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PERFECTIONNEMENTS AUX TRANSFORMATEURS HYDRAULIQUES DE COUPLE.
La présente invention est relative à des transformateurs hydro- dynamiques de couple; plus particulièrement à de tels transformateurs du type à carter tournant et encore plus particulièrement à de tels transfor- mateurs ayant deux étages d'aubages de turbine.
C'est une caractéristique des transformateurs hydrodynamiques de couple que la quantité dont le couple d'entrée est augmenté ou multiplié par le transformateur est maxima aux conditions de ralenti à l'arrêt, c'est- à-dire, avec l'élément primaire ou impulseur fonctionnant et avec l'élément secondaire ou turbine étant au repos. Lorsque la vitesse (n2) de l'élément secondaire croit à partir de zéro par rapport à la vitesse (nI) de l'élé- ment primaire., la multiplication de couple, qu'on appelle habituellement le rapport de couples, décroît, et pour une valeur quelconque du rapport n2/nl inférieur à l'unité,, la valeur du couple de sortie tombe à celle du couple d'entrée. Lorsque ce point, communément appelé points de passage, est atteint,
l'appareil ne fonctionne plus comme dispositif multiplicateur de couple et si la vitesse de l'élément secondaire est augmentée pour pro- duire une valeur supérieure de ng/ni plus grande que celle au point de pas- sage, le couple de sortie tombe a une valeur inférieure à celle du couple d'entrée, en sorte que l'appareil est sans utilité. Ainsi le domaine usuel de l'appareil est compris entre le ralenti et le point de passage. Une au- tre caractéristique des transformateurs du type considéré est que le rende- ment de l'appareil dans le domaine utile est très semblable à celui d'une turbine à vitesse variable, s'élevant de la valeur zéro du ralenti à une valeur de pointe pour quelque valeur intermédiaire du rapport des vitesses n2/ni et tombant de la valeur de pointe à une valeur inférieure au point de passage.
Au point de passage les valeurs du rendement et du rapport des vitesses n2/n1 sont égales.
Des transformateurs hydrodynamiques de couple ont été employés pour un certain nombre d'années comme unités de transmission pour produire un effort de traction pour la propulsion de véhicules et plus récemment ont été appliqués aux commandes automobiles dans le domaine des voitures.
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Pour ces commandes, il est désirable de prévoir un rapport de couple au ra- lenti élevé, un haut rendement de pointe avec une diminution du rendement de pointe aussi faible que possible dans le domaine utile de vitesses, et un domaine de vitesses aussi étendu que possible, c'est-à-dire avec le point de passage à une valeur de n2/n1 aussi élevée@qù'il est possible d'y parve- nir. En ce qui concerne ce dernier facteur, une valeur de point de passage de n2/n1 égale à l'unité est la plus désirable, mais elle est impossible à atteindre à cause des caractéristiques inhérentes au dispositif.
Une ou plu- sieurs des caractéristiques de performance désirées peuvent être assurées plus ou moins facilement par des transformateurs de type connu, mais assurer des valeurs de performances élevés pour toutes les caractéristiques désirées est un problème extrêmement difficile parce que les caractéristiques de cons- truction qui donneront une valeur particulièrement bonne pour une des carac- téristiques affecteront une autre de celles-ci en sens contraire, par exem- ple, des rapports de couples au ralenti très élevées peuvent être obtenus en utilisant trois étages ou davantage d'aubages de turbine mais avec ce nombre d'étages il est pratiquement impossible d'obtenir un rapport n2/n1 de point de passage aussi élevé que nécessaire pour satisfaire les besoins de toutes les applications désirées du transformateur.
Egalement, dans des applica- tions à l'automobile, en particulier dans celui des voitures à passagers, des considérations de poids, d'encombrement et de prix sont extrêmement importan- tes, tandis qu'en même temps les spécifications pour le rapport de couple au ralenti nécessaire, pour la situation du point de passage et le rende- ment général sont relativement sévères. Le résultat est qu'autant qu'il soit connu des demandeurs, on n'a jusqu'à présent fait aucun transforma- teur satisfaisant seul convenablement les besoins d'une voiture de trans- port de passagers, de tels transformateurs nécessitant invariablement d'être combinés avec au moins une transmission mécanique (boite de vitesses) à deux vitesses en vue de procurer une transmission convenable pour satisfaire aux conditions nécessaires.
Par conséquent,l'objet général de la présente invention@est@de procurer une forme nouvelle et améliorée de transformateur de couple compre- nant diverses particularités nouvelles de construction dans le circuit hydrau- liques ayant pour conséquence un tel perfectionnement dans les caractéris- tiques de fonctionnement, qu'il permettre au transformateur d'être appliqué dans des cas où jusqu'à présent il fallait des types plus complexes et plus coûteux, et qui puisse entre autres choses satisfaire aux nécessités du do- maine automobile sans faire usage d'une transmission auxiliaire dans bien des cas où une telle transmission est nécessaire avec les transformateurs actuels.
Un autre objet de l'invention est de procurer un transformateur perfectionné de ce type, qui soit relativement simple et de construction peu coûteuse. D'autres objets plus détaillés, et d'autres avantages apparai- tront au cours de la description.
