FR2906581A3 - Systeme permettant de diminuer ou d'eradiquer la cavitation au bec de volute. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un corps de pompe (1) présentant un logement (2) destiné à recevoir une turbine (2a) et dont le pourtour extérieur du logement constitue un collecteur (4) en forme de volute qui se prolonge par un divergeant de volute (5) disposé dans le prolongement du bord périphérique du logement (2) de la turbine (2a), le divergeant de la volute (5) formant, au niveau de son ouverture sur le collecteur (4) et le bord périphérique de la turbine (2a), un bec de volute (6) situé entre le bord du divergeant de la volute (5) le plus proche de l'axe de rotation (Z-Z) de la turbine (2a) et le bord périphérique du collecteur (4), caractérisé en ce que le bec de volute (6) est traversé par au moins un canal (10) reliant un champ haute pression (7) situé dans le divergeant de la volute (5) à un champ basse pression (8) situé dans le collecteur (4) en aval de l'entrée dans le divergeant de volute (5).

Description

1 Système permettant de diminuer ou d'éradiquer la cavitation au bec de

volute. La présente invention se rapporte au domaine des pompes rotatives-centrifuges et plus particulièrement au domaine des pompes rotatives-5 centrifuges pour système de refroidissement de moteur. Ces pompes rotatives-centrifuges sont formées par une turbine placée dans un corps de pompe qui présente au moins deux orifices. Le premier orifice permet l'entrée du liquide aspiré, il est situé dans l'axe de rotation de la roue de la turbine. Le second, qui assure la sortie du liquide 10 expulsé, est positionné perpendiculairement à cet axe de rotation. Dans la pompe, le liquide est mis en rotation par la turbine. La masse du liquide est alors projetée grâce à la force centrifuge de la rotation à la périphérie de la turbine, et seul l'orifice de sortie du corps de pompe en autorise l'expulsion. Le corps de pompe présente deux parties distinctes. La première 15 partie est formée par un logement dans le corps de pompe et destiné à recevoir la turbine. Le pourtour de cet espace à la forme d'une spirale appelée volute et constitue le collecteur. La seconde partie est formée par le divergeant de la volute qui aboutit à l'orifice de sortie du liquide expulsé. Le divergeant de la volute se positionne dans le prolongement du collecteur 20 situé à la périphérie de la turbine. Entre le point de naissance du collecteur et le divergeant de la volute est formé une structure, appelée bec de volute , qui permet de faire la distinction entre les deux parties principales du corps de pompe. Lorsque la pompe est en fonctionnement, le liquide de la turbine est 25 repoussé dans le collecteur pour aboutir dans le divergeant de la volute où se crée un champ de haute pression. Par opposition, la zone du collecteur située à proximité du bec de volute, en aval de la zone de passage vers le divergeant de volute, connait alors un champ de basse pression dans laquelle se produit un phénomène de cavitation. Cette cavitation consiste en 30 une formation de bulles de vapeur due à la dépression du liquide. Le 2906581 2 comportement du liquide se trouve alors modifié en entrainant une diminution, voire une perte de hauteur manométrique de la pompe. Parallèlement, la disparition des bulles de vapeur se réalise par implosion en créant dans le liquide une onde choc capable de briser des particules solides. Ces implosions peuvent alors être à l'origine de la destruction d'éléments de la pompe. Ce phénomène de cavitation est ainsi à l'origine de deux problèmes principaux dans les pompes rotatives-centrifuges : la perte de hauteur manométrique et l'altération physique des différentes pièces qui constituent 10 la pompe. Pour pallier à ces problèmes, la solution connue consiste à augmenter la pression statique du liquide en entrée de pompe, ce qui a pour effet d'augmenter la pression statique générale à l'intérieur de la pompe et donc de diminuer le risque de cavitation. Néanmoins, si cette augmentation 15 de pression permet de réduire l'effet de dépression du liquide, la vitesse du flux du liquide s'en trouve, elle aussi, fortement limitée comme l'explique le théorème de Bernoulli. Face aux problèmes