Rotor à hélice. Cette invention a pour objet un rotor à l@elice, par exemple, destiné aux machines à grande vitesse, dans lesquelles la- direction générale du flux du fluide de travail (qu'il .soit liquide ou gazeux) à travers le rotor, est axiale ou. tout au moins, plus axiale que ra diale. -Un tel rotor peut être employé seul comme ventilateur, propulseur ou moteur à fluide, ou peut fonctionner en combinaison avec des aubes directrices ou avec un rotor complémentaire de sens de rotation opposé, dans des ventilateurs, pompes, turbines à réaction ou autres machines, plusieurs rotors étant employés dans le cas de machines à plu sieurs étages.
Diverses propositions ont été faites, rela tives à la variation radiale du pas des aubes d'un rotor, en vue de perfectionner l'effica cité des rotors à hélice à. flux axial en pré voyant une répartition réglée de la pression dynamique aux divers rayons @de l'anneau du rotor, plus spécialement dans les pompes, tur bines et ventilateurs., mais de telles proposi- tions n'ont pas tenu compte jusqu'à présent des conditions spéciales qui sont nécessaires pour un fonctionnement à de brandes vitesses spécifiques.
Ainsi, on a trouvé que la largeur des aubes du rotor et la répartition de cette largeur joue un rôle très important pour l'ef ficacité du rotor, lorsque -des vitesses élevées sont employées, et pour régler la charge dynamique sur les aubes, tandis que pour ré duire à. un minimum l'effet de freinage par frottement, il est .désirable de modifier l'in cidence du pas en conformité avec une ré partition radiale convenablement disposée de la largeur de l'aube.
On doit préciser que le terme "vitesse spécifique" est employé plus spécialement en parlant des turbines hydrau liques, pour établir une base de comparaison entre des machines ayant -des dimensions dif férentes et fonctionnant selon des caractéris tiques différentes. Ce terme peut être défini comme la vitesse à laquelle le rotor d'une tur bine fonctionnerait s'il était réduit géométri quement (sans en modifier la forme) à des di- mensions telles qu'il développerait une puis sance d'un cheval sous une chute -de travail unitaire.
Le terme "vitesse spécifique" a éga lement été appliqué aux pompes; dans ce cas, il est défini comme la vitesse à laquelle de vrait fonctionner un rotor géométriquement semblable réduit en dimensions, de manière à refouler une quantité unitaire sous une chute unitaire :dans des conditions d'efficacité maximum. Des définitions analogues de la "vitesse spécifique" peuvent également être données pour d'autres types de machines em ployant des rotors -à hélice.
La présente invention a pour objet un ro tor à hélice, -de préférence à flux axial, pré sentant des aubes portées par un moyeu et dans lequel le pas 'à l'arête de travail de cha que aube varie radialement par rapport à la largeur de l'aube et au rayon.
Ce rotor est caractérisé en ce qu'à n'im porte quel rayon entre l'extrémité de l'aube et une position intermédiaire choisie dont la distance radiale de l'axe n'est pas plus grande que le rayon moyen normal, d'une part, la va leur du produit du pas par le rayon n'est pas plus petite que la valeur,de ce produit à ladite position intermédiaire et n'est pas plus grande que la.
valeur de ce produit à l'extrémité de l'aube et, d'autre part, la largeur de l'aube n'est pas plus grande que la largeur à ladite position intermédiaire et n'est pas plus pètite que la largeur à l'extrémité @de l'aube, tan dis qu'à n'importe quel rayon entre ladite position intermédiaire choisie et le moyeu, d'une part, la valeur du produit du rayon par le pas n'est pas plus petite que la valeur de ce produit à la position intermédiaire et pas plus grande que la valeur de ce produit au moyeu et, d'autre part, la largeur de l'aube n'est pas plus grande que la largeur à ladite position intermédiaire et n'est pas plus petite que la largeur au moyeu.
Un tel rotor peut avoir un rendement élevé et une tendance minimum à l'interfé- rence mutuelle et aux effets -de cavitation, lorsqu'il tourne à une vitesse spécifique éle vée. Le produit du pas par le rayon peut être constant à tous les rayons ou peut avoir une valeur minimum à ladite position intermé- -diaire pour augmenter à partir de cette valeur à la .fois intérieurement vers le moyeu et extérieurement vers l'extrémité de l'aube.