Dans le but d'atteindre les divers objets et avantages, l'inven- tion concerne un transformateur du type à carter tournant qui, pour la plu- part des applications et en particulier les installations de transmission automobile n'ait pas besoin de plus de deux étages de turbines, et dans le- quel la forme du circuit hydraulique et la forme et l'agencement des aubes de réaction ou de guidage et des aubes de turbines sont en accord avec les principes nouveaux ayant pour conséquence des caractéristiques de performan- ce procurant un haut rapport de couples au ralenti, un rendement de pointe élevé, avec une caractéristique de courbe de rendement plate pour un domai- ne relativement étendu de rapports de vitesses n2/n1; et une haute valeur,de n2/n1 au point de passage.
L'invention, dans certains de ses aspects, con- cerne aussi une construction perfectionnée dans laquelle les parties princi- pales peuvent être agencées de telle façon que non seulement les caractéris- tiques hydrauliques sont améliorées mais qu'on ait des avantages de construc- tion tels qu'un meilleur équilibrage contre la poussée axiale et de meilleurs agencements d'étanchéité.
La manière dont ces divers objets sont atteints peut être le mieux comprise par la considération de la partie subséquente de la présen- te description, prise ensemble avec le dessin ci-annexé, qui expose en ma-
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nière d'exemple mais sans limitation, différentes formes de réalisation d'un appareil convenable pour réaliser les principes de l'invention.
Sur les dessins - la figure 1 est une demie coupe longitudinale plus ou moins sché- matique d'un transformateur réalisant l'invention; - les figures 2 à 5 sont des coupes faites suivant les lignes de coupe à numérotage respectif de la figure1, et - les figures6, 7 et 8 sont des vues semblables à la figure 1 montrant d'autres formes de transformateur réalisant l'invention.
En se référant maintenant à la figure 1 et aux figures y relati- ves,le transformateur illustré est du type à carter tournant à deux étages, Le carter tournant 10 constituant Isolément primaire, dont l'axe de rotation est indiqué par A, porte une couronne d'aubes d'impulseur ou de pompe 12 réliées par un élément de couronne-noyau intérieur 14. L'élément secondai- re ou de turbine 16 monté à rotation porte la couronne d'aubes de turbine de second étage 18 dont les extrémités intérieures portent l'élément de noyau 20 qui à son tour porte la couronne d'aubes de turbine de premier étage 22.
L'élément de réaction 24 peut être fixé contre la rotation dans l'un ou l'autre sens à tous moments, il peut être monté pour tourner dans l'un ou l'autre sens dans certains cas et dans'le cas des transformateurs dits à double rotation, il peut être agencé pour fournir de la puissance lorsqu'il fonctionne comme élément de réaction tournant dans un sens opposé à celui de l'impulseur. L'élément 24. porte la couronne d'aubes de guidage de réac- tion 26. Les aubes étant reliées à leurs extrémités intérieures par l'é- lément de couronne 28.
Du dessin, on verra que le noyau formant le périmètre intérieur de la section transversale du circuit ou du trajet d'écoulement 30 du fluide de travail, est formé d'éléments 14, 20 et 28. Le périmètre extérieur de la section du circuit est formé par le carter 10, l'élément de turbine 16 et une partie de l'élément de réaction 24. '
D'après la figure 1, on peut noter diverses caractéristiques du contour du circuit, qui sont importantes pour atteindre le résultat recher- ché.
Comme on l'observera, le circuit comprend deux parties 32 et 34, aux parties:radialement extérieure et radialement intérieure, respectivement, du circuit. dans lesquelles le sens d'écoulement du fluide de travail est sensiblement renversé et on remarquera en outre que ces parties auxquelles on peut se référer comme aux parties à courbures inverses du circuit, sont des sections de libre écoulement du fluide de travail, du fait-de l'absence de tout aubage dans ces sections.
Les sections 32 et 34 relient une section d'écoulement vers l'ex- térieur ou centrifuge 36 et une section d'écoulement vers l'intérieur ou centripète, et, comme on peut le voir de la figure, seules les aubes de l'im- pulseur sont situées dans la première tandis que tous les aubages de guidage et de turbine sont situés dans la dernière pour écoulement centripète du flui- de ayant quitté les aubages, Cette disposition des aubages en se référant à l'écoulement centripète et centrifuge est importante pour assurer l'obten- tion des résultats désirés.
En outre, on remarquera que la section centripète 38 est radia- le par rapport à l'axe de rotation, tandis que la section centrifuge 36 est inclinée. comme il apparaîtra ci-après, cette relation peut être inversée, mais l'inclinaison de l'une ou de l'autre des sections en question est im- portante pour des raisons exprimées plus loin. L'agencement décrit ci-avant des diverses sections du circuit conduit à une forme caractéristique de cir- cuit dont la section transversale est définie à sa limite intérieure par un . noyau en forme générale de poire et à sa limite extérieure par une construc- tion de paroi formant une cavité de section transversale en poire similai- re.
Les sections transversales tant du noyau que de la cavité peuvent encore être définies géométriquement par le fait que les axes neutres des deux sec- tions, c'est-à-dire les lignes passant par les centres de gravité par rapport
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aux axes par rapport auxquels les sections ont des moments d'inertie maxima, sont tous deux inclinés dans le plan des sections par rapport à l'axe de rotation A.
A la figure 1, l'axe neutre de la section transversale du noyau, ci-après désigné par abbréviation par axe neutre du noyau, est indiqué par 40'et fait un angle aigu avec l'axe de rotation A, tandis que l'axe comparable de la section transversale de la cavité, désigné ci-après comme axe neutre de la cavité, est indiqué par 42 et fait un angle plus aigu ¯, avec l'axe A.