que cause le phénomène de cavitation, le brevet US5180280 propose une pompe rotative-centrifuge qui supprime la 20 dépression subie par le liquide en rotation. L'invention décrite consiste en une pompe dont le bord périphérique de la turbine se situe à une distance déterminée et constante du bord extérieur du collecteur pour créer un espace (L). Le liquide projeté par la force centrifuge de la turbine est alors récupéré par un tube coudé dont l'orifice, situé dans la turbine, est placé 25 tangentiellement au bord extérieur du collecteur en venant combler l'espace (L) compris entre le bord du collecteur et la périphérie de la turbine. De cette manière, le tube coudé récupère un maximum de l'eau projetée par la turbine. Pour limiter la dépression du liquide en rotation dans le collecteur en aval du tube récupérateur, la partie coudée du tube, vue radialement depuis 30 l'axe de rotation de la turbine, montre une forme profilée dans le sens du flux du liquide. Cependant, une telle pompe impose l'usinage de plusieurs pièces à savoir le corps de pompe et le tube récupérateur. Qui plus est, la mise en 2906581 3 place d'une telle solution technique sur des modèles de pompe déjà existant est impossible, sans changer tout le corps de pompe. Le brevet US5779444 propose une autre solution pour supprimer le phénomène de cavitation. La pompe rotative-centrifuge proposée présente 5 un bec de volute positionné à proximité de la périphérie de la turbine et dont la forme est sensiblement plane. Vue radialement depuis l'axe de rotation de la turbine, le bec de volute présente la forme d'un biseau de sorte que son bord qui fait la jonction entre le divergeant de la volute et le collecteur est incliné d'un angle e par rapport au sens du flux de liquide qui entre dans le divergeant de la volute. Ce biseau peut être droit, concave ou convexe. Son effet sur la disparition de la cavitation est alors proportionnel à l'angle d'inclinaison 0. Plus l'angle e est faible et plus la cavitation est réduite. Par ailleurs, l'extrémité du bec de volute, vue selon l'axe de rotation de la turbine, est arrondie pour faciliter la pénétration du bec dans le liquide projeté et limiter le phénomène de cavitation. Cependant, comme le bec de volute est moulé avec le corps de pompe, la solution proposée par l'invention impose de changer l'intégralité du corps de pompe pour pouvoir être appliqué à des modèles de pompes rotatives-centrifuges déjà existant. La présente invention a pour objet de palier un ou plusieurs inconvénients de l'art antérieur tout en maintenant les performances de la pompe et en supprimant les altérations physiques dues au phénomène de cavitation. Cet objectif est atteint grâce à un corps de pompe présentant un logement destiné à recevoir une turbine et dont le pourtour du logement constitue un collecteur en forme de volute qui se prolonge par un divergeant de volute disposé dans le prolongement du bord périphérique du logement de la turbine, le divergeant de la volute formant, au niveau de son ouverture sur le collecteur et le bord périphérique de la turbine, un bec de volute situé entre le bord du divergeant de la volute le plus proche de l'axe de rotation de la turbine et le bord périphérique du logement, caractérisé en ce que le bec de volute est traversé par au moins un canal reliant une zone d'un champ haute pression situé dans le divergeant de la volute à une zone d'un champ 2906581 4 basse pression situé dans le collecteur en aval de l'entrée dans le divergeant de volute. Selon une variante de l'invention, le corps de pompe est caractérisé en ce que l'arrivée du liquide pompé est réalisée selon l'axe de rotation de la 5 turbine. Selon une autre variante de l'invention, le corps de pompe est caractérisé en ce que la sortie du liquide pompé est réalisée selon un axe perpendiculaire à une des parois du divergeant de volute. Selon une autre variante de l'invention, le corps de pompe est 10 caractérisé en ce que l'espace compris entre le bord périphérique de la turbine et la paroi du bec de volute qui y fait face, située en aval de l'ouverture du logement sur le divergeant de volute, présente un rétrécissement avant de s'élargir pour donner naissance à la volute du collecteur.

