invention.
En faisant référence aux figures 1 à 4, un hélicoptère 10 comprenant un système de refroidissement dans un premier mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrit.
L'hélicoptère 10 comprend un habitacle non représenté, supporté en vol par une voilure tournante 12. Celle-ci est constituée par un ensemble de pales 14 fixées sur la périphérie d'un moyeu 16.
Le moyeu 16 est constitué principalement de deux parties formées intégralement, à savoir un arbre tubulaire 18, et une bride de fixation 20. Le moyeu 16 présente globalement une forme cylindrique, définie autour d'un axe de rotation A normalement dirigé suivant la direction verticale.
La voilure 12 est entraînée en rotation de la manière suivante : L'arbre de sortie du moteur thermique de l'hélicoptère (non représenté) entraine en rotation l'arbre 18 du moyeu 16, via une transmission mécanique. Le moyeu 16 transmet alors le mouvement de rotation aux pales 14. En vol, la vitesse de rotation de la voilure 12 est de l'ordre de quelques centaines de tours par minute.
En parallèle, la transmission mécanique entraîne également en rotation autour de l'axe A un second arbre de sortie 22, coaxial à l'arbre 18 et disposé à l'intérieur de celui-ci. En vol, la vitesse de rotation de l'arbre 22 est de l'ordre de plusieurs milliers de tours par minute.
Conventionnellement on appelle ci-dessous premier rotor (60) l'ensemble des pièces de l'hélicoptère liées à l'arbre 18, à vitesse de rotation relativement faible, et deuxième rotor (30) l'ensemble des pièces liées à l'arbre 22, à vitesse de rotation relativement élevée. Les vitesses de rotation sont mesurées par rapport à l'habitacle de l'hélicoptère, qui constitue la structure fixe de celui-ci.
L'écart de vitesse de rotation entre les arbres 18 et 22 permet de produire de l'énergie électrique au moyen d'une génératrice électrique 50. Celle-ci est disposée à l'intérieur de l'arbre 18 qui constitue une 'partie tubulaire' au sens de l'invention.
La génératrice 50 est constituée :
- par une partie statorique 52 faisant partie du premier rotor 60, constituée par un ensemble de bobinages agencés autour de corps en matériau ferromagnétique (en pratique ces corps sont stratifiés et formés de tôles de matériau ferromagnétique) ;
- par une partie rotorique 53 faisant partie du rotor 30, comprenant un noyau axial 25 en acier fixé dans le prolongement de l'arbre d'entraînement 22, et quatre aimants permanents 24A, 24B, 24C et 24D ; et
- par un carter 70, solidaire en rotation de la partie statorique 52, et dont les fonctions seront précisées plus loin.
La partie "statorique' 52 est nommée ainsi car sa vitesse de rotation est bien plus faible que celle de la partie rotorique 53.
Lorsque le deuxième rotor 30 est entraîné en rotation relative par rapport au premier rotor 60, la génératrice 50 produit un courant électrique. Ce courant est délivré par des fils électriques 51 à une unité de distribution électrique 54.
L'unité de distribution électrique 54 sert à distribuer le courant produit par la génératrice 50 à des résistances chauffantes 56 disposées au niveau des pales 14.
Lorsque les conditions atmosphériques entraînent la formation d'une couche de glace sur les pales, la génératrice 50 est utilisée pour produire du courant électrique. Ce courant est distribué aux résistances 56. Sous l'effet de ce courant, les résistances 56 s'échauffent par effet Joule ; l'échauffement produit permet de faire fondre ou de prévenir la formation d'une couche de glace indésirable sur les pales 14.
Le maintien en position relative et la rotation relative entre le premier rotor 60 et le deuxième rotor 30 sont assurés par deux paliers à billes 58A et 58B. Ceux-ci sont disposés respectivement à l'extrémité basse et à l'extrémité haute de la génératrice 50.
D'autre part, la génératrice est disposée à l'intérieur de l'arbre 18. La cavité intérieure de cet arbre constitue une chambre ou cavité 62, de forme cylindrique. La génératrice 50 étant placée à l'intérieur de cet espace confiné, l'évacuation de la chaleur dégagée par son fonctionnement (plusieurs centaines de Watts) est difficile.
