<Desc/Clms Page number 1>
DISPOSITIF DE GUIDAGE POUR DES COURANTS ANNULAIRES.
La présente invention a pour objet un nouveau dispositif de gui- dage pour des liquides et des gaz ou pour des mélanges de liquides et de gaz entraînant des particules de matière.Ce dispositif constitue un moyen pour produire ou guider des courants annulaires, en particulier pour des machines centrifuges, telles que des turbines à liquide et des pompes, des'turbines à gaz et des ventilateurs,des variateurs de vitesse hydrauliques, des esso- reuses ou autres centrifuges,
ou pour des ajutages ou gicleurs de brûleurs ou pulvérisateurs et d'autres applications analogueso
Les conditions exigées des dispositifs de guidage qui sont em- ployés dans la construction des machines centrifuges sont multiples-ces dis- positifs doivent guider un courant avec une composante tangentielle détermi- née le long d9un corps de rotationo
Ils doivent en outre former ou maintenir un courant uniforme as- surant une action complète sur toute la périphérie d'un cercle et, le cas échéant, transformer une énergie potentielle en énergie cinétique, ou inver- sement.
Il faut en outre que l'on puisse,par des interventions de ré- glage, faire varier l'action du fluide ou la section de passage,'les angles de courant étant maintenus constants, et9 si possible,également, par une autre intervention de réglage appliquée séparément, la fraction de compo- sante tangentielle du courant, fraction qui sera appelée plus loin le "pas" (différence entre les moments de vitesse).
Avec les dispositifs de guidage connus jusqu'ici on n'a pas réus- si à satisfaire d'une façon satisfaisante à toutes ces conditions simultané- ment et, en outre9 les types de construction existants (par exemple les au- bes rotatives Fink etco) ont encore différents défauts de construction, par exemple :
<Desc/Clms Page number 2>
La multiplicité des pièces à mettre en mouvement par les in- terventions de réglage, la difficulté d'assurer l'étanchéité relativement aux dispositifs de guidage à mettre'en mouvement par ces mêmes interventions ou leurs pertes par les intervalles, le compromis dû au nombre fini des au- bes etc.
Par suite des défauts mentionnés ci-dessus, il avait'encore fal- lu renoncer jusqu'ici à la réalisation d'une turbine à jet libre, à action complète sur tout le pourtour, au lieu de la turbine ,de Pelton, dont l'ac- tion n'est que partielle. Il a fallu y renoncer, malgré que la turbine à jet libre à action complète puisse encore recevoir d'autres applications en rai- son de ses vitesses plus élevées par suite de ce que la roue de turbine est plus petite, et à cause de sa construction compacte pour des turbines de très grande puissance comme aussi à cause de sa construction simple et de son ren- dement élevé à tous les régimes malgré les variations de charge et de hau- teur de chute.
Partant de cette constatation on a aussi cherché à différentes reprises à créer des dispositifs de guidage n'ayant pas les défauts cités plus haut. On a proposé notamment des vannes annulaires libérant une partie plus ou moins grande de la section par déplacement axial de la vanne annulaire 2.
Le courant tangentiel devait alors être obtenu par l'arrivée en spirale à partir du bâti en spirale, ainsi que par des surfaces directrices 1 coudées en spirale et parallèles à l'axe disposées sur le trajet d'arrivée directe- ment en avant des vannes annulaires. Toutefois ces propositions n'ont pas donné le pas désiré sur tout le pourtour et pour toutes les conditions d'ou- verture, car on voit nettement, par la figure, qu'au moment où la vanne an- nulaire commence à s'ouvrir à tous les endroits où il n'y a aucune surface directrice en spirale, c'est un courant plus méridien qui se produit au lieu d'un courant ayant une fraction de composante tangentielle. Ce n'est que lorsque la vanne annulaire est complètement ouverte que la fraction de compo- sante tangentielle atteint aussi toute sa valeur uniforme.
Avec le dispositif de guidage qui fait l'objet de la présente invention, la capacité de réglage de la section transversale du courant an- nulaire dont le fluide agit sur tout le pourtour, le pas désiré étant main- tenu constant, est obtenue au moyen des trois éléments suivants :
1) Une surface de rotation matérielle limitant le courant annu- laire d'un côté;
2) Une deuxième surface de rotation limitant le courant annulaire de l'autre côté, et formée soit par une paroi matérielle soit par la surface libre du fluide, soit encore en partie par une paroi matérielle et en partie par ladite surface libre du fluide;
3) Une surface hélicoïdale à un filet au moins guidant le courant annulaire et qu'il faut s'immaginer comme étant engendrée par le mouvement hélicoïdal d'une ligne dont le pas hélicoïdal a une valeur plus grande que zéro et allant jusqu'à l'infini inclusivement, munie d'éléments dont l'un au moins peut se visser pour effectuer un mouvement de réglage par rapport aux autres avec un mouvement hélicoïdal semblable à celui qui est mentionné sous le chiffre 3.
