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Roue à aubes.
On connait des roues à aubes comportant des aubes mon- tées sur articulation et dont les axes de rotation sont pa- rallèles ou sensiblement parallèles- à l'axe de rotation de la roue, ces aubes recevant un mouvement oscillant d'un mé- canismé de guidage, de telle façon que les rayons vecteurs (qu'on appellera plus loin les normales aux aubes) partant des axes de rotation des aubes sous un angle de 90 se cou- pent en un point (point directeur) qui se trouve à l'inté- rieur de cercle parcouru par les axes de rotation des aubes.
La loi de mouvement des aubes, loi qui est imposée par ce mécanisme, est représentée schématiquement en fig. I. Le cercle sur lequel se meuvent les axes de rotation des aubes
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pendant la rotation de la roue à aubes est désigné par K, et le point directeur par N. S est l'une des aubes, dont l'axe de rotation A parcourt le cercle K dans le sens de la flèche P; les différentes positions de ces aubes sont indiquées par les indices I à 8. L'extrémité antérieure des aubes S, celle qui se trouve en avant dans le sens du mouvement, est désignée par la pointe d'une flèche.
Dans le cas de cette loi représentée en fig. I, la posi- tion des aubes aux différents points du cercle K, à tout mo- ment donné, est telle qu'aux extrémités du diamètre D sur le- quel se trouve le point directeur N l'aube soit exactement tangente, tandis qu'elle s'écarte de la direction tangentielle, dans les positions intermédiaires, de façon à effectuer une oscillation complète autour de la position tangentielle pen- dant une révolution de la roue. Ce mouvement provoque de façon connue, dans le milieu qui entoure les aubes, un courant di- rigé dans le sens de la flèche V e t perpendiculaire au diamètre D sur lequel se trouve le point directeur N. L'avancement T est opposé à V. Le rapport entre la vitesse d'écoulement V et la vitesse de rotation U à laquelle les axes des aubes se meuvent sur le cercle K, est la mesure du "pas" du propulseur.
Pendant la marche à vide, c'est à dire lorsque le propulseur n'est pas chargé, la position des aubes en chaque point du cercle K correspond à la direction du couraht relatif du mi- lieu par rapport à l'aube. Lorsque le propulseur est chargé, la vitesse de marche diminue d'une valeur égale au glissement, ce qui donne naissance à un angle d'attaque sur l'aube et pro- duit une "poussée verticale" dont une composante est dirigée dans le sens de la poussée. La grandeur de cette composante augmente avec le glissement.
Or, dans le cas de la loi de mouvement décrite ici pour les aubes, on n'a pas encore tenu compte du fait que la vites- se d'écoulement du milieu est différente sur les deux côtés du diamètre D. Dans le sens de l'écoulement V la moitié de
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droite de la roue doit être considérée comme étant.la moitié antérieure, et la.moitié de gauche comme étant la moitié posté- rieure. Pendant la marche l'écoulement du milieu est accéléré par la moitié antérieure de la roue, de sorte que la vitesse d'écoulement est plus grande dans le voisinage de la moitié postérieure de la roue.
En conséquence, si l'on veut que, pour' un glissement déterminé, l'angle d'attaque par rapport aux aubes soit le même dans la moitié antérieure et dans la moitié postérieure de la roue, il faut que le pas des aubes soit, dans la moitié postérieure de la roue, plus grand que dans la moitié antérieure. Les pas de la moitié antérieure et de la moitié postérieure de la roue peuvent être tels que les an- gles d'attaque soient égaux ou sensiblement égaux dans les deux moitiés de la roue, mais il faut naturellement tenir compte de l'augmentation, au carré, des poussées verticales de profil, à cause des différentes vitesses.
Par ailleurs, ceci a également pour résultat que la "poussée verticale" est plus ou moins égale sur les aubes des deux moitiés de la roue-
Ce fait étant connut, il faut maintenant, suivant l'in- vention, partir du point directeur unitaire N qui se trouve à un endroit déterminé, pour chaque état de marche% et il faut utiliser un mécanisme de guidage qui, comme cela est indiqué schématiquement en Fig. 2, soit tel que les normales aux aubes qui parcourent la surface antérieure de la roue se coupent en un point N1 plus rapproché du centre 0 de la roue que le point directeur N2 oùse rencontrent les normales aux aubes qui par-- courent la moitié postérieure de la roue.