La largeur -de l'aube peut être constante à tous les rayons ou peut diminuer radialement à la fois intérieurement et extérieurement à partir d'une valeur maximum à ladite position in termédiaire. Le pas à l'arête de travail -de chaque aube peut- de préférence varier radiale- ment, de telle sorte que le produit du pas par la largeur de l'aube et par le rayon soit pra tiquement constant à tous les rayons.
Il est nécessaire de préciser que le "rayon moyen de l'aube" doit être compris comme la moyenne arithmétique entre le rayon du moyeu et le -rayon de l'extrémité de l'aube du côté de l'arête -de travail de l'aube.. Le terme "arête -de travail de l'aube" doit être pris comme signifiant l'arête suivante dans le cas d'un ventilateur ou d'un propulseur, comme signifiant l'arête de décharge dans le cas d'une pompe ou -d'un ventilateur et comme l'arête d'entrée dans le cas d'une turbine ou d'un moteur à fluide.
Le terme "pas" se rap porte au pas à la face de travail de l'aube et peut être défini par l'expression mathémati que 2 n r tan fl dans laquelle r est la distance radiale entre l'axe et le point auquel le pas doit être mesuré et (1 est "l'angle de l'aube", C'est-à-dire l'angle formé entre les lignes de la veine liquide passant par le point où cette veine liquide est coupée respectivement par la face de l'aube et par un plan passant par ce point et perpendiculaire à. l'axe du rotor.
Ainsi, lorsque la disposition est telle que les veines liquides sont des surfaces cylindriques, le pas est la distance axiale entre des spires successives de l'hélice dont fait partie la frac tion de la face -de l'aube où le pas doit être mesuré.
Dans le cas d'aubes de rotor -de construction simple,, la "largeur" d'une aube à un rayon donné peut -être définie comme la distance réelle entre le point @de l'arête -de travail de l'aube se trouvant à ce rayon et le point de l'autre arête, se trouvant sur la même veine li quide, distance mesurée le long de la ligne d'intersection de la veine liquide et .de la face de travail de l'aube. Cette définition est sa tisfaisante pour des aubes de rotor dans les quelles la ligne d'intersection de la veine liquide et de la face de travail est. une ligne droite sur un développement plan de la veine liquide.
mais pour .des aubes de construction plus complexe dans lesquelles la ligne d'inter section n'est pas droite sur le développement de la veine, cette définition ne donne pas une mesure strictement exacte de la largeur ef fective de l'aube, largeur qui serait plus correctement définie comme étant la distance en ligne droite entre les points d'arête sur le développement de la veine. En conséquence, pour toutes les aubes., la "largeur" peut être définie comme la distance la plus courte, me surée le long de la veine liquide, entre le point (le l'arête de travail de l'aube au rayon donné et le point de l'autre arête de l'aube se trou vant sur la même veine liquide.
La largeur maximum de ehaque aube est de préférence -de pas moins :de<B>10%</B> plus grande que la largeur de l'aube au moyeu. De même, la valeur minimum du produit du rayon par le pas n'est, de préférence, pas plus grande que les<B>90%</B> de la valeur dudit pro duit au moyeu. A l'extrémité -de l'aube, la largeur peut être égale à celle au moyeu ou peut différer de cette dernière d'une quantité ne dépassant pas, de préférence, les<B>30%</B> de la largeur au moyeu.
Il est habituellement désirable en pratique d'arrondir les angles de l'aube à son extrémité, de telle sorte que la largeur réelle à cet endroit est tant soit peu plus petite que la largeur .déterminée.
Le pas de l'aube sur n'importe quelle veine liquide, peut être constant sur toute la longueur axiale du rotor, mais excepté de très faibles rapports du pas moyen au diamètre, il est. habituellement désirable de prévoir une variation axiale du pas, de telle sorte que ce dernier diminue graduellement à partir de l'arête de travail de l'aube jusqu'à l'autre arête, plus spécialement près du moyeu, de manière à obtenir les angles d'incidence les plus favorables entre la face -de l'aube et le flux du fluide relatif @à cette face,
notamment entre 3 et 8 dans la plupart des cas. La valeur de la variation axiale -du pas sera -dé terminée selon le but particulier pour lequel le rotor devra être employé, mais il sera ha bituellement préférable de diminuer le pas à partir de l'arête de travail jusqu'à l'autre arête du rotor, plus rapidement près du moyeu que dans les parties extérieures du ro tor où une telle diminution peut ne pas être nécessaire, ou bien dans le cas extrême où une faible diminution -du pas à l'extrémité de l'aube pourrait être indiquée.