15 Selon une autre variante de l'invention, le corps de pompe est caractérisé en ce que le canal reliant la zone de champ haute pression à la zone de champ basse pression est orienté selon un axe perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbine et passant par l'axe de rotation de la turbine. Selon une autre variante de l'invention, le corps de pompe est 20 caractérisé en ce que le canal reliant la zone de champ haute pression à la zone de champ basse pression est orienté selon un axe formant un angle a avec l'axe du flux entrant dans le divergeant de volute et passant à proximité de l'orifice du canal dans le divergeant de volute, de sorte que l'angle a est inférieur ou égal à 90 (a 90 ) pour que le flux de liquide passant par ce 25 canal soit indépendant du flux de liquide entrant dans le divergeant de volute. Selon une autre variante de l'invention, le corps de pompe est caractérisé en ce que le canal reliant la zone de champ haute pression à la zone de champ basse pression présente une section définie en fonction de l'adéquation entre le taux de cavitation et les performances hydrauliques.

30 Un avantage de l'invention est qu'un tel corps de pompe permet d'augmenter la pression statique dans la zone du collecteur située près du 2906581 5 bec de volute sans augmentation de la pression statique en entrée de pompe. Un autre avantage de l'invention est qu'un tel corps de pompe permet de ne pas augmenter la pression statique générale à l'intérieur de la 5 pompe et donc de conserver les performances de la pompe. Un autre avantage de l'invention est qu'un tel corps de pompe peut s'intégrer sur tous les types de corps de pompe et/ou de volute. Un autre objectif de l'invention est de proposer au moins un mode de réalisation de l'invention.

10 Cet objectif est atteint par un procédé de réalisation d'un corps de pompe selon l'invention caractérisé en ce que le procédé comprend au moins une opération d'alésage pour former au moins un canal qui traverse le bec de volute. Un avantage de ce mode de réalisation de l'invention est sa facilité 15 de mise en oeuvre. L'invention peut être réalisée sur des corps de pompe déjà existant et pourvus de bec de volute. Selon une variante du mode de réalisation, le procédé de réalisation d'un corps de pompe selon l'invention, comprenant une étape de coulage d'un métal ou alliage de métal dans un moule du corps de pompe (1), est 20 caractérisé en ce que ce procédé comprend au moins : - une étape de moulage du corps de pompe (1) dont le canal (10) est remplacé par au moins une rainure qui traverse le bec de volute (6), - une étape de positionnement d'un moyen de recouvrement pour recouvrir la rainure afin de former un canal (10) qui traverse le bec de volute 25 (6). L'invention, ses caractéristiques et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue du corps de pompe de l'invention 30 selon l'axe de rotation de la turbine. - la figure 2 représente une vue détaillée du bec de volute du corps de pompe de l'invention selon l'axe de rotation de la turbine.

2906581 6 Le corps de pompe (1) de l'invention comprend deux parties principales. La première partie est formée par un logement (2) dans le corps de pompe destiné à recevoir la turbine (2a). Ce logement (2) présente une forme sensiblement circulaire d'un diamètre supérieur à celui de la turbine 5 (2a) à laquelle il est destiné. Ce logement (2) sensiblement circulaire est centré sur l'axe de rotation (Z-Z) de la turbine (2a). Au centre de ce logement (2) se trouve un orifice (3) centré, lui aussi, sur l'axe de rotation (Z-Z) de la turbine (2a). Cet orifice (3) est destiné à recevoir le liquide pompé par la pompe de l'invention. Le liquide entre ainsi dans la pompe selon l'axe de 10 rotation (Z-Z) de la turbine (2a). Arrivé au centre de la turbine (2a), le liquide est ensuite projeté en périphérie du logement (2) par la force centrifuge de la turbine (2a) en rotation (R). La périphérie du logement (2) de la turbine (2a) forme le collecteur (4). Vu selon un axe parallèle à l'axe de rotation (Z-Z) de la turbine (2a), il présente la forme sensiblement spiralée d'une volute. La 15 forme de volute du collecteur (4) est orientée dans le sens de rotation de la turbine (2a). Cet orientation permet au collecteur (4) de récupérer le liquide projeté par la force centrifuge due à la rotation de la turbine (2a) et d'être associé avec la rotation (R) de la turbine (2a) pour diriger le liquide pompé vers le divergeant de volute (5).

