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La présente invention est relative à un convertisseur de couple hydrau- lique du type à un étage et à carter rotatif, le convertisseur suivant l'invention étant caractérisé par une conception améliorée par rapport à celle des convertisseurs connuso
Un objet de la présente invention consiste à établir un convertisseur de couple hydraulique du type à un étage et à phase unique, qui convient particulièrement au matériel industriel tel que, par exemple, pelles mécaniques, engins de levage, draglines, chargeuses en bout et véhicules à roues et à chenilles.
Un autre objet de l'invention consiste à établir un convertisseur du type indiqué, qui est caractérisé par une courbe de couple primaire relativement aplatie et qui maintient la source de puissance, soit un moteur thermique, électrique, etc., à la vitesse de régime pendant que la vitesse de l'arbre mené varie entre celle d'emballement et celle de calage ou zéro,' ce qui permet d'utiliser à tout moment une puissance maximumo
Un autre objet de l'invention consiste a établir un convertisseur tel que décrit plus haut et comportant une forme inédite de circuit toroïdal, forme qui, conjointement avec la position adoptée pour les aubes de la roue primaire et de la roue secondaire, permet à la masse liquide de la roue secondaire de s'opposer à la masse liquide de la roue primaire à des rapports de vitesse relativement élevés,
en provoquant ainsi un brusque arrêt du flux dans le circuit et en provoquant une réduction sensible du couple transmis.
Un autre objet de l'invention consiste à établir un convertisseur tel qu'indiqué plus haut, ainsi qu'un refroidisseur ou réfrigérant branché sur ce convertisseur et à travers lequel est maintenueconstamment une circulation fondamentale forcée, cette circulation étant renforcée par la circulation naturelle dans le circuit du convertisseur, aux rapports de vitesse relativement peu élevés, lorsqu'une dissipation de chaleur maximum est requise.
Un autre objet de l'invention consiste à établir un convertisseur tel que décrit plus haut, dans lequel les aubes du stator peuvent être réglées par rotation, de façon à déterminer exactement la quantité et le sens du liquide s'écoulant entre eux, ce qui fait varier d façon uniforme l'absorption de couple et les rapports de transmission disponibles du dispositif, tout en permettant de répartir à volonté la puissance disponible entre l'arbre relié au convertisseur et un appareillage auxiliaire relié à la source de puissance.
Un autre objet de l'invention consiste à établir un convertisseur de couple hydraulique comportant un système d'aubes constitué de telle façon que, grâce à diverses combinaisons d'aubages de roue primaire ou pompe et de roue secondaire ou turbine, en corrélation avec un stator commun, dans le même appareil, on obtient, pour une vitesse donnée, des variations dans la gamme des rapports de multiplication du couple comprise entre 2:1 et 1:
la
Un autre objet de 1 invention consiste à établir un convertisseur de couple hydraulique du type à un étage et à carter rotatif, convertisseur comprenant une roue primaire munie d'aubes principales radiales 6u courbées vers l'avant, c'est-à-dire dans le sens de'la rotation, ainsi que des aubes relativement plus courtes, interposées entre chaque paire d'aubes principales voisines, en vue de réduire le flux secondaire entre les aubes principales et d'assurer une gamme, de rapports de multiplication du couple plus étendue pour une forme d'aube principale et un angle de sortie donnés quelconques.
Les objectifs ci-dessus, ainsi que d'autres, de la présente invention, seront exposés dans la description qui suit, en se reportant aux dessins annexéso Dans ces dessins :
La figo 1 est une vue fragmenaire, en élévation et en coupe longitudinale, d'un mode de réalisation du convertisseur de couple hydraulique.
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@ Les figso 2, 3 et 4 sont ,des vues d'élévation et en coupe, à une échelle moindre que,la figo 1, de la roue primaire, de la roue secondaire et du
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stator, tous éléments représentés dans,3a fig. 1.
Les fige. 5 ,6 et 7 sont des vues d'élévation latérale, en regardant respectivement dans le sens des flèches portant des numéros correspondants dans
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les figs. 2, 3 et 4, certaines parties étant brisées afin de montear un certain nombre d'aubes 4an@éahaque cas La figue> 8 est'une vue schématique et fragmentaire, à une échelle plus grande que leifigs, 2 à 7, de la roue secondaire représentée dans la fig.
6, cette vue montrant les positions limitatives des orifices à travers lesquels le flux de réfroicsezuent est soutiré au circuit toroldal.
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La figa'9 est une vue schématique du circuit de refroidissement extérieur destiné au. .ve.rtisaeur représenté dans la fig. 1.
Lja fig< 10 est une vue schématique du convertisseur représenté dans la fige 1, où l'on toit la forme du circuit toroidal, les positions relatives des organes à aubades et la position de la ligne médiane du courant liquide du circuit.
La fige'11 est une vue schématique, éclatée et développée montrant les positions relatives, ..ainsi que la ligne médiane du profil hydrodynamique des aubes de la roue primaire, de la roue secondaire et du stator, dans le convertisseur
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suivant la frigo 1, ainsi que dans le convertisseur suivant la fig. 25, lorsque les aubes dû stator .,de ce dernier sont complètement ouvertes.
Les fige. 12,13 et 14 représentent, à l'aide de vecteurs, le sens
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des vitesses 1appêehe. relatives du liquide de travail par rapport aux bords ou arêtes d'admission des aubes respectives de la roue primaire, de la roue secon-
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daire et du stator."
Les fige. 15 et 16 sont des vues schématiques cotées respectivement des coudes extérieur et intérieur, exempts d'aubes, du circuit toroldal.
Les fige. 17, 18 et 19 sont des vues schématiques, à une échelle plus grande que les vues-précédentes, qui montrent respectivement plusieurs aubes de roue primaire lorsqu'on les considère depuis la coquille de roue primaire, soit dans le sens de la flèche 5 dans la fig. 2, plusieurs aubes de roue secondaire, en regardant depuis''.la coquille de roue secondaire, soit dans le sens opposé à
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celui de la "fléche""6 de la figo 3 et plusieurs aubes de stator, telles qu'on les voit à partir de la coquille de stator, soit dans les sens de la flèche 7 de la fig.
