EP4634532A1 - Machine à fluide à canal latéral - Google Patents

Machine à fluide à canal latéral

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Publication number
EP4634532A1
EP4634532A1 EP23783426.2A EP23783426A EP4634532A1 EP 4634532 A1 EP4634532 A1 EP 4634532A1 EP 23783426 A EP23783426 A EP 23783426A EP 4634532 A1 EP4634532 A1 EP 4634532A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
machine
insert
fluid
side channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23783426.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Youssef ABDO
James Butterworth
Christophe VOYEZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP4634532A1 publication Critical patent/EP4634532A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D5/00—Pumps with circumferential or transverse flow
    • F04D5/002—Regenerative pumps
    • F04D5/008—Details of the stator, e.g. channel shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D23/00—Other rotary non-positive-displacement pumps
    • F04D23/008—Regenerative pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines

Definitions

  • the invention relates to a side channel fluid machine, also called a regenerative machine.
  • This can be a side channel pump, fan or compressor.
  • the fluid machine according to the invention can be used for example in the dilution of Helium 3 in Helium 4. We will then speak of a cryo-pump.
  • the fluid machine according to the invention can serve, for example, as a respirator for medical use.
  • fluid machine or “fluid processing” machine means a machine configured to convert energy stored by a fluid into mechanical energy or vice versa.
  • side channel means a peripheral channel around a central area of the machine and which has a mean plane parallel to two opposing plane faces of the machine.
  • a side channel fluid machine comprises, in known manner, a stator and a rotor rotatably mounted inside the stator.
  • the stator comprises a central zone around which extends a lateral channel intended for a flow of fluid under the effect of a rotation of the rotor or with a view to a rotation of the rotor.
  • the lateral channel is formed by an internal wall of the stator and has a first rim and a second rim between which a sealing dam extends.
  • Such a machine is increasingly used for industrial applications where medium flow rates are required with low or medium compression ratios. Furthermore, when it is well acoustically insulated, such a machine can be very quiet, which constitutes a major selection criterion in certain cases. Finally, unlike other volumetric machines, such a machine allows control and operability over a wide operating range with a minimum of moving mechanical parts.
  • the side channel fluid machine Compared with a centrifugal wheel, the side channel fluid machine has the advantage of being easily manufactured with relatively simple geometric shapes (consisting mainly of 2D sketch extrusion). In addition, it is also very simple to design the machine to achieve different objectives meeting various specifications.
  • a side channel fluid machine can very easily be placed in multi-stage without much concern regarding pumping phenomena.
  • the stages can be arranged in parallel to increase flow, or in series to increase pressure.
  • Adaptability between floors is very easy in terms of aeraulics, architecture and mechanics (very simple piping between floors).
  • An aim of the invention is to propose such a solution.
  • the machine according to the invention is essentially characterized in that the stator comprises an insert which is arranged in the lateral channel so as to form or introduce into the stator an additional internal deflector wall intended to be swept by the flowing fluid and to guide the fluid into the side channel.
  • the invention makes it possible to improve the flow rate and the compression rate of fluid delivered at the outlet of the machine.
  • embodiments of the invention may include one or more of the following characteristics: - the stator comprises a suction conduit and a fluid discharge conduit; - the suction and discharge conduits each have one end in fluid communication with the lateral channel and one end intended to be in communication with an external environment; - the suction conduit opens into the side channel at or near the first edge; - the discharge conduit opens into the side channel at or near the second rim; - the insert is formed around the central zone of the stator; - the insert is held in suspension in the side channel by means of a stator support; - the support is formed by the sealing dam; - the insert has a first end and a second end arranged on either side of the sealing dam; - the support comprises at least one tab which extends from the internal wall forming the side channel; - the insert is supported on at least one leg; - the at least one tab has an aerodynamic profile configured to facilitate the flow of fluid in the side channel; - the support comprises two legs positioned on either side of the sealing dam; - the -
  • the invention may also relate to any side channel fluid machine comprising any combination of the features above or below within the scope of the claims.
  • FIG. 1 is an exploded isometric view partially illustrating a side channel machine according to the invention; the machine comprising a stator and a rotor;
  • FIG. 1 is an isometric sectional view partially illustrating the machine of the without the rotor, with a side channel and an insert at the stator level;
  • FIG. 1 is an isometric top view illustrating a first part of the stator comprising the insert
  • FIG. 1 is an isometric view partially illustrating the machine of the with a flow of fluid around the insert and between rotor blades.
  • the invention relates to a side channel fluid machine 1, also referred to in the following description as a "regenerative machine” or “machine”.
  • the machine 1 comprises a stator 2 and a rotor 4 which is rotatably mounted inside the stator 2.
  • the stator 2 comprises two opposite main faces F1, F2 which extend in a plane parallel to a plane H, called the horizontal plane.
  • the direction Z perpendicular to the horizontal plane H is called the main or vertical direction of the machine 1.
  • Between the main faces F1, F2 of the stator 2 extends a lateral or peripheral face F3.
  • the stator 2 comprises a main housing 21 intended to receive the rotor 4, as well as a lateral channel 22 intended for a flow of a fluid under the effect of a rotation of the rotor 4 or with a view to a rotation of the rotor 4.
  • the stator 2 comprises a fluid suction conduit 23 to bring it into the side channel 22, and a fluid discharge conduit 24 to force it out of the side channel 22.
  • the conduit 23 of suction is visible at the .