La variation désirée de la section de passage dans le but de faire varier l'action du fluide ou le débit est obtenue avantageusement par un déplacement hélicoïdal des deux surfaces limitant le courant, pour les rapprocher l'une de l'autre.
Indépendamment de cette variation et comme on le verra plus loin, on peut obtenir une variation des angles de courant :
1) Par un déplacement hélicoïdal défini suivant le point 3 ci-des- sus, de la surface hélicoïdale guidant le courant par rapport aux deux sur- faces limitant le courant, ce qui permet de faire varier le diamètre d'entrée ou de sortie de ces surfaces;
<Desc/Clms Page number 3>
2) Par une variation de la section de passage entre les deux surfaces limitant le courant à une certaine distance en dehors de l'espace occupé par la surface hélicoïdale guidant le courant.
Divers exemples de réalisation de l'objet de l'invention sont représentés dans les dessins ci-joints.
La figure 3 est une coupe méridienne d'un exemple de réalisation dans lequel 1, 2, et 2" sont des coupes des surfaces limitant le courant, la section de passage variant lorsque la position de 2 varie dans le sens de la double flèche. 3 est une coupe de la surface hélicoïdale à un ou plu- sieurs filets déterminant le sens du courant, notamment la composante de rotation. Suivant les besoins la disposition peut aussi être telle que seule la partie 2 soit mobile, son prolongement 2" étant toutefois solidai- re du reste du dispositif de guidage. Les arêtes antérieures de 2 et 2" se recouvriraient alors lorsque l'ouverture est complète.
Le pas de la surface hélicoïdale et le profil de cette surface n'ont besoin d'être constants qu'au- tant que cela est nécessaire relativement à un angle de sortie constant et pour tenir compte du mouvement hélicoïdal de 2 vers 3 ou le cas échéànt 1 vers 3, tandis qu'à l'extérieur de 2, c'est-à-dire à proximité de 2", par exemple, ce profil,peut varier graduellement jusqu'à l'infini.
Le courant sortant librement dans le sens de la flèche 4 a la forme d'un hyperboloïde dont les génératrices représentent les rayons de sortie rectilignes. Lorsque les dispositifs de guidage sont traversés sui- vant la fig. 3 en sens inverse de la flèche 4, ce dispositif de guidage joue le rôle de diffuseur avec un courant dirigé vers l'extérieur à partir de l'axe médian, c'est-à-dire, pour transformer une vitesse en énergie de pres- sion. En intervertissant convenablement 1 et 2 fig. 3 par rapport à l'axe médian, l'ajutage annulaire dirigé vers l'intérieur devient alors un ajutage annulaire dirigé vers l'extérieur ou, par le renversement du sens de la flè- che 4, un diffuseur dont le courant est dirigé vers l'intérieur.
Alors que 2, fig. 3 détermine la section de passage à la sortie de l'espace occupé par les surfaces guidant le courant, c'est-à-dire à l'en- droit ou l'angle de sortie exact, ou respectivement sa fraction de compo- sante tangentielle, sont encore déterminés par la présence des surfaces gui- dant le courant, il est possible, au moyen d'un organisme de distribution supplémentaire, de rétrécir la section de passage à une certaine distance à l'extérieur de l'espace occupé par la surface guidant le courant.
Cette restriction fait dévier le sens du courant vers le plan mé- ridien et l'on peut ainsi réduire la fraction de composante tangentielle, c'est-à-dire le pas.
Un tel organe de distribution servant à régler la fraction de composante tangentielle à la sortie du courant annulaire est représenté par le registre annulaire 5 et respectivement 5' dans la fig. 3. Lorsqu'on re- tire complètement 5 et 5' et respectivement lorsqu'on libère complètement la section de passage on obtient l'angle d'écoulement donné par la surface hé- licoïdale, c'est-à-dire que le courant conserve la fraction maxima de compo- sante tangentielle donnée par la surface hélicoïdale.
