FR2693515A1 - Moyeu arbitraire pour roues centrifuges. - Google Patents

Abstract

Cette roue centrifuge comprend un moyeu tournant autour d'un axe de rotation (14) et portant des pales (26) ayant une surface d'aspiration (28) et une surface de pression (30). Une partie du moyeu fait saillie entre les surfaces de pression et d'aspiration. Dans un plan imaginaire perpendiculaire à l'axe de rotation, si l'on trace un premier cercle (22) passant par un point du moyeu le plus proche de l'axe et un second cercle (22'), concentrique, de rayon supérieur à celui du premier cercle de cinq pourcent de la hauteur de la pale, mesurée dans le même plan, une partie (24) du moyeu fait saillie au-delà du second cercle (22'). Cette configuration peut donner de meilleures caractéristiques d'écoulement, comparativement aux configurations où le moyeu est concentrique.

Description

Cette invention se rapporte d'une façon générale aux roues centrifuges (notamment de pompes) et, plus particulièrement, à des constructions à moyeu arbitraire pour des roues centrifuges.

Dans les roues centrifuges de la technique antérieure, tous les points du moyeu qui sont situés dans un même plan perpendiculaire à l'axe de rotation se trouvent approximativement à la même distance de l'axe de rotation. Cette configuration est appelée le dessin ou contour de moyeu concentrique ou non arbitraire.

I1 est fréquent que les dessins de moyeux non arbitraires ne soient pas le dessin optimal, si l'on tient compte de la compressibilité des fluides, de ltécoulement non uniforme dans le passage compris entre les pales de la roue, de la résistance de la roue aux charges exercées sur elle, et du fait que la roue tourne toujours dans le même sens. Pour ces raisons, parmi d'autres, il est fréquent que la roue à configuration de moyeu non arbitraire ne soit pas la plus efficace, ou que cette configuration limite la plage des vitesses de rotation auxquelles la roue peut travailler.

Ce qui précède illustre les limitations dont on sait qu'elles existent dans les versions actuelles des roues centrifuges. I1 est donc visible qu'il serait avantageux de créer une alternative visant à éliminer une ou plusieurs des limitations définies ci-dessus. Pour cette raison, on a créé une alternative appropriée, qui possède les caractéristiques qui sont décrites plus complètement ci-après.

Selon un aspect, l'invention a pour objet une roue centrifuge comprenant un moyeu muni, autour d'un axe de rotation, d'une pluralité de pales s'étendant sensiblement radialement, fixées au moyeu, chaque pale ayant une surface d'aspiration, tandis qu'une surface de pression est formée sur la pale adjacente, face à la surface d'aspiration. Les pales ont une hauteur1 mesurée dans Ia direction radiale à partir du moyeu. Une partie du moyeu, possédant une configuration de moyeu, s'étend entre la surface de pression et la surface d'aspiration.

Un plan imaginaire qui s'étend dans une direction normale à l'axe de rotation est utilisé pour définir une vue en coupe de la roue. Un premier et un second cercle concentriques sont formés dans le plan, le centre des cercles concentriques étant l'axe de rotation. Le premier cercle passe par un point du moyeu qui est le plus proche de l'axe de rotation. Le second cercle a un rayon supérieur à celui du premier cercle d'une quantité égale à cinq pourcent de la hauteur de la pale, et une partie du moyeu fait saillie en dehors du second cercle.

Préférentiellement, une ou plusieurs des dispositions suivantes seront adoptées:
La partie de la surface du moyeu qui est comprise entre deux pales adjacentes est asymétrique par rapport à un point situé à mi-distance entre les deux pales.

Le moyeu fait saillie à l'extérieur du second cercle entre le point milieu et une pale et ne fait pas saillie au-delà du second cercle entre le point milieu et l'autre pale.

La configuration de moyeu arbitraire conserve le passage d'écoulement formé par la surface d'aspiration de la pale, la surface de pression de la pale adjacente, et le moyeu sous la forme d'un passage d'écoulement unique.