4, en indiquant partout les angles d'entrée et de sortie préconisés (a1 et a2), une distance préconisée (b) entre les aubes de roue primaire à leur bord d'entrée et une distance préconisée (c) entre les aubes de roue secondaire et de stator, respectivement, à leur bord de sortie.
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Les figo 20, 21 et 22 sont des vues cotées montrant respectivement des aubes caractéristiques de roue primaire, de roue secondaire et de stator, les dimensions étant indiquées par rapport à l'axe des abscisses et l'axe des ordonnées chaque aube étant considérée comme étant couchée le long de l'axe des abscisses, chacune de ces vues montrant un pendant d'une des aubes correspondantes des figs.
17, 18 et 19, respectivement.
' La fig. 23 représente des courbes de rendement classiques d'un convertisseur de couple-hydraulique de 15 pouces réalisé suivant l'invention et pré-
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vu pour un couple nominal 'spécifique de 200 lbs,-feeto La fig. 24 représente d'autres courbes de rendement du convertisseur de couple dont i1L es question dans la fig. 23, lorsque celui-ci est adapté à un moteur Diesel'fournissant une puissance nette de 126 HP à 2.200 tours par minute, ce convertisseur comprenant les aubages représentés dans les figso 17 à 22 inclus.
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La figo 25 est une vue schématique , en coupe longitudinale, d'une variante du convertisseur, dans laquelle les aubes du stator sont montées de façon réglable, afin de permettre de modifier le réglage du débit et de la direction du flux liquide dans le circuit toroïdal.
La figo 26 est une vue schématique montrant respectivement la position complètement ouverte et complètement fermée de deux aubes voisines, du stator suivant la figo 250
La figo 27 est une coupe le long de la ligne 27-27 de la figo 250
La fig. 28 représente des courbes caractéristiques de rendement et de couple en regard des variations dans les positions des aubes dans le cas d'un exemple d'un convertisseur normal suivant la figo 250
Les figso 29 à 31 inclus sont des courbes de rendement d'un exemple du convertisseur de la fige 25, lorsqu'il est couplé à une machine fournissant 91,5 HP à 1800 tours par minute, ces courbes montrant respectivement les varia- tions que subissent le couple de sortie, la puissance de sortie et la vitesse du moteur, en fonction du pourcentage d'ouverture des aubes du stator.
La figo 32 représente schématiquement , à l'aide de vecteurs, l'effet exercé sur le couple primaire par le flux liquide secondaire entre les aubes de la roue primaire.
La figo 33 est une vue schématique et partielle d'une roue primaire modifiée, où l'on voit l'application d'aubes relativement petites qui alternent avec les aubes principales et qui constituent un moyen pour réduire l'effet du flux secondaire représenté dans la fig. 320
La figo 34 représente schématiquementle.profil transversal d'un canal de flux de la roue primaire, tel qu'il se présente dans la fig. 330
Les fige. 35 et 36 sont des vues cotées d'une aube principale et d'une aube intermédiaire typique pour la roue primaire suivant la figo 33, les dimensions étant indiquées par rapport aux axes X et Y, chaque aube étant considérée comme étant couchée le long de l'axe X, les aubes intermédiaires étant représentées à une échelle plus grande que les aubes principales.
La figo 37 représente les courbes de rendement qui montrent à titre de comparaison la différence dans la gamme de variation entre un exemple de convertisseur équipé d'aubes intermédiaires et un exemple de convertisseur exempt de ces aubes.
Dans la fig. 1, le chiffre de référence 10 désigne le carter rotatif du convertisseur,dont les extrémités opposées sont solidaires, respectivement, d'une bride d'accouplement annulaire 11 qui assure la liaison d'entraînement entreune source de puissance et la roue primaire 12, laquelle comprend une coquille extérieure 13, une coquille intérieure 14, écartée de la première, ainsi qu'une série d'aubes 15 espacées à intervalles uniformes sur le pourtour de la coquille extérieure 13 et de la coquille intérieure 14, ces aubes chevauchant l'intervalle entre les deux coquilles.
Le flux déchargé par la roue primaire 12 pénètre dans une extrémité d'un passage extérieur courbe 16 dépourvu d'aubes, dont l'extrémité opposée est en communication avec l'entrée d'une roue secondaire 17,'laquelle comprend une coquille extérieure 18 clavetée sur un arbre secondaire 19, une coquille intérieure 20, espacées de la,coquille extérieure 18, ainsi qu'une série d'aubes 21 réparties à intervalles réguliers sur le pourtour de la coquille extérieure 18 et d'une coquille intérieure 20, en chevauchant l'intervalle entre ces coquilles.
Le flux sortant de la roue secondaire 17 pénètre dans une extrémité d'un passage intérieur curviligne 22, exempt d'aubes, dont l'extrémité opposée est en communication avec l'entrée d'un stator 23 comprenant une coquille extérieure 24 clavetée sur un manchon fixe 25 monté coaxialement sur l'arbre 19, tout en étant
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écarté de celui-ci une coquille intérieure 26 et une série d'aubes 27 réparties à intervalles égaux sur toute la coquille extérieure 24 et de la coquille intérieure 26 et chevauchant l'intervalle entre ces coquilles.
La sortie du stator 31 est immédiatement voisine de l'entrée de la roue primaire 12, cette dernière étant guidée et supportée'par un palier 28 porté par le manchon 250
Gomme montré dans la figo 1, la roue primaire 12, le passage 16, la roue secondaire 17,le passage 22 et le stator,,23 occupent des positions relatives
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telles qu'ils déterminent un trajet torofdal fermé pour le liquide de travail, sauf que, comme il,sera. décrit dans la suite ,le liquide. passe également par
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un refroidisseur s1ué à l'extérieur et relié au circuit toroldal.
D'une manière générale, les ar.b.s115 de la roue primaire et les aubes 27 du stator sont situées dans la partie radiale extérieure du flux du circuit toro±dal, tandis que les aubei 21 de la roue secondaire sont situées dans la'partie radiale intérieure du flux de. ce circuit. Les ubs 15 de la roue primaire, les aubes 21 de la roue secondaire et les aubes 27 du stator sont orientées normalement par rapport aux coquilles extérieures et intérieures 13 et 14, 18 et 20, et 23 et 26, respectivement.