  • the main housing 21 and the side channel 22 extend between the main faces F1, F2 of the stator 2, each along a mean plane substantially parallel to the main faces F1, F2.
  • the main housing 21 and the side channel 22 each extend along a horizontal average plane.
  • the side channel 22 surrounds the main housing 21 so that together they form a single cavity.
  • the lateral channel 22 has for example the shape of an arc of a circle.
  • the side channel 22 is formed between a central zone 25 and a peripheral zone 26 of the stator 2.
  • the central zone 25 of the stator 2 can form a central core of material of cylindrical shape around which the side channel 22 extends
  • the central zone 25 and the peripheral zone 26 define an internal wall 27 which delimits the side channel 22.
  • the central zone 25 is connected to the peripheral zone 26 by a radial strip, called a sealing barrier 28.
  • the sealing dam 28 forms a shoulder in the side channel 22.
  • the sealing dam 28 defines two opposite edges 22a, 22b of the side channel 22.
  • the sealing dam 28 forms with the central zone 25 a sealing system whose function will be detailed later.
  • the sealing dam 28 comes from the same material as the rest of the stator 2.
  • the suction conduit 23 opens into the side channel 22 at a first region 22c located near the first rim 22a of the side channel 22.
  • the discharge conduit 24 communicates with the side channel 22 at a second region 22d located near the second rim 22b of the side channel 22.
  • the suction conduit 23 and the discharge conduit 24 each extend in a vertical direction (or transverse to the horizontal plane).
  • these conduits 23, 24 can extend in a radial direction, that is to say perpendicular or at an angle to the main direction of the machine 1.
  • the fluid expelled through the discharge conduit 24 has a pressure greater than that of the fluid admitted to the level of the suction conduit 23.
  • the fluid is compressed by the action of the rotor 4 during the flow in the lateral channel 22.
  • the first region 22c into which the conduit 23 opens The suction is thus called “low pressure region”.
  • the second region 22d into which the discharge conduit 24 opens is thus called “high pressure region”.
  • the sealing dam 28 which separates the edges 22a, 22b from the side channel 22 also forms a separation member between the high pressure region 22c and the low pressure region 22d of the side channel 22.
  • the dam 28 d The sealing makes it possible to avoid the return towards the suction conduit 23 of the fluid which has been compressed during the flow through the lateral channel 22.
  • the sealing dam 28 makes it possible to prevent the fluid admitted to the level of the suction conduit 23 to pass directly towards the discharge conduit 24 without going through a compression step through the lateral channel 22.
  • the central zone 25 of the stator 2, which is formed in the continuity of the sealing dam 28, also performs the functions described above.
  • the rotor 4 is rotatably mounted on itself around an axis perpendicular to the horizontal plane H, thanks to a motor 6 (visible at the ).
  • the rotor 4 includes a wheel 41 equipped with peripheral fins 42.
  • the wheel 41 is housed in the main housing 21 and rests on the central zone 25 of the stator 2.
  • the fins 42 project towards the side channel 22.
  • the stator 2 comprises, with reference again to the , two secondary passages or housings 29a, 29b intended to receive an axis (not illustrated) for driving the rotor 4 in rotation.
  • the secondary housings 29a, 29b are arranged for example in the main direction Z of the machine 1 (this is that is to say perpendicular to the horizontal plane H), on either side of the main housing 21.
  • the stator 2 comprises an insert 8 which is arranged in the lateral channel 22 so as to form in the stator 2 an additional internal deflector wall 81 intended to be swept by the flowing fluid and to guide this fluid in the side channel 22.
  • This insert 8 preferably extends in an arc over the entire length of the side channel 22 (in a horizontal plane).
  • additional is defined in relation to the internal wall 27 which forms or delimits the lateral channel 22.
  • the invention makes it possible to increase the flow rate and the compression rate of the fluid delivered at the outlet of the machine 1.
  • the insert 8 is mounted in suspension in the side channel 22.
  • the fluid flowing in the side channel 22 circulates around the insert 8.
  • the flow of the fluid in the side channel 22 is thus better guided thanks to the presence of the insert 8.
  • the term "suspension” means that the insert 8 has a side wall 81 which is not in contact with the internal wall 27 which delimits the side channel 22, except by means of a support 9 distinct from the internal wall 27. In other words, the insert 8 is not in direct contact with the internal wall 27 which delimits the lateral channel 22.
  • the support 9 of the insert 6 can be formed by the sealing dam 28.
  • the insert 8 then has ends 82, 83 which are fixed on either side of the sealing dam 28.
  • the ends 82, 83 of the insert 6 are carried by the edges 22a, 22b of the side channel 22.
  • the support 9 can also be formed by at least one tab 91, 92 which extends into the side channel 22 from the internal wall 27 delimiting the side channel 22.
  • the side face 81 of the insert 8 is supported on at least one a leg 91, 92.
  • the at least one tab 91, 92 advantageously presents an aerodynamic profile configured to promote the flow of fluid in the side channel 22 (for example an aerodynamic profile to cope with the flow of fluid). Furthermore, the at least one tab 91, 92 can be in addition to the sealing dam 28. Such a combination offers better stability to the insert 8 in the side channel 22.
  • the insert 8 is held in suspension in the side channel 22 thanks to a support comprising the sealing dam 28 and two lugs 91, 92.
  • the lugs 91, 92 are arranged equidistant from the dam 28 d waterproofing.
  • the legs 91, 92 are spaced from each other by 120° measured around a central vertical axis of the machine 1.