Par contre, si l'on pousse d'abord 5' en avant vers le courant qui sort, et si l'on restreint ensuite davantage par 5 le courant qui sort, les filets de courant sont déviés dans le sens du méridien autant que la section est restreinte par 5. Dans le cas limite, immédiatement avant la fermeture de l'orifice annulaire de sortie au moyen de l'organe de distribu- tion 5, la composante tangentielle des filets de courant devient nulle et représente un écoulement méridien.
L'établissement de ce dispositif de réglage en deux pièces 5 et 5' n'est pas.nécessaire, mais cette construction permet, l'arête de distribu- tion de 5' étant légèrement arrondie au point de transition avec 5 d'éviter une certaine perte, due aux chocs, lorsque les rayons -marginaux viennent ren- contrer 5.
<Desc/Clms Page number 4>
La fig. 4 représente à titre d'exemple un ajutage annulaire de ce genre avec lequel l'écoulement n'est dirigé que vers l'intérieur, sans composante axiale. La disposition de principe de cet ajutage est immédiate- ment visible et n'exige pas d'autre explication par rapport à la fig. 3. Les prolongements radiaux l'et 2', représentés en tireté, des surf aces de gui- dage 1 et 2 limitant le courant permettent jusqu'à certain point un léger rétrécissement de la section de sortie à l'extérieur de la zone occupée par les surfaces guidant le courant. Ces prolongements peuvent donc, dans certai- nes limites, jouer un rôlé analogue à celui des organes de distribution 5, 5' dans la f ig. 3.
Une combinaison de courants dirigés vers l'intérieur et vérs l'extérieur par rapport à l'axe médian est représentée dans la fig. 5, où 1 et 1' sont des surfaces fixes limitant le courant, tandis que les surfaces à déplacer 2 et 2' sont rassemblées dans un corps annulaire cunéiforme pour- vu de fentes hélicoïdales pour le passage des surfaces hélicoïdales.
Cette construction rend inutile tout joint étanche entre les sur- faces 2 limitant le courant et la surface hélicoïdale 3, ainsi qu'entre les parties 2 et 2' dans la fige 3, même aux hautes pressions. Par contre, cette construction a un inconvénient, par suite de ce que l'ouverture de passage est en deux pièces, c'est que les pertes à la sortie sont plus grandes et que les risques d'engorgement sont également plus grands.
Les angles des deux surfaces de guidage 1 et 2 doivent correspon- dre à ceux de l'et 2' de telle façon que les deux courants annulaires se ren- contrent sous le même angle, c'est-à-dire sans pertes.
La fig. 6 représente un mode de réalisation de l'application com- binée de dispositifs du type décrit plus haut pour le guidage de courants an- nulaires.
Elle représente à titre d'exemple une turbine pouvant être réglée théoriquement sans pertes pour toute action du fluide entre zéro et un maxi- mum, de même que pour des hauteurs de chute variables, la construction cônve- nablement renversée étant de même applicable à une pompe. Dans la f ig. 6, 6 . est l'appareil directeur d'entrée de la turbine sur le modèle de l'ajutage annulaire de la Fig. 3.
Contrairement à la fig. 3, l'arête de distribution 9, qui fait dé- jà partie du rotor tournant, joue ici le même rôle que l'organe de distribu- tion 5 de la f ig. 3. L'ouverture libérée par l'arête de distribution 8, aussi bien que par l'organe de distribution 7, détermine la section de passage et par conséquent l'action du fluide sur le rotor ou la turbine. Le rotor tour- nant est composé de l'arbre 15, du moyeu 16, du rotor proprement dit 17 et de l'organe de distribution 11. Le rotor porte en 9 un diffuseur annulaire et en 10 un ajutage annulaire dont l'ouverture est réglée par l'organe de distribution 11, de même que par l'arrêt de distribution 14 de l'entrée du tuyau d'admission, qui ne participe pas au mouvement de rotation.
Dans ce cas, pour plus de simplicité,les surfaces hélicoïdales 9 du diffuseur annulaire et 10 de l'ajutage annulaire sont représentées avec un pas infini, sous la forme de simples surfaces radiales. En conséquence, la vitesse relative à l'entrée dans la roue de turbine de même que la vitesse de sortie relative de la roue de la turbine, sont purement méridiennes, l'addition géométrique de la vitesse relative de sortie de la roue de turbine dans la direction mé- ridienne avec sa composante périphérique donne naissance, dans ce cas, à un certain pas à l'entrée dans le tuyau d'aspiration. Par une surface hélicoï- dale svelte dans le tuyau d'aspiration, surface dont le pas se transforme graduellement en pas infini, ce courant comprenant un pas se transforme théo- riquement sans perte en un courant axial comme dans le cas d'un diffuseur annulaire.