Ainsi, par exemple; dans le -cas -d'une pompe, pour éviter des chocs par suite des angles défavorables d'admission à l'entrée, il est souvent -dési rable que le pas soit approximativement cons tant le long de l'arête d'entrée de l'aube ou même diminue légèrement en allant vers le moyeu.
La nombre des aubes employées varie selon les conditions -de l'installation particu lière et les aubes peuvent se recouvrir les unes les autres en projection faciade, plus spéciale ment dans les parties internes du rotor, lors que le rotor est destiné à fonctionner sous des pressions élevées. Les aubes, vues en sections cylindriques, peuvent être d'épaisseur uni forme d'une arête à l'autre, ou peuvent pré senter une forme lenticulaire ou être en forme d'aile ou encore d'une autre forme appropriée, une forme spéciale carénée étant préférée.
Le moyeu pourra être cylindrique ou co nique, mais une forme carénée ou autre peut aussi être employée.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemples trois formes d'exécution -de l'objet de l'invention.
Les fig. 1 et 2 représentent respectivement une vue en plan et une vue de profil d'une aube d'un rotor spécialement destiné à être employé comme ventilateur d'air; La fig. 3 est un graphique montrant à la fois la variation de la. largeur -de l'aube et celle du pas à, l'arête de travail de l'aube re- présentée aux fig. 1 et 2, en fonction de la distance radiale à partir de l'axe;
Les fit,,. 4 à 6 sont -des vues semblables aux fi-. 1 à 3 -d'un rotor :spécialement destiné à être employé dans une pompe hydrauli que et Les fig. 7 à 9 sont des vues semblables d'une troisième forme d'exécution -du rotor selon l'invention, destinée à être employée dans une pompe ou dans une turbine.
Dans la forme d'exécution représentée aux fig. 1 à 3, le rotor peut présenter six aubes semblables à l'aube A, portées par un moyeu B :cylindrique dont le rayon est approxima tivement -de 0,43, le rayon périphérique du rotor étant égal à 1.
La courbe D de la fig. 3 représente la va riation du pas à l'arête de travail C de l'aube A, en fonction .des rayons et la courbe E re présente la variation de la largeur de l'aube A en fonction des rayons, files ordonnées en traits interrompus à la fig. 3 correspondant aux arcs de cercle et aux lignes en traits in terrompus des fig. 1 et 2, ces arcs et lignes se trouvant à .des distances égales d'espace- ment radial, à partir de l'axe du rotor.
L'or donnée F de gauche, à la fig. 3, correspond à à la racine de l'aube à. la surface du moyeu B, tandis que l'ordonnée G de droite corres pond à. l'extrémité de l'aube. La fig. 3 est exécutée à une échelle deux fois plus grande que les fig. 1 et 2.
On voit de la courbe E de la fig. 3 que la largeur de l'aube augmente à partir du moyeu, en F, ,jusqu'à un maximum à un rayon d'environ 0,6 et diminue ensuite en al lant vers l'extrémité G de l'aube où elle a une valeur près de<B>30%</B> plus petite que la largeur au moyeu, la largeur maximum étant presque<B>15%</B> plus grande que la largeur au moyeu.
Le pas à n'importe quel rayon est cons tant sur toute la largeur de l'aube et dimi nue, comme représenté par la courbe D à par tir du moyeu, en F, jusqu'à un minimum à un rayon -d'environ 0,75 à partir duquel il augmente légèrement jusque vers l'extrémité G de l'aube.
La valeur de l'augmentation radiale du pas est telle que le prodiiil du pas et de la largeur est pratiquement sement proportionnel au rayon: Le pas cii- l'aube près du rayon moyen de l'aube (0,715) a. une valeur approximativement égale aux 4/;, du diamètre du rotor aux ex trémités de l'aube. La valeur du produit du pas par le rayon augmente radialement en allant vers l'intérieur et en allant vers l'ex térieur, à partir d'une valeur minimum cor respondant à. un rayon d'environ 0,6.
En vue de profil (fig. 2), la largeur ap parente de l'aube diminue à partir du moyeu jusqu'à l'extrémité de l'aube, la valeur de la variation de la largeur vue en profil di minuant en allant vers l'extrémité de l'aube. Les surfaces renfermant les arêtes directrices et suivantes, H, C des aubes, sont de préfé rence disposées symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du rotor et passant au milieu de la longueur du ro tor.
