BE1026022A1 - Energy accumulator and method of manufacturing a drum for a kinetic energy accumulator - Google Patents
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Abstract
Accumulateur d’énergie cinétique comprenant un tambour agencé pour être monté sur un axe de rotation, lequel tambour comporte une surface extérieure qui est pourvue d’un ensemble de crêtes.A kinetic energy accumulator comprising a drum arranged to be mounted on an axis of rotation, which drum has an outer surface which is provided with a set of ridges.
Description
La présente invention concerne un accumulateur d’énergie cinétique comprenant un tambour agencé pour être monté sur un axe de rotation, lequel tambour comporte une surface extérieure.The present invention relates to a kinetic energy accumulator comprising a drum arranged to be mounted on an axis of rotation, which drum has an outer surface.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un tambour pour un accumulateur d’énergie cinétique.The invention also relates to a method for manufacturing a drum for a kinetic energy accumulator.
Un tel accumulateur d’énergie est connu et il a pour fonction d’assurer une alimentation continue en énergie électrique dans des endroits comme par exemple des hôpitaux, des aéroports ou des centrales de gestions de banques, où une interruption de l’alimentation en courant électrique pourrait avoir de sérieuses conséquences. L’accumulateur est couplé à un générateur, lui-même couplé à un moteur à combustion. Le tambour, qui fait partie de l’accumulateur, tourne généralement à une vitesse élevée autour de son axe de rotation. L’accumulateur permet de stocker de l’énergie et ainsi de restituer durant le temps de démarrage du moteur à combustion l’énergie stockée. Ainsi on parvient à éviter qu’une coupure de courant cause des dégâts considérable.Such an energy accumulator is known and it has the function of ensuring a continuous supply of electrical energy in places such as for example hospitals, airports or central bank management, where an interruption of the power supply could have serious consequences. The accumulator is coupled to a generator, itself coupled to a combustion engine. The drum, which is part of the accumulator, generally rotates at a high speed around its axis of rotation. The accumulator makes it possible to store energy and thus to restore the stored energy during the start-up time of the combustion engine. This way we can prevent a power outage from causing considerable damage.
Un inconvénient de l’accumulateur connu est que sa rotation à vitesse élevée va causer qu’un volume assez élevé d’air ambiant va être entraîné par le tambour en rotation. L’entrainement de l’air est induit par les forces de frottement entre la surface du tambour et l’air ambiant, phénomène que l’on appelle « skin friction ». Ceci provoque une friction considérable sur cette surface extérieure du tambour. Cette friction va freiner la de rotation du tambour et causer ainsi une perte d’énergie qui peut s’élever jusqu’à 25% de la puissance totale nécessaire au maintien en rotation du tambour.A disadvantage of the known accumulator is that its rotation at high speed will cause a fairly high volume of ambient air to be entrained by the rotating drum. Air entrainment is induced by the friction forces between the surface of the drum and the surrounding air, a phenomenon known as "skin friction". This causes considerable friction on this outer surface of the drum. This friction will slow down the rotation of the drum and thus cause a loss of energy which can rise up to 25% of the total power necessary to keep the drum in rotation.
L’invention a pour bût de réaliser un accumulateur d’énergie dans lequel les pertes d’énergie causées par la friction sont sensiblement réduites.The object of the invention is to provide an energy accumulator in which the energy losses caused by friction are significantly reduced.
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-2A cette fin un accumulateur d’énergie suivant l’invention est caractérisé en ce que la surface extérieure du tambour est pourvue d’un ensemble de crêtes. La présence des crêtes aura pour conséquence de canaliser entre ces crêtes l’air ambiant entraîné par le tambour en rotation et de réduire ainsi les turbulences. La force de frottement provoquée par cet air ambiant sera ainsi fortement réduite et en conséquence sensiblement moins d’air ambiant sera entraîné par la surface externe du tambour en rotation. Ainsi la friction sera réduite et donc également la perte d’énergie causée par cette friction exercée sur le tambour.-2To this end an energy accumulator according to the invention is characterized in that the outer surface of the drum is provided with a set of ridges. The presence of the ridges will channel the ambient air entrained by the rotating drum between these ridges and thereby reduce turbulence. The frictional force caused by this ambient air will thus be greatly reduced and consequently significantly less ambient air will be entrained by the external surface of the rotating drum. Thus the friction will be reduced and therefore also the loss of energy caused by this friction exerted on the drum.