  • the stator 2 can comprise two distinct parts 2A, 2B. These parts 2A, 2B can be manufactured separately (for example by additive manufacturing) then assembled along a horizontal plane H to form a single block illustrated in the . In addition, these parts 2A, 2B each carry a main face F1, F2 of the stator 2 and a secondary housing 29a, 29b intended for the passage of the rotating drive axis of the rotor 4. After assembly, the parts 2A, 2B of stator 2 form the side face F3 of stator 2.
  • One of the parts 2A, 2B of the stator 2, here the part 2A, comprises the central zone 25, the suction conduit 23, the discharge conduit 24, the insert 8, and a portion 27a of the wall 27 which delimits the lateral channel 22.
  • the other of the parts 2A, 2B of the stator 2, here the part 2B, comprises the main housing 21 intended to receive the rotor 4 as well as a portion 27b of the wall 27 which delimits the lateral channel 22.
  • the secondary housing 29b provided at part 2B of the stator 2 opens onto the external face F2 associated with this part 2B. This makes it possible to connect the rotational drive axis of the rotor 4 to the motor 6 positioned outside the stator 2.
  • the secondary housing 29a provided at the level of part 2A of the stator 2 is blind, it is that is to say does not lead to the main face F1 associated with this part 2A.
  • the housing 29a is formed in the central zone 25 of the stator 2.
  • the internal wall 27 delimiting the side channel 22, as well as the side wall 81 delimiting the insert 8 can have a quasi-toroidal shape around the central zone 25 of the stator 2.
  • the lateral channel 22 (respectively the insert 8) can extend over an arcuate sector defined between the first rim 22a and the second rim 22b. This sector has an arc length advantageously between 290 and 350°
  • the quasi-toroidal shape here means a surface or a solid generated by an incomplete revolution of a closed plane curve (generating curve) around an axis located in the plane of this closed plane curve.
  • the axis of revolution does not pass through the center of the generating curve.
  • the closed plane curve can for example be a circle, a square, a diamond, etc.
  • the internal wall 27 delimiting the side channel 22 is generated by a generating curve in the shape of a circle.
  • the lateral channel 22 has a circular section in a vertical transverse plane.
  • the side wall 81 delimiting the insert 8 is generated by a generating curve in the shape of a disk portion.
  • the insert 8 has a half-disc shaped section in a vertical transverse plane.
  • the respective sections of the side channel 22 and the insert 8 are constant. Alternatively, these sections can be variable around the main direction of the machine 1. In particular, the section of the side channel 22 can be decreasing starting from the low pressure region 22d towards the high pressure region 22c. Such a configuration promotes an increase or decrease in the pressure of the fluid flowing in the lateral channel between the suction conduit 23 and the discharge conduit 24.
  • the sealing dam 28 also extends over an arcuate sector.
  • This sector has an arc length advantageously between 10 and 70°.
  • this sector is complementary to that associated with the side channel 22, so that the sealing dam 28 and the side channel 22 make a complete turn around the central zone 25 of the stator 2.
  • the peripheral wall 81 of the insert 8 may comprise a first curved portion 81a of convex shape and a second curved portion 81b of planar shape.
  • the two portions 81a and 81b are for example oriented oppositely in a direction perpendicular to the horizontal plane H.
  • the first convex portion 81a is arranged for example facing the part 2A of the stator 2, and in particular facing the portion 27a of the internal wall 27.
  • the second flat portion 81b is turned for example towards the rotor 4 (not illustrated) in the direction of part 2B of the stator 2.
  • the rotor 4 may have a general dome shape.
  • the wheel 41 of the rotor 4 may have a flat horizontal face and a concave side face.
  • the fins 42 of the rotor 4 can each be formed by a disc portion, for example a half-disc, which extends radially from the concave side face of the wheel 41.
  • the fins 42 can each have a convex face which at least partly matches the concave shape of the side face of the wheel 41, and a flat face 42a in a horizontal plane.
  • the respective flat faces 42a of the fins 42 are arranged facing the flat portion 81b of the insert 8.
  • the fins 42 are flat and arranged radially relative to the wheel 41, that is to say perpendicular to the main direction of the machine 1.
  • the fins 42 can be left and arranged in bias relative to the main direction of machine 1.
  • the suction conduit 23 has a diameter greater than that of the discharge conduit 24.
  • the suction conduit 23 and the discharge conduit 24 open into the lateral channel 22 from one of the main faces F1, F2 of the stator, here the face F1.
  • the conduits 23, 24 can open into the lateral channel 22 from the peripheral face F3 of the stator 2.
  • the insert 8 is formed by vanes formed on the internal wall 27 forming the lateral channel 22. These vanes also introduce an additional deflecting internal wall (compared to the internal wall 27 forming the channel lateral 22) intended to be swept by the flowing fluid and to guide this fluid into the lateral channel 22.
  • fluid is admitted into conduit 23 then into side channel 22 at a relatively low pressure.
  • the fluid circulates in the lateral channel 22 and performs a swirling movement around the insert 8 passing between the adjacent fins 42 of the rotor 4 (see ).
  • This swirling movement increases the pressure of the fluid throughout the flow in the side channel 22.
  • the compressed fluid leaves the side channel 22 through the discharge conduit 24.