Il y a lieu de noter en outre que les sections courbées en retour du circuit sont formées de telle sorte que la surface d'écoulement de chacune des sections augmente d'abord et ensuite décroît dans le sens d'écoulement du fluide, cette forme de canal différant de la pratique habituelle de surface d'écoulement sensiblement constante telle qu'indiquée par les lignes en pointillés 44 et 46.
En se référant maintenant plus particulièrement aux figures 2 à 5, montrant des aubages comprenant certaines des particularités nouvelles de l'invention, d- indique les angles de sortie ou de délivrance des divers aubages, et b la distance minima entre les aubes voisines de la même couron- ne, ou en d'autres termes, la partie la plus étroite ou en col du canal d'é- coulement entre les aubes.
Aux figures 3 à 5 l'angle d'entrée relatif du fluide entrant dans les couronnes d'aubes de turbine et de guidage au ralenti, c'est-à-dire avec l'impulseur tournant à une vitesse normale, et la turbine étant fixe, est indiqué par les flèches Ist tandis que les flèches Iah indiquent la direction de la vitesse d'entrée relative au point de passage. L'angle de divergence entre ces deux conditions qui marquent les limites du domaine usuel de transformateur, est dénoté par
En comparant les figures 3, 4 et 5, on observera que l'angle de divergence , dans le cas des aubes de guidage, est sensiblement plus grand que dans les cas des deux étages des aubes de turbine.
La plus grande déviation de l'angle d'entrée relatif avec l'angle optimum (repré- senté par Io) dans le cas d'aubes de guidage, qui est caractéristique de transformateurs du type en question, qui sont proprement étudiés pour satis- faire aux diverses conditions imposées, a pour conséquence que des pertes augmentées de part et d'autre du point de rendement de pointe risquent de se produire plus rapidement à la couronne d'aubes de guidage qu'aux couronnes de turbine si le transformateur est équipé d'aubes du même type général de profil et ce facteur tend à abaisser tant la valeur du rapport de couples qu'on peut obtenir,, que la valeur du rapport des vitesses n2/n1, au point de passage, C'est le cas pour toutes les aubes du circuit, que l'angle re- latif d'entrée déviera, avec des changements dans le rapport des vitesses n2/n1,
de la direction optima Io produisant le minimum de pertes intérieu- res, et en vue de réduire les pertes dans toutes les couronnes d'aubages dues à cette déviation, il est préférable d'employer des aubes ayant des profils caractérisés par des portions de bord d'entrée qui sont arrondies de façon émoussée. Les profils sont en outre formés avec des portions restantes avec lesquelles les portions de bord d'entrée donnent des canaux d'écoule- ment courbes qui servent à défléchir latéralement le fluide traversant les canaux et aussi à accélérer sa vitesse d'écoulement, puisque la surface d'écoulement des canaux décroît, d'abord relativement vite et ensuite plus graduellement, des entrées aux cols b aux sorties.
Le type général de profil d'aube et de canal qui vient d'être dé- crit n'est pas tout à fait nouveau mais suivant certains aspects de l'inven- tion, les natures de ces profils et canaux sont changées comparativement aux pratiques antérieures, dans le but d'assurer les résultats améliorés qui sont obtenus.
Suivant l'un de ces aspects, les portions de bord d'entrée des pro- fils d'aubes de guidage sont faites relativement plus émoussées que celles des aubes de"turbines et comme ces profils d'aubes sont de courbure graduel- lement changeante, il est nécessaire dans l'intérêt de la clarté de définir
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les portions de bord d'entrée des profils et leur nature en les termes ci-après employés dans cette description et dans les revendications annexées.
En général, les portions de bords d'entrée sont en arc et peuvent être en arc exact de rayon donné, par contre,ces portions peuvent dévier de la forme exactement circulaire de rayon 1: par rapport à un centre o comme illus- tré à la figure 5. Il sera par conséquent entendu que lorsqu'on emploiera ci-après le terme rayon, comme appliqué aux portions de bord d'entrée des profils d'aubes il faut comprendre que cela définit des profils ayant des portions de bord d'entrée approximativement circulaires aussi bien que cel- les de forme exactement circulaire. Egalement,les portions de bord d'en- trée seront entendues comme ces parties du coté entrée d'une ligne s tirée perpendiculairement à la direction d'écoulement d'entrée relatif optimum Io au centre o, comme cela est aussi montré à la figure 5.
En outre, pour des buts d'explication et de définition, la largeur des aubes sera considé- rée comme la distance w (figure 5) des bords d'entrée aux bords de sortie, la longueur 1 desaubages étant indiquée à la figure 1.
Comme indiqué précédemment, les portions de bord d'entrée des aubes de guidage sont arrondies de façon plus émoussé, suivant l'une des particularités de l'invention, que ne le sont les aubes de turbine, et il a été trouvé que dans un circuit donné, tontes choses égales par ailleurs, même un petit changement dans l'arrondi, relatif des aubes a un effet fa- vorable. Cependant, dans le but d'assurer dans la mesure la plus étendue les avantages à découler de ce changement, les demandeurs ont trouvé que les différences dans les profils d'aubes employés doivent être maintenues dans des limites relativement bien définies, que l'on peut convenablement exprimer en termes de valeurs des rapports des rayons r des aubes à la lar- geur des aubes, c'est-à-dire par r/w.