Une première forme de réalisation préférentielle d’un accumulateur suivant l’invention est caractérisée en ce que les crêtes dudit ensemble s’étendent en parallèle l’une à l’autre. Ceci offre d’une part une facilité d’application des crêtes et d’autre part une canalisation en parallèle des flux d’air entre les crêtes réduisant ainsi les turbulences.A first preferred embodiment of an accumulator according to the invention is characterized in that the crests of said assembly extend in parallel with one another. This offers on the one hand an ease of application of the ridges and on the other hand a ducting in parallel of the air flows between the ridges thus reducing the turbulence.
Une deuxième forme de réalisation préférentielle d’un accumulateur suivant l’invention est caractérisée en ce que les crêtes dudit ensemble s’étendent dans une direction qui correspond au sens de rotation du tambour. Ainsi l’air ambiant entraîné par le tambour en rotation est guidé dans le même sens que celui selon lequel le tambour tourne, ce qui limite également les turbulences.A second preferred embodiment of an accumulator according to the invention is characterized in that the crests of said assembly extend in a direction which corresponds to the direction of rotation of the drum. Thus the ambient air entrained by the rotating drum is guided in the same direction as that in which the drum rotates, which also limits turbulence.
Une troisième forme de réalisation préférentielle d’un accumulateur suivant l’invention est caractérisée en ce que les crêtes dudit ensemble s’étendent dans une direction qui est inclinée par rapport au sens de rotation du tambour. Ceci permet d’en plus refroidir la surface du tambour.A third preferred embodiment of an accumulator according to the invention is characterized in that the crests of said assembly extend in a direction which is inclined relative to the direction of rotation of the drum. This also cools the surface of the drum.
Un procédé de fabrication suivant l’invention est caractérisé en ce que on applique un ensemble de crêtes sur la surface extérieure du tambour.A manufacturing method according to the invention is characterized in that a set of ridges is applied to the outer surface of the drum.
L’invention sera maintenant décrite plus en détails à l’aide des dessins qui illustrent une forme de réalisation préférentielle d’un accumulateur suivant l’invention. Dans les dessins :The invention will now be described in more detail using the drawings which illustrate a preferred embodiment of an accumulator according to the invention. In the drawings:
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-3La figure 1 montre la surface extérieure du tambour pourvue d’un ensemble de crêtes ;-3 Figure 1 shows the outer surface of the drum provided with a set of ridges;
La figure 2 montre une vue en coupe selon la ligne ll-ll’ à travers le tambour ;Figure 2 shows a sectional view along line II-II 'through the drum;
La figure 3 illustre le flux longitudinal de l’air ambiant entraîné par le tambour ;Figure 3 illustrates the longitudinal flow of ambient air entrained by the drum;
La figure 4 illustre le flux transversal de l’air ambiant entraîné par le tambour ; etFigure 4 illustrates the transverse flow of ambient air entrained by the drum; and
Les figures 5 et 6 montrent une vue en coupe à travers les crêtes.Figures 5 and 6 show a sectional view through the ridges.
Dans les dessins une même référence a été attribuée à un même élément ou à un élément analogue.In the drawings, the same reference has been assigned to the same element or to an analogous element.
L’accumulateur selon l’invention comporte un tambour agencé pour être monté sur un axe de rotation. Cet axe de rotation est couplé via un mécanisme d’accouplement à un moteur à combustion, qui ainsi peut entraîner le tambour en rotation. Le tambour tourne généralement à une vitesse élevée autour de son axe de rotation, par exemple de l’ordre de 2 500 à 4 000 tours/minute. Le tambour comporte une surface extérieure. L’accumulateur est de préférence un UPS (Uninterruptible Power Supply).The accumulator according to the invention comprises a drum arranged to be mounted on an axis of rotation. This axis of rotation is coupled via a coupling mechanism to a combustion engine, which thus can cause the drum to rotate. The drum generally rotates at a high speed around its axis of rotation, for example of the order of 2,500 to 4,000 revolutions / minute. The drum has an outer surface. The accumulator is preferably a UPS (Uninterruptible Power Supply).
