EP4747504A1 - Pompe centrifuge a pales optimisees - Google Patents

Abstract

Pompe centrifuge comportant un rotor (110) avec un axe (A) de rotation et des pales distribuées (112) sur une face du rotor (110), les pales s'étendant d'une zone centrale (C1) du rotor jusqu'à une zone périphérique (C2) du rotor Chaque pale (112) a une corde (K) s'étendant entre un pied de pale formant un point d'entrée (E), situé dans la zone centrale (C1) du rotor, et un nez de pale formant un point de sortie (S), situé dans la zone périphérique (C2) du rotor. Le point d'entrée (E) et le point de sortie (S) forment avec le centre (O) du rotor, un angle de déploiement (φ) compris entre 75° et 110°, de préférence supérieur à 90°, voire supérieur à 95°, plus précisément égal à environ 102°.

Description

TITRE : POMPE CENTRIFUGE A PALES OPTIMISEES

Domaine technique de l’invention

[0001] La présente invention concerne une pompe centrifuge.

[0002] L’invention trouve en particulier une application dans le domaine automobile, notamment pour les véhicules électriques.

Arrière-plan technologique

[0003] Dans les véhicules à motorisation électrique, le nombre de composants se trouvant dans les circuits de refroidissement est croissant, ce qui implique une perte de pression hydraulique à compenser plus importante que pour une motorisation thermique.

[0004] En outre, dans les véhicules électriques, un moteur électrique spécifique est prévu pour l’entrainement de la pompe hydraulique utilisée pour faire circuler le fluide du circuit de refroidissement, alors que, dans les motorisations thermiques, les pompes du circuit de refroidissement sont entrainées à l’aide d’une courroie liée à l’arbre de sortie du moteur thermique et l’énergie prélevée sur la courroie pour faire fonctionner la pompe est souvent vue comme négligeable.

[0005] Dans les motorisations électriques, il existe donc un besoin d’optimiser le rendement hydraulique de ces pompes électriques afin d’économiser l’énergie prélevée sur les batteries du véhicule, ceci dans un environnement où la puissance des pompes doit en outre être plus élevée. Dans ce contexte, le déposant a établi qu’il existe un point de fonctionnement avantageux pour une telle optimisation, en relation avec une valeur donnée de débit et de pression de la pompe.

[0006] De manière connue, une pompe hydraulique centrifuge comprend une volute et un rotor comprenant une pluralité de pales.

[0007] Il est par ailleurs connu de dimensionner une pompe électrique en fonction de nombreux paramètres géométriques de ces éléments.

[0008] Pour optimiser le rendement hydraulique de la pompe électrique au niveau du point de fonctionnement repéré, les inventeurs ont remarqué qu’un paramètre de dimensionnement de la pompe électrique plus particulièrement pertinent est l’étendue angulaire de ses pales.

Résumé de l’invention [0009] Il est donc proposé une pompe centrifuge comportant : un rotor avec un axe de rotation ; et une ou des pales distribuées sur une face du rotor, la ou les pales s’étendant d’une zone centrale du rotor jusqu’à une zone périphérique du rotor ; la ou les pales ayant une corde s’étendant entre un pied de pale formant un point d’entrée situé dans la zone centrale du rotor, et un nez de pale formant un point de sortie situé dans la zone périphérique du rotor, le point d’entrée et le point de sortie formant avec l’axe de rotation du rotor, dans un plan orthogonal audit axe, un angle de déploiement compris entre 75° et 110°, de préférence supérieur à 90°, voire supérieur à 95°, plus précisément égal à environ 102°.

[0010] De manière surprenante, un tel angle de déploiement permet avantageusement d’optimiser le rendement hydraulique de la pompe électrique pour un point de fonctionnement couvrant de larges besoins.

[0011] L’invention peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, selon toute combinaison techniquement possible.

[0012] Chaque pale est configurée de sorte qu’elle présente un angle d’écoulement d’entrée compris entre 16° et 22°, de préférence égal à 19°, l’angle d’écoulement d’entrée étant formé entre une tangente à la zone centrale et une tangente à la corde de la pale concernée au point d’entrée.

[0013] Chaque pale est configurée de sorte qu’elle présente un angle d’écoulement de sortie compris entre 19° et 25°, de préférence égal à 22°, l’angle d’écoulement de sortie étant formé entre une tangente à la périphérie du rotor et une tangente à la corde de la pale concernée au point de sortie.

[0014] Le rotor a un rayon interne, définissant la zone centrale du rotor, compris entre 9 mm et 11 mm, de préférence égal à 10 mm.

