Une nouvelle idée : conique, plutôt que cylindrique
Des ingénieurs de l'université technique recherchent de nouvelles géométries pour les paliers à feuilles de gaz nécessaires dans les compresseurs d'air pour le fonctionnement des piles à combustible
La pile à combustible est un élément de la transformation du secteur de l'énergie - de l'utilisation de sources d'énergie fossiles comme le pétrole, le gaz naturel et le charbon vers des énergies renouvelables. Dans la pile à combustible, la réaction chimique de l'hydrogène avec l'oxygène produit de l'énergie électrique et de la chaleur. Pour que cela fonctionne, le stockage de films de gaz est essentiel. Comme leur nom l'indique, les paliers à film de gaz ne sont pas lubrifiés par de l'huile, mais par de l'air. Pourquoi ? Pour la réaction chimique dans la pile à combustible, l'oxygène de l'air ambiant est pompé à haute pression dans la pile à combustible à l'aide d'un compresseur. Et là où il y a des composants en rotation, il faut des roulements. Si l'on utilisait de l'huile comme lubrifiant, on ne pourrait pas éviter que de très fines particules d'huile contaminent l'oxygène lors de son injection dans la pile à combustible. Ces impuretés peuvent entraîner une perte d'efficacité et une défaillance fonctionnelle de la pile à combustible. La contamination de l'oxygène doit donc impérativement être évitée.
Composants du palier conique à feuille de gaz : anneau en aluminium dans lequel se trouve un trou conique (à gauche), feuille tampon ondulée qui amortit le système (au centre), feuille de couverture (au milieu) et arbre conique (à droite)
Kevin Fuchs
Objectif : produire de manière plus économique et durable
L'arbre cylindrique dans le compresseur est logé radialement et axialement des deux côtés afin de contrer les forces qui font vibrer le système. Cela nécessite quatre paliers au total. "Ce quadruple support de l'arbre entraîne toutefois un travail considérable lors de la fabrication et du montage et rend le système de palier très complexe", explique le professeur Robert Liebich, responsable du département Construction et fiabilité des produits. C'est pourquoi Marian Sarrazin, collaborateur scientifique dans ce domaine, s'est demandé si ce stockage complexe ne pourrait pas être "allégé" dans le but de rendre la fabrication et le montage plus efficaces, c'est-à-dire d'économiser du matériel et de minimiser la charge de travail. En bref, produire les paliers à feuilles de gaz de manière plus économique et durable. Son idée : modifier la géométrie de l'arbre - non pas cylindrique, mais conique. La géométrie conique de l'arbre et du palier à feuille de gaz ne nécessiterait plus que deux paliers.
Les films amortissent les vibrations
L'idée de Marian Sarrazin des paliers coniques à feuilles de gaz est une nouveauté. Sur le marché, les paliers coniques à feuilles de gaz ne sont donc pas disponibles. Pour savoir s'ils fonctionnent, Marian Sarrazin les construit lui-même dans l'atelier de la faculté et les teste sur différents bancs d'essai. Seules quelques spécialités dans le monde disposent des possibilités de fabrication correspondantes. Son palier conique à feuille de gaz se compose d'un anneau en aluminium dans lequel se trouve un alésage conique. Celui-ci est rempli d'une feuille dite "bump" ou feuille tampon. Celle-ci est ondulée et est responsable de l'amortissement du système. Par-dessus, on trouve un film supérieur ou de couverture. Les films ultrafins sont fabriqués dans un alliage à base de nickel résistant à la corrosion et conviennent aux applications à haute température. Marian Sarrazin achète les films. Leur donner une forme conique - il le fait lui-même.
Recherche de la vitesse optimale pour la formation du film d'air
"Les roulements à feuilles de gaz atteignent généralement des vitesses de rotation de plus de 150 000 tours par minute. Il est difficile d'atteindre ces vitesses énormes avec des roulements à huile ou des roulements classiques. Les roulements dans lesquels l'air est utilisé comme lubrifiant ont tendance à fortement vibrer à des vitesses de rotation élevées. Les feuilles métalliques d'un palier à feuilles de gaz fournissent un amortissement supplémentaire pour maîtriser ces vibrations", explique le professeur Robert Liebich, ingénieur.
Marian Sarrazin étudie à présent le comportement vibratoire de l'arbre dans un tel palier conique à feuilles de gaz sur les bancs d'essai du département. "Je dois notamment déterminer la vitesse de rotation optimale de l'arbre pour que se forme dans le palier conique le film d'air porteur qui doit remplacer les huiles fossiles comme lubrifiant. Si la vitesse de rotation est trop faible, aucun film d'air ne se formera. Si elle est trop élevée, des vibrations se produisent, qui endommagent ou détruisent le système", explique Marian Sarrazin.
La préservation des ateliers et des bancs d'essai est essentielle pour la recherche.
Il utilise à la fois des méthodes de simulation numérique et de vérification des simulations par l'expérimentation. "L'un des objectifs de ce projet de recherche est de réaliser des simulations et de permettre ainsi des prédictions solides qui remplaceront de plus en plus la construction coûteuse de prototypes dans notre cas de paliers coniques à feuilles de gaz. Car l'industrie craint ces coûts. Mais une simulation ne peut jamais être aussi bonne que les valeurs validées par des expériences pratiques. Dans mon département, nous ne nous contentons pas de simuler, mais nous vérifions le modèle numérique à l'aide de données obtenues lors d'études expérimentales. C'est pourquoi il est essentiel de préserver les ateliers et les bancs d'essai de l'université technique de Berlin. Ils constituent une base importante de notre expertise très demandée dans la recherche et l'industrie", explique le professeur Robert Liebich, ingénieur.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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