La présence d'un système d'évacuation de chaleur est donc absolument nécessaire.
Dans l'hélicoptère 10, le système d'évacuation de chaleur est constitué par un système de refroidissement 65 intégré au premier rotor 60 et entièrement solidaire en rotation de celui-ci. Ce système de refroidissement 65 comprend deux composants principaux : un évaporateur 64 et un condenseur 66, reliés par des conduits 68 de manière à constituer un circuit de circulation de fluide caloporteur.
L'évaporateur 64 sert à absorber la chaleur dégagée par la génératrice 50. Pour cela, il est disposé autour de la génératrice, dans l'épaisseur du carter cylindrique 70 de celle-ci.
Le carter 70 est formé en matériau conducteur de la chaleur, par exemple en aluminium, pour permettre que l'évaporateur soit couplé thermiquement avec la génératrice électrique et absorbe la chaleur dégagée par celle-ci.
Le carter 70 présente ainsi une double paroi, à savoir une paroi intérieure 701 et une paroi extérieure 70O. Les deux parois 701 et 70O sont cylindriques et coaxiales d'axe A. Le diamètre intérieur de la paroi 701 est sensiblement égal au diamètre extérieur de la partie statorique 52, pour minimiser la résistance thermique à l'interface entre le carter 70 et la partie statorique 52.
Les deux parois 701 et 70O sont séparées et maintenues à distance constante l'une de l'autre par des nervures droites allongées 74, qui constituent des entretoises au sens de l'invention. Ces nervures sont formées sur la surface externe de la paroi intérieure 701 du carter 70. La paroi 70O n'est pas formée intégralement avec la paroi interne 701, mais formée séparément et rapportée par frettage. Cette conception conduit à aménager entre les nervures 74 de multiples passages 76 parallèles à l'axe A. Ces passages s'étendent sensiblement de bas en haut (dans la position normale de l'hélicoptère) de l'évaporateur 64.
La paroi interne 701 présente en partie basse un épaulement annulaire circonférentiel externe 78. Les nervures 74 s'arrêtent axialement (en référence à l'axe A) à une certaine distance de cet épaulement. Par suite, lorsque la paroi externe 70O est fixée sur la paroi interne 701, une enceinte annulaire 80 se trouve formée en bas du carter 70, entre l'épaulement 78 et les nervures 74.
Du côté haut de l'évaporateur 64, les différents passages de fluide 76 sont reliés respectivement à des conduits d'échange de fluide 68, qui permettent l'échange de fluide avec le condenseur 66.
Ces conduits 68 sont formés dans l'épaisseur de la partie supérieure du carter 70, qui se prolonge au-dessus de la génératrice 50.
Le condenseur 66 a pour fonction d'évacuer à l'extérieur de l'hélicoptère 10 la chaleur prélevée sur la génératrice 50 par le fluide circulant dans l'évaporateur 64. Dans ce but, le condenseur 66 comporte une portion de condensation 82 reliée à un radiateur 84.
La portion de condensation 82 a la forme d'un tronçon de tube cylindrique, d'axe A. Dans l'épaisseur de la portion de condensation 82 est aménagée une enceinte annulaire de condensation 86.
Cette enceinte 86 est formée entre deux parois cylindriques concentriques : la paroi intérieure 87, constituée par l'extrémité supérieure du carter 70, et une paroi extérieure 88, formée dans une pièce de maintien 90.
La pièce de maintien 90 comprend la paroi cylindrique 88, dans laquelle est formée l'enceinte 86. Elle est fixée au premier rotor 60 par l'intermédiaire d'une bride 91 vissée sur la bride 20.
Le radiateur 84 est en forme de champignon, avec un chapeau 85 présentant de multiples ailettes de refroidissement 88. Le plan du chapeau 85 est perpendiculaire à l'axe A du premier rotor 60.
Le radiateur 84 ainsi que le carter 70 de la génératrice 50 sont fixés sur la pièce de maintien 90. Le carter 70 est en outre fixé rigidement à la partie statorique 52 de la génératrice 50.