  • the fluid machine 1 can also be used as an expansion turbine. According to this configuration, the fluid is admitted into the conduit 23 then into the side channel 22 at a relatively high pressure. The pressure of the fluid causes the rotor 4 to rotate. The flow of the fluid takes place in a swirling movement around the insert 8 passing between the adjacent fins 42 of the rotor 4. This swirling movement gradually reduces the pressure of the fluid throughout the flow in the side channel 22 The expanded fluid leaves the side channel 22 through the conduit 24.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Machine (1) à fluide comprenant un stator (2) et un rotor (4) monté en rotation à l'intérieur du stator (4), le stator (2) comprenant une zone centrale (25) autour de laquelle s'étend un canal latéral (22) destiné à un écoulement du fluide sous l'effet d'une rotation du rotor (4) ou en vue d'une rotation du rotor (4), le canal latéral (22) étant formé par une paroi interne (27) du stator (2) et présentant un premier rebord (22a) et un deuxième rebord (22b) entre lesquels s'étend un barrage (28) d'étanchéité, caractérisée en ce que le stator (2) comprend un insert (8) qui est disposé dans le canal latéral (22) de sorte à former dans le stator (2) une paroi interne (81) supplémentaire destinée à être balayée par le fluide en écoulement et à guider le fluide dans le canal latéral (22).

Description

    Machine à fluide à canal latéral
  • L’invention concerne une machine à fluide à canal latéral, aussi appelée machine régénérative. Il peut s’agir d’une pompe, d’un ventilateur ou d’un compresseur à canal latéral.
  • En tant que pompe, la machine à fluide selon l’invention peut être utilisée par exemple dans la dilution de l’Hélium 3 dans l’Hélium 4. On parlera alors de cryo-pompe. En tant que ventilateur, la machine à fluide selon l’invention peut servir par exemple de respirateur à usage médical.
  • Le terme « machine à fluide » ou machine à “traitement de fluide” s’entend d’une machine configurée pour convertir une énergie stockée par un fluide en une énergie mécanique ou vice versa. Le terme « canal latéral » s’entend d’un canal périphérique autour d’une zone centrale de la machine et qui présente un plan moyen parallèle à deux faces planes opposées de la machine.
  • Une machine à fluide à canal latéral comprend, de façon connue, un stator et un rotor monté en rotation à l’intérieur du stator. Le stator comprend une zone centrale autour de laquelle s’étend un canal latéral destiné à un écoulement du fluide sous l’effet d’une rotation du rotor ou en vue d’une rotation du rotor. En particulier, le canal latéral est formé par une paroi interne du stator et présente un premier rebord et un deuxième rebord entre lesquels s’étend un barrage d’étanchéité.
  • Une telle machine, notamment dans sa configuration de compresseur ou ventilateur, est de plus en plus utilisée pour des applications industrielles où des débits moyens sont requis avec des taux de compression faibles ou moyens. Par ailleurs, lorsqu’elle est bien isolée acoustiquement, une telle machine peut être très silencieuse, ce qui constitue un critère de sélection majeur dans certains cas. Enfin, contrairement aux autres machines volumétriques, une telle machine permet un contrôle et une opérabilité sur une large plage de fonctionnement avec un minimum de pièces mécaniques mobiles.
  • Par comparaison avec une roue centrifuge, la machine à fluide à canal latéral présente l’avantage d’être facilement fabriquée avec des formes géométriques relativement simples (constituées principalement d’extrusion d’esquisse 2D). En outre, il est également très simple de concevoir des designs de la machine afin d’atteindre différents objectifs répondant à de divers cahiers des charges.
  • Il est à noter qu’une machine à fluide à canal latéral peut très être facilement placée en multi-étage sans grande inquiétude par rapport aux phénomènes de pompage. Les étages peuvent être disposés en parallèle pour augmenter le débit, ou en série pour augmenter la pression. L’adaptabilité entre les étages se fait très aisément aussi bien en aéraulique qu’en architecture et mécanique (piping très simple entre les étages).
  • En dépit des avantages listés ci-dessus, les constructeurs des machines à fluide à canal latéral sont en permanence en quête de solutions techniques capables d’améliorer les performances de ces machines, notamment en ce qui concerne le débit et le taux de compression.
  • Un but de l’invention est de proposer une telle solution.
  • A cette fin, la machine selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que le stator comprend un insert qui est disposé dans le canal latéral de sorte à former ou introduire dans le stator une paroi interne déflectrice supplémentaire destinée à être balayée par le fluide en écoulement et à guider le fluide dans le canal latéral.
  • En prévoyant un insert dans le canal latéral, l’invention permet d’améliorer le débit et le taux de compression de fluide délivré en sortie de la machine.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    - le stator comprend un conduit d’aspiration et un conduit de refoulement du fluide ;
    - les conduits d’aspiration et de refoulement ont chacun une extrémité en communication fluidique avec le canal latéral et une extrémité destinée à être en communication avec un milieu extérieur ;
    - le conduit d’aspiration débouche dans le canal latéral au niveau ou à proximité du premier rebord ;
    - le conduit de refoulement débouche dans le canal latéral au niveau ou à proximité du deuxième rebord ;
    - l’insert est formé autour de la zone centrale du stator ;
    - l’insert est maintenu en suspension dans le canal latéral au moyen d’un support du stator ;
    - le support est formé par le barrage d’étanchéité ;
    - l’insert présente une première extrémité et une deuxième extrémité disposées de part et d’autre du barrage d’étanchéité ;
    - le support comprend au moins une patte qui s’étend depuis la paroi interne formant le canal latéral ;
    - l’insert prend appui sur la au moins une patte ;
    - la au moins une patte présente un profil aérodynamique configuré pour faciliter l’écoulement du fluide dans le canal latéral ;
    - le support comprend deux pattes positionnées de part et d’autre du barrage d’étanchéité ;
    - le canal latéral s’étend sur un secteur en forme d’arc autour de la partie centrale du stator ;
    - l’insert s’étend sur un secteur en forme d’arc autour de la partie centrale du stator ;
    - le canal latéral présente une longueur d’arc comprise de préférence entre 290° et 350° ;
    - l’insert présente une longueur d’arc comprise de préférence entre 290° et 350° ;
    - le canal latéral présente dans un plan transversal vertical une section en forme de portion de disque ;
    - l’insert présente dans un plan transversal vertical une section en forme de portion de disque ;
    - le stator comprend une partie inférieure et une partie supérieure assemblées l’une contre l’autre ;
    - la partie inférieure du stator comprend le conduit d’aspiration, le conduit de refoulement et l’insert ;
    - la partie supérieure du stator comprend un logement configuré pour recevoir le rotor ;
    - le rotor comprend une roue pourvue d’une pluralité d’ailettes périphériques ;
    - la roue est en appui sur la partie centrale du stator ;
    - les ailettes sont disposées en saillie vers le canal latéral et en regard de l’insert ;
    - la machine est un ventilateur, un compresseur ou une pompe.