A cause des latitudes possibles dans le modèle de l'impulseur, la valeur de l'angle de divergence b à l'entrée de la couronne de turbine du premier étage peut dans certains cas être faite relativement petite, et en conséquence les aubes de turbine du premier étage.-peuvent dans de tels cas être faites avec des entrées relativement tranchantes. On a trouvé ce- pendant que pour tout projet acceptable d'impulseur, la valeur maxima pour le rapport r/w des aubes de turbine de premier étage est approximativement de 0,135 car si cette valeur est sensiblement dépassée, le rendement de pointe est affecté en sens contraire.
La variation possible dans la valeur de l'angle à l'entrée de l'aube de guidage, avec des variations dans le modèle et l'agencement spécifiques des aubes de turbine de premier étage, n'est pas si grande qu'à l'entrée de turbine de premier étage mais les varia- tions que l'on peut rencontrer dans les différents modèles permettent d'em- ployer un certain domaine de valeurs pour le rapport r/w des aubes de guida- ge, ce domaine, cependant, étant limité à un minimum d'approximativement oel2o et à un maximum d'environ oel6o. Si le maximum est dépassé de façon appré- ciable, l'effet inverse sur le'rendement de pointe devient trop grand et si au moins sensiblement le minimum n'est pas emplo-é,
les avantages recherchés par la présente invention ne sont pas pleinement atteints.
La variation en largeur des aubesde turbine du 2ème étage entre différents modèles est telle que la valeur de r/w pour ces aubes peut dans certains cas être tout-à-fait petite, comme par exemple dans une tubrine dans laquelle on emploie au dernier étage des aubes très larges pour obtenir certaines caractéristiques désirées d'absorption de couple d'entrée, mais dans le cas des autres aubes, on a trouvé que certaines limitations conve- naient ét que dans le cas d'aubesde turbine de second étage,la valeur de r/w ne doit pas dépasser approximativement 0,125 si-on veut éviter un effet désavantageux pour le rendement.
C'est en se souvenant des limites précédentes que la relation en- tre les valeurs des rapports r/w des différentes couronnes d'aubes, désira- ble pour obtenir les meilleurs résultats, doit être considérée. En général, on peut dire que ces valeurs varient ensemble dans le même sens-dans les di- vers modèles, c'est-à-dire que si l'on a besoin d'aubes arrondies de façon plus émoussée dans un modèle que dans un autre, pour une couronne d'aubes dé
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terminée, la même chose est généralement vraie pour les autres couronnes.
En outre, en vue d'assurer les meilleurs résultants,les entrées des au- bes de guidage doivent être beaucoup plus émoussées que celles des entrées des aubes de turbine et on a trouvé que pour réaliser pleinement les avan- tages potentiels possibles, les profils des aubes de guidage doivent avoir avantageusement un rapport r/w dont la valeur est au moins de 20 % supérieu- re à la valeur de rapports comparables des aubes de turbine.
Gomme cela a été remarqué précédemment, les aubes de turbine de premier étage peuvent- avoir une valeur de rapport r/w aussi élevée que 0,135,, tandis que la limite inférieure du domaine des valeurs admissibles du rapport r/w pour les aubes de guidage est approximativement 0,120, mais on comprendra que la valeur maxima pour les premières ne sera pas employée avec la valeur minima des dernières et que l'on adoptera une différence de l'ordre d'au moins 20 % de plus pour le rapport r/w des aubes de guidage. Ceci s'applique également à la relation du rapport r/w pour les aubes de guidage au rapport compara- ble des aubes de turbine suivante ou de second étage.
Si l'on considère maintenant l'effet d'entrées d'aubes de guida- ge relativement plus émoussées, on trouvera que lorsque l'écoulement relatif d'entrée se fait suivant la direction optima Io, on court le risque d'une perte légèrement augmentée, cette perte affecte seulement la valeur de poin- te du rendement, et il est important de remarquer que la perte augmentée est risquée seulement à l'entrée d'aube de guidage, et n'affecte pas les pertes aux entrées des aubes de turbines, Ainsi la réduction dans le rendement en pointe est d'importance relativement secondaire.
Au contraire, les en-. trées relativement plus émoussées des aubes de guidage permettront avec moins de pertes que ce ne serait le cas autrement, les déviations dans la direc- tion du courant d'entrée, par rapport à la direction optima et permettront aussi, sans augmentation indue des pertes d'entrée, une déviation beaucoup plus grande du courant d'entrée d'avec la direction optima, que ce ne serait le cas autrement. Ainsi, en ce qui concerne la couronne d'aubes de guidage, une légère perte aux conditions optima d'écoulement est compensée par une performance relativement améliorée pour le reste du domaine utile du rapport des vitesses.
Un facteur très important toutefois, est qu'en dehors du point optimum, une diminution dans les pertes provenant d'aubes de guidage plus é- moussées se représente dans un taux d'écoulement relativement augmenté (débit) du fluide de travail. Ce débit augmenté est obtenu non seulement dans la couronne d'aubes de guidage mais également dans les couronnes d'aubes de tur- bine, et l'effet du débit augmenté affecte favorablement l'angle d'entrée relatif d'écoulement vers les aubes de turbine, avec une augmentation subsé- quente du rendement des aubes de turbine.