Maintenant, s'il s'agit de régler l'ouverture de la'turbine, on déplace l'ensemble de rotor dans le sens axial par l'intermédiaire de l'ar- bre 15. Ceci a pour effet de faire varier en même temps la section de passage de l'appareil directeur, ainsi que la section de passage de la roue de tur-
<Desc/Clms Page number 5>
bine, cette variation étant rigoureusement'géométriquement correcte, sans mo- dification d'aucun des angles d'écoulement, c'est-à-dire sans que l'on soit obligé d'accepter en même temps des pertes de chocs à l'entrée dans la roue de turbine et des pertes de pas dans le tuyau d'aspiration de la turbine.
Si les conditions de pression varient en avant de la turbine, celle-ci doit faire varier automatiquement, d'une part, la position relati- ve de 7 à 8 et, d'autre part, celle de 11 à 14 : si la pression'diminuait par exemple en avant de l'appareil directeur, il en résulterait, la vitesse de rotation du rotor restant constante, une perte de choc sur la face anté- rieure des arêtes d'entrée des aubes de la roue directrice. On peut toutefois éviter ces pertes de choc en augmentant la fraction de composante tangen- tielle à la sortie de l'appareil directeur en rapprochant 7 de l'arête de distribution 8.
Ceci s'explique par le fait que la vitesse et par conséquent aussi la composante périphérique cu sont augmentées par la réduction de là section de passage entre les surfaces hélicoïdales et que, comme cu r = k, cette augmentation reste maintenue malgré l'augmentation simultanée de la vitesse totale au passage en avant de l'arête de distribution 8.
En même temps, la réduction de la pression entraînera une réduc- tion de la vitesse dans le tuyau d'aspiration. Pour éviter malgré cela les pertes de choc à l'entrée dans les surfaces hélicoïdales du tuyau d'aspira- tion, il faut augmenter la fraction de composante tangentielle à la sortie de la roue de turbine, c'est-à-dire que, dans ce cas également, l'organisme de distribution 11 est rapproché automatiquement de l'arête de distribution 14 par la turbine, ce qui a pour effet que l'absence désirée de pas du cou- rant est rétablie de nouveau dans le tuyau d'aspiration pour le nouveau ré- gime de chute.
En conséquence, avec ce type de turbine il a été possible, pour la première fois, par une conduite rigoureusement impeccable de l'eau au double point de vue géométrique et hydraulique, d'assurer une variation du degré d'action du fluide sans perte.de choc, aussi bien que de tenir compte, théoriquement sans perte, des fluctuations du régime de chute.
Le mouvement de réglage automatique des organes de distribution 7 et 11 peut avoir lieu de la façon suivante. La différence de pression qui se produit sur l'arête d'entrée des surfaces hélicoïdales suivantes, c'est- à-dire en 18 ou 19, lorsque le réglage de 7 par rapport à 8, ou de 11 par rapport à 14, n'est pas exactement le réglage voulu, est utilisée, soit direc- tement, soit par l'intermédiaire d'une distribution hydraulique à servo-mo- teur, pour envoyer de l'eau sous pression dans les chambres 20 et 21 ou 22 et 23, ou pour faire sortir de l'eau sous pression de ces chambres et déclen- cher ainsi le mouvement.
Quant à l'action du fluide dans la turbine, c'est- à-dire la position du rotor, on peut également la faire varier hydraulique- ment en envoyant de l'eau d'alimentation dans la chambre qui se trouve au- dessus du couvercle 24 et au-dessous du rotor, ou en faisant sortir de l'eau sous-pression de cette chambre.
La fig. 7 représente les triangles de vitesse correspondant à la fig. 6. Cette figure peut être considérée comme étant une feuille de couver- ture pour la fig. 6. Soit c1 (ou c1' dans cette projection) la vitesse de sortie pour le point Tl ou respectivement T1, fig. 6 et fige 7, à la sortie de la zone des surfaces hélicoïdales de l'appareil directeur. Dans cette di- rection, cette vitesse coïncide avec la tangente au filet de courant passant par Tl. Ce filet de courant est identique à la ligne d'intersection de la surface conique de délimitation du courant avec la surface hélicoïdale gui- dant le courant. c1' est donc, dans la fig. 7, la projection verticale de la vitesse de sortie considérée comme une tangente à cette ligne d'intersec- tion L'.