  • L’invention peut concerner également toute machine à fluide à canal latéral comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
  •  
  • D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures suivantes dans lesquelles :
  • est une vue isométrique éclatée illustrant partiellement une machine à canal latéral selon l’invention; la machine comprenant un stator et un rotor ;
  • est une vue isométrique illustrant la machine de la en configuration assemblée;
  • est une vue de coupe isométrique illustrant partiellement la machine de la sans le rotor, avec un canal latéral et un insert au niveau du stator ;
  • est une vue isométrique de dessus illustrant une première partie du stator comprenant l’insert ;
  • est une vue isométrique illustrant partiellement la machine de la avec un écoulement de fluide autour de l’insert et entre des ailettes du rotor.
  • L’invention concerne une machine 1 à fluide à canal latéral, aussi désignée dans la description qui suit par le terme « machine régénérative » ou « machine ».
  • Comme illustré à la , la machine 1 comprend un stator 2 et un rotor 4 qui est monté en rotation à l’intérieur du stator 2.
  • En particulier, le stator 2 comprend deux faces principales opposées F1, F2 qui s’étendent dans un plan parallèle à un plan H, dit plan horizontal. La direction Z perpendiculaire au plan horizontal H est dite direction principale ou verticale de la machine 1. Entre les faces principales F1, F2 du stator 2 s’étend une face latérale ou périphérique F3.
  • En référence à la , le stator 2 comprend un logement 21 principal destiné à recevoir le rotor 4, ainsi qu’un canal latéral 22 destiné à un écoulement d’un fluide sous l’effet d’une rotation du rotor 4 ou en vue d’une rotation du rotor 4. En outre, le stator 2 comprend un conduit 23 d’aspiration du fluide pour l’amener dans le canal latéral 22, et un conduit 24 de refoulement du fluide pour le refouler hors du canal latéral 22. Le conduit 23 d’aspiration est visible à la .
  • En particulier, le logement 21 principal et le canal latéral 22 s’étendent entre les faces principales F1, F2 du stator 2, chacun selon un plan moyen sensiblement parallèle aux faces principales F1, F2. Autrement dit, le logement 21 principal et le canal latéral 22 s’étendent chacun selon un plan moyen horizontal. Le canal latéral 22 entoure le logement 21 principal de sorte qu’ensemble ils forment une seule cavité. Dans un plan horizontal, le canal latéral 22 a par exemple une forme d’arc de cercle.
  • En référence à la , le canal latéral 22 est formé entre une zone centrale 25 et une zone périphérique 26 du stator 2. En particulier, la zone centrale 25 du stator 2 peut former un noyau de matière central de forme cylindrique autour duquel s’étend le canal latéral 22. La zone centrale 25 et la zone périphérique 26 définissent une paroi interne 27 qui délimite le canal latéral 22. En outre, la zone centrale 25 est reliée à la zone périphérique 26 par une bande radiale, dite barrage 28 d’étanchéité.
  • Le barrage 28 d’étanchéité forme un épaulement dans le canal latéral 22. En outre, le barrage 28 d’étanchéité définit deux rebords opposés 22a, 22b du canal latéral 22. Enfin, le barrage 28 d’étanchéité forme avec la zone centrale 25 un système d’étanchéité dont la fonction sera détaillée plus loin. Dans l’exemple illustré, le barrage 28 d’étanchéité est issu de matière avec le reste du stator 2.
  • Toujours en référence à la , le conduit 23 d’aspiration débouche dans le canal latéral 22 au niveau d’une première région 22c située à proximité du premier rebord 22a du canal latéral 22. Le conduit 24 de refoulement communique avec le canal latéral 22 au niveau d’une deuxième région 22d située à proximité du deuxième rebord 22b du canal latéral 22. Dans l’exemple illustré, le conduit 23 d’aspiration et le conduit 24 de refoulement s’étendent chacun selon une direction verticale (ou transversale au plan horizontal). En variante, ces conduits 23, 24 peuvent s’étendre suivant une direction radiale, c’est-à-dire perpendiculairement ou en biais par rapport à la direction principale de la machine 1.