La surface du moyeu est non symétrique entre deux pales adjacentes.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels:
La figure 1 est une vue en perspective de dessus et de côté qui illustre une forme de réalisation d'une roue centrifuge de la technique antérieure, et qui montre un plan qui est normal à l'axe de rotation de la roue et qui repère une vue en coupe de la roue;
La figure 2 est une vue en coupe d'un quadrant de la roue, repéré par le plan de la figure 1;
La figure 3 est une vue en coupe, analogue à la figure 2, d'une forme de réalisation d'un moyeu arbitraire selon l'invention;
La figure 4 est une vue en coupe, analogue à la figure 2, d'une variante de réalisation d'un moyeu arbitraire selon l'invention;;
La figure 5 est une vue en coupe prise selon la ligne de coupe 5-5 de la figure 4 pendant le fraisage de la roue;
La figure 6 est une vue en coupe, analogue à la figure 5, prise après le fraisage, et qui montre un carter fixe (c'est-à-dire non rotatii) dans sa position nor male
la figure 7 est un schéma illustrant les vitesses d'écoulement du fluide le long de la ligne A-A de la figure 2 pour une roue centrifuge idéale sans frottement superficiel
la figure 8 est une vue analogue à la figure 7 correspondant à la roue centrifuge réelle de la technique antérieure des figures 1 et 2 lorsqu'on tient compte du frottement superficiel
la figure 9 est une vue analogue à la figure 7 correspondant à la roue selon l'invention telle qu'elle est représentée sur la figure 3
la figure 10 est une vue en coupe, analogue à la figure 2, d'un moyeu arbitraire non symétrique selon l'invention.

Dans le présent mémoire, les éléments qui sont identiques dans différentes formes de réalisation sont désignés par les memes signes de référence.

L'invention se rapporte au contour du moyeu 10 d'une roue centrifuge 12. Le moyeu et la roue sont formés concentriquement et tournent autour d'un axe de rotation 14.

Une série de pales 26 s'étendant sensiblement radialement sont fixées au moyeu 10 de la roue centrifuge 12. Chaque pale possède une première face ou face d'aspiration 28 et une seconde face ou face de pression 30, une partie distincte du moyeu étant placée entre la première face 28 et la seconde face 30. La roue tourne autour de l'axe de rotation dans le sens de rotation 31.

Un congé de raccordement 32 peut être prévu entre le moyeu 10 et les faces 28, 30.

Pour un point donné de l'axe de rotation 14, on ne peut faire passer qu'un seul plan 20 qui est normal à l'axe de rotation. On peut tracer deux cercles concentriques 22 et 22' dans ce plan, autour de l'axe de rotation. Dans les roues centrifuges de la technique anté rieure (voir figure 2), le contour 23 du moyeu correspond de très près à un cercle concentrique 22.

On peut déterminer comme suit si un profil de moyeu est arbitraire ou non arbitraire. Pour chaque plan, le cercle concentrique 22 (figures 2 et 3) est tracé pour couper un point 33' du moyeu 10 qui est plus proche de l'axe de rotation 14. Le second cercle concentrique 22' est tracé avec un rayon qui est supérieur à celui du premier cercle concentrique 22 d'une distance égale à cinq pourcent de la hauteur 25 d'une pale 26, mesurée dans la direction radiale.

Si aucune partie du moyeu ne fait saillie à l'extérieur du second cercle concentrique 22', le moyeu est concentrique et non arbitraire (comme représenté sur la figure 2). Si une partie du moyeu 24 fait saillie à l'extérieur du second cercle concentrique 22' (comme sur la figure 3), le moyeu est considéré comme arbitraire ou non concentrique.

Une variante de procédé pour déterminer un profil de moyeu arbitraire pour un plan donné 20 est indiquée ci-après (figure 4). Un premier rayon 33 s'étend de l'axe de rotation 14 à un premier point 33', qui est le point du moyeu qui est le plus proche de l'axe de rotation. Un second rayon 35 s'étend de l'axe de rotation 14 à un second point 35' qui est le point du moyeu 10 qui est le plus éloigné de l'axe de rotation.

Pour qu'un profil de moyeu soit considéré comme arbitraire, il faut que la différence de longueur entre le premier rayon 33 et le second rayon 35 soit supérieure à cinq pourcent de la hauteur totale 36 (mesurée radialement) de la pale 26. Aucun point situé dans les congés de raccordement 32 ni sur les faces des pales 28, 30 ne doit être pris en considération pour déterminer si une surface est arbitraire ou non arbitraire.

Une roue donnée possédant une construction de moyeu arbitraire peut avoir une série de plans ayant des profils de moyeu arbitraire tandis qu'une autre série de plans de la même roue n'ont pas de profil arbitraire. En variante, le profil spécifique d'un moyeu arbitraire, ou le but poursuivi en réalisant un moyeu arbitraire, peut varier d'un plan à l'autre dans une même roue 12.

Le caractère arbitraire d'une surface de moyeu peut être aussi défini dans un plan imaginaire perpendiculaire à la direction principale de l'écoulement, de la même façon qu'on l'a décrit plus haut dans un plan imaginaire normal à l'axe de rotation.