Ainsi, en suivant les principes discutés ci-avant, une perte légèrement augmentée à une couronne d'aubes dans le circuit, dans les conditions optima, est plus que compensée par des per- tes diminuées dans plusieurs couronnes d'aubes du circuit dans toutes les autres conditions dans tout le domaine de fonctionnement. pour une capacité d'absorption de couple primaire déterminée, le taux d'accroissement de la partie de la courbe de rendement en question dépend largement de la vitesse de circulation, une plus grande augmentation dans la vitesse de circulation en partant de celle que l'on obtient au point de rendement de pointe, lorsqu'on s'approche des conditions de ralenti, en- traînant une montée plus raide de la courbe et un rapport de couple au ralen- ti augmenté.
on a trouvé que le taux d'accroissement de la vitesse de cir- culation dépend dans une large mesure des conditions d'entrée de l'impulseur et en outre que ces conditions peuvent être améliorées de façon importante en sorte que la vitesse de circulations est augmentée au ralenti et au voi- sinage de celui-ci, par une bonne sélection et corrélation des profils d'au- bes pour produire des canaux d'écoulement ayant certaines caractéristiques de déflexion ainsi que des aires d'écoulement se contractant.
Beaucoup de facteurs connus qui n'ont pas besoin d'être discutés ici en détail influen- cent le modèle exact dans différents cas, mais en général suivant le pré- sent aspect de l'invention, on emploie une couronne d'aubes de turbine dé- livrant le fluide à l'impulseur, où les aubes sont aussi "ouvertes" qu'une bonne construction le permet, c'est-à-dire des aubes agencées avec un angle
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de sortie relativement grand (par exemple 450) et on relie la forme et l'a- gencement des couronnes d'aubes précédentes pour former des canaux d'écoule- ment ayant, en combinaison, de nouvelles caractéristiques productrices de c a- ractéristiques améliorées lorsqu'on les emploie en conjonction avec une tel- le couronne d'aubes ouvertes.
En vue de mieux comprendre les facteurs intervenant et la manière dont ils sont appliqués et reliés, on se réfèrera de nouveau aux figures 3 à 5, dans lesquelles l'angle #, étant l'angle entre la ligne déterminative de l'angle de sortie de l'aube et la ligne Io représentant la direction du courant optimum d'écoulement vers l'aube,est employé pour désigner l'angle de déflection des canaux d'écoulement formés entre des aubes adja- centeso Les angles pour les canaux des différentes couronnes et la re- lation entre les angles pour les différentes couronnes sont, à ce qu'on a trouvé, d'importance majeure, et dans le but d'assurer les résultats amé- liorés désirés, ces angles se tiennent avantageusement dans certains domai- nes et avec certaines relations qui sont indiqués par le tableau suivant :
EMI7.1
<tb> Couronne <SEP> d'aubes <SEP> s <SEP> Min. <SEP> Max.
<tb>
<tb>
1er <SEP> étage <SEP> de <SEP> turbine <SEP> 50 <SEP> 90
<tb>
<tb> guide <SEP> 25 <SEP> 50
<tb>
<tb> 2ème <SEP> étage <SEP> de <SEP> turbine <SEP> ±ce <SEP> 65
<tb>
Du tableau précédent on remarquera que l'angle de déflection pour les aubes de guidage est compris dans un domaine de valeurs infé- rieures aux domaines pour les deux étages d'aubes de turbine, et que l'angle pour le second étage de turbine est compris dans un domaine plus petit que pour le premier étage de turbine. on remarquera en outre que dans les domaines indiqués ci-avant, la valeur maxima de l'angle d'au- be de guidage est légèrement plus grande que la valeur minima de l'angle d'aube de turbine de second étage, en sorte que les domaines se recouvrent légèrement.
Cependant, avec des variations dans le modèle, les angles)6 pour les différentes couronnes d'aubesvarient de même manière, en sorte que la valeur-minima de µ pour une couronne ne sera pas employée avec la valeur maxima de # pour une autre. En conséquence, l'angle de déflexion pour la couronne d'aubes de guidage sera moindre que les valeurs pour les couronnes d'aubes de guidage et l'angle pour la couronne d'aubes de second étage de turbine, sera moindre que celui de la couronne d'aubes de turbine au premier étage, dans chaque cas individuel.
Ces relations varient par rapport à la pratique usuelle anté- rieure et se traduisent par plusieurs avantages affectant favorablement les performances du transformateur tant en ce qui concerne le rendement qu'en ce qui concerne la localisation du point de passage en se rapportant au rapport de vitesse n2/n1.
Dans le cas à la fois des aubes de turbine de premier étage et des aubes de turbine de guidage, les angles de sortie [alpha] sont considérable- ment plus petits que pour des aubes de turbine de second étage relativement ouvertes,un angle de sortie convenable pour ces aubes étant 250, tandis que pour les aubes de guidage, un angle de sortie convenable est 35 .
Avec des angles de sortie et des angles de déflexion comme décrits, sensiblement plus d'énergie est absorbée par le fluide par le premier étage de turbine que par le second étage de turbine et ceci contribue à un rende- ment augmenté, en raison du fait que la majeure partie de l'énergie est ab- sorbée,directement de la décharge de l'impulseur où les conditions d'écou- lement sont meilleures à cause de l'absence de troubles provenant d'une cou- ronne d'aubes précédente.