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Ila for. du çiricuit tôrordale dans ses rapports avec les emplacements des diveres aubes, représente un point important de l'invention, et ses avantages
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seronhl exposés ultérieurement, lorsqu'on décrira les caractéristiques de fonctionnement du conver'tiS1i:féur.., Tl suffira de¯.montrer pour le moment que les faces des coquilles intérieures 14 et 26, faces qui sont en contact avec les aubes, sont coplanaires et SG1!l.1forientées transversalement par rapport à l'axe du convertis- seur et que la face correspondante de la coquille intérieure 20 est également disposée transversalement par rapport au même axe.
En outre, la coquille extérieure
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13 présente une alliare convergente par rapport à la coquille intérieure 14, le long des aubes de roue primaire 15, tandis que la coquille extérieure 18 est divergente par rapport à la coquille intérieure 20, le tout en considérant'le sens du flux liquide., 4 ;
Les passages 16 et 22 présentent une forme en U ou sensiblement semicirculaire etpar-conséquent, déterminent un changement de direction de 1800 du.
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flux liquide entre'1a roue primaire 12 et la roue secondaire 17, d'une part et cette roue secondaire et le stator 23, d'autre part, De plus, ces passages ont été établis de manière à assurer des changements de direction calmes et non turbulents dans le liquide -qui les traverse, afin d'éviter ainsi que le liquide-ne se
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sépare des parois de', ces passages. Les conditicns qui doivent être remplies pour. atteindre ce résultât seront exposées dans la suite.
Une caractéristique importante de 1 invention'réside dans la manière dont est assurée la dissipation d'une partie importante de la chaleur développée dans le liquide de travail, lorsque celui-ci se déplace à travers les passages
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du convertisseur, ce4tOE dissipation étant atteinte en faisant passer ce liquide à travers un refro1.ksseur extérieur, soumis à un réglage déterminé.
11 est de pratique courante, dans le cas de convertisseurs à carter
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rotatif et à.a.n étage, de forcer un flux de refroidissement à travers le conver- tisseur et le refroidisseur au moyen d'une pompe commandée par le moteur et qui possède un débit de-20 à 30 gallons par minute dans le cas du convertisseur ayant les dimensions envisagées icio Etant donné que le rendement du convertisseur va en diminuant depuis une valeur maximum obtenue aux rapports de vitesses relativement élevés jusqu'à une valeur zéro, qui correspond au calage (voir la figo 23 se rapportant au convertisseur décrit ici) - le rapport de vitesses étant défini
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comme étant la vite'as -de la roue secondaire, divisée par celle de la roue primai- re - il est évident-que, dans la pratique courante,
non seulement la pompe de refroidissement doit* présenter des dimensions assez importantes pour assurer la
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dissipation de lactaleur dans le refroidisseur aux rapports de vitesses élevés, lorsque la charge termÏque est maximum, mais encore, que cette pompe refoule le même débit lorsque ë Convertisseur fonctionne avec un rendement de pointe, c'est- à-dire, lorsque le iéàoirt'une évacuation de chaleur est minimum. Cette dispositio - .
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exige une pompe sensiblement plus grande et plus onéreuse que celle qui peut être utilisée grâce au système de refroidissement perfectionné suivant l'invention.
Une réduction importante des dimensions de la pompe, qui ramène cette dernière à un débit de 5 gallons environ par minute est obtenue par la méthode de refroidissement suivant la présente invention, laquelle préconise une circulation fondamentale forcée, qui s'opère constamment à travers le système comprenant le convertisseur'et le refroidisseur, cette circulation fondamentale étant dérivée de la pompe. Ce flux fondamental est renforcé, lors du fonctionnement aux faibles rapports de vitesses (charge thermique maximum), par le flux naturel dans le circuit toroïdal engendré par la roue primaire du convertisseur.
Une représentantion schématique du circuit de refroidissement est donnée dans la fig. 9, à laquelle on se reportera ci-après. Le liquide de travail est aspiré dans un puisard approprié 29 au moyen d'une pompe 30 commandée par le moteur, et s'écoule, à travers un filtre 31 et un conduit 32 ;
le circuit toriï- dal du convertisseur, pour être débité entre les bords de sortie des aubes 27 du stator, et les bords d'entrée des aubes 15 de la roue primaire, ce qui représente la zone de la plus large pression dans le circuit toroidal. Plus particulièrement et comme il ressort de la fig. 1, le conduit 32 amène le liquide dans un passage 33 prévu dans le manchon 25, passage d'où leliquide s'écoule radialement vers l' extérieur, à travers un espace annulaire 34 situé entre les coquilles extérieures 13 et 24, vers la zone de basse pression nommée plus haut.
Comme il ressort en outre de la fig. 1 ainsi que de la fige 6, le liquide de travail est soutiré du circuit toroïdal au moyen d'une série annulaire d'orifices 35 prévus dans la coquille extérieure 18, chacun de ces orifices étant en communication avec un canal prévu entre.une paire d'aubes voisines 21 de la roue secondaire. Le nombre et les emplacements des orifices 35 par rapport aux bors de sortie des aubes 21 de la roue secondaire doivent répondre à certaines conditions, comme il sera exposé dans la suite.
A partir des orifices 35, le liquide soutiré s'écoule radialement vers l'intérieur à travers un canal annulaire 36 situé entre la coquille extérieure 18 de la roue secondaïre et une coquille-écran 37 écartée par rapport à la coquille 18 et supportée par cette dernière, le liquide se dirigeant de là, à travers un certain nombre de passages 38 pratiqués dans le moyeu-de la coquille extérieure 18 de la roue secondaire, pour être déchargé dans un passage angulaire 39 situé entre l'arbre mené 19 et le manchon fixe 27.
Comme montré dans la figo 9, le liquide se dirige ensuite vers un conduit 40 dont l'entrée (non représentée) est avantageusement montée dans le manchon 25, en communication avec le passage 39. Pour la facilité, on a représenté l'extrémité d'entrée du conduit 40 comme étant réunie directement à la roue secondaire 17, mais il est bien entendu que cette partie du conduit représentée comprend les éléments de canalisation constitués par les orifices 35, le canal 36 et les passages 38 et 39.