  • Le fluide expulsé à travers le conduit 24 de refoulement présente une pression supérieure à celle du fluide admis au niveau du conduit 23 d’aspiration. Autrement dit, entre le conduit 23 d’aspiration et le conduit 24 de refoulement, le fluide est comprimé par l’action du rotor 4 lors de l’écoulement dans le canal latéral 22. La première région 22c dans laquelle débouche le conduit 23 d’aspiration est ainsi appelée « région basse pression ». La deuxième région 22d dans laquelle débouche le conduit 24 de refoulement est ainsi appelée « région haute pression ».
  • Ainsi, le barrage 28 d’étanchéité, qui sépare les rebords 22a, 22b du canal latéral 22 forme également un organe de séparation entre la région haute pression 22c et la région basse pression 22d du canal latéral 22. Autrement dit, le barrage 28 d’étanchéité permet d’éviter le retour vers le conduit 23 d’aspiration du fluide qui a été comprimé lors de l’écoulement à travers le canal latéral 22. Inversement, le barrage 28 d’étanchéité permet d’éviter au fluide admis au niveau du conduit 23 d’aspiration de passer directement vers le conduit 24 de refoulement sans passer par une étape de compression à travers le canal latéral 22.
  • La zone centrale 25 du stator 2, laquelle est formée dans la continuité du barrage 28 d’étanchéité, assure également les fonctions décrites ci-dessus.
  • En référence de nouveau à la , le rotor 4 est monté rotatif sur lui-même autour d’un axe perpendiculaire au plan horizontal H, grâce à un moteur 6 (visible à la ). En outre, le rotor 4 comprend une roue 41 équipée d’ailettes 42 périphériques. En particulier, la roue 41 est logée dans le logement 21 principal et repose sur la zone centrale 25 du stator 2. Les ailettes 42 sont en saillie vers le canal latéral 22.
  • Afin d’assurer un couplage entre le rotor 4 et le moteur 6, le stator 2 comprend, en référence de nouveau à la , deux passages ou logements 29a, 29b secondaires destinés à recevoir un axe (non illustré) d'entraînement en rotation du rotor 4. Les logements 29a, 29b secondaires sont disposés par exemple suivant la direction principale Z de la machine 1 (c’est-à-dire perpendiculairement au plan horizontal H), de part et d’autre du logement 21 principal.
  • Selon l’invention, le stator 2 comprend un insert 8 qui est disposé dans le canal latéral 22 de sorte à former dans le stator 2 une paroi interne 81 déflectrice supplémentaire destinée à être balayée par le fluide en écoulement et à guider ce fluide dans le canal latéral 22. Cet insert 8 s’étend de préférence en arc de cercle sur toute longueur du canal latéral 22 (dans un plan horizontal). Le terme « supplémentaire » est défini par rapport à la paroi interne 27 qui forme ou délimite le canal latéral 22.
  • Ainsi, grâce à cette double paroi interne 27, 81 balayée par le fluide en écoulement, l’invention permet d’augmenter le débit et le taux de compression du fluide délivré en sortie de la machine 1.
  • De façon avantageuse, comme illustré aux figures 3 et 4, l’insert 8 est monté en suspension dans le canal latéral 22. Ainsi, le fluide en écoulement dans le canal latéral 22 circule autour de l’insert 8. L’écoulement du fluide dans le canal latéral 22 est de la sorte mieux guidé grâce à la présence de l’insert 8.
  • Le terme « suspension » s’entend du fait que l’insert 8 présente une paroi latérale 81 qui n’est pas en contact avec la paroi interne 27 qui délimite le canal latéral 22, hormis par le biais d’un support 9 distinct de la paroi interne 27. Autrement dit, l’insert 8 n’est pas en contact direct avec la paroi interne 27 qui délimite le canal latéral 22.
  • De façon avantageuse, le support 9 de l’insert 6 peut être formé par le barrage 28 d’étanchéité. L’insert 8 présente alors des extrémités 82, 83 qui sont fixées de part et d’autre du barrage 28 d’étanchéité. Dans l’exemple illustré, les extrémités 82, 83 de l’insert 6 sont portées par les rebords 22a, 22b du canal latéral 22.
  • Le support 9 peut également être formé par au moins une patte 91, 92 qui s’étend dans le canal latéral 22 depuis la paroi interne 27 délimitant le canal latéral 22. La face latérale 81 de l’insert 8 prend appui sur la au moins une patte 91, 92.
  • Il est à noter que la au moins une patte 91, 92 présente de façon avantageuse un profil aérodynamique configuré pour favoriser l’écoulement du fluide dans le canal latéral 22 (par exemple un profil aérodynamique pour faire face à l’écoulement de fluide). Par ailleurs, la au moins une patte 91, 92 peut être en complément du barrage 28 d’étanchéité. Une telle combinaison offre une meilleure stabilité à l’insert 8 dans le canal latéral 22.
  • Dans l’exemple illustré, l’insert 8 est maintenu en suspension dans le canal latéral 22 grâce à un support comprenant le barrage 28 d’étanchéité et deux pattes 91, 92. Les pattes 91, 92 sont disposées à équidistance du barrage 28 d’étanchéité. Ici, les pattes 91, 92 sont distantes l’une de l’autre de 120° mesuré autour d’un axe vertical central de la machine 1.
  • De façon avantageuse, comme illustré à la , le stator 2 peut comprendre deux parties 2A, 2B distinctes. Ces parties 2A, 2B peuvent être fabriquées séparément (par exemple par fabrication additive) puis assemblées selon un plan horizontal H pour former un seul bloc illustré à la . En outre, ces parties 2A, 2B portent chacune une face principale F1, F2 du stator 2 et un logement secondaire 29a, 29b destiné au passage de l’axe d'entraînement en rotation du rotor 4. Après assemblage, les parties 2A, 2B du stator 2 forment la face latérale F3 du stator 2.