[0015] Le rotor a un rayon externe, définissant la zone périphérique du rotor, compris entre 22 mm et 25 mm, de préférence égal à 23,2 mm.

[0016] Chaque pale a une hauteur mouillée décroissante entre le point d’entrée et le point de sortie de la pale.

[0017] Chaque pale a une hauteur mouillée d’entrée au point d’entrée, comprise entre 3,6 et 3,8 mm, de préférence égale à 3,7 mm. [0018] Chaque pale a une hauteur mouillée de sortie au point de sortie, comprise entre 2,3 et 2,5 mm, de préférence égale à 2,4 mm.

[0019] La corde de chaque pale s’étend selon un profil défini par un polynôme d’ordre 4 au moins, dans un repère orthonormé compris dans un plan orthogonal audit axe de rotation du rotor et centré sur ledit axe du rotor, l’axe des abscisses du repère passant par le nez et l’axe des ordonnées du repère passant par le pied de la pale concernée

[0020] Le polynôme est défini par l’équation suivante : y = -4. 10^-5. %⁴ + 1,1. 10^-3. %³ - 4,45. 10^-2%² - 0,4861. x + 10,806, où x et y désignent les coordonnées en deux dimensions dans le repère orthonormé, tel que x est compris entre -3 et 24 mm.

[0021] La pompe a un nombre de pales compris entre 5 et 10, de préférence égal à 8.

[0022] Chaque pale a une épaisseur comprise entre 0,8 et 2 mm, de préférence égale à 1 mm.

Brève description des figures

[0023] L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 illustre une pompe centrifuge selon un mode de réalisation particulier de l’invention selon une vue 1a de dessus et une vue 1b en perspective d’après un plan de coupe diamétral ; la figure 2 illustre un sous-ensemble de la pompe centrifuge selon la figure 1 selon une vue 2a de côté montrant l’assemblage d’un rotor et d’un flasque de ladite pompe, une de dessus 2b du rotor et une vue de dessous 2c de la flasque; la figure 3 est une vue de dessus d’une partie du rotor de la pompe selon l’invention ; la figure 4 correspond à la figure 3 sur laquelle est superposée un exemple de polynôme d’ordre 4 suivant une pale ; la figure 5 est une vue éclatée en trois dimensions du sous-ensemble de la figure 2 ; les figures 6 et 7 illustrent des résultats de performance de la pompe centrifuge selon l’invention.

Description détaillée de l’invention

[0024] Une pompe centrifuge selon un mode particulier de réalisation de l’invention va à présent être décrit en référence à la figure 1.

[0025] La pompe centrifuge 100 comprend un rotor 110, un flasque 120 d’entrée du fluide configurée pour venir en vis-à-vis du rotor, et une volute de sortie 140. La volute présente une section droite croissante angulairement jusqu’à un conduit de sortie 150 de ladite pompe.

[0026] De préférence, le rotor 110 est en forme de disque comprenant un orifice de passage d’un arbre d’entraînement (non illustré).

[0027] De préférence, la flasque 120 est de forme annulaire avec un évasement central. La flasque 120 comprend un orifice de passage 124 du fluide situé dans une zone centrale de la flasque 120 et destiné à recevoir un conduit d’entrée 130 de ladite pompe 100.

[0028] La flasque 120 présente ici un canal d’introduction du fluide raccordé à une zone plane 125 de la flasque par une zone incurvée 126. Le canal d’introduction est situé au centre dans la continuité axiale du conduit d’entrée 130 et la zone plane 125 est située en périphérie.

[0029] Le rotor 110 et la flasque 120 vont être à présent décrits plus en détail en référence à la figure 2.

[0030] Le rotor 110 présente un axe de rotation A correspondant dans un plan orthogonal audit axe à un centre de rotation O, autour duquel le rotor est destiné à être entraîné par l’arbre d’entraînement.

[0031] Comme illustré sur la vue 2b, le rotor 110 comprend une pluralité de pales 112 distribuées sur une face du rotor. Le rotor 110 et la flasque 120 définissent de la sorte une pluralité de passages pour le fluide entre deux pales voisines.

[0032] De préférence, le nombre de pales est égal à 8. De manière plus générale, ce nombre est compris entre 5 et 10.

[0033] Par exemple, les pales 112 sont distribuées de manière uniforme, c’est-à-dire régulièrement répartie, de façon angulaire, autour de l’axe de rotation de la pompe. [0034] Chaque pale 112 s’étend d’une zone centrale C1 du rotor 110 jusqu’à une zone périphérique C2 du rotor, plus particulièrement, jusqu’à un bord périphérique C2 du rotor 110.