Par conséquent, l'ensemble du système de refroidissement 65 (à savoir l'évaporateur 64, le condenseur 66, et les conduits 68 formés dans la partie supérieur du carter 70) est fixé via la pièce de maintien 90 sur la bride 20.
Ainsi avantageusement, pour réaliser la maintenance de ces équipements il est possible de les extraire simultanément de l'arbre 18 de l'hélicoptère 10, en les dégageant de l'arbre 18 vers le haut suivant l'axe A après avoir désolidarisé la pièce de maintien 90 de la bride 20. La maintenance de la génératrice 50 et/ou du système de refroidissement 65 est donc particulièrement simple à réaliser. En outre, le remplissage du système de refroidissement 65 en fluide caloporteur se fait par un orifice unique 75.
Celui-ci est aménagé dans la paroi externe 87 de la portion de condensation 82.
Le système de refroidissement 65 fonctionne de la manière suivante.
Lorsque l'hélicoptère fonctionne, et que sa voilure tourne, la génératrice 50 dégage de la chaleur, qui se communique par conduction au carter 70.
Les enceintes annulaires 80 et 86 ainsi que les passages 76 sont remplis de fluide caloporteur, en l'occurrence de l'acétone. Le fluide caloporteur est choisi de telle sorte que sa température de vaporisation soit compatible avec les plages de température susceptibles d'être atteintes par la génératrice et par le radiateur lors du fonctionnement de l'hélicoptère.
Lorsque la génératrice 50 fonctionne et fournit du courant, la température s'élève dans la chambre 72. Sous l'effet de la chaleur, le fluide se vaporise dans l'enceinte 80 et les passages 76. La différence de masse volumique du fluide entre l'état liquide et l'état gazeux suffit alors pour que le fluide en phase gazeuse, vaporisé dans l'évaporateur 64, se déplace spontanément dans les passages 76 et les conduits 68 pour rejoindre l'enceinte annulaire 86.
Cette enceinte reste à une température relativement faible, du fait que les ailettes de refroidissement 88 sont refroidies en permanence au contact de l'air brassé par les pales de l'hélicoptère. La température du radiateur reste ainsi relativement tempérée et par conduction, il en va de même pour la portion de condensation 82. Par suite, le fluide en phase vapeur qui arrive dans l'enceinte 86 se condense dans cette enceinte. Le fluide liquide redescend alors simplement par gravité, via les conduits 68 et les passages 76, jusqu'à l'enceinte 80.
On comprend que le mouvement du fluide est autoentretenu dans le système de refroidissement 65. Ce mouvement permet avantageusement d'évacuer de la génératrice une quantité de chaleur très importante par unité de temps.
La figure 5 montre un autre mode de réalisation de l'invention. Celui-ci illustre un mode de réalisation de l'invention dans lequel la force centrifuge est utilisée pour provoquer la circulation de fluide dans le système de refroidissement.
Sur cette figure, les éléments identiques ou similaires aux éléments correspondants du premier mode de réalisation portent la référence de ces éléments, augmentée de 100.
Sur la figure 5 est représenté un système de refroidissement 165 comprenant un évaporateur 164 et un condenseur 166, reliés par des conduits 168.
L'évaporateur 164 a la forme d'un tronçon de tube cylindrique, d'axe A. Dans sa paroi est aménagée une enceinte annulaire de vaporisation 180, dans laquelle se produit la vaporisation du fluide. La paroi intérieure de l'évaporateur 164 (ou de l'enceinte 180) délimite une chambre cylindrique 162 formée à l'intérieur de l'évaporateur 164.
Dans cette chambre 162 est disposé une génératrice électrique non représentée, analogue à la génératrice 50.
Le condenseur 166 est réalisé de manière très similaire au condenseur 66, avec une portion de condensation 182 dont la paroi contient une enceinte annulaire de condensation 186, et qui est reliée à un radiateur à ailettes 184.
Le système de refroidissement 165 fonctionne de manière similaire au système de refroidissement 65.