En plan (fig. 1), les aubes ne doivent pas se recouvrir et les arêtes directrices et sui vantes<I>II,</I> C de chaque aube, sont disposées symétriquement autour de la ligne radiale médiane de la projection de face. L'angle sous-tendu à l'axe du rotor, par la projection de face de l'aube, varie à partir de 40 en viron au moyeu, jusqu'à un maximum d'en viron 44,5 à la partie interne de l'aube et de là jusqu'à. environ 18 à l'extrémité de l'aube.
Les lignes J en traits mixtes, à la fig. 2, sont une représentation conventionnelle de l'incidence et de la position d'épaisseur maxi mum pour l'aube, la. ligne supérieure repré sentant la. position d'épaisseur maximum, tandis que la distance entre les deux lignes, à n'importe quel rayon, représente l'épaisseur maximum réelle -de l'aube à ce rayon. Ainsi, l'épaisseur décroît graduellement à partir -du moyeu jusqu'à, l'extrémité -de l'aube et la li gne d'épaisseur maximum se trouve tant soit peu plus près de l'arête H de guidage que de l'arête C suivante.
La deuxième forme d'exécution représen tée aux fig. 4 à. 6, est destinée plus particu- lièrement à être employée dans une pompe hydraulique et diffère principalement de la forme d'exécution représentée aux fig. 1 à 3, par le nombre et la. largeur des aubes, ainsi que par la .distribution radiale du pas qui varie tant soit peu plus rapidement au voisinage du moyeu Bi, le pas près du rayon moyen étant de nouveau approximativement les 4/s du diamètre du rotor.
Dans cette forme d'exécution, comme le représente la, courbe E' de la fig. 6, la lar geur de l'aube A' augmente à partir du moyen, en F' (à un rayon d'environ 0,43), jusqu'à une valeur maximum à un rayon d'environ 0.6 et diminue de nouveau en al lant vers l'extrémité G' de l'aube, la largeur maximum étant légèrement plus que 15 plus grande que la largeur au moyeu, tandis que la largeur à l'extrémité de l'aube est en viron 20% plus petite que la largeur au moyeu.
Le pas à n'importe quel rayon est de nouveau .constant sur la largeur de l'aube et diminue, comme représenté par la courbe D', à partir du moyeu jusqu'à une valeur mini mum à un rayon d'environ 0,75, le pas res tant pratiquement constant à partir de ce rayon en allant vers l'extérieur jusqu'à l'ex trémité de l'aube. Le produit du pas par la largeur est pratiquement inverseinentpropor- tionnel an rayon. La valeur du produit .du pas par le rayon augmente radialement en allant vers l'intérieur et en allant vers l'extérieur, à partir d'une valeur minimum correspon dant à un rayon d'environ 0,6.
Comme on le voit clairement à la fig. 5, les arêtes directrices H' des aubes se trouvent sur la surface d'un cône et les arêtes sui vantes C' se trouvent sur une surface courbe de forme creuse généralement conique, les deux "cônes" étant opposés.
On emplie quatre aubes, chaque aube étant, en projection de face (fiig. 4), symétri que par rapport à sa ligne médiane et sous tendant, à l'axe du rotor, un angle beaucoup plus grand que dans la forme d'exécution des fig. 1 à 3. Ainsi, l'angle sous-tendu augmente à partir de 78 environ au moyeu jusqu'à un maximum de presque 88 à la partie interne de l'aube et diminue ensuite de nouveau ra pidement jusqu'à environ 39 à l'extrémité de l'aube.
Comme indiqué par les lignes h en traits mixtes à la fig. 5, l'épaisseur de l'aube<B>dé-</B> croît â, partir de la racine jusqu'à l'extrémité de l'aube et présente son maximum vers l'arête d'entrée H1 de l'aube.
La forme d'exécution représentée aux fi-. 7 à 9 est .destinée à être employée dans une pompe ou dans une turbine hydrauliques. Ellediffère des formes d'exécution précé dentes, principalement par une variation axiale du pas et en ce que le pas diminue ra- dialement en allant vers l'extérieur à l'arête de travail de l'aube et jusqu'à l'extrémité .de l'aube.
Cependant, .comme dans les deux for mes d'exécution précédentes, la valeur du produit du pas par le rayon, augmente ra- dialement en allant vers l'intérieur et en al lant vers l'extérieur, @à partir d'une valeur minimum correspondant à un rayon d'envi ron 0,6.
Le rotor peut présenter quatre aubes sem blables à l'aube A' représentée, portées par un moyeu cylindrique B' -dont le rayon est d'approximativement 0,4, le rayon périphéri que normal déterminé étant égal à I.