20 Le divergeant de volute (5) forme la seconde partie du corps de pompe (1). Il est formé par un canal ou un conduit situé dans le corps de pompe (1) et prolongeant la volute du collecteur (4). Vu selon l'axe de rotation (Z-Z) de la turbine (2a), le canal formé par le divergeant de volute (5) présente une forme sensiblement trapézoïdale. Chacun des bords (5a & 5b) 25 du divergeant de volute (5) est sensiblement rectiligne. Le bord externe (5a), situé le plus à l'extérieure par rapport au centre de rotation de la turbine (2a), est positionné de façon tangentiel au bord périphérique (4a) du collecteur (4). Le bord (4a) du collecteur (4) est ainsi prolongé par le bord externe (5a) du divergeant de volute (5) avec lequel il se confond. Le bord interne (5b), situé 30 le plus à l'intérieure par rapport au centre de rotation de la turbine (2a), fait face au bord externe (5a) et est orienté de façon à être sensiblement dans le prolongement d'une tangente au bord périphérique de la turbine (2a). Les 2906581 7 bords, interne (5b) et externe (5a), ne sont pas parallèles. Le divergeant de volute (5) a ainsi la forme d'un canal trapézoïdal ouvert à chacune de ses extrémités. L'ouverture du canal, située du coté où les bords, externes (5a) et internes (5b), se rapprochent, débouche dans la périphérie du logement 5 (2) de la turbine (2a). L'autre extrémité du canal aboutit vers l'extérieur de la pompe. Le liquide transite ainsi dans le divergeant de volute (5), projeté depuis le collecteur (4) vers l'extérieur de la pompe. La sortie du liquide de la pompe se fait selon un axe perpendiculaire à une des parois du divergeant de volute (5).

10 Entre le divergeant de volute (5) et la zone où naît la volute qui forme le collecteur (4), se trouve le bec de volute (6). Ce bec de volute (6) est ainsi réalisé par le bord interne (5b) du divergeant de volute (5), qui forme sa face externe, et le bord périphérique du logement (2), à proximité et en aval de l'ouverture du divergeant de volute (5), qui forme sa face interne. Vu selon 15 l'axe de rotation (Z-Z) de la turbine (2a), ce bec de volute (6) a sensiblement la forme d'un biseau dont la pointe forme un bord qui sépare les deux parties du corps de pompe, c'est-à-dire le logement (2) de la turbine (2a) et le canal du divergeant de volute (5). La face interne du bec de volute (6) est positionnée au plus proche du bord périphérique de la turbine (2a), en 20 épousant le bord périphérique de la turbine (2a), de sorte que l'espace compris entre ces deux éléments, en étant le plus réduit, ne permette pas au liquide pompé d'être conservé en rotation dans la turbine (2a) mais, au contraire, favorise sa propulsion dans le divergeant de volute (5). Ce rétrécissement de l'espace compris entre le bord périphérique de la turbine 25 (2a) et la paroi interne du bec de volute (6) fait ensuite place à un élargissement pour donner naissance à la volute du collecteur (4) qui entoure le logement (2). Lorsque la pompe est en fonctionnement, la rotation (R) de la turbine (2a), associée à la volute du collecteur (4), propulse le liquide dans le 30 divergeant de volute (5). Cette propulsion du liquide crée alors une zone de champ de haute pression (7) à l'entrée du divergeant de volute (5), sur la face externe du bec de volute (6). Dans le même temps, une zone de champ 2906581 8 de basse pression (8) se forme dans la section de la turbine (2a) et du collecteur (3) situé en aval du bec de volute (6). La zone de champ de basse pression (8) est à l'origine du phénomène de cavitation qui se réalise dans la zone de cavitation (9) située sur la face interne du bec de volute (6).