Toutefois, les deux points N1 et N2, de même que le point N, se trouvent sur ce- lui des diamètres D de la roue, qui est perpendiculaire à la direction V de lécoulement. Dans la moitié antérieure de la roue, c'est donc le point directeur N qui assure le guidage des normales aux aubes, ce guidage étant assuré par le point directeur N2 dans la moitié postérieure de la roue-
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Il faut en particulier que l'angle compris entre la posi- tion tangentielle et la position des aubes dans la moitié pos- térieure de la roue soit plus grand, d'une valeur déterminé que l'angle compris entre la position tangentielle et la posi- tion des aubes dans la moitié antérieure de la roue, la dif- férenceentre les angles, exprimée en degrés, d'après la formule
EMI4.1
0,01 .
1 + Cs ( 0,06 )/1 +c devant dépendre du degré de charge-
Lorsque la roue à aubes sert de turbine, c'est l'inver- se qui se produit, parce qu'alors l'eau qui a fourni du tra- vail dans la moitié antérieure de la roue arrive à la moitié postérieure de la roue avec une vitesse réduite, de sorte que le pas doit être réduit à cet endroit si l'angle d'attaque doit rester égal ou sensiblement égal. Si la roue à aubes sert de pompe, les conditions sont semblables à celles de la marche en propulseur.
Il résulte de la loi de mouvement connue pour les aubes, telle qu'on vient de la discuter en se référant à fig. l, en particulier lorsqu'on veut obtenir un grand pas en faisant en sorte que le point directeur N se trouve à une grande distan- ce du centre 0 de la roue, que dans celle des parties du cer- cle K des aubes, qui se trouve du coté de l'excentricité du point directeur N, chaque aube qui passe à cet endroit est obligée d'effectuer un mouvement très défavorable au double point de vue hydraulique et mécanique. Comme le montre fig.l, il faut que l'aube qui doit aller de la position s7 à la po- sition s1 en passant par la position s8, tourne de 1300 envi- ron sur un trajet relativement court.
La poussée verticale d'une aube est proportionnelle à l'angle d'attaque et à la vitesse d'écoulement. Si la dépres- sion dépasse une valeur tolérable, la poussée verticale ayaht un coefficient de grande valeur, il se produit des phénomènes
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de séparation et de cavitation. Il faut donc que l'angle d'at- taque et la vitesse d'écoulement soient aussi maintenues entre certaines limites dans la roue à aubes.
Or, par suite de la particularité du mouvement des aubes, particularité que l'on a décrite en se'référant à fig.l, les conditions hydrauliques sont différentes en différents points du ,cercle K, et il y a en particulier une différence essen- tielle entre les conditions dans le voisinage du quadrant E-F en fig. 3 et celles des deux quadrants F-G et H-E. Ces qua- drants sont limités par les rayons D1-D2 de la roue, rayons qui sont perpendiculaires entre eux et décalés de 45 des deux côtés par rapport au diamètre D sur lequel se trouve le point, directeur N. On fera toutefois remarquer expressément que ces limites des quadrants ne doivent pas être considérées comme étant des limites absolues; il ne s'agit, au contraire, que d'indiquer ici des z8nes semblables à des quadrants.
Les con- ditions dans la z8ne en forme de quadrant G-H sont d'ailleurs aussi'sensiblement différentes de celles de la z8ne en forme de quadrant E-F mais il suffit que les aubes s'adaptent,au courant relatif dans la zone en forme de quadrant.G-H.
Les différentes positions indiquées pour les aubes en fig. I montrent en quoi lesconditions sont différentes dans les zones mentionnées en forme de quadrants-
Si les aubes travaillent en effectuant le mouvement indi- qué en fig. I, un point directeur unitaire N se trouvant à un endroit déterminé étant prédominant pour un état de marche déterminé, le glissement étant élevé t les valeurs-d'angles étant encore tolérables dans les quadrants F-G et H-E, les valeurs d'angles tolérables sont dépassées dans le quadrant E-F, où les aubes effectuent un mouvement tournant très rapi- de, comme on l'a déjà dit. Si l'on veut obtenir des valeurs d'angles tolérables dans le quadrant E-F, il faut réduire le pas de ce quadrant.
Il faut donc que le point directeur qui, . en fig. 3, se trouve en N pour un état de marche déterminé,
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soit rapproché du centre 0 de la roue, c'est à dire par exemple reporté en N3 pour les aubes qui parcourent le quadrant E-F.