Comme représenté par -la courbe E' de la fig. 9, la largeur de l'aube A' augmente à partir du moyeu, en F', jusqu'à une valeur maximum à. un rayon d'environ 0,6 et dimi nue à partir de là en allant vers l'extérieur, jusqu'à l'extrémité -de l'aube G', la largeur maximum étant d'environ 189,o' plus grande que la largeur au moyeu,
tandis que la Jar- eur à l'extrémité de l'aube est seulement.lé- g <B>o</B> gèrement plus petite que la largeur au moyeu. Le pas à l'arête C' de travail -de l'aube (voir la courbe D\ de la fig. 9), diminue en premier lieu rapidement et ensuite plus fai blement jusqu'à l'extrémité de l'aube. Le pro duit du pas à, l'arête de travail par la lar geur de l'aube et par le :rayon est pratique ment éonstant à tous les rayons.
A partir d'un rayon de 0,8 et en allant vers l'extérieur, le pas à n'importe quel rayon est approximativement constant sur toute la largeur de l'aube, mais le pas varie axiale- ment dans la partie interne de l'aube.
La courbe K\ de la fig. 9 représente le pas le long de l'arête H= -de l'aube et, dans cette partie du rotor, le pas varie graduellement à partir de la valeur -définie par la courbe K\ à l'a rête H\ jusqu'à la valeur définie par la courbe D\ à l'arête C\ de travaâl de l'aube.
Le pas à l'arête H\ est choisi de manière à -conserver une valeur approximativement uniforme de "l'.an@le -de glissement" à tous les ,rayons et on verra de la courbe r\ que ce pas augmente légèrement .à partir du moyeu jusqu'au rayon intermédiaire de 0,8,à partir duquel il dé croît en allant vers l'extérieur, avec le pas à l'arête C\ de travail.
Les arêtes C\ de travail ,des aubes se trou vent sur la surface d'un cône, tandis que ales arêtes H\ sont courbes. L'épaisseur de chaque aube décroît à partir de la racine jusqu'à l'extrémité de l'aube, et l'épaisseur maxi mum se trouve vers l'arête d'admission de l'aube et à 35 à 40 % de celle-ci dans la plu part .des cas. Ainsi, dans le cas d'une turbine l'épaisseur maximum est plus près -de l'arête C= de travail, tandis que dans le cas d'une pompe, l'épaisseur maximum est plus près -de l'arête H\ directrice.
En projection de face, les aubes se recou vrent légèrement dans la région .de rayon 0,5 et sont symétriques par rapport à, leurs lignes radiales médianes et l'angle sous-tendu varie à partir de 84% au moyeu jusqu'à un maximum .d'environ 91 et de là à 421/2 0 au rayon normal déterminé d'extrémité d'aube.
Comme les caractéristiques -des rotors dé crits ci-dessus et plus spécialement du rotor des fig. 7 à 9 sont telles que le pas, !e rayon et la largeur de l'aube sont correctement mis en relation l'un avec l'autre pour le travail le plus effectif à .chaque rayon, une grande li mite -de travail volumétrique peut être prévue sans changement matériel -de !'efficacité, sim plement en étendant ou en diminuant le rayon périphérique du rotor et en laissant les au tres conditions inchangées, ce qui évite ainsi la nécessité d'un grand nombre (1,
@ iiio(lÎ1e différents pour se conformer à des con,lition@ volumétriques diverses, à -des vitesses (le ré volution et sous des pressions donnée,. Ainsi, pour de conditions volumétriques faible;. IL, hayon périphérique peut être réduit de ?() et même plus, de telle sorte que le rotor sera identique au rotor décrit ci-dessus dont la partie appropriée est détachée des extrémités des aubes.
De même, pour .des conditions vo lumétriques fortes, le rayon périphérique peut être augmenté, par exemple, de 10 comme indiqué en traits interrompus aux fig. 7 à 9, ou même d'un plus fort pourcen tage, dans certains cas. Lorsque de telles mo difications sont faite, le,- diverses .dimensions radiales indiquées ci-dessus ont toujours les valeurs spécifiées, mais en se référant à l'ex trémité déterminée normale -de l'aube et non pas à l'extrémité réelle de l'aube.
Les aubes du rotor peuvent être montées de telle sorte sur ,le moyeu qu'un réglage par rotation d'un petit angle, voire de 5 dans chaque direction, autour de leurs axes longi tudinaux, peut être effectué, pour se con former à des modifications dans les condi tions de travail. De plus, la vue de face pro jetée -de .l'aube peut être disposée autrement que symétriquement par rapport à une ligne radiale médiane.