L'extrémité opposée du conduit 40 est reliée à un refroidisseur ou échangeur 41, lequel est à son tour relié, au moyen d'un conduit 42, à l'entrée d'une soupape régulatrice de pression 43 dont la sortie est en communication, par un conduit 44, avec le puisard 290 Entre les conduits 32 et 42 est branché en dérivation un conduit 45 dans lequel est intercalé une soupape de retenue 46 établie de façon à ne permettre que l'écoulement du conduit 42 vers le conduit 32. Une soupape de décompression classique 47 est branchée en dérivation autour de la pompe 30, de façon à établir une communication de soulagement entre le côté refoulement de la pompe et le conduit de retour 44 allant au puisard.
La soupape régulatrice de pression 43 détermine la pression fondamentale de la pompe dans le circuit convertisseur-refroidisseur, représenté dans la fige 9, on a constaté qu'une pression de 40 1bs par pouce carré environ convient à cet effet. Outre que cette pression empêche la cavitation dans le circuit torol- dal du convertisseur et compense les pertes en liquide de travail à travers les
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joints normaux censés de retenir le liquide à l'intérieur du convertisseur, elle
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suscite, dans le eirot de refroidissement, un flux suffisant pour dissiper la faible chaleur engendrée lorsque le convertisseur travaille avec des rapports
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de vitesses êlevésl,Eel'ordre de' 0,, à Ot8.
Avec des rapports de vitesses relativement peu élevés, o'est-à#dire lorsque la charge est importante et qu'il s'agit d'évacuer un maximum dé chaleur, on tire parti de la circulation naturelle engendrée par la rflië.p ire 13, circulation qui vient s'ajouter à la circulation fondamentale produite par la pompe 300 Par conséquent, on obtient un débit accru du liquide detravail à travers le réfrigérant 41, au moment précis où cet accroissement est requis, pendant la période de flux accru, le liquide sortant du réfrigé-
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rant 41 se divise,cne;
partie du liquide passant par la soupape de réglage 43, vers le puisard 29, tandis que le reste passe par la soupape de retenue 46, pour retourner directement au convertisseur.
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Somme non1Ë?é dans la fig. 1, l'obtention d'un flux de refroidissement naturel dans le convertisseur aux rapports de vitesses réduits, y compris le rapport correspondant au calage, est en relation avec les orifices 35 et la coquille- écran 37 qui isole le liquide s'écoulant à travers le passage annulaire 36 d'avec celui contenu dans l'espace annulaire 48 situé entre le carter rotatif 10 et la coquille-écran 37.
Cet isolement fait en sorte quel liquide contenu dans l'espace 36 n'est pas soumis à la charge de pression s'éxerçant sur le liquide contenu
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dans l'espace 48, Charge engendrée par la friction superficielle entre7.b..13quide et le carter rotatif 10, pression qui agirait dans un sens opposé à celui du flux de refro'1disse'Ïfient
Il a été déterminé (voir figo 8) que les dimensions de chaque orifice 35 peuvent être telles que celui-ci puisse être pratiqué entre une paire quelconque d'aubes adjacentes 21 ,de la roue secondaire et que le nombre total des aubes ne doit pas dépasser 35% environ du nombre de canaux de flux dans la roue secondaire. Dans le cas,'pris à titre d'exemple, d'une roue secondaire ayant vingt-deux aubes, le nombre d'orifices doit donc être huit.
Un autre facteur limitatif affectant la positon de chaque orifice 35 stipule que la distance à laquelle cet orifice doit se'trouver par rapport au cercle imaginaire qui touche les bords de sortie des aubes 21 de:la roue secondaire ne doit pas être inférieure à celle indi-
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quée schématiquement dans la figo 8, cette position étant considérée par rapport à celui des diamètres de l'orifice 35 qui se situe à mi-chemin entre les faces de pression de fuite et d'attaque, respectivement, des aubes voisines 21.Par exemple, si l'orifice 35 a un diamètre "D", on trace un rayon 49 depuis le bord de sortie d'une aubre 21 jusqu'au point le plus proche sur la face d'attaque de l'aube voisins,
le- centre de 1 orifice 35 se situant alors sur une ligne 50 parallèle au rayon prêché, à une distance de 1,0 D à 1,5 D par rapport à ce rayon,
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et à mi-chemin 6-es-ILubes en question. Dans les convertisseurs ayant les dimensions spécifiques dont il est question ici, le diamètre des orifices 35 peut se situer entre 11/32 de pouce et 1/2 pouce.
Dans un;convertisseur donné, la circulation dans le circuit toroïdal
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était de 22°0-ga.lo3ns par minute, tandis que le flux de refroidissement à travers les orifices 35 étaient de 23 gallons par minute, les deux valeurs se rapportant au rapport de calage. A mesure que le rendement du convertisseur augmentait, la circulation totale est tombée à 1350 gallons par minute et le flux de refroidissement à 3 gallons par minute, tous deux avec un rapport de vitesse de 0,750 A ce dernier point, et vu l'élévation de la vitesse de la roue secondaire 17, la-charge giratoire à laquelle est soumis le liquide dans le passage annulaire 36 (voir fig.
1) s'oppose complètement à toute circulation naturelle qui pourrait exister 1 à ce moment.dans le-circuit toroidal et, aussi longtemps que la marche du convertisseur est caractérisée par ce rapport de vitesse relativement élevé, ou un rapport plus élevé, lef flux de refroidissement est maintenu uniquement par la pompe 30 (voir fig. 9). Cette situation qui se traduit par une opposition au flux sera exposée d'une manière-plus détaillée dans la suite.
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Les caractéristiques de fonctionnement du convertisseur suivant la figo 1 sont en rapport avec la forme du ircuit toroidal tel que représenté schématiquement dans la figo 10, les formes respectives, les angles d'entrée et de sortie des aubages de la roue primaire, de la roue secondaire et du stator, ainsi que le nombre d'aubes dans chaque aubageo Les considérations exposées plus loin et qui englobent les angles des aubes, les vitesses du liquide et les rayons, se rapportent à la ligne médiane du courant liquide du-circuit toroidal et aux aubes respectives, comme indiqué dans la figo 10.
L'emplacement de la ligne médiane du courant liquide en un point quelconque du trajet du flux est déterminé par la formule suivante, telle qu'elle est indiquée graphiquement pour le passage courbe intérieure 22, exempt d'aubes, dans la figo 10 :
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où Rm = le rayon moyen d'un point pris sur la ligne médiane du courant liquide
Ri et Ro = le rayon intérieur et le rayon extérieur, respectivement, de points pris sur l'extré- mité d'une ligne sensiblement perpendiculaire aux parois du tore, et passant par le point pris sur la ligne médiane du courant liqui- de.