5 Pour remédier à ce problème, le bec de volute (6) présente un canal (10) ou une rainure qui le traverse de part en part afin de relier la zone de champ de haute pression (7) à la zone de champ de basse pression (8). Cette communication entre les deux zones de champ de pression différente permet un équilibrage partiel de la pression entre elles, qui aboutit à une 10 augmentation de la pression statique dans la zone de champ de basse pression (8). Cette augmentation de pression sur la face interne du bec de volute (6) diminue, voire supprime, la dépression du liquide et donc la formation et l'implosion des bulles de vapeur qui génèrent le phénomène de cavitation.

15 Le canal (10) est orienté selon un axe (A-A) perpendiculaire à l'axe de rotation (Z-Z) de la turbine (2a) et passe par cet axe de rotation (Z-Z). Une telle orientation du canal (10) permet d'obtenir la plus courte distance à travers le bec de volute (6) entre les deux zones de champ de pression (7 & 8), et donc de faciliter l'augmentation de la pression dans la zone de champ 20 de basse pression (8). L'axe (A-A) du canal (10) forme un angle a avec l'axe (B-B) du flux du liquide qui entre dans le divergeant de volute (5) et passe à proximité de l'orifice du canal (10). Lorsque l'angle a est inférieur à 90 (a < 90 ), l'inclinaison de l'axe (A-A) est telle que le flux de liquide dans le canal (10) a un sens (11) sensiblement opposé au sens (13) du flux de liquide 25 entrant dans le divergeant de volute (5). De plus, lorsque l'angle a est inférieur ou égal à 90 (a _< 90 ) le flux du liquide dans le canal (10) est indépendant du flux de liquide entrant dans le divergeant de volute (5) pour ne dépendre que de la différence de pression entre les deux zones de champ de pression (7 & 8). Cette indépendance vis-à-vis du flux du liquide 30 entrant dans le divergeant de volute (5) participe à la conservation des performances hydrauliques de la pompe.

2906581 9 Le flux de liquide dans le canal (10) augmente la pression statique de la zone de champ basse pression (8), mais génère aussi la formation d'un flux retour (12) qui, depuis la zone de champ basse pression (8), rejoint la zone de champ haute pression (7) en contournant l'extrémité du bec de 5 volute (6). Pour que le flux du liquide dans le canal (10) réalise une augmentation optimale de la pression statique de la zone de champ basse pression (8), la section du canal (10) doit être définie en fonction du taux de cavitation toléré et des performances hydrauliques recherchées. La formation du canal (10) de l'invention dans le bec de volute (6) du 10 corps de pompe (1) peut se faire selon deux modes différents. Le premier mode de fabrication consiste tout d'abord dans la réalisation d'un moule du corps de pompe (1) de l'invention. Pour que le canal (10) puisse, lui aussi, être moulé avec le reste du corps de pompe (1), celui-ci prend la forme d'une rainure qui traverse le bec de volute (6). Après coulage d'un métal ou d'un 15 alliage dans le moule et démoulage du corps de pompe (1), un moyen de recouvrement de type couvercle vient recouvrir la rainure pour que celle-ci forme le canal (10) de l'invention. Ce couvercle peut aussi, dans le même temps, participer à la fermeture de tout le corps de pompe (1) ou bien seulement du logement (2) ou du divergeant de volute (5). Le canal (10) n'est 20 ainsi complètement formé qu'une fois le corps de pompe (1) refermé. Ce premier mode de fabrication permet de réaliser le canal (10) de l'invention en même temps que le corps de pompe (1) de l'invention. Le second mode de fabrication du canal (10) de l'invention consiste en un perçage du bec de volute (6) d'un corps de pompe (1) déjà existant, 25 puis en un alésage du canal (10) ainsi formé. Ce second mode de fabrication à l'avantage de réaliser le canal (10) de l'invention indépendamment du reste du corps de pompe (1). Ce mode de réalisation permet d'intégrer le canal (10) de l'invention à tous les types de corps de pompe déjà existant et pourvus d'un bec de volute.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Corps de pompe (1) présentant un logement (2) destiné à recevoir une turbine (2a) et dont le pourtour extérieur du logement constitue un collecteur (4) en forme de volute qui se prolonge par un divergeant de volute (5) disposé dans le prolongement du bord périphérique du logement (2) de la turbine (2a), le divergeant de la volute (5) formant, au niveau de son ouverture sur le collecteur (4) et le bord périphérique de la turbine (2a), un bec de volute (6) situé entre le bord du divergeant de la volute (5) le plus proche de l'axe de rotation (Z-Z) de la turbine (2a) et le bord périphérique du logement (2), caractérisé en ce que le bec de volute (6) est traversé par au moins un canal (10) reliant un champ haute pression (7) situé dans le divergeant de la volute (5) à un champ basse pression (8) situé dans le collecteur (4) en aval de l'entrée dans le divergeant de volute (5).