Même si les faces 28, 30 sont des surfaces courbes, elles peuvent fréquemment être engendrées à l'aide d'un flanc 42 d'une fraise 34, puisque la courbe qui forme les faces peut être composée d'une série de lignes droites (comme décrit dans le brevet des E.U.A. nO 5 014 421), délivré le 14 mai 1991, incorporé au présent mémoire à titre de référence.

Lorsqu'un flanc 42 de la fraise 44 taille les flancs 28, 30, un point 44 de la fraise 34 taille une partie du moyeu 10 comme ceci est représenté sur la figure 5. Fréquemment, le moyeu 10 est entièrement taillé par fraisage ponctuel. Dans la technique antérieure, le moyeu présente des surfaces festonnées 23 après l'usinage (voir figure 2). Une surface arbitraire correspond à une irrégularité de surface beaucoup plus forte que celle d'une surface festonnée.

Etant donné que, dans le cas du fraisage ponctuel, une surface courbe demande à peu près le même temps d'usinage qu'une surface plane, une surface de moyeu arbitraire (qui est incurvée selon une courbe voulue par le concepteur de la roue), comme représenté sur les figures 3 et 4, peut être usinée avec une fraise ponctuelle à peu près avec le même rendement qu'une surface concentrique.

Bien que l'exposé donné ci-dessus à propos du profil d'un moyeu arbitraire correspond à l'usinage de la roue par des techniques de fraisage, il va de soi qu'on obtient des avantages tout aussi importants dans le cas d'une roue moulée ayant une surface de moyeu arbitraire. En outre, les roues possédant des surfaces de moyeu arbitraire peuvent être moulées aussi facilement que les roues de la technique antérieure.

Les profils de moyeux arbitraires possèdent des caractéristiques d'écoulement améliorées comme décrit ci-après. Une surface de moyeu arbitraire spécifique peut avoir différents effets sur le rendement de la roue, selon la vitesse de rotation de la roue, les caractéristiques spécifiques du fluide qui est pompé ou comprimé, et la géométrie spécifique des pales de la roue.

Dans la roue centrifuge 12, il n'y a que quatre surfaces qui sont en contact direct avec le fluide travaillant et qui peuvent donc affecter les caractéristiques d'écoulement du fluide. Ces surfaces sont la face d'aspiration 28 de la pale, la face de pression 30 de la pale, le moyeu 10 et le carter 45. Ces quatre surfaces 28, 30, 10 et 45 forment un passage 52 par lequel le fluide passe lorsqu'il traverse la roue.

Le carter 45 forme la quatrième face du passage qui limite l'écoulement du fluide dans le passage, avec les deux pales et le moyeu 10. Le carter peut être fixe, et séparé de la roue, ou encore il peut être fixé à la roue et tourner avec cette dernière. S'il est fixé à la roue, le carter 45 peut être formé selon un dessin arbitraire pour produire des résultats analogues à celui du moyeu.

I1 y a plusieurs raisons pour lesquelles on peut préférer des profils de moyeux arbitraires à des profils de moyeux concentriques. Les caractéristiques d'écoulement idéales pour la roue centrifuge, le long de la ligne A-A de la figure 2 (dans le sens qui s'enfonce à travers le plan de la figure) sont celles où les vitesses d'écoulement dans les régions adjacentes à la paroi 28 sont identiques aux vitesses d'écoulement observées au centre du passage 52.

Les caractéristiques d'écoulement réelles produites par des roues centrifuges 12 ayant des surfaces de moyeux concentrique sont illustrées sur la figure 8, sur laquelle les vitesses dans la région proche du centre du passage 52 sont supérieures aux vitesses du fluide à proximité des pales, en raison du frottement superficiel et de la turbulence. Ces irrégularités de l'écoulement rendent la roue moins efficace et restreignent la plage de travail dans laquelle la roue présente des caractéristiques d'écoulement stables.

Pour rendre les vitesses d'écoulement égales sur toute la largeur du passage, on trace un contour de moyeu arbitraire 24 représenté sur la figure 3 dans lequel le fluide qui entre dans le centre du passage 52 tend à être dévié vers l'une ou l'autre paroi. Le profil obtenu par la vitesse du fluide qui passe par ce passage est illustré sur la figure 9 ; ce profil est plus proche du profil idéal de vitesse que celui des roues centrifuges de la technique antérieure.

Comme représenté sur la figure 4, une autre configuration de moyeu arbitraire comprend des rainures 65 qui s'étendent dans une direction méridienne (dans la direction perpendiculaire au plan du dessin). Ces rainures opposent une résistance à la tendance du fluide qui passe dans le passage 52 à s'écouler transversalement ce passage. L'écoulement transversal tend à créer une turbulence qui diminue le rendement de la roue et qui limite aussi la plage dans laquelle la roue travaillera de fa çon stable.