Un convertisseur dans lequel sont matérialisées les particularités inventives exposées ici est d'une application typique dans un moteur à combustion interne à régulateur, et l'on considérera ici à titre d'exemple qu'il s'agit d'un moteur Diesel. Les conditions auxquelles doit répondre la construction sont basées sur le rapport existant entre les courbes caractéristiques de couple et de puissance d'un moteur donné, d'une part, et la courbe caractéristique du couple primaire d'un convertisseur pour un tel moteur, d'autre part, Le coupe primaire d'un convertisseur se définit comme étant celui qui est requis pour faire tourner la roue primaire à n'importe quelle vitesse donnée, lorsque la vitesse de la roue secondaire/varie entre la vitesse de calage (0,0) et la vitesse d'emballe,ment (1,0).
Dans le présent exemple, le convertisseur possède une courbe de couple primaire relativement aplatie (voir figo 23), de sorte que le moteur est maintenu à la vitesse de régime ou à une vitesse voisine, pendant que la vitesse de l'arbre mené. varie entre la vitesse d'emballement et la vitesse de calage ou vitesse zéroo Etant donné que, dans la plupart des moteurs, les courbes de puissance s'élèvent avec l'élévation de la vitesse du moteur, pour atteindre un maximum à la vitesse de régime, le convertisseur suivant la présente invention, permet d'utiliser la puissance maximum à tout momentoAlors que, comme indiqué dans la figo 23, le couple primaire diminue légèrement aux petits rapports de vitesses, c'est- à-dire , qui se rapprochent des conditions de calage!-avec réduction concomitan- te,
du taux d'absorption de puissance du convertisseur - on dispose, dans cette gamme, d'une puissance plus grande pour la commande de l'appareillage auxiliaire.
Dans la figo 11 on a représenté, en une vue éclatée et développée, les formes caractéristiques des aubes dans les divers étages du convertisseur, ainsi que les lignes médianes de leur profil hydrodynamique. Les angles d'entrée et de sortie pour chaque aube sont désignés respectivement par "a1" et "a2".
En ce qui concerne l'aube de roue primaire, l'angle d'entrée est défini comme étant l'angle entre la tangente à la ligne de cambrure moyenne 51 et la tangente au cercle tracé avec le rayon de rotation de l'aube de roue primaire 15, au bord d'entrée de celle-ci. Le même principe s'applique à l'angle de sortie .de l'aube de roue primaire 15, aux angles d'entrée et de sortie de l'aube de roue secondaire 21 et de l'aube, de stator 27.
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'une manière générale, les formes des aubes ont été établies en vue d'assurer un flux liquide efficace dans une gamme étendue de rapports de vitesses.
A cette fin, on a conçu les aubes de façon à assurer un rendement élevé au point maximum diaprés le calcul théorique et de façon que les aubes acceptent le flux en un certain nombre d'angles d'attaque avec un minimum de pertes par choc dues à la séparation du liquide d'avec les surfaces des aubes, ce qui conduit à une réduction des pertes de, rendement, l'écoulement le long des aubes étant sans remous. Le dessin des aubes détermine directement la gamme de variation, le rendement et les autres caractéristiques de fonctionnement, telles que le rapport des couples à la vitesse de calage, la forme de la caractéristique du couple et le rapport des vitesses pour lequel on atteint un rendement de pointe.
En considérant l'aube de roue primaire 15 et, en se reportant à la fig. 12, on voit que'le bord d'entrée de cette aube a été dessiné en vue d'accepter le. liquide venant des aubes de stator 27, sur un angle de dispersion relativement réduit, soit, entre 19 et 42 comme indiqué clairement par les vecteurs de vitesse d'approche de la.fige 12, qui se rapportent à une gamme de rapports de vitesses de 0,0 à 0,75 et qui peuvent être considérés en rapport avec la courbe de couple primaire, représentée dans la figo 230 La dispersion relativement étroite des vecteurs de vitesse d'approche permet d'utiliser une aube de roue primaire, longue et mince;
et l'on a constaté que les meilleurs résultats ont été obtenus lorsque l'épaisseur de cette aube représente 8% à 12% de sa longueur de corde.
La dispersion des vecteurs de vitesse d'approche aux bords d'entrée des aubes de roue secondaire 21 et des aubes de stator 27 (voir fige. 13 et 14) embrasse des angles,,sensiblement plus grands, comparativement à ceux des aubes de roue primaire, soit, entre 29 et 71 pour les aubes de roue secondaire et entre 23 et 1209 pour les' aubes de stator, pour la même gamme de rapports de vitesse.
Par conséquent, pour assurer le flux le plus efficace, les bords d'entrée des aubes de roue primaire et de stator présentent une forme bulbeuse.
Les meilleures caractéristiques de fonctionnement pour les diverses aubes ont été obtenues avec une gamme d'angles d'entrée et de sortie, respectivement "a1" et a2", telle qu'exposée dans le tableau ci-après :
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<tb> Angles <SEP> d'entrée <SEP> Angles <SEP> de <SEP> sortie
<tb> Aubes <SEP> de <SEP> roue <SEP> primaire <SEP> 25 <SEP> à <SEP> 45 <SEP> 36 <SEP> à <SEP> 90
<tb> Aubes <SEP> de <SEP> roue <SEP> secondaire <SEP> 32 <SEP> à <SEP> 65 <SEP> 22 <SEP> à <SEP> 35
<tb> Aubes <SEP> de <SEP> stator <SEP> 77 <SEP> à <SEP> 85 <SEP> 25 <SEP> à <SEP> 35
<tb>
En considérant les caractéristiques de fonctionnement du convertisseur, et en se reportant à la figo 1, le flux à travers la roue primaire 12 et la roue secondaire 17 se fait généralement dans le sens radial du convertisseur, respectivement vers l'extérieur et vers l'intérieur.