Cela peut se faire dans une mesure assez grande pour que, même pour un grand pas des aubes qui parcourent les quadrants F-G et H-E, les angles d'attaque pour les aubes qui parcourent le qua- drant E-F restent compris entre des limites tolérables. Il est donc possible, en marche rapide, pour réduire la vitesse péri- phérique des aubes, d'augmenter le pas dans le quadrant anté- rieur et dans le quadrant postérieur. Cette augmentation peut être poussée assez loin pour que le point directeur N pour les aubes qui parcourent le quadrant antérieur et le quadrant postérieur s'écarte suffisamment du centre 0 de la roue, sur le diamètre D, pour venir se placer sur la circonférence K ou extérieurement à cette circonférence.
Plus le point directeur N3 est rapproché du centre 0 de la roue, plus le pas des aubes qui parcourent le quadrant E-F devient petit, et si une certaine limite de ce rapprochement du point N3 par rapport au centre de la roue se trouve dé- passée, les aubes qui parcourent le quadrant E-F jouent le rô- le d'aubes de turbine, étant entrainées par le courant d'eau produit par les aubes qui parcourent le quadrant antérieur et le quadrant postérieur. Dans certains cas, cela peut même être opportun, car on a déjà proposé aussi, pour les hélices, de réduire le pas des pales vers le moyeu de façon que ces pales jouent, dans le voisinage du moyeu, le ¯rôle d'aubes de turbine.
On a donc montré ici, qu'il est avantageux, pour deux raisons, de s'écarter de la loi de mouvement des aubes suivant la cinématique pure de l'intersection des normales (fig.I), c'est à dire de la loi définie par le fait que les normales aux aubes passent par un point directeur déterminé dans chaque état de marche.
C'est pourquoi, suivant la présente invention, le point directeur domt occuper différentes positions pour différentes parties du trajet parcouru par les aubes; c'est pourquoiau si
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l'on parlera, au lieu d'un "point directeur", 'du point d'inter- section des normales aux aubes avec celui des rayons de la roue qui est perpendiculaire à la direction de l'écoulement.
Ce point d'intersection-cheminera donc dans les deux sens pour chaque aube et pour chaque état de marche, entre certaines limites, entre les points N1 et N2 par exemple en fig. 2 etentre les points N et N3 par exemple en fig. 3. Pour.la marche en pro- pulseur, en fig. 2, N est le point d'intersection des normales pour les aubes qui parcourent la moitié antérieure de .la roue, et N le point,d'intersection.des,normales,pour les aubes qui parcourent la moitié postérieure de la roue.'En fig.
3 N est le point d'intersection des normales pour les'aubes''qui par- courent le quadrant antérieur et le quadrant postérieur, et N3 le point d'intersection des normales pour le quadrant qui se trouve du côté de l'excentricité des points d'intersection Il n'est nullement nécessaire que les point-s N,N1 N2 et N restent au même endroit pour des zones entières plus ou moins grandes du cycle parcouru par les aubes; au contraire, le$ points d'in- tersection des normales peuvent aussi changer de position d'un point à l'autre du cycle parcouru par les aubes, en s'en tenant il est vrai aux principes exposés ici. C'est pourquoi, en figs.
2 et 3, les points d'intersection des normales se déplaceront entre certaines limites pendant chaque révolution des aubes, mais naturellement de la même façon et dans la même mesure pour chaque aube de la roue à aubes.
Or, il convient, toutefois, d'appliquer simultanément à une seule et même roue à aubes les deux lois de mouvement représentées en fig. 2 et 3 ou, en d'autres termes, de superpo- ser pour ainsi dire ces deux lois l'une à l'autre. Il faut donc, d'une part, dans la marche en propulseur, que dans la moitié antérieure de la roue le pas soit plus petit que dans la moi- tié postérieure (fig. 2), mais d'autre part il faut également que dans le quadrant qui se trouve du côté de l'excentricité, le pas soit plus petit que les pas dans le quadrant antérieur
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et dans le quadrant postérieur (fig. 3).
La combinaison des deux lois de mouvement est indiquée en Fig. 4. On a indiqué, pour un état de marche déterminé, sur le diamètre D, quatre points d'intersection de normales aux aubes, ceux de la moitié antérieure de la roue étant désignés par N1 et ceux de la moitié postérieure de la roue par N2. Les deux points d'intersection correspondant au quadrant supérieur, c'est à dire celui qui se trouve du côté de l'excentricité de tous les points d'intersection, ont toutefois été munis en outre de l'indice 3, de sorte que ces deux points d'inter- section sont désignés par N13 et N23 Il en résulte que l'on a tenu compte, dans la mesure la plus complète,de toutes les exigences telles qu'elles découlent des faits qui viennent d'être exposés.