  • L’une des parties 2A, 2B du stator 2, ici la partie 2A, comprend la zone centrale 25, le conduit 23 d’aspiration, le conduit 24 de refoulement, l’insert 8, et une portion 27a de la paroi 27 qui délimite le canal latéral 22. L’autre des parties 2A, 2B du stator 2, ici la partie 2B, comprend le logement 21 principal destiné à recevoir le rotor 4 ainsi qu’une une portion 27b de la paroi 27 qui délimite le canal latéral 22.
  • Il est à noter que, dans l’exemple illustré, le logement secondaire 29b prévu au niveau de la partie 2B du stator 2 débouche sur la face externe F2 associée à cette partie 2B. Ceci permet de relier l’axe d'entraînement en rotation du rotor 4 au moteur 6 positionné à l’extérieur du stator 2. En revanche, le logement secondaire 29a prévu au niveau de la partie 2A du stator 2 est borgne, c’est-à-dire ne débouche pas sur la face principale F1 associée à cette partie 2A. Le logement 29a est formé dans la zone centrale 25 du stator 2.
  • De façon avantageuse, comme illustré notamment à la , la paroi interne 27 délimitant le canal latéral 22, de même que la paroi latérale 81 délimitant l’insert 8, peut présenter une forme quasi-toroïdale autour de la zone centrale 25 du stator 2. Autrement dit, selon une vue de dessus de la partie 2A du stator 2 (voir ), le canal latéral 22 (respectivement l’insert 8) peut s’étendre sur un secteur en arc de cercle défini entre le premier rebord 22a et le deuxième rebord 22b. Ce secteur présente une longueur d’arc comprise, de façon avantageuse, entre 290 et 350°
  • La forme quasi-toroïdale s’entend ici d’une surface ou d’un solide engendré par une révolution incomplète d’une courbe plane fermée (courbe génératrice) autour d’un axe situé dans le plan de cette courbe plane fermée. L’axe de révolution ne passe pas par le centre de la courbe génératrice. La courbe plane fermée peut par exemple être un cercle, un carré, un losange, etc.
  • Dans l’exemple illustré, la paroi interne 27 délimitant le canal latéral 22 est générée par une courbe génératrice en forme de cercle. Autrement dit, le canal latéral 22 présente dans un plan transversal vertical une section de forme circulaire. La paroi latérale 81 délimitant l’insert 8 est générée par une courbe génératrice en forme de portion de disque. Autrement dit, l’insert 8 présente dans un plan transversal vertical une section en forme de demi disque.
  • Dans l’exemple illustré, les sections respectives du canal latéral 22 et de l’insert 8 sont constantes. En variante, ces sections peuvent être variables autour de la direction principale de la machine 1. En particulier, la section du canal latéral 22 peut être décroissante en partant de la région basse pression 22d vers la région haute pression 22c. Une telle configuration favorise une augmentation ou une diminution de la pression du fluide en écoulement dans le canal latéral entre le conduit 23 d’aspiration et le conduit 24 de refoulement.
  • En référence de nouveau à la , il est à noter que le barrage 28 d’étanchéité s’étend également sur un secteur en arc de cercle. Ce secteur présente une longueur d’arc comprise, de façon avantageuse, entre 10 et 70°. En outre, ce secteur est complémentaire de celui associé au canal latéral 22, de sorte que le barrage 28 d’étanchéité et le canal latéral 22 font un tour complet autour de la zone centrale 25 du stator 2.
  • De façon avantageuse, comme illustré à la , la paroi périphérique 81 de l’insert 8 peut comprendre une première portion incurvée 81a de forme convexe et une deuxième portion incurvée 81b de forme plane. Les deux portions 81a et 81b sont par exemple orientées de façon opposée selon une direction perpendiculaire au plan horizontal H. La première portion convexe 81a est disposée par exemple en regard de la partie 2A du stator 2, et notamment en regard de la portion 27a de la paroi interne 27. La deuxième portion plane 81b est tournée par exemple vers le rotor 4 (non illustré) en direction de la partie 2B du stator 2.
  • De façon avantageuse, en référence de nouveau à la , le rotor 4 peut présenter une forme générale de dôme. En particulier, la roue 41 du rotor 4 peut présenter une face horizontale plane et une face latérale concave. Les ailettes 42 du rotor 4 peuvent être formées chacune par une portion de disque, par exemple un demi-disque, qui s’étend radialement depuis la face latérale concave de la roue 41. En d’autres termes, les ailettes 42 peuvent présenter chacune une face convexe qui épouse au moins en partie la forme concave de la face latérale de la roue 41, et une face plane 42a dans un plan horizontal. Les faces planes 42a respectives des ailettes 42 sont disposées en regard de la portion plane 81b de l’insert 8.
  • Dans l’exemple illustré, les ailettes 42 sont planes et disposées radialement par rapport à la roue 41, c’est-à-dire perpendiculairement à la direction principale de la machine 1. En variante, les ailettes 42 peuvent être gauches et disposées en biais par rapport à la direction principale de la machine 1.
  • De façon avantageuse, le conduit 23 d’aspiration présente un diamètre supérieur à celui du conduit 24 de refoulement. En outre, le conduit 23 d’aspiration et le conduit 24 de refoulement débouchent dans le canal latéral 22 depuis l’une des faces principales F1, F2 du stator, ici la face F1. En variante non illustrée, les conduits 23, 24 peuvent déboucher dans le canal latéral 22 depuis la face périphérique F3 du stator 2.