L’accumulateur a pour fonction d’assurer une alimentation continue en énergie électrique dans des endroits comme par exemple des hôpitaux, des aéroports ou des centrales de gestions de banques, où une interruption de l’alimentation en courant électrique pourrait avoir de sérieuses conséquences. Dès qu’une coupure d’électricité est constatée, le moteur est mis en marche et couplé au tambour. La rotation du tambour permet de restituer son énergie le temps du démarrage du moteur à combustion.The function of the accumulator is to provide a continuous supply of electrical energy to places such as hospitals, airports or bank management centers, where an interruption in the supply of electrical current could have serious consequences. As soon as there is a power cut, the engine is started and coupled to the drum. The rotation of the drum allows its energy to be restored during the time the combustion engine starts.
Le tambour tourne généralement à vitesse élevée pour ainsi stocker et fournir rapidement un apport d’énergie. Cette vitesse élevée va causer qu’un volume assez élevé d’air ambiant va être entraîné par le tambour en rotation. Ceci est provoqué par le frottement de l’air sur la surface extérieure du tambour et cause ainsi une friction considérable surThe drum usually rotates at high speed to quickly store and supply energy. This high speed will cause a fairly large volume of ambient air to be entrained by the rotating drum. This is caused by the friction of the air on the outer surface of the drum and thus causes considerable friction on
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-4cette surface extérieure du tambour. Cette friction freine la rotation du tambour et cause ainsi une perte d’énergie qui peut s’élever jusqu’à 25% de l’énergie nécessaire à l’entrainement du tambour et au maintien en rotation du tambour.-4this outer surface of the drum. This friction slows down the rotation of the drum and thus causes a loss of energy which can amount to up to 25% of the energy required to drive the drum and keep the drum in rotation.
Le tambour 1 de l’accumulateur selon l’invention a sa surface extérieure pourvue d’un ensemble de crêtes 2, comme illustré aux figures 1 et 2. De préférence, les crêtes de l’ensemble s’étendent en parallèle l’une à l’autre. La présence de ces crêtes va provoquer que la force de friction, causée par l’air ambiant entraînée par le tambour en rotation, sera sensiblement réduite et que moins d’air ambiant sera entraînée par la surface externe du tambour en rotation. Ainsi les pertes par friction seront réduites, ce qui réduira à son tour les pertes d’énergie stockée dans l’accumulateur. En fonction de la vitesse de rotation du tambour et de la géométrie des crêtes, une réduction allant jusqu’à 10% de la force de friction peut être obtenue.The drum 1 of the accumulator according to the invention has its outer surface provided with a set of ridges 2, as illustrated in FIGS. 1 and 2. Preferably, the ridges of the assembly extend in parallel one to the other. the other. The presence of these ridges will cause the friction force, caused by the ambient air entrained by the rotating drum, to be significantly reduced and that less ambient air will be entrained by the external surface of the rotating drum. This will reduce friction losses, which in turn will reduce losses of energy stored in the accumulator. Depending on the speed of rotation of the drum and the geometry of the ridges, a reduction of up to 10% in the friction force can be obtained.
La flèche 3, reprise dans la figure 1, indique le sens de rotation du tambour et aussi la direction du flux d’air ambiant entraîné par la rotation du tambour. La présence des crêtes 2 sur la surface extérieure du tambour aura ainsi pour conséquence que le flux d’air ambiant entraîné par la rotation du tambour sera canalisé par les canaux formés par chacun des espaces entre deux crêtes successives. Cette canalisation de cet air ambiant réduira les turbulences et ainsi la friction causée par le frottement de l’air sur la surface du tambour.The arrow 3, shown in Figure 1, indicates the direction of rotation of the drum and also the direction of the ambient air flow caused by the rotation of the drum. The presence of ridges 2 on the outer surface of the drum will therefore have the consequence that the ambient air flow caused by the rotation of the drum will be channeled by the channels formed by each of the spaces between two successive ridges. This channeling of this ambient air will reduce turbulence and thus the friction caused by the friction of the air on the surface of the drum.
La figure 3 illustre le flux longitudinal fe de l’air ambiant entraîné par le tambour. Ce flux longitudinal fe, en particulier lorsque les crêtes de l’ensemble s’étendent en parallèle l’une à l’autre, s’étend en parallèle dans l’espace entre les crêtes et est ainsi bien canalisé, ce qui réduit les turbulences. Le flux transversal ft, illustré à la figure 4, s’étend essentiellement au-dessus des crêtes et est de ce fait nettement moins en contact avec la surface du tambour, réduisant ainsi la friction exercée par cet air ambiant sur la surface du tambour. Les tourbillons d’air entre lesFigure 3 illustrates the longitudinal flow fe of the ambient air entrained by the drum. This longitudinal flow fe, in particular when the ridges of the assembly extend in parallel with one another, extends in parallel in the space between the ridges and is thus well channeled, which reduces turbulence . The transverse flow ft, illustrated in FIG. 4, extends essentially above the ridges and is therefore much less in contact with the surface of the drum, thus reducing the friction exerted by this ambient air on the surface of the drum. The air vortices between the
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-5crêtes sont peu importants et n’exerceront que peu de friction sur la surface du tambour.-5 peaks are insignificant and will exert little friction on the surface of the drum.