(toutes les désignations primées désignent une projection verticale, et toutes les désignations, non primées, de vecteurs de vitesse, indiquent que ces vitesses apparaissent en grandeur naturelle dans cette projection).
Si l'on fait maintenant tourner le point T1 de 90 autour de l'axe du cône dont le sommet est S1, on obtient le point T1" avec les vecteurs de vitesse correspondants C1" et clr; clr étant la composante radiale et cl" la compo- sante méridienne clm en grandeur naturelle. Le diagramme des vitesses peut être calculé d'une façon simple pour le point T2.
<Desc/Clms Page number 6>
Comme il faut que la même quantité d'eau passe à travers toutes les sections annulaires, la composante radiale pour le point T2 (fig. 6) peut être calculée d'après celle du point T1 par l'équation :
EMI6.1
représente le facteur de restriction pour l'arête de distribution.
Une autre équation est donnée par le théorème des courants tour- billonnaires :
EMI6.2
cu . r = k, de sorte que e 2u = o lu 1 r2
Il en résulte dans le dessin les vecteurs de vitesse pour le point T2.
Quand aux vecteurs de vitesse pour le point T3 (fig. 6) , ils résultent de la condition suivant laquelle les composantes radiales sont inversement proportionnelles aux sections de passage, c'est-à-dire que clr. r1 = c3r. r3 facteur de restriction hl . (Le facteur de restriction, h2 donné par la position de 72 par rapport à 11 dans la fig. 6 est égal à un lorsqu'il est dessiné en image).
La direction des filets de courant et respectivement la direc- tion du vecteur de vitesse w3 sont également donnés de sorte qu'il a été possible de dessiner le triangle des vitesses pour le point T dans la fig.
6. Les vecteurs pour le point T4 ont été dessinés d'après T fig. 6) d'une façon analogue à la détermination des vecteurs pour le point T2 d'après T1.
La fig. 8 représente l'application de la caractéristique essen- tielle de l'invention à une roue directrice pour une turbine Kaplan. Cette application a l'avantage que la construction est plus simple que celle des aubes rotatives de Fink, et que l'arrivée du courant au propulseur Kaplan est continue et très belle. Il est vrai que, pour des raisons d'ordre géométri- que, la constance du pas du courant aux différents degrés d'action du flui- de est perdue, mais cette perte peut être compensée en partie par la possi- bilité de réglage des aubes.
Contrairement à ce cas, la constance du pas est maintenue pour tous les degrés d'action dans le mode de réalisation représenté dans la fig.
9. Cette figure marque la réalisation d'une nouvelle caractéristique. Alors que 1 représente l'une des surfaces de limitation du courant et 3 la surface hélicoïdale, comme dans les constructions précédentes, 2 est la deuxième sur- face de délimitation du courant, surface qui est matérielle ailleurs, mais qui est ici de nature idéale et qui représente une surface à niveau libre en forme de corps de rotation. Une pareille surface à niveau libre en forme de corps de rotation n'est possible qu'avec des liquides tournant autour d'un axe et seulement sous la forme d'une surface de délimitation du courant sur la face tournée vers l'intérieur et regardant l'axe.
Elle doit être comprise en imagination comme étant un niveau liquide quelconque, sauf que'au lieu de la seule action de l'accélération terrestre, c'est l'accélération centripète qui, par suite de la rotation du liquide, provoque la formation de la surface à niveau libre sous forme de corps de rotation. Comme toujours, dans ce cas également, la résultante de toutes les accélérations momentanées est perpen- diculaire au niveau libre qui se trouve sur la partie liquide.
L'avantage particulier des surfaces de limitation à niveau libre pour les dispositifs de guidage de courants annulaires consiste notamment
<Desc/Clms Page number 7>
en ce qu'il est facile de faire varier la section de passage en faisant va- rier la position de cette surface à niveau libre par rapport à l'autre sur- face matérielle de délimitation du courant.