Egalement, comme on le verra d'après la figure 5, lorsque le rapport n2/n1 s'approche du point de passage, la direction du courant relatif d9entrée vers les canaux de turbine du 2ème étage s'approche de la direction d'écoulement de sortie de ces canaux. Ceci est beaucoup plus le cas avec les aubes de turbine de second étage qu'avec les aubes de premier étage, en sorte que lorsqu'on s'approche du point de passage les aubes de
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turbine de premier étage absorbent un pourcentage qui va en augmentant de l'énergie présente, les aubes de second étage jouant progressivement de plus en plus le rôle d'aubes de guidage pour diriger convenablement l'écoulement vers l'entrée de la pompe.
Ces facteurs contribuent au maintien d'un haut rendement dans la partie du domaine des vitesses de n2/n1, au-dessus du point de rendement de pointe et par conséquent tendent à élever la valeur de n2/n1 pour laquelle a lieu le point de passage.
Comme le noteront ceux qui sont versés dans la technique, les divers facteurs de profils d'aubes, angles de sortie, déflection du courant, etc..., s'influencent les uns les autres et par conséquent il sera entendu que l'on ne peut donner que des règles générales pour guider celui qui projette un système d'aubages dans le but de satisfaire à des conditions de performances déterminées. Cependant, des expériences d'essai actuelles on a trouvé qu'en suivant les principes discutés ci-dessus et en mainte- nant les divers facteurs du projet dans les limites données, on peut obte- nir les résultats améliorés désirés.
Manifestement, des changements dans d'autres facteurs non discutés ici en détail, comme par exemple des angles spécifiques de-sortie, peuvent être faits mais la nature de ces changements et leur importance qui peuvent être faits pour fournir un système convenable réalisant les principes de la présente invention sont connus et ne sortent pas des possibilités d'un projeteur exercé.
Revenant à la figure 1 et à la forme du circuit et à la réalisa- tion des aubages, divers facteurs du dessin général se révèlent contribuer à la vitesse de circulation améliorée et à la réduction des pertes qui sont traduites par de meilleurs rendements de part et d'autre de la pointe de ren- dement, En agençant les aubages de turbine et de guidage dans la section d'écoulement centripète et en utilisant une enveloppe tournante, la perte par frottement dans cette partie du circuit est rendue minima et on donne aussi au projeteur une grande latitude en ce qui concerne l'étendue radia- le.des aubes de l'impulseur, plus grande est la distance radiale des bords de sortie des aubes de l'impulseur, à l'axe A, plus grand est le couple spé- cifique que l'on peut obtenir des transformateurs, par couple spécifique,
on entend la capacité de transmission en couple d'un transformateur de di- mension déterminée. Dans certains cas, les aubes d'impulseur auront une étendue radiale plus grande qu'il n'a été montré dans les exemples, pour obtenir un couple spécifique élevé, et dans cette mesure la longueur de la section d'écoulement libre 32 du circuit sera réduite, mais il faut no- ter que plus haut est le couple spécifique, moindre est le rapport de cou- ples de ralenti maximum que l'on peut obtenir.
Au coude extérieur-ou à la section courbé en retour 32 du circuit il y a un changement majeur dans la direction du fluide de travail qui en- ' traîne ce qu'on peut appeler des pertes d'altération (ou de.changement).
Dans cette section du circuit, la vitesse et le contenu en énergie du flui- de est maximum,de sorte qu'il est particulièrement désirable de minimiser les pertes dans cette section. Ceci est accompli avec la présente forme de circuit, qui non seulement réduit au minimum la valeur pratique de la lon- gueur de la section entre la sortie de l'impulseur et l'entrée du premier étage de turbine, mais aussi nécessite un changement de direction pour le fluide à grande vitesse, de moins de 1800 dans tous les cas. Lorsque, en plus, la partie dé décharge de la section 32 est conformée pour produire un canal dont l'aire d'écoulement va d'abord en se dilatant puis en se contrac- tant,les pertes d'altération sont encore réduites.
Les mêmes facteurs s'ap- pliquent en ce qui concerne la section courbée en retour 38, étant remarqué que la plus grande longueur de la section et le plus grand angle de détour- nement en question sont de moindre importance en cet endroit où la vitesse et le contenu en énergie du fluide ont été réduits aux moindres valeurs par rapport à toute autre place du circuit. La différence entre les conditions prévalant dans les sections 32 et 38 est telle qu'en aucun cas les sections d'écoulement d'entrée et de sortie 36 et 38 ne divergent en direction radia- le vers l'extérieur, mais au contraire convergent dans ce sens.
En plus des améliorations de performance qu'on peut obtenir par
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l'emploi des particularités qui ont été décrites, des transformateurs constmits suivant ces principes de l'invention se prêtent aisément à l'inclusion d'autresparticularités qui contribuent encore à un meilleur rendement hydraulique et également à des caractéristiques mécaniques plus avantageuses et à un fonctionnement meilleur, et à la figure 6 est illustrée une autre forme de réalisation de transformateur comprenant une telle parti- cularité additionnelle. Sous la plupart des rapports la construction est semblable à celle de la forme de réalisation de la figure 1, et des parties analogues ont été indiquées par les mêmes signes de référence.
Dans la pré- sente construction, l'élément de tubrine diffère de celui montré à la figu- re 1 en étant étendu pour embrasser sensiblement la portion d'élément de guidage exposée à la pression du fluide de travail, ceci étant réalisé en prévoyant l'extension en forme de disque 48 s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la couronne d'aubages de turbine de premier étage 22a entre la portion de disque 24a de l'élément de guidage 24 et la paroi voi- sine du carter 10 en une fermeture étanche du type à labyrinthe 50 de rayon inférieur à celui de la fermeture con parable 52 entre la pièce de guidage ¯ et le carter comme montrés à la figure 1.