De préférence les crêtes de l’ensemble s’étendent dans une direction qui correspond au sens de rotation du tambour. Ainsi le sens de rotation du tambour et les crêtes sont alignés entre eux pour optimaliser la canalisation de l’air ambiant. Pour améliorer le refroidissement de la surface du tambour il est avantageux que les crêtes de l’ensemble s’étendent dans une direction qui est inclinée par rapport au sens de rotation du tambour. Dans cette dernière forme de réalisation les crêtes de l’ensemble sont inclinées sous un angle situé entre 5° et 10° par rapport au sens de rotation du tambour. Cette légère inclinaison, même si elle augmente légèrement la friction de l’air sur la surface du tambour, contribue néanmoins à évacuer de la chaleur causée par la rotation du tambour et la friction avec l’air ambiant.Preferably the ridges of the assembly extend in a direction which corresponds to the direction of rotation of the drum. Thus the direction of rotation of the drum and the ridges are aligned with each other to optimize the channeling of the ambient air. To improve the cooling of the surface of the drum it is advantageous that the ridges of the assembly extend in a direction which is inclined relative to the direction of rotation of the drum. In this latter embodiment, the crests of the assembly are inclined at an angle between 5 ° and 10 ° relative to the direction of rotation of the drum. This slight inclination, even if it slightly increases the friction of the air on the surface of the drum, nevertheless helps to evacuate the heat caused by the rotation of the drum and the friction with the ambient air.
De préférence les crêtes ont une géométrie triangulaire avec un angle de sommet (a) situé entre 15° et 50°, en particulier entre 30° et 45°, comme illustré aux figures 5 et 6. Cette géométrie des crêtes a pour avantage de permettre une réduction de 10% de la force de friction.Preferably the ridges have a triangular geometry with a vertex angle (a) located between 15 ° and 50 °, in particular between 30 ° and 45 °, as illustrated in FIGS. 5 and 6. This geometry of the ridges has the advantage of allowing a 10% reduction in friction force.
De préférence les crêtes ont une hauteur h située entre 10 et 100 μm. Cette hauteur permet de minimaliser la déformation à apporter à la surface du tambour tout en permettant une réduction considérable de la friction.Preferably the ridges have a height h between 10 and 100 μm. This height minimizes the deformation to be made to the surface of the drum while allowing a considerable reduction in friction.
De préférence que la distance S entre deux crêtes est située entre 20 et 200 μm. En pratique cela signifie que la distance entre deux crêtes est le double de la hauteur des crêtes. Cette solution permet d’obtenir des canaux entre les crêtes qui offrent un bon écoulement de l’air ambiant.Preferably that the distance S between two peaks is between 20 and 200 μm. In practice this means that the distance between two peaks is twice the height of the peaks. This solution makes it possible to obtain channels between the ridges which provide a good flow of ambient air.
La fabrication du tambour pour un accumulateur suivant l’invention est réalisée en ce que l’on applique un ensemble de crêtes sur la surface extérieure du tambour. Cette application est réalisée soit par enrobage de la surface extérieure du tambour soit par gravure en faisant usage d’un graveur négatif. L’enrobage est par exemple réalisé par impression d’unThe manufacture of the drum for an accumulator according to the invention is carried out in that a set of ridges is applied to the exterior surface of the drum. This application is carried out either by coating the exterior surface of the drum or by etching using a negative engraver. The coating is for example carried out by printing a
BE2018/0025 -6matière synthétique, comme par exemple le collage d’une bande tridimensionnelle présentant le relief spécifique, ou par impression 3D à l’aide d’une peinture dont on peut activer la réticulation par exemple par des rayons ultra-violet, ou par coulage.BE2018 / 0025 -6 synthetic material, such as the bonding of a three-dimensional strip having the specific relief, or by 3D printing using a paint which can be cross-linked for example by ultraviolet rays, or by casting.
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