En d'autres termes, les aubes-15 et 21, respectivement de la roue primaire et de la roue secondaire sont disposées dans le circuit toroïdal de telle façon que, pour un rapport de vitesses de 0,80 à 0,90 la-masse liquide de la roue secondaire 17 s'oppose à celle de la roue primaire 12, provoquant ainsi. une cessation brusque du flux à travers le circuit de travail et une réduction notable du couple transmiso Ce mode de fonctionnement permet d'éliminer la mesure qui s'impose communément dans les autres types de convertisseurs et qui consiste à employer un régulateur d'arbre mené là où des vitesses élevées, avec de faibles charges, sont dangereuses ou, de façon générale, indésirables.
De plus,- l'arrêt du flux dans le cas d'un rapport de vitesses élevé et d'une Faible charge réduit considérablement la puissance représentée par la chaleur évacuée, sans que le stator 23 doive être entraîné en "roue libre".
Les subes des divers étages sont disposées à angle droit par rapport à leurs coquilles intérieures et extérieures respectives, comme montré dans la fige 1, et ne sentrpas terdue entre leurs bords d'entrée et de sortie. En outre, on sait que, dans 1a construction de type courant, qui comporte une roue primaire
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à sortie de flux radiale et une roue secondaire à entrée de flux radiale, la distance minimum - et donc la section de passage minimum - entre une paire d'aubes de roue primaire voisines se présente à l'entrée entre ces aubes et que cette section du canal entre les aubes va en augmentant vers les sorties de celles-ci, tandis que le contraire vaut pour la roue secondaire.
Par conséquent, dans ce type connu de roue primaire, la charge de vitesse relative du liquide diminue et sa charge de pression augmente, à mesure que le liquide s'écoule vers l'extérieur entre les aubes de roue primaire, en conformité avec la loi qui régit l'écoulement d'un liquide à travers un conduit. La situation inverse se présente dans la roue secondaire connue à entrée de flux radiale, c'est-à-dire , que dans le sens allant de l'entrée à la sortie, la charge de vitesse relative augmente et la charge de pression diminue.
Etant donné que seule l'énergie cinétique imprimée au liquide de travail par la roue primaire représente une valeur en ce qui concerne l'application d'une force de rotation à l'arbre mené, il est avantageux de réduire le développement de la charge de pression dans toute la mesure possible. Dans le convertisseur suivant l'invention, ceci a été réalisé en resserrant les parois-limites de la roue primaire 12, soit, plus particulièrement, en faisant converger l'une vers l'autre la coquille extérieure et la coquille intérieure, respectivement 13 et 14, comme montré dans la figo 1. Grâce à cette disposition, l'augmentationde la section de passage des canaux de la roue primaire 12, depuis l'entrée jusqu'à la sortie de ceux-ci, peut être limitée à 30% environ de ce qu'elle eut été sans cette disposition.
Dans la roue secondaire 17, les parois-limites constituées par la coquille extérieure et la coquille intérieure, respectivement 18 et 20, divergent l'une par rapport à l'autre depuis l'entrée jusqu'à la sortie.et limitent la diminution délia section de passage entre les aubes 21 à 25% environ.
En ce qui concerne le stator 23, la coquille extérieure et la coquille intérieure, respectivement 24 et 26, sont parallèles dans les régions, où elles rejoignent les aubes 27 du stator, ces dernières occupant des positions relatives telles qu'elles limitent la diminution de la section de passage depuis leur entrée jusqu'à leur sortie à 20 % environ.
Des dimensions , prises à titre d'exemple, pour les passages extérieur et intérieur 16 et 22, courbés en sens opposés et dépourvus d'aubes, sont indiquées respectivement dans les figso 15 et 16 et doivent être considérées conjointement avec les exemples d'aubes de roue primaire (figso 17 et 20), d'aubes de roue secondaire (figso 18 et 21) et d'aubes de stator (figso 19 et 22).
Afin d'empêcher que le liquide ne se sépare des parois des passages 16 et 22 et d'éviter les pertes d'énergie qui en résulteraient, la section transversale du passage extérieur ou de grande énergie 16 est de préférence réduite de 10% à 15% depuis la sortie de la roue primaire 12.jusqu'à l'entrée de la roue secondaire 17, tandis que, dans le passage intérieur ou à faible énergie 22, la section qui fait pendant à la première est de préférence maintenue constante depuis la sortie de la roue secondaire 17 jusqu'à l'entrée du stator 23 ou bien, elle peut diminuer légèrement et graduellement dans cette même direction.
Compte tenu de ce qui précède, et en considérant les passages extérieur et intérieur, respectivement 16 et 22, recourbés sur eux-mêmes, conjointement avec les canaux de flux convergents et divergents de la roue primaire et , de la roue secondaire, respectivement 12 et 17, il apparaît que le profil périphérique extérieur du circuit toroldal est essentiellement piriforme.
Les figso 23 et 24,représentent à titre d'exemple des courbes de rendement du convertisseur, la première de ces figures montrant l'aplatissement relatif du couple primaire et le haut rendement d'un convertisseur de 15 pouces, en fonction des vitesses de rotation, tandis que la seconde figure représente des courbes relatives à un convertisseur de mêmes dimensions, lorsqu'il est adapté à un moteur déterminé et comporte les aubages présentant les dimensions indiquées
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dans les figs. 17 à 22, inclus.
Pour ces dimensions, la roue primaire 13 comprend vingt aubes dont les bords d'entrée et de sortie sont situés respectivement vers l'avant et vers l'arrière en considérant le sens de rotation de cette roue primaire (voir fig. 17); la roue secondaire 17 comprend vingt-deux aubes, tandis que le stator comprend quarante aubes, toutes les aubes étant uniformément réparties autour de leurs éléments de support respectifs,
Compte tenu des dimensions du convertisseur, le nombre des aubes de la roue primaire varie de 16 à 26, celui des aubes de la roue secondaire de 22 à 30 et celui des subes du stator de 38 à 48, ces gammes de nombres d'aubes sont en rapport avec les' angles d'entrée et de sortie indiqués plus haut.
Un mede d'exécution de variante du convertisseur de la fige 1 est représenté dans les figs. 25 à 27, inclus, où l'on a prévu des moyens pour' imprimer aux aubes du stator une rotation réglable, de manière à régler exactement le débit et la direction du flux liquide, ce qui permet de faire varier l'absorption de couple de 1a roue primaire et d'obtenir une gamme étendue de couples de sortie utiles, avec un rendement raisonnable.