[0035] Un diamètre du canal d’introduction de la flasque 120 décrite sur la figure 1 b est inférieur à un diamètre de la zone centrale C1 du rotor 110. Un diamètre externe de la zone incurvée 126 selon la figure 1 b est supérieur au diamètre de la zone centrale C1. La partie centrale du rotor 110 est ainsi située en vis-à-vis de la partie incurvée 126 de la flasque 120.

[0036] La flasque 120 représentée sur la vue 2c présente des gorges 122 configurées pour accueillir un bord longitudinal des pales 112 lorsque la flasque 120 est montée sur le rotor 110 comme illustré à gauche sur la vue 2a.

[0037] La configuration des pales 112 va à présent être décrite plus en détail en référence à la figure 3.

[0038] Le rotor 110 a un rayon intérieur R1 défini par rapport au centre de rotation O du rotor 110. Ainsi, la zone centrale C1 du rotor est définie par un cercle intérieur centré sur le centre de rotation O et de rayon égal au rayon interne R1. De préférence, le rayon intérieur R1 est égal à 10 mm. De manière plus générale, ce rayon R1 est compris entre 9 mm et 11 mm.

[0039] Le rotor 110 est muni d’un bord externe présentant un rayon extérieur R2 défini par rapport au centre de rotation O du rotor 110. Ainsi, la zone périphérique C2 du rotor est définie par un cercle extérieur centré sur le centre de rotation O et de rayon égal au rayon extérieur R2. De préférence, le rayon extérieur R2 est égal à 23,2 mm. De manière plus générale, ce rayon R2 est compris entre 22 mm et 25 mm.

[0040] De préférence, chaque pale 112 a une épaisseur t égale à 1 mm. De manière plus générale, l’épaisseur t est comprise entre 0,8 et 2 mm.

[0041] Chaque pale 112 a une corde K s’étendant entre un pied de pale formant un point d’entrée E situé dans la zone centrale C1 du rotor et un nez de pale formant un point de sortie S, situé dans la zone périphérique C2 du rotor.

[0042] Par exemple, pour chaque pale 112, le point d’entrée E correspond à l’intersection entre la corde K et la surface intérieure du rotor définie par le rayon intérieur R1. Par exemple, le point de sortie S correspond à l’intersection entre la corde K et la surface extérieure du rotor définie par le rayon extérieur R2. [0043] Par définition, la corde d’une pale désigne une courbe épousant le profil de la pale depuis le pied de pale jusqu’au nez de pale, de sorte que chaque point de la courbe est à équidistance des parois de la pale.

[0044] Les pales présentent un profil incurvé entre leur pied de pale et leur nez de pale.

[0045] Selon une particularité de l’invention, le point d’entrée E et le point de sortie S forment, avec le centre O du rotor, un angle de déploiement (p compris entre 75° et 110°, de préférence supérieur à 90°, voire supérieur à 95°. Dans le présent exemple, l’angle de déploiement (p est égal à environ 102°.

[0046] Pour chaque pale 112, on définit au niveau du pied de pale un angle d’écoulement d’entrée pi formé entre la tangente T1’ au cercle interne C1 de rayon interne R1 du rotor 110 et la tangente T1 à la corde K de la pale concernée au point d’entrée E.

[0047] De préférence, l’angle d’écoulement d’entrée pi est égal à environ 19°. De manière plus générale, cet angle pi est compris entre 16° et 22°.

[0048] Pour chaque pale 112, on définit, au niveau du nez de pale, un angle d’écoulement de sortie p2 formé entre la tangente T2’ à la périphérie C2 du rotor 110 et la tangente T2 à la corde K de la pale concernée au point de sortie S.

[0049] De préférence, l’angle d’écoulement de sortie p2 est égal à environ 22°. De manière plus générale, cet angle est compris entre 19° et 25°.

[0050] L’ensemble des points d’entrée E des pales 112 sont disposés à équidistance deux à deux, de préférence suivant le cercle interne C1 de rayon interne R1 et les pales ont toute un même profil de corde, si bien que, comme déjà évoqué, les pales sont uniformément réparties sur la face du rotor 110.

[0051] Un exemple de corde de pale va à présent être décrit en référence à la Figure 4 qui reprend la figure 3.