Dans ce cas on peut faire va- rier la section de passage par le débit donné par un dispositif de guidage monté en avant (partie du rotor de la fig. 10) ou par la variation forcée de la position de cette surface de délimitation à niveau libre par rapport à la surface de délimitation matérielle, par le fait que l'on fait varier, par une intervention de réglage, la pression du fluide qui se trouve au-des- sus du niveau libre, par exemple de l'air (voir le mode de réalisation de la fig. 9). On emploie dans ce cas, au lieu de toutes les possibilités de réglage mécanique;, une simple cloche 25, sous laquelle on peut régler là pression de l'air dans l'espace qui se trouve au-dessus du niveau libre, suivant l'action désirée pour le fluide. Cette pression est caractérisé ici par la hauteur d'aspiration h par rapport à la pression extérieure.
L'eau du canal d'amont est aspirée par cette hauteur d'aspiration jusqu'à l'arrivée en spirale 27 dans la turbine et elle forme la partie plane 28 du niveau libre. Sous l'action des surfaces 3 de guidage du courant sur- faces qui sont d'abord en spirale et qui se transforment ensuite en surfa- ces hélicoïdales, ils se produit une arrivée à la turbine, arrivée qui res- semble à un tourbillon de Helmholtz, avec la surface à niveau libre corres- pondante 2. L'avantage de cette disposition consiste en ce que, comme on vient de le dire, le courant possède, en avant du propulseur, une composan- te tangentielle restant toujours constante ou respectivement un pas de flui- de restant constant, et aussi que la nécessité de régler les aubes du pro- pulseur est supprimée.
Le réglage mécanique double par réglage de la roue directrice et de la roue de turbine, réglage qui est nécessaire dans d'au- tres conditions, peut être effectué ici, comme on l'a dit plus haut, par une simple variation de la pression de l'air sous la cloche. S'il faut te- nir compte en outre de fluctuations de la hauteur de chute, on peut le fai- re par un déplacement axial simultané du rotor et par le réglage de l'an- gle des aubes, par exemple par des propulseurs Kaplan. La fermeture inférieu- re 29 de la surface à niveau libre est formée par le paraboloïde de révo- lution par suite de la rotation restant dans le liquide à l'intérieur du tuyau d'aspiration. Il est nécessaire que cette rotation soit maintenue pour assurer un freinage net entre le liquide et l'espace d'air par la sur- face à niveau libre 29.
Le pas restant est transformé en énergie de pres- sion par les aubes directrices réglables 30 ou respectivement le prolonge- ment fixe de ces aubes directrices 31. Dans le canal d'aval il s'établit un niveau d'eau qui se trouve encore au-dessous du sommet du paraboloïde à ni- veau libre, à une distance égale à la hauteur d'aspiration.
La figure 10 représente un nouveau type de turbine comprenant un dispositif de guidage de courant annulaire comme celui de la figa 3, ser- vant d'appareil directeur, et un dispositif de guidage de courant annulaire à niveau libre servant de rotor. Ce type de turbine est la première turbi- ne à jet libre à action complète proprement dite ayant sur la turbine Kaplan à la fois l'avantage d'avoir un rotor extrêmement petit, à grande vitesse et celui de la possibilité de régler la hauteur de chute théoriquement sans per- te, ainsi que d'éviter les pertes connues de chute libre.
Dans cette figure, 35 est un appareil directeur fixe, 36 le pa- lier à collet, 37 l'arbre de la turbine, 38 le rotor de la turbine et 39 le canal d'aval. L'action du fluide est réglée par le réglage simultané de 40 et 41, Le réglage de 41 par rapport à 40 permet de tenir compte des fuctua- tions de la hauteur de chute. La façon dont on tient compte de ces fluctua- tions de la hauteur de chute est basée sur la constatation hydraulique sui- vante.
Aux différentes pressions en avant de la turbine et respective- ment aux différentes vitesses de sortie de l'ajutage correspond toujours, dans le rotor, un angle d'entrée nettement déterminé pour lequel le jet li- bre sort du rotor avec la vitesse,de'sortie minima désirée, à condition d'em ployer un rotor permettant aussi de dériver le jet libre aux différents an- gles d'entrée sans grandes pertes de choc. Le jet libre à action complète
<Desc/Clms Page number 8>
sur tout le pourtour, employé en combinaison avec le dispositif de guidage de courant annulaire à niveau libre qui fait l'objet de la présente inven- tion, servant de rotor de turbine, permet précisément une pareille utilisa- tion du jet libre, presque sans perte, avec.différents angles d'entrée.
A l'aide des figures de 10 à 14, ce moyen de guidage de courant annulaire à niveau libre est expliqué ci-après comme le rotor d'une turbine.