En fonctionnement, le système de refroidissement tout entier, ainsi que la génératrice électrique, sont mis en rotation autour de l'axe A.
En ce qui concerne le fonctionnement du système de refroidissement 165, la seule différence par rapport au système de refroidissement 65 concerne la mise en circulation du fluide.
En effet, dans le système de refroidissement 165 le fluide est mis en circulation sous l'effet de la force centrifuge :
Quand le système de refroidissement 165 est entraîné en rotation, les forces centrifuges s'appliquent sur le fluide qui emplit les enceintes 180 et 186, et les conduits 168. Le fluide en phase liquide étant de masse volumique plus élevée que le fluide en phase gazeuse, le fluide en phase liquide tend à revenir dans l'évaporateur ; par suite, le fluide en phase gazeuse tend à revenir dans le condenseur. Ce double mouvement entretient donc une circulation de fluide spontanée dans le système de refroidissement 165.
La circulation du fluide est facilitée par le fait que les conduits 168 sont des conduits rectilignes, qui relient les périphéries respectives des enceintes 180 et 186. Les conduits 168 sont ainsi formés à la surface d'une surface conique. Comme ils sont rectilignes, le fluide circulant du condenseur au évaporateur se déplace à distance croissante de l'axe A. Ainsi, la formation de poches ou retenues de fluide est évitée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Méthode de refroidissement d'une génératrice électrique (50) prévue pour alimenter un premier rotor (60) en énergie électrique, le premier rotor étant apte à être mis en rotation par rapport à une structure fixe, la méthode se caractérisant en ce que la génératrice électrique est disposée dans une chambre (62 ;162) aménagée à l'intérieur du premier rotor, et en ce qu'elle comprend les étapes suivantes :
a) on transfère une chaleur produite par la génératrice à un fluide caloporteur en vaporisant le fluide dans un évaporateur (64 ;164) ;
b) on transporte le fluide vaporisé jusqu'à un condenseur ;
c) on condense le fluide dans le condenseur, la chaleur fournie par le fluide étant transmise à l'air environnant le condenseur.
2. Méthode de refroidissement selon la revendication 1, suivant laquelle l'étape a) de transfert de chaleur est réalisée dans un évaporateur tournant faisant partie du premier rotor et/ou l'étape c) de condensation de fluide est réalisée dans un condenseur (66; 166) tournant faisant partie du premier rotor.
3. Dispositif comportant une structure fixe, un premier rotor (60) apte à être mis en rotation par rapport à la structure fixe, une génératrice électrique (50) prévue pour alimenter le premier rotor en énergie électrique, et un système de refroidissement (65 ;165) pour évacuer la chaleur produite par la génératrice électrique ; le dispositif se caractérisant en ce que la génératrice électrique est disposée dans une chambre (62 ;162) aménagée à l'intérieur du premier rotor ; et le système de refroidissement comprend un circuit de circulation d'un fluide caloporteur diphasique, reliant un évaporateur (64; 164) couplé thermiquement à la génératrice électrique à un condenseur (66; 166) apte à évacuer de la chaleur vers le milieu extérieur au premier rotor.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans laquelle l'évaporateur (64; 164) et/ou le condenseur (66; 166) est tournant et fait partie du premier rotor.
5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle le condenseur (166) et l'évaporateur (164) sont disposés de manière à être décalés radialement l'un par rapport à l'autre, l'évaporateur étant formé à une distance radiale par rapport à l'axe de rotation (A) supérieure à celle à laquelle est disposé le condenseur.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans le cas où le système de refroidissement tout entier est tournant et fait partie du premier rotor, dans lequel le premier rotor (60) comporte une partie tubulaire (18) contenant la chambre (62) ; et le système de refroidissement et éventuellement un rotor de la génératrice électrique sont fixés de manière à pouvoir être extraits via une extrémité de ladite partie tubulaire (18).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dont la génératrice électrique et le système de refroidissement sont sans contact avec une paroi circonférentielle de la chambre (62,162).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dont l'évaporateur comporte au moins un conduit de circulation de fluide, notamment en forme de spire, passant à l'intérieur de la génératrice électrique et permettant la circulation et la vaporisation du fluide.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, dans lequel l'évaporateur comprend au moins un passage de circulation de fluide (76) délimité par une paroi d'un carter externe de la génératrice (70) et permettant la circulation et la vaporisation du fluide.