[0052] Pour définir la corde K de cette pale 112, on définit tout d’abord un repère orthonormé (X,Y) de référence, compris dans un plan orthogonal à l’axe de rotation du rotor 110. Ce repère (X,Y) est centré sur le centre de rotation O du rotor 110 dans ce plan. Autrement dit, l’origine (X=0, Y=0) du repère coïncide avec le centre de rotation O. Ce repère est orienté de sorte que l’axe des abscisses X du repère passe par le nez de la pale 112 et l’axe des ordonnées Y du repère passe par le pied de la pale 112 (notamment un intrados du pied de pale concernée). [0053] De préférence, la corde K de la pale 112 s’étend selon un profil défini par un polynôme d’ordre 4, défini dans le repère orthonormé (X,Y) par l’équation suivante : y = —4. 10^-5. %⁴ + 1,1. 10^-3. %³ — 4,45. 10^-2x² — 0,4861. x + 10,806 , où x et y désignent les coordonnées en deux dimensions dans le repère orthonormé, tel que x est compris entre -3 et 24 mm. Le coefficient de corrélation R² permettant d’apprécier la précision de cette estimation est de 0,9994.

[0054] Dans le présent exemple, toutes les autres pales 112 ont une corde définie par le même polynôme par rotation du repère orthonormé (X,Y) autour de l’axe de rotation O. Autrement dit, chaque pale 112 présente le même profil.

[0055] Le profil de hauteur des pales 112 va être à présent décrit en référence à la figure 5 qui est une vue éclatée en perspective de l’ensemble formé par le rotor 110 et la flasque 120.

[0056] De préférence, chaque pale 112 a une hauteur mouillée d’entrée b1 au point d’entrée E égale à 3,7 mm. De manière plus générale, cette hauteur b1 est comprise entre 3,6 et 3,8 mm.

[0057] De préférence, chaque pale 112 a une hauteur mouillée de sortie b2 au point de sortie S égale à 2,4 mm. De manière plus générale, cette hauteur b2 est comprise entre 2,3 et 2,5 mm.

[0058] Par définition, la hauteur mouillée désigne la dimension de la pale dans la direction parallèle à l’axe de rotation de la pompe, pour la partie de la pale plongée dans le flux.

[0059] Dans le présent exemple, la hauteur de chaque pale 112 varie entre son point d’entrée E et son point de sortie S. De préférence, la hauteur mouillée en entrée b1 est légèrement plus élevée que la hauteur mouillée en sortie b2, d’environ 1/3.

[0060] Sur la figure 5 est représenté en trait plein, un exemple de profil P transversal d’une pale 112. Selon cet exemple, la pale 112 a une hauteur constante égale à b2 suivant la majeure partie du rayon externe R2 du rotor 110 depuis sa périphérie C2, notamment sur 80%, voire 90% de sa longueur de corde, et augmente de manière croissante dans la zone centrale C1 du rotor 110 pour atteindre une hauteur maximale au centre O du rotor 110 égale à b1. Une telle caractéristique facilite une transition du fluide entre le canal d’introduction de la flasque et les passages de fluide entre les pales. Après cette zone de transition, la section droite des passages de fluide est sensiblement constante. [0061 ] En référence aux figures décrites ci-avant et comme déjà indiqué, les pales 112 du rotor 110 sont identiques, i.e. elles présentent toutes la même corde définie par un polynôme et le même profil de hauteur. Toutefois, dans d’autres modes de réalisation, les pales ne seront pas nécessairement toutes identiques.

[0062] Les performances de la pompe centrifuge telle que décrite ci-avant ont été évaluées en termes de rendement à partir de résultats de mesures qui vont être à présent décrits en référence à la Figure 6.

[0063] Par définition, le rendement total p d’une pompe centrifuge est le produit du rendement hydraulique ph et du rendement mécanique r|_m, tels que définis par l’équation suivante :

[0064] [Math.

Q : débit volumique (en L/h) ;

P : pression (mbar)

C : couple (Nm)

U : tension (V)

I : courant (A) co : vitesse de rotation (rad/s)

[0065] Pour la pompe centrifuge 100 telle que décrite ci-avant, la figure 6 représente en fonction du débit volumique Q exprimé en L/h en abscisses : sur une courbe GP, la pression P exprimée en mbar en ordonnées; sur une courbe G_nh, le rendement hydraulique en ordonnées; et sur une courbe G_n, le rendement total en ordonnées.

[0066] Ces courbes ont été obtenues par mesure lorsque la pompe centrifuge 100 est configurée à un point de fonctionnement F pour lequel la vitesse de rotation œ du rotor 110 est maintenue à 7300 tours par minute (tpm). Pour ce point de fonctionnement, on constate que le rendement total p est maximal, environ égal à 0,47 tandis que le rendement hydraulique p_h est maximum, environ égal à 0,70.