Les différents triangles de vitesse sont dessinés dans la fig.
10 pour une ouverture complète de 41 et pour un point T2 de l'arête d'entrée.
Ces triangles portent les mêmes désignations et ils sont déterminés d'après les mêmes considérations que les vecteurs de vitesse correspondants dans la fig. 7. Pour donner une idée, quelque peu représentative de l'influence des différents angles d'entrée à l'entrée dans le rotor, la fig. 11 est un dé- veloppement du corps de rotation traversé par le courant annulaire. Pour plus de simplicité ce corps a été partagé suivant la génératrice IV du tronc de cône, la génératrice V du cylindre et la génératrice VI du tronc de cône dans la fig. 10.
Le développement IV dans la fig. 11 correspond au tronc de cône IV dans la fig. 10, le développement V au cylindre V et le développement VI dans la figo 11 au tronc de cône VI.
Le point T2, fig. 11 est le point d'entrée, dans la roue de tur- bine, du filet de courant à étudier.
Le point T3, fig. 11, est le point qui se trouve au milieu du cylindredéveloppé.
Le point T4, fig. 11 est un point à la sortie du rotor.
Soit c2, u2 et w2 le triangle des vecteurs d'entrée pour le point T2 pour la composante tangentielle la plus grande.
Soit cr, ur et wr le même triangle pour la fraction de composan- te tangentielle la plus petite (correspondant à peu près à la moitié de la chute de pression).
On a représenté en conséquence l'évolution d'une surface de gui- dage du courant correspondant à la ligne L dans la fig. 11. '
Pour compléter les explications relatives à l'évolution du cou- rant, la fig. 12 est une coupe par 1-1 de la fig. 10.
La fig. 13 est une coupe par II-II, et la fig. 14 une coupe par III-III.
La surface 3 de guidage du courant dans les fig. 12, 13 et 14 a été extraite et désignée pour exposer clairement par son décalage angulai- re, l'évolution du guidage du courant en fonction de la position des plans I, II et III.
Le cercle en pointillé-tireté 42, fig. 12 est une coupe de la surface à niveau libre à 1.'entrée dans le rotor. Maintenant si les différents filets de courant viennent frapper la surface de guidage du courant sous un "angle de choc" déterminé et d'une façon correspondant aux différentes posi- tions de réglage mentionnées plus haut, ils monteront radialement presque sans perte, par suite de la présence de la partie arrondie en 43, fig. 12, jusqu'à ce que l'énergie de "choc" existante soit absorbée.
S'il n'y avait pas de filets de courant voisins, l'un des filets de courant oscillerait continuellement dans la partie arrondie. Toutefois, comme il s'agit, par définition, d'un courant annulaire fermé à l'entrée (suivant 42, fig. 12), chaque filet de courant est arrêté au point le plus haut de cette oscillation par les filets de courants voisins (venant de gau- che) et l'oscillation est ainsi arrêtée sans perte, (comme l'oscillation d'un pendule est arrêtée, également en conservant l'énergie, lorsque ce pen- dule est retenu dans sa position d'oscillation extrême).
<Desc/Clms Page number 9>
Un jet annulaire libre arrivant avec la section d'entrée 42, fig. 12, s'appliquera donc graduellement sur la surface de guidage qui se trouve à droite dans la figure, au moment envisagé, et sa section prendra la forme de niveau libre qui est normale'à la pression de jet à transmettre au dispositif de guidage à chaque instant (voir le niveau libre partiel, fig. 13).
La surface de rotation du niveau libre, surface qui était primi- tivement fermée, est décomposée, sous l'action des surfaces de guidage du courant, pour donner les niveaux libres des jets libres décomposés, jets qui viennent se placer, au cours de l'écoulement, normalement à la pressiôn de déviation du jet, pression qu'il s'agit de transmettre au moment envisagé.
Il suffit alors maintenant que les lignes de niveau moyennes des jets libres décomposés se trouvent sur une surface de rotation, la surface idéale de ni- veau libre 45, fige 10.
En pratique, la zone décrite, dans laquelle les secteurs plats de courant annulaire divisé se rassemblent pour former des jets libres par- tiels fermés (jusqu'au point 44, f ig. Il), sera suivie d'une zone de dévia- tion des jets libres rassemblés, par exemple par une transformation graduel- le des surfaces hélicoïdales 3, fig. 12, qui étaient d'abord des surfaces à filet plat à droite, en passant par un filet allongé jusqu'à l'infini, en une surface hélicoïdale à filet plat à gauche, pour donner au courant annu- laire, jusqu'à la sortie du rotor, une composante tangentielle telle que ce courant sorte du rotor avec la vitesse absolue la plus petite possible, c'est- à-dire qu'il a cédé son énergie cinétique au dispositif de guidage rotatif, le rotor (fig. 14).