Egalement, la fermeture étanche 54 entre les éléments de noyau de pompe et de turbine 14 et 20 est située à la partie radialement intérieure du noyau plutôt qu'au rayon plus grand employé dans la construction de la figure l. pour beaucoup de raisons bien connues, comprenant les pertes par fuites qui affectent le rendement hydraulique, il est désirable d'avoir des garnitures d'étanchéité de diamètre aussi petit que possible et des raisons pour lesquelles la présente construction permet l'emploi de garni- tures de petit diamètre peuvent être exposées rapidement en comparant les figures 1 et 6, se rappelant le fait que des pressions de fluide sensibles sont exercées radialement sur les divers éléments et qu'il est hautement dé- sirable d'équilibrer ces pressions dans la plus grande mesure possible.
Si l'on considère maintenant la figure 1, on verra que l'élément de turbine est soumis dans un sens à du fluide à haute pression venant de l'impulseur seulement à l'extérieur de la couronne de premier étage de turbine 32a, le reste de la pression ou poussée dans le même sens étant exercée par le flui- de à pression relativement inférieure entre les portions de disque 16a et 24a des éléments de turbine et de guidage. La poussée exercée sur ces aires est contrariée par la pression de fluide dé l'intérieur de la couronne noyau agissant sur l'élément 20, et en vue d'assurer un équilibrage convenable la fermeture 24 est placée à un endroit intermédiaire radialement dans b noyau, de manière à former une chambre de haute pression 54a et une chambre de bas- se pression 54b.
Si l'on considère maintenant la figure 6 il sera évident que l'espace 56 s'étendant intérieurement jusqu'à la fermeture 50 est sous pression relativement élevée, permettant ainsi à la garniture 54 de se dé- placer vers l'intérieur de sorte que la chambre du noyau à haute pression comprend tout 1'intérieur du noyau.
Dans la construction de la figure 1, le disque de guidage 24 est soumis à une pression relativement élevée par le fluide de l'espace 56, qui est contrariée par une pression inférieure dans l'espace 58 entre l'élément noyau 20 et la couronne 28, et par une pression encore inférieure dans l'es- pace entreles disques de turbine et de guidage 16a et 24a. En conséquen- ce, pour réaliser même un équilibrage approximatif, la garniture 52 doit avoir un rayon relativement grand et d'autres considérations peuvent rendre impraticable de placer ainsi la garniture pour réaliser un bon équilibrage.
Dans la constructi.on de la figure 6, un meilleur équilibrage de l'élément de guidage est possible pour la raison que des pressions mo- dérées des espaces 58 et 60 sont dans ce cas contrariées par la pression modérée dans l'espace 62 entre le disque de guidage 24a et le prolongement de turbine 48. Sous ce rapport, on doit se rappeler que la relation des pressions dans différentes parties du circuit n'est pas un facteur statique; puisque les différences de pression entre les parties radialement intérieu- res et radialement extérieures du circuit varieront beaucoup avec les varia- tions du rapport de vitesses n2/n1.
En conséquence, le but en matière d'é-
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quilibrage est de fournir une construction dans laquelle la différence dans les valeurs de la poussée non équilibrée sur un élément donné, dans les deux conditions les plus largement différentes, est maintenue minima. outre le meilleur équilibrage possible avec cette construc- tion, et de meilleurs agencements d'étanchéité influençant favorablement les caractéristiques hydrauliques, la construction entraîne une autre amé- lioration de la performance hydraulique en réduisant ce qu'on appelle les pertes de ventilation. Ces pertes résultent des frottements internes du fluide enfermé entre des surfaces en mouvement relatif, et augmentent avec le cube de la vitesse relative entre les surfaces.
Dans la construction de la figure 1, le fluide dans l'espace 56 entre le guidage et le carter tournant, qui est toujours l'élément de l'appareil qui tourne le plus vite, produite des pertes de ventilation relativement grandes à tous moments., Les pertes de ventilation du fluide des espaces 58 et 60 sont variables puisque celles-ci dépendant de la vitesse de l'élément de turbine relativement au guidage, et cette vitesse relative variera entre zéro au ralenti jusqu'à un maximum au point de passage, le maximum n'étant toutefois jamais aussi grand que celui entre le guidage et l'enveloppe.
Dans la construction de la fi- gure 6, au contraire, le fluide dans l'espace 56 est entre l'enveloppe et l'élément de turbine et la vitesse relative moyenne entre ces parties est beaucoup moindre que la grande différence de vitesse existant à tous mo- ments entre le guidage et le carter. En conséquence, la perte de ventila- tion est réduite. Alors que l'adjonction du prolongement 48 ajoute de la surface produisant des pertes, une telle perte supplémentaire est une fonc- tion directe de l'aire tandis que la réduction de pertes due aux vitesses relatives inférieures résultantes est une fonction de la troisième puissan- ce, en sorte qu'il y a un gain net important.
Gomme remarqué précédemment, la forme des caractéristiques du circuit d'une phase de l'invention n'est pas limitée aux cas dans lesquels les aubes de guidage et de turbine sont dans une section d'entrée radiale droite et l'impulseur dans une section de sortie inclinée, mais peut égale- ment bien être appliquée à des constructions dans lesquelles le contraire est vrai. A la figure 7 est illustrée une telle construction, les autres particularités générales étant comme montrées à la figure 6 et les parties correspondantes ayant les mêmes signes de référence. Le choix de la forme montrée à la figure 6 ou à la figure 7 sera dicté largement par des consi- dérations de fabrication et les procédés employés pour fabriquer les auba- ges, comme par exemple par coulée ou par assemblage de pièces séparées.