[0067] La figure 7 illustre les performances d’un moteur électrique configuré pour entrainer la pompe centrifuge 100 selon l’invention utilisée pour faire circuler le fluide du circuit de refroidissement dans un véhicule électrique, lorsque la pompe est configurée au point de fonctionnement F décrit en référence à la figure 6. [0068] Les performances du moteur électrique ont été mesurées en termes de puissance électrique et de couple. Les résultats de ces mesures sont représentés, en fonction du débit volumique Q exprimé en L/h en abscisses, par une courbe Gp_e représentant la puissance électrique P_e exprimée en W en ordonnées ; et par une courbe Gc représentant le couple C exprimé en Nm.

[0069] Par définition, la puissance électrique Pe est définie par le produit d’une tension électrique U et d’un courant électrique I.

[0070] D’après ces résultats, on constate que pour un débit volumique correspondant au point de fonctionnement F prédéfini, i.e. Q environ égal à 2300 L/h, le couple et la puissance électrique ont quasiment atteint leur valeur maximale.

Claims

Revendications

Revendication 1 Pompe hydraulique centrifuge (100) comportant : un rotor (110) avec un axe de rotation (A) ; une ou des pales distribuées (112) sur une face du rotor, la ou les pales s’étendant d’une zone centrale (C1) du rotor jusqu’à une zone périphérique (C2) du rotor ; la ou les pales ayant une corde (K) s’étendant entre un pied de pale formant un point d’entrée (E), situé dans la zone centrale (C1) du rotor, et un nez de pale formant un point de sortie (S), situé dans la zone périphérique (C2) du rotor ; le point d’entrée (E) et le point de sortie (S) formant avec l’axe de rotation (A) du rotor, dans un plan orthogonal audit axe (A), un angle de déploiement (<p) compris entre 75° et 110°, de préférence supérieur à 90°, voire supérieur à 95°, plus précisément égal à environ 102°.

Revendication 2 Pompe selon la revendication 1 , dans laquelle chaque pale (112) est configurée de sorte qu’elle présente un angle d’écoulement d’entrée (P1) compris entre 16° et 22°, de préférence égal à 19°, l’angle d’écoulement d’entrée (pi) étant formé entre une tangente (TT) à la zone centrale (C1) et une tangente (T1) à la corde (K) de la pale concernée au point d’entrée (E).

Revendication 3 Pompe selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle chaque pale (112) est configurée de sorte qu’elle présente un angle d’écoulement de sortie (P2) compris entre 19° et 25°, de préférence égal à 22°, l’angle d’écoulement de sortie (P2) étant formé entre une tangente (T2’) à la périphérie (C2) du rotor et une tangente (T2) à la corde (K) de la pale concernée au point de sortie (S).

Revendication 4 Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le rotor (110) a un rayon interne (R1) définissant la zone centrale (C1), ledit rayon étant compris entre 9 mm et 11 mm, de préférence égal à 10 mm.

Revendication 5 Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le rotor (110) a un rayon externe (R2) définissant la zone périphérique (C2), ledit rayon étant compris entre 22 mm et 25 mm, de préférence égal à 23,2 mm Revendication 6 Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle chaque pale (112) a une hauteur mouillée d’entrée (b1) au point d’entrée (E), comprise entre 3,6 et 3,8 mm, de préférence égale à 3,7 mm.

Revendication 7 Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle chaque pale (112) a une hauteur mouillée de sortie (b2) au point de sortie (S), comprise entre 2,3 et 2,5 mm, de préférence égale à 2,4 mm.

Revendication 8 Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la corde (K) de chaque pale (112) s’étend selon un profil défini par un polynôme d’ordre 4, dans un repère orthonormé (X,Y) compris dans un plan orthogonal audit axe de rotation (A) du rotor et centré sur ledit axe du rotor, l’axe des abscisses (X) du repère passant par le nez (S) et l’axe des ordonnées (Y) du repère passant par le pied (E) de la pale concernée (112), le polynôme étant défini par l’équation suivante : y = -4. 10^-5. %⁴ + 1,1. 10^-3. %³ - 4,45. 10^-2%² - 0,4861. x + 10,806, où x et y désignent les coordonnées en deux dimensions dans le repère orthonormé (X,Y), tel que x est compris entre -3 et 24 mm.

Revendication 9 Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la pompe a un nombre de pales compris entre 5 et 10, de préférence égal à 8.

Revendication 10 Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle chaque pale a une épaisseur comprise entre 0,8 et 2 mm, de préférence égale à 1 mm.