10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le carter présente une paroi double, et ledit au moins un passage est agencé entre une paroi interne (701) et une paroi externe (70O) du carter.
11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, dans lequel l'évaporateur présente une pluralité de passages (76) parallèles à un axe (A) du carter et répartis sur la circonférence de celui-ci.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 11, dans lequel le premier rotor (60) est prévu pour être mis en rotation autour d'un axe de rotation (A) sensiblement vertical, et lorsqu'il est dans cette position, le condenseur (66) est disposé par rapport à la direction verticale au-dessus de l'évaporateur (64).
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 12, dont la génératrice électrique présente un mode de fonctionnement dans lequel elle produit de l'énergie électrique par rotation relative d'un deuxième rotor (30) par rapport au premier rotor (60), et le premier et le deuxième rotor sont en rotation par rapport à la structure à des vitesses de rotation respectives différentes.
14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel le deuxième rotor (30) est coaxial au premier rotor (60) et disposé à l'intérieur de celui-ci, une partie de la génératrice (50) faisant partie du deuxième rotor.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 14, dont le circuit de circulation de fluide présente un orifice de remplissage unique (75) pour le remplissage en fluide de l'ensemble du circuit de fluide.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3342707A1 (fr) * 2016-12-30 2018-07-04 Leonardo S.P.A. Rotor pour un aéronef capable de vol stationnaire et procédé associé

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3342705B1 (fr) * 2016-12-30 2019-07-24 Leonardo S.P.A. Rotor pour un aéronef capable de vol stationnaire
CN108494173B (zh) * 2018-06-12 2024-08-16 中国科学院电工研究所 一种立式电机的转子蒸发冷却装置
US11884409B2 (en) 2021-11-01 2024-01-30 Hamilton Sundstrand Corporation Aircraft electric motor with integrated cooling system
CN121404524B (zh) * 2025-12-29 2026-03-31 浙江银轮机械股份有限公司 热管理装置及飞行器

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2330121A (en) * 1940-10-04 1943-09-21 Jack & Heintz Inc Motor cooling system
US2950074A (en) * 1956-10-15 1960-08-23 Apostolescu Stefan Helicopter
US3801843A (en) * 1972-06-16 1974-04-02 Gen Electric Rotating electrical machine having rotor and stator cooled by means of heat pipes
US4311932A (en) * 1980-01-28 1982-01-19 Sundstrand Corporation Liquid cooling for induction motors
US4881580A (en) * 1986-02-03 1989-11-21 Hughes Aircraft Company Fixture adapted for evacuating and filling heat pipes and similar closed vessels
JPS63159627A (ja) * 1986-11-03 1988-07-02 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ 多重スプール型タービンエンジン用の差動式電力装置
GB8807663D0 (en) * 1988-03-31 1988-05-05 Aisin Seiki Dynamoelectric machines
US7663272B2 (en) * 2007-10-15 2010-02-16 Honeywell International Inc. Motor housing and cooling fin assembly
US8207644B2 (en) * 2009-07-14 2012-06-26 Hamilton Sundstrand Corporation Hybrid cascading lubrication and cooling system
FR2960516B1 (fr) * 2010-05-28 2012-05-04 Eurocopter France Dispositif d'alimentation electrique et de controle d'un equipement d'un rotor, et aeronef muni d'un tel dispositif

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3342707A1 (fr) * 2016-12-30 2018-07-04 Leonardo S.P.A. Rotor pour un aéronef capable de vol stationnaire et procédé associé
WO2018122373A1 (fr) * 2016-12-30 2018-07-05 Leonardo S.P.A. Aéronef permettant un vol stationnaire
US11111011B2 (en) 2016-12-30 2021-09-07 Leonardo S.P.A. Rotor for an aircraft capable of hovering

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