Les tâches mentionnées des deux zones peuvent aussi se confondre dans l'espace. On signalera encore la possibilité d'un courant ra- dial encore plus fortement accentué vers le milieu de l'axe dans le rotor, courant pour lequel la vitesse relative diminue suivant w2 - u2 = K, de sorte que les pertes par frottement du liquide diminuent aussi dans le ro- tor.
Il convient également pour restreindre le diamètre de sortie de réduire par conséquent le frottement total du liquide, de faire traverser le rotor avec intention avec une vitesse relative suraugmentée (en réduisant d'au- tant les sections de passage et les dimensions du rotor), pour transformer en- suite, toutefois, la vitesse de sortie absolue qui en résulte en énergie de pression dans un diffuseur, autant que possible sans perte.
C'est la première fois que cette transformation est possible, pour des turbines à jet libre, en relation avec l'action dont il s'agit ici exis- tant sur tout le pourtour du cercle, en laissant à la vitesse de sortie ab- solue une composante périphérique telle qu'il se forme un niveau liquide para- boloïdal (comme dans la fig. 9) pour obtenir une séparation sûre entre l'air et l'eau avant la transformation de l'énergie cinétique de l'eau en énergie de pression.
On signalera enfin encore, en se référant à la fig. 10 une parti- cularité de construction qui est essentielle. Avec les dispositifs de guidage usités jusqu'ici pour produire des courants annulaires à action complète, les surfaces guidant le courant dans le sens tangentiel, par exemple les aubes rotatives de Fink,étaient disposées sur le plus petit diamètre possible par construction.
Cette disposition entraîne notamment pour des grandes hauteurs de chute, comme par exemple pour les turbines à jet libre à action complète, par suite du frottement intense du liquide de long des surfaces de guidage du courant, ainsi que par suite des pertes intersticielles entre les surfa- ces de guidage du courant, surfaces qui sont mobiles en vue du réglage, et le profil de la roue directrice, ainsi que par suite de ce que le nombre des aubes directrices est un nombre fini, des pertes telles que ces appareils di- recteurs ne sont pratiquement plus utilisables pour de grandes hauteurs de chute; c'est pourquoi d'ailleurs on a dû revenir aux turbines à jet libre à action partielle, comme la turbine Pelton.
<Desc/Clms Page number 10>
La zone d'écoulement libre qui fait suite à la zone d'écoulement guidé peut aussi être employée pour des types de construction dans lesquels le courant guidé est produit par des aubes rotatives de Fink ou d'autres dis- positions de guidageo
Par contre, suivant l'invention, les surfaces guidant le courant dans le sens tangentiel doivent être disposées sur un diamètre plus grand D, tandis que les deux surfaces de rotation qui limitent le courant annulaire sont prolongées jusqu'au petit diamètre d, par exemple jusqu'à l'entrée dans la roue de turbine,, sans qu'il y ait par conséquent encore des surfaces ou des aubes directrices entre elles,
de D à do Dans ces appareils directeurs l'angle de sortie du courant sur le diamètre d est également déterminé par l'angle de sortie des surfaces de guidage du courant sur le diamètre Do Ces angles de courant 4 sur les différents diamètres sont égaux entre eux, lors- que les surfaces de guidage du courant sont parallèles entre elles à l'inté- rieur de la zone correspondante, parce que les filets de courant correspon- dent alors à des spirales logarithmiqueso Il importe toutefois que les vites- ses d'écoulement v soient, d'après le théorème du pas du fluide et après les conditions de continuité9 inversement proportionnelles aux diamètres et que par conséquent l'incrément de la perte de pression, qui se calcule selon la formule
EMI10.1
diminue de l'intérieur vers l'extérieur selon le carré du diamètre, ')
\ et \ pouvant être considérés comme constantso
Ceci explique aussi l'amélioration du rendement de sortie avec le nouveau dispositif.
Ce principe est naturellement applicable aussi bien à des cou- rants allant de l'axe vers l'extérieur, qu'aux courants dirigés vers l'in- térieur, comme dans l'exemple représenté.