  • Dans un autre mode de réalisation non illustré, l’insert 8 est formé par des aubages formés sur la paroi interne 27 formant le canal latéral 22. Ces aubages introduisent également une paroi interne déflectrice supplémentaire (par rapport à la paroi interne 27 formant le canal latéral 22) destinée à être balayée par le fluide en écoulement et à guider ce fluide dans le canal latéral 22.
  • En fonctionnement, le fluide est admis dans le conduit 23 puis dans le canal latéral 22 à une pression relativement basse. Sous l’effet de la rotation du rotor 4, le fluide circule dans le canal latéral 22 et effectue un mouvement tourbillonnaire autour de l’insert 8 en passant entre les ailettes 42 adjacentes du rotor 4 (voir ). Ce mouvement tourbillonnaire accroît la pression du fluide tout au long de l’écoulement dans le canal latéral 22. Le fluide comprimé sort du canal latéral 22 à travers le conduit 24 de refoulement.
  • La machine 1 à fluide peut également être utilisée comme turbine de détente. Suivant cette configuration, le fluide est admis dans le conduit 23 puis dans le canal latéral 22 à une pression relativement élevée. La pression du fluide entraîne le rotor 4 en rotation. L’écoulement du fluide s’effectue selon un mouvement tourbillonnaire autour de l’insert 8 en passant entre les ailettes 42 adjacentes du rotor 4. Ce mouvement tourbillonnaire diminue progressivement la pression du fluide tout au long de l’écoulement dans le canal latéral 22. Le fluide détendu sort du canal latéral 22 à travers le conduit 24.

Claims (13)

  1. Machine (1) à fluide comprenant un stator (2) et un rotor (4) monté en rotation à l’intérieur du stator (4), le stator (2) comprenant une zone centrale (25) autour de laquelle s’étend un canal latéral (22) destiné à un écoulement du fluide sous l’effet d’une rotation du rotor (4) ou en vue d’une rotation du rotor (4), le canal latéral (22) étant formé par une paroi interne (27) du stator 2 et présentant un premier rebord (22a) et un deuxième rebord (22b) entre lesquels s’étend un barrage (28) d’étanchéité, le stator (2) comprenant un insert (8) qui est disposé dans le canal latéral (22) de sorte à former dans le stator (2) une paroi interne (81) supplémentaire destinée à être balayée par le fluide en écoulement, et à guider le fluide dans le canal latéral (22), le rotor (4) comprenant une roue (41) pourvue d’une pluralité d’ailettes périphériques (42), caractérisée en ce que l’insert (8) est maintenu en suspension dans le canal latéral (22), de sorte que, sous l’effet de la rotation du rotor (4), le fluide circule dans le canal latéral (22) et effectue un mouvement tourbillonnaire autour de l’insert (8) en passant entre des ailettes (42) adjacentes du rotor (4).
  2. Machine (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le stator (2) comprend un conduit (23) d’aspiration et un conduit (24) de refoulement du fluide, les conduits (23, 24) ayant chacun une extrémité en communication fluidique avec le canal latéral (22) et une extrémité destinée à être en communication avec un milieu extérieur.
  3. Machine (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le conduit (23) d’aspiration débouche dans le canal latéral (22) au niveau ou à proximité du premier rebord (22a), le conduit (24) de refoulement débouche dans le canal latéral (22) au niveau ou à proximité du deuxième rebord (22b).
  4. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’insert (8) est formé autour de la zone centrale (25) du stator (2) et maintenu en suspension dans le canal latéral (22) au moyen d’un support (9) du stator (2).
  5. Machine (1) selon la revendications précédente, caractérisée en ce que le support (9) est formé par le barrage (28) d’étanchéité, l’insert (8) présentant une première extrémité (82) et une deuxième extrémité (83) disposées de part et d’autre du barrage (28) d’étanchéité.
  6. Machine (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que le support (9) comprend au moins une patte (91, 92) qui s’étend depuis la paroi interne (27) formant le canal latéral (22), l’insert (8) prenant appui sur la au moins une patte (91, 92).
  7. Machine (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la au moins une patte (91, 92) présente un profil aérodynamique configuré pour faciliter l’écoulement du fluide dans le canal latéral (22).
  8. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7 en combinaison avec la revendication 5, caractérisée en ce que le support (9) comprend deux pattes (91, 92) positionnées de part et d’autre du barrage (28) d’étanchéité.
  9. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le canal latéral (22), respectivement l’insert (8), s’étend sur un secteur en forme d’arc autour de la partie centrale (25) du stator (2) et présente une longueur d’arc comprise de préférence entre 290° et 350°.
  10. Machine (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le canal latéral (22), respectivement l’insert (8), présente dans un plan transversal vertical une section en forme de portion de disque.
  11. Machine (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le stator (2) comprend une partie inférieure (2A) et une partie supérieure (2B) assemblées l’une contre l’autre, la partie inférieure (2A) comprenant le conduit (23) d’aspiration, le conduit de refoulement (24) et l’insert (8), la partie supérieure (2B) comprenant un logement (21) configuré pour recevoir le rotor (4).
  12. Machine (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la roue (41) est en appui sur la partie centrale (25) du stator (2), les ailettes (42) étant disposées en saillie vers le canal latéral (22) et en regard de l’insert (8).
  13. Machine (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la machine (1) est un ventilateur, un compresseur ou une pompe.
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