Bans 1a fig. 25, le chiffre de référence 52 désigne le carter rotatif, entraîné par le moteur, du convertisseur de variante, ce carter étant réuni par une:liaison de commande à une roue primaire 53 dont le flux de sortie s'écoule à travers un passage extérieur 54 recourbé sur lui-même et exempt d'aubes, vers l' entrée d'une"roue 'secondaire 55 clavetée sur l'arbre mené 56.
Le flux de sortie de la roue secondaire 55 s'écoule à travers le passage 'intérieur 57, recourbé sur lui-même) exempt d'aubes, pour pénétrer dans l'entrée du stator 58 et, de ce dernier, dans l'entrée de la roue primaire 530 Jusqu'à ce point, le convertisseur suivant la variante, est identique sous tous ses rapports à celui représenté dans la fig. 1, la seule' différence'résidant dans le fait que, dans la variante, les aubes 59 du stater sont réglableso
A cette fin, une manette de commande extérieure (non représentée) est clavetée sur une extrémité d'un arbre oscillant 60, actionné à travers une enveloppe appropriée 61, l'extrémité opposée de cet arbre étant fixée à un secteur denté 62, constamment en prise avec un secteur denté 63, calé sur une extrémité d'un arbre oscillant 64.
L'extrémité opposée de ce dernier arbre porte un secteur denté 65 (voir figso 25 et 27) , en prise avec un secteur denté 66 formé sur la face intérieure d'une couronne extérieure 67 qui entoure l'arbre mené 56 et est cearial avec celui-ci, cette couronne étant convenablement retenue contre tout déplacement axial entre la coquille extérieure 68 du stator et une bride annulaire 69 faisant partie d'un manchon fixe 70 à travers lequel s'étend l'arbre oscillant 64.
La denture extérieure de la couronne dentée 67 est en prise avec un jeu de pignons 71 espacés dans le sens périphérique et dont chacun est monté à rotation dans la coquille extérieure 68 et est rigidement solidaire d'un tourillon 72 qui part d'une extrémité d'une aube de stator correspondante 59, l'extrémité opposée de cette dernière étant munie d'un tourillon 73, monté à rotation dans la coquille intérieure 74 du stator. La couronne dentée 67 engrène également avec un autre jeude pignons 75 répartis sur sa périphérie et dont chacun comporte un moyeu 76 monté à rotation dans la bride 69 et rigidement solidaire d'un tourillon 77 qui fait partie de l'aube du stator la plus proche de l'aube 59 représentée en particulier dans la fig. 25.
En d'autres termes, les pignons 71 sont réunis à chaque deuxième aube 59 du stator, tandis que les pignons 75 sont solidaires des aubes du stator qui'alternent avec les premières, la disposition étant 'telle que, en raison des' intervalles réduits entre ces aubes, les séries de pignons comprenant l'une les pignons 71 et l'autre les pignons 75 sont décalées l'une par rapport à l'autre, tandis que les paires voisines de ces pignons se chevauchent mutuellement, comme représenté dans les figso 25 et 270
F1 ressort de ce qui précède que le rotation de la couronne dentée 67 détermine un mouvement de rotation des aubes 59 du stator, chacune de'ces aubes
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étant amenée à tourner d'un angle exactement déterminé, lequel est identique pour toutes les aubes 59,
ce qui permet de régler avec précision la quantité de liquide s'écoulant entre les aubes 59. Comme montré schématiquement dans la fig.
26, les positions extrêmes des aubes 59 du stator sont, d'une part, celle dans laquelle la quantité Q est maximum et, d'autre part, 'celle dans laquelle les aubes 59 sont entièrement fermées.
A titre d'exemple du champ d'application de cette construction, on peut citer un type de moissonneuse qui emploie généralement des commandes mécaniqùes allant aux roues et aux barres de coupe. En présence de blé à l'état versé, le moteur peut être amené à devoir fournir un effort de traction si élevé qu'il en résulte une réduction de la puissance disponible pour déplacer la moissonneuse et pour couper le blé. Toutefois, grâce au mécanisme à stator réglable, la puissance transmise par le convertisseur en vue de produire l'avancement de la moissonneuse pourra être réduite en fermant partiellement ou entièrement les aubes 59 du stator, de sorte que la puissance du moteur sera disponible pour les barres de coupe par l'intermédiaire d'une prise de force prévue au moteur.
Il ressort de ce qui précède que la souplesse de la commande constitue une caractéristique remarquable d'un dispositif de ce' type, cela grâce à l'action de distribution exercée essentiellement sur le liquide de travail par les aubes 59 du stator.
Les courbes de rendement d'un convertisseur type suivant la figo 25 sont représentées dans les figs. 28 à 31, inclus, et démontrent un rendement de pointe minimum de 70% ou plus pour une gamme de variation du couple comprise entre 1:1 et 4:1 environ.
Une autre considération qu'implique la présente invention concerne la constatation de l'existence du flux liquide secondaire danslles canaux d'écou- lement d'une roue primaire, flux qui, pour n'importe quelle forme donnée d'aube ou pour n'importe quel angle de sortie de celle-ci, réduit la gamme de variatiô4 du couple du dispositif. Ce flux secondaire est dû au caractère exempt de friction des particules de liquide et aux forces centrifuges agissant sur ces particules.
La situation est représentée de façon schématique et vectorielle dans la fig. 32, où le chiffre de référence 78 désigne le flux secondaire qui se produit entre deux aubes voisines 79 de la. roue primaire. A titre d'exemple, ces dernières sont représentées comme étant du type dit courbé en avant et qui comporte un angle de sortie sensiblement plus grand que celui de l'aube de roue primaire 15 représentée dans la fig. 12. Les aubes courbées en avant ont été utilisées à ce jour pour étendre la gamme.de rapports de conversion d'un convertisseur de dimensions données, cela toutefois au prix d'un flux moins efficace le long de l'aube, en particulier sur la face de fuite ou à basse pression de l'aube, face dont le liquide tend à se séparer.
Les valeurs vectorielles et autres, représentées dans la fig. 32, sont définies comme suit :
R1 = rayon de rotation du bord d'entrée de l'aube
R2 = rayon de rotation du bord de sortie de l'aube
U = vitesse du flux secondaire dans'le canal de l'aube s'
U = vitesse périphérique du bord de l'aube. v = vitesse du liquide par rapport à l'aube
V = vitesse résultante absolue du liquide
Cu = composante tangentielle de la vitesse absolue du liquide.