Une troisième raison qu'on peut avoir pour former un moyeu arbitraire consiste dans des considérations de structure, comme représenté sur la figure 10. Lorsque les roues sont exposées à de grandes vitesses de rotation autour de l'axe de rotation 14, les pales ou le moyeu risquent être soumis à une contrainte inacceptable. Cette contrainte peut être augmentée dans les constructions dans lesquelles le carter 45 tourne avec la roue. Pour réduire cette contrainte, on peut donner au moyeu un contour arbitraire en un point où les caracté ristiques d'écoulement ne sont pas critiques.

Quelle que soit la raison pour laquelle la surface du moyeu est formé de façon arbitraire, étant donné que le moyeu est habituellement fabriqué en appliquant, soit le fraisage ponctuel, soit le moulage, le temps nécessaire pour produire les pièces ne devrait pas être considérablement allongé.

Une configuration de moyeu arbitraire 10 apporte la possibilité de donner au moyeu une forme non symétrique, ce qui peut être déterminé comme suit (figure 10). Une intersection d'aspiration 70 est le point du plan 20 où la surface d'aspiration 28 coupe le moyeu 10.

Une intersection de pression 72 est le point où la surface de pression 30 d'une pale adjacente coupe le moyeu 10. Les congés ne sont pas pris en considération dans la détermination des points d'intersection.

On trace un premier rayon 74 de l'axe de rotation 14 à l'intersection d'aspiration 70. On trace un second rayon 76 de l'axe de rotation à l'intersection de pression 72. On trace un troisième rayon 78 pour diviser en deux parties égales l'angle compris entre le premier rayon et le second rayon.

On construit entre le troisième rayon et le second rayon le symétrique 80 du moyeu entre le troisième rayon et le premier rayon. Si le moyeu est symétrique ou concentrique, le symétrique sera approximativement le moyeu entre le troisième rayon et le second rayon.

Au contraire, si le moyeu est non symétrique et arbitraire, comme indiqué sur la figure 10, le moyeu 10 n'est pas conforme au symétrique entre le troisième rayon et le second rayon. Cette configuration démontre la liberté dont le concepteur dispose pour le choix de différentes configurations de moyeux arbitraires.

Bien que ce qui précède décrive des raisons pour lesquelles on choisit une configuration de moyeu arbitraire, on reste dans le domaine de l'invention en réalisant des surfaces arbitraires pour une raison quelconque.

Claims (18)

REVENDICATIONS

1. Roue centrifuge, comprenant

un moyeu (10) ayant un axe de rotation (14)

une pluralité de pales (26) s'étendant sensiblement radialement, fixées au moyeu (10), chaque pale possédant une hauteur (36), mesuree dans une direction radiale à partir du moyeu, chaque pale ayant une surface d'aspiration (28), une surface de pression (30) étant formée sur une pale adjacente, face à la surface d'aspiration

une surface d'aspiration (28) d'une pale, la surface de pression (30) de la pale (16) adjacente, et le moyeu (10), formant un passage d'écoulement caractérisée en ce que le moyeu (10) possède une configuration arbitraire définie par un premier et un second cercles concentriques (22 et 22') formés dans un plan imaginaire (20), le plan imaginaire (20) s'étendant dans une direction normale à l'axe de rotation (14), les centres des cercles concentriques (22, 22') étant l'axe de rotation (14), le premier cercle passant par un point du moyeu qui est le plus proche de l'axe de rotation (14), le second cercle ayant un rayon supérieur d'au moins cinq pourcent de la hauteur (36) de la pale (26) à celui du premier cercle (22), au moins une partie (24) du moyeu faisant saillie à l'extérieur du second cercle (22').

2. Roue centrifuge selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie de la surface du moyeu qui est comprise entre deux pales (26) adjacentes est asymétrique par rapport à un point situé à mi-distance entre les deux pales.

3. Roue centrifuge selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moyeu fait saillie à l'extérieur du second cercle (22') entre le point milieu et une pale et ne fait pas saillie au-delà du second cercle (22') entre le point milieu et l'autre Pale (26).

4. Roue centrifuge selon la revendication 1, caractérisée en ce que la configuration de moyeu arbitraire conserve le passage d'écoulement formé par la surface d'aspiration (28) de la pale, la surface de pression (30) de la pale adjacente, et le moyeu (10) sous la forme d'un passage d'écoulement unique.

5. Roue centrifuge selon la revendication 4, caractérisée en ce que la configuration de moyeu arbitraire rend les vitesses d'écoulement égales sur toute la largeur du passage d'écoulement.