2. Corps de pompe (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce 15 que l'arrivée du liquide pompé dans le corps de pompe (1) est réalisée selon l'axe de rotation (Z-Z) de la turbine (2a).

3. Corps de pompe (1) selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce la sortie du corps de pompe (1) du liquide pompé est réalisée selon un axe perpendiculaire à une des parois du divergeant de volute (5). 20

4. Corps de pompe (1) selon la revendication 1 à 3 caractérisé en ce que l'espace compris entre le bord périphérique de la turbine (2a) et la paroi du bec de volute qui y fait face, située en aval de l'ouverture du logement (2) sur le divergeant de volute (5), présente un rétrécissement avant de s'élargir pour donner naissance à la volute du collecteur (4). 25

5. Corps de pompe (1) selon une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le canal (10) reliant le champ haute pression (7) au champ basse pression (8) est orienté selon un axe perpendiculaire à l'axe de rotation (Z-Z) de la turbine et passant par l'axe de rotation (Z-Z) de la turbine. 2906581 11

6. Corps de pompe selon une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le canal (10) reliant le champ haute pression (7) au champ basse pression (8) est orienté selon un axe (A-A) formant un angle a avec l'axe (B-B) du flux entrant dans le divergeant de volute (5) et passant à proximité de 5 l'orifice du canal (10) dans le divergeant de volute (5), de sorte que l'angle a est inférieur ou égal à 90 (a <_ 90 ) pour que le flux de liquide passant par ce canal (10) soit indépendant du flux de liquide entrant dans le divergeant de volute (5).

7. Corps de pompe (1) selon une des revendications 1 à 6 10 caractérisé en ce que le canal (10) reliant le champ haute pression (7) au champ basse pression (8) présente une section définie en fonction de l'adéquation entre le taux de cavitation et les performances hydrauliques.

8. Procédé de réalisation d'un corps de pompe (1) selon une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le procédé comprend au moins 15 une opération d'alésage pour former au moins un canal (10) qui traverse le bec de volute (6).

9. Procédé de réalisation d'un corps de pompe (1) selon une des revendications 1 à 7 comprenant - une étape de coulage d'un métal ou alliage de métal dans un 20 moule du corps de pompe (1) caractérisé en ce que le procédé comprend au moins : - une étape de moulage du corps de pompe (1) dont le canal (10) est remplacé par au moins une rainure qui traverse le bec de volute (6), une étape de positionnement d'un couvercle pour recouvrir la 25 rainure afin de former un canal (10) qui traverse le bec de volute (6).