Or, au lieu d'un point directeur pour un certain état de marche, il y a 'des zones de points d'intersection de normales, zones à l'intérieur desquelles les points d'intersection se déplacent pendant la révolution des aubes pour un état de mar- che déterpiné, soit par bonds, soit graduellement; toutefois, comme précédemment le point directeur unitaire, ces zones peu- vent être déplacées diamétralement aussi bien qu'en cercle lorsqu'il y a lieu de changer l'état de marche.
Tout ce qui précède s'applique aussi, dans le même sens, à tout autre mode d'utilisation d'une roue à aubes de ce gen- re, c'est à dire aussi à une pompe ou une turbine constituée par une roue à aubes de ce genre.
En ce qui concerne la construction, un mécanisme de gui- dage dans lequel les lois de mouvement dont il vient d'être question sont appliquées individuellement ou en combinaison, peut être réalisé de façons très différentes ( par exemple de la façon décrite dans le brevet belge N 408. 325 du 9 mars 1935). Lorsque la position désirée d'une aube en chaque point de son cycle a été déterminée de la façon la plus favorable,
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au point de vue hydraulique, en tenant compte des faits expo- sés ci-dessus, il n'est pas difficile de-trouver un dispositif cinématique assurant positiv-ement ces positions des aubes.
On peut obtenir ce résultat au moyen de guides ou d'ensembles d'articulations de forme appropriée; il est toutefois possible aussi d'imposer ces mouvements aux aubes par voie hydraulique ou électrique, au moyen de dispositifs de commande correspon- dants.
Fig. 5 est une vue d'un exemple de réalisation d'un méca- nisme à articulations propre à la mise en pratique de la loi de mouvement combinée.
L'axe 1 de chaque aube 2 porte un bras 3 relié par une biellette 4 au bras 5 d'un levier coudé dont le pivot 6 est monté sur le corps de la roue, et dont le deuxième bras 7 est guidé dans une coulisse 8. Cette coulisse 8 est montée sur un anneau 9, sur lequel elle peut tourner autour d'un axe paral- lèle à l'axe de rotation 10 de la roue. On peut déplacer l'an- neau 9 radialement par rapport à la roue; en outre, on peut aussi faire tourner son centre II autour du centre 10 de la roue. En réglant différemment la position du centre II de l'an- . neau 9 par rapport au centre 10 de la roue, on peut changer l'état de marche de la roue à aubes.
Pendant la rotation de la roue il faut que l'anneau 9 soit obligé de participer isochroniquement à cette rotation.
Pendant ce mouvement de rotation isochrone de la roue et de l'anneau 9, le mécanisme articulé de chaque aube se déplace, comme le montre fig. 5, de façon que les aubes effectuent des mouvements comme ceux qui sont indiqués en fig. 4. Les norma- les aux aubes, portées en traits mixtes en fig.'5, coupent le diamètre D de ka roue en différents points, ainsi qu'on peut le voir, d'une façon qui correspond à la loi de mouve- ment représentée en fig. 4.
Le bras 5 estplus long que le bras 3 et la longueur de la biellette 4 est telle que les bras 3 et 5 convergent vers
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les points d'articulation.1 et 6 dans la plupart des positions.
La différence de longueur entre les bras 3 et 5 a pour consé- quence que le pas des aubes est augmenté par rapport à un méca- nisme articulé analogue dans lequel les bras 3 et 5 auraient la même longueur, et la convergence mentionnée de ces deux bras provoque la répartition particulière des différents pas telle qu'elle est représentée en fig. 4. Il s'agit donc ici d'ampli- fier le mouvement dérivé du bras 3 et par suite de l'aube 2 par rapport au mouvement directeur du bras 5 et de provoquer en ou- tre les défauts d'uniformité indispensables dans la transmis- sion den mouvomonLn.
L'exemple de réalisation représenté en Fig. 5 montre qu'il est possible, par des moyens relativement simples, de réaliser pour les aubes les mouvements décrits précédemment, et il en résulte que l'on peut également rendre des mécanismes de guidage et des dispositifs de transmission d'un autre genre pro- pres à, imposer des mouvements de ce genre aux aubes.