Les quantités nuit, "v", "V" et "Cu" sont en outre affectées d'un exposant inférieur "1" ou "2", suivant qu'elles s'appliquent aux bords d'entrée ou de sortie, respectivement, des aubes,,
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Il ressert de la figo 32 que la direction du vecteur de vitesse secondaire Us est opposée à celle de la composante tangentielle Cu2, composante que le bord de l'aube tend à imprimer au liquide en mouvementIl s'ensuit que le liquide animé dealavitesse relative "v2" quitte le bord de sortie de l'aube à un angle inférieur à celui de l'angle de sortie de l'aube; l'angle entre "v2" théorique et "v2" réel étant désigné par le terme de "anglé de déviation".
Le couple théorique disponible pour une vitesse donnée de la roue primaire s'exprime par l'équation ci-après : couple = (flux en pieds aubes par seconde) (modification du tourbillon à travers la roue primaire) soit, T = Q W/g (Ou (théorique) R2 - Cu1R1) et où Q, = flux w = poids spécifique du liquide g = constante de gravitation OuR = tourbillon (entrée ou sortie)
Cependant, et comme l'analyse vectorielle de la,fig. 32 montre que la vitesse relative déviée "v2" du liquide donne lieu à une valeur réelle de "Cu2" inférieure à "Cu2"(théorique), la valeur du tourbillon "Cu2" (réel) R2" sera inférieure, et il en sera de même du couple.
On a déterminé qu'en interposant des aubes relativement petites en des positions optima entre les aubes de pompe principale, on brise et l'on réduit le flux secondaire entre les aubes principales, dans une mesure suffisante pour obtenir, avec un réglage angulaire donné quelconque des aubes, un couple plus élevé que celui qui pourrait être obtenu sans cette dispositiono Cette solution est représentée schématiquement dans les figso 33 et 34, auxquelles on se reportera dans la suite.
On prévoit des aubes intermédiaires 80 qui alternent avec les aubes principales 79, et sont disposées d'une manière générale à mi-distance entre ces dernières, les bords de sortie des aubes intermédiaires étant au même rayon que les bords correspondants des aubes principales 79, tandis que les bords d'entrée sont à un rayon plus grand que les bords correspondants de ces dernières aubes.
Pour obtenir les meilleurs résultats, il est nécessaire d'établir certains rapports entre le bord d'entrée del'aube intermédiaire 80 et les faces de pression et de fuite des aubes principales voisines 79-79, ainsi qu'avec 1' entrée du canal entre ces dernières aubes, comme représenté schématiquement dans les figs. 33 et 34. Plus particulièrement, les cercles inscrits ayant les diamètres "D1"et D2" sont tangents au bord d'entrée de l'aube intermédiaire 80 et des faces de fuite et de pression des aubes principales voisines 79, respectivement; d'autre part, un cercle analogue ayant un diamètre "D3"est tangent à la face de fuite d'une aube 79 et au bord de l'aube 79 suivante. Les valeurs "D1","D2" et "D3" représentent chacune une dimension des canaux de flux aux points indiqués.
Les autres dimensions, soit, celle que l'on peut dénommer Il la: largeur" de ces canaux, sont indiquées dans le profil du canal représenté dans la fige 34 pour les rayons "R1", "R2" et "R3", ces dimensions de largeur étant désignées respectivement par "w1","w2" et "w3".
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La section du canal de flux aux endroits indiqués , section qui sera désignée par "A" et affectée d'exposants inférieurs appropriés, peut être représente comme suit
A1 = D1W1 A2 = D2W2 A3 = D3W3
Le rapport entre les sections doit satisfaire aux équations suivantes :
A2 = le 0 à 1,20 A1 (1)
A1+ A2 = 1, 0 à 1,15 A3 (2)
Il s'ensuit que, avec une valeur donnée pour "D3" et des largeurs déterminées "w1","w2" et "w3" du canal, les équations (1) et (2) fournissent les valeurs requises pour "D1" et "D2".
Les figs. 35'et 36 représentent les contours et les cotes d'une aube principale 79 et d'une aube intermédiaire 80, respectivement. Des courbes de rendement comparatives pour un convertisseur de 15 pouces, avec et sans aubes intermédiaires 80, sont représentées dans la fig. 37. En supposant vingt-huit aubes 79 et un nombre analogue d'aubes 80, les angles d'entrée et de sortie pour chaque aube 79 ayant respectivement une valeur de 34 et de 90 , la valeur de "D3" étant de 0,569 pouce,le circuit étant par ailleurs dimensionné de la manière indiquée dans la figo 33 et donnant, comme indiqué pour le convertisseur de la figo 1, les courbes de couple primaire et de rendement représentées en traits interrompus dans la fige 37.
Les mêmes courbes pour un convertisseur de mêmes dimensions, mais ne comportant pas les aubes intermédiaires 80, est représenté en traits pleins dans la même figure Dans le dispositif rresenté, les aubes intermédiaires 80 augmentent la gamme de variation du convertisseur de dix pour-cent environ.
Les aubes intermédiaires 80 possèdent également une grande utilité lorsqu'elles'sont employées avec des aubes de roue primaire à sortie radiale ou, d'une manière générale, des aubes de roue primaire ayant un angle de sortie sensiblement plus élevé que celui représenté dans la figo 17, par exemple. Plus particulièrement, les aubes intermédiaires 80 seraient indiquées là où les angles de sortie des principales aubes 79 varient entre 60 et 120 et, en particulier dans la gamme allant de 90 à 120 . Les angles de sortie des aubes intermédiaires seraient caractérisées par la même gamme de degrés et seraient identiques pour n'importe quelle aube principale.
En outre, et toujours en se reportant à la position occupée par chaque aube intermédiaire 80 entre une paire d'aubes principales voisines 79, les rapports des sections "A1" et "A2"sont maintenues en ce qui concerne la longueur des canaux sur les faces opposées de l'aube intermédiaire 80, soit, comme exprimé par Inéquation (1) ci-dessus. On a constaté que, dans un canal courbé vers l'avant, ou vers l'arrière , le bord de sortie de l'aube intermédiaire ne doit pas nécessairement se trouver précisément à mi-chemin entre les bords correspondants des aubes principales 79.
REVENDICATIONS.
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