6. Roue centrifuge selon la revendication 4, caractérisée en ce que la configuration de moyeu arbitraire réduit l'écoulement transversal dans le passage d'écoulement.

7. Roue centrifuge selon la revendication 4, caractérisée en ce que la surface du moyeu est non symétrique entre deux pales (26) adjacentes.

8. Roue centrifuge à écoulement radial, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyeu (10) ayant une configuration de moyeu formée autour d'un axe de rotation (14), une série de pales (26) s'étendant sensiblement radialement, qui sont fixées au moyeu, les pales ayant une hauteur (36) mesurée dans une direction radiale à partir du moyeu (10) ;; la configuration du moyeu ayant une surface arbitraire définie par un premier rayon (33) qui colncide avec un plan imaginaire (20), le plan imaginaire (20) s'étendant dans une direction normale à l'axe de rotation (14), le premier rayon s'étendant de l'axe de rotation (14) à un premier point (33'), le premier point (33') étant un point de la configuration du moyeu qui est le plus proche de l'axe de rotation (14), un second rayon (35), qui colncide avec le plan imaginaire (20), qui s'étend de l'axe de rotation (14) à un second point (35'), le second point (35') étant un point de la configuration du moyeu qui est le plus éloigné de l'axe de rotation (14), la différence de longueur entre le premier rayon et le second rayon étant supérieure à cinq pourcent de la hauteur (36) de la pale.

9. Roue centrifuge à flux radial selon la revendication 8, caractérisée en ce que la configuration arbitraire du moyeu maintient en un passage d'écoulement unique le passage d'écoulement formé par la surface d'aspiration (28) de la pale, la surface de pression (30) de la pale adjacente, et le moyeu (10).

10. Roue centrifuge à flux radial selon la revendication 9, caractérisée en ce que la configuration arbitraire du moyeu rend les vitesses d'écoulement égales sur toute la largeur du passage d'écoulement.

11. Roue centrifuge à flux radial selon la revendication 9, caractérisée en ce que la configuration arbitraire du moyeu réduit l'écoulement transversal dans le passage d'écoulement.

12. Roue centrifuge à flux radial selon la revendication 9, caractérisée en ce que la surface du moyeu (10) entre deux pales adjacentes est non symétrique.

13. Roue centrifuge à flux radial comprenant un moyeu (10) ayant un axe de rotation (14), une pluralité de pales (26) s'étendant sensiblement radialement, fixées au moyeu, chaque pale ayant une hauteur (36) mesurée dans une direction radiale à partir du moyeu, chaque pale ayant une surface d'aspiration (28), une surface de pression (30) étant formée sur la pale adjacente, face à la surface d'aspiration ; une surface d'aspiration (28) d'une pale, la surface de pression (30) de la pale adjacente et le moyeu (10) formant un passage d'écoulement caractérisée en ce que le moyeu (10) possède une surface arbitraire définie par un premier et un second cercles concentriques (22, 22'), formés dans un plan imaginaire (20), le plan imaginaire (20) s'étendant dans une direction normale à l'axe de rotation (14), les centres des cercles concentriques étant l'axe de rotation (14), le premier cercle passant par un point du moyeu qui est le plus proche de l'axe de rotation (14), le second cercle ayant un rayon supérieur d'une valeur égale à cinq pourcent de ladite hauteur (36) de la pale (26) à celui du premier cercle, au moins une partie (24) du moyeu faisant saillie à l'extérieur du second cercle.

14. Roue centrifuge à flux radial selon la revendication 13, caractérisée en ce que la partie de la surface du moyeu qui est comprise entre deux pales adjacentes est asymétrique par rapport à un point situé à mi-distance entre les deux pales.

15. Roue centrifuge à flux radial selon la revendication 13, caractérisée en ce que la partie du moyeu (10) qui étend à l'extérieur du second cercle ne divise pas le passage d'écoulement formé par la surface d'aspiration (28) d'une pale, la surface de pression (30) de la pale adjacente et le moyeu en passages d'écoulement additionnels.

16. Roue centrifuge à flux radial selon la revendication 15, dans laquelle la configuration arbitraire du moyeu rend les vitesses d'écoulement égales sur toute la largeur du passage d'écoulement.

17. Roue centrifuge à flux radial selon la revendication 15, caractérisée en ce que la configuration arbitraire du moyeu réduit l'écoulement transversal dans le passage d'écoulement.

18. Roue centrifuge à flux radial selon la revendication 15, caractérisée en ce que la surface du moyeu (10) comprise entre deux pales (26) adjacentes est non symétrique.