Dans des cas où un système d'aubes de turbine et de guidage standard.sépa- rés peut être employé dans des transformateurs à employer avec différents moteurs nécessitant des impulseurs différents, la forme de la figure 7 peut être préférable puisque les impulseurs sont habituellement coulés et que pour un tel procédé le dessin d'impulseur radial droit peut être avan- tageux.
Egalement, pour des applications de moteur où le carter est relié directement à l'arbre de manivelles et forme en fait le volant de la machi- ne, et où des considérations d'encombrement sont importantes, la forme de la figure 7 rend possible une longueur axiale hors toute plus courte à l'en- droit du diamètre extérieur du transformateur. pour certaines applications spéciales il peut être désirable de prévoir un transformateur dans lequel le carter tournant constitue l'élé- ment secondaire ou turbine plutôt que l'élément primaire ou impulseur.
Les principes de l'invention sont applicables à de telles constructions et un exemple convenable est montré à la figure 8, dans laquelle les parties correspondant aux parties des exemples décrits précédemment sont désignées de manière correspondante.
Dans la présente construction, le carter tournant 18 porte, fixées à lui, les aubes de turbine de premier étage 22 qui portent l'élément de noyau 20 qui à son tour supporte les aubes de turbine de second étage 18. un pro- longement'en forme de disque, courbé, 64, s'étendant vers l'intérieur à par- tir des aubes 18 forme une partie de la paroi de la cavité de circuit corres- pondant à celle fournie par la portion de disque 16a de l'élément secondaire
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de la figure 1. L'élément primaire est de la forme d'un arbre 66 montré à rotation, portant un disque d'impulseur 68 auquel sont fixées les aubés d'impuls eur 12, qui à leur tour supportent les éléments de noyau 14.
Comme dans les réalisations précédentes, l'élément 24 porte les aubes de guidage 26 placées entre les deux étages de turbine. Alors que dans cet exemple les aubes d'impulseur ont été montrées dans une section de sortie inclinée comme dans la construction des figures 1 et 6, il sera évident qu'elles peuvent être dans la section radiale droite comme dans le cas de la cons- truction montrée à la figure 7.
De ce qui précède il sera évident que bien des changements dans les projets généraux montrés ici à titre d'exemple peuvent être faits sans s'écarter des principes de l'invention, que les diverses particulari- tés peuvent être combinées de différentes façons et que dans certains cas, certaines des particularités peuvent être employées à l'exclusion d'autres en obtenant encore des résultats améliorés.
A titre d'exemples spécifiques, cependant, et comme indication des résultats qu'on peut obtenir par l'emploi de l'invention, on peut dire qu'on a construit et essayé un transformateur de la figure 6 pour l'emploi avec un moteur à essence développant 130 H P à 3400 tours/minute, la dimen- sion, la capacité de transmission de puissance et les caractéristiques d'au- bages principales discutées ci-avant étant les suivantes.
Le diamètre du circuit est 12,5 pouces, avec le système d'aubages prévu pour absorber 190 pieds-livres de couple moteur au point de passage et 3400 tours/minute comme vitesse du moteur. Le profil d'aubages et leur agencement étant sensiblement comme montré aux figures 3 à 5, les caracté- ristiques principales étant les suivantes :
EMI11.1
<tb> Aube <SEP> r/w
<tb> 1er <SEP> étage <SEP> de <SEP> turbine <SEP> 26 <SEP> 64 <SEP> 0.100
<tb>
<tb>
<tb> guidage <SEP> 35 <SEP> 390 <SEP> 0.150
<tb> 2ème <SEP> étage <SEP> de <SEP> turbine <SEP> 48 <SEP> 580 <SEP> 0.090
<tb>
Avec ce modèle le rapport de couple au ralenti est 4,2, le ren- dement en pointe 85% et le rapport n2/ni au point de passage 0,75.
De ces données on verra que non seulement le rendement de pointe a une va- leur acceptablement haute, mais que la courbe de rendement est tout-à- fait plate sur une étendue très considérable comme cela est mis en éviden- ce par les hautes valeurs du rapport de couple au ralenti et du point de passage.
En raison des différents changements qui peuvent être faits dans des modèles spécifiques pour satisfaire à des conditions de performances par- ticulières et pour fournir des caractéristiques d'absorption de couple con- venables pour différents moteurs, l'invention doit être comprise comme non limitée aux exemples de construction ici exposés mais comme comprenant tous les appareils tombant dans le,cadre des revendications annexées.
REVENDICATIONS.
1. - Transformateur hydraulique de couple du type à carter tour- nant présentant un circuit fermé pour la circulation d'un fluide de travail, défini par une cavité contenant un noyau, ledit circuit comprenant une sec- tion ou tronçon d'écoulement dans laquelle sont logés des aubages d'impul- seur et une section ou tronçon d'entrée dans laquelle sont logés des au- bages de turbine et de guidage, lesdites sections convergeant dans une di- rection radiale vers l'extérieur et étant reliées par des tronçons de courbu- re inverse aux parties radialement intérieures et radialement extérieures du circuit.