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La présente invention est relative à un convertisseur de couple hy- draulique du type à étage unique et à carter rotatif, caractérisé par une concep- tion améliorée.
Un des objets de la présente invention consiste à établir un conver- tisseur de couple du type à étage unique et à une seule phase, ce convertisseur étant plus particulièrement conçu pour le matériel industriel où l'on désire faire en sorte qu'un moteur accouplé à une machine fournisse un couple moteur maximum pour une large gamme de variations du couple résistant, par exemple comme dans le cas de tracteurs à chenille, de pelles mécaniques sur roues, de certains équipement employés dans les champs pétrolifères, et dispositifs analogues.
Un autre objet de l'invention consiste à établir un convertisseur du type indiqué plus haut et caractérisé par un rapport plus élevé de couples à la vitesse de calage, par un rendement amélioré aux petits rapports de vites- ses et par une courbe plus relevée d'absorption de couple primaire, par rapport aux convertisseurs courants à un seul étage.
Un autre objet de l'invention consiste à établir un convertisseur tel que spécifié ci-dessus, dans lequel le circuit toroïdal est conformé et dis- posé en corrélation avec le choix des positions et des dimensions des aubes de la roue primaire et de la roue secondaire, de façon que la poussée liquide en- gendrée par la roue secondaire puisse agir à l'encontre de celle produite par la roue primaire aux rapports de vitesses supérieurs à 1,0:
1,0, provoquant ainsi l'arrêt du flux dans le circuit, une diminution sensible du couple transmis et une vitesse plus élevée de la roue secondaire, ce qui se traduit par une vitesse de roulement plus élevée d'un véhicule, lorsque celui-ci comporte le convertis- seuro
Un autre objet de l'invention consiste à adjoindre à un tel conver- tisseur un système de refroidissement qui assure une circulation fondamentale forcée continue à travers le convertisseur, en vue de la dissipation de la cha- leur, ce système étant établi, en corrélation avec le convertisseur, de façon à maintenir à l'entrée de la roue primaire une pression suffisamment élevée pour empêcher les particules du liquide de travail de se séparer des surfaces des aubes de la roue primaire lorsque le convertisseur fonctionne avec un rapport de vitesses peu élevé.
Ces objectifs de l'invention, ainsi que d'autres, seront exposés dans la description qui suit, en se reportant aux dessins annexés, dans lesquels:
La fig. 1 est une.vue partielle en coupe et en élévation du conver- tisseur de couple hydraulique.
Les figs. 2, 3 et 4 sont des vues d'élévation, si l'on regarde dans le sens des flèches portant des numéros correspondants dans la fig. 1, certaines parties étant brisées afin de mettre à jour un certain nombre d'aubes de la roue, primaire, de la roue secondaire et du stator, ces diverses vues étant dessinées à une échelle différente de celle de la fig. 1.
La fig. 5 est une vue schématique, partie en coupe, du convertisseur et du système de refroidissement y associé.
La fig. 6 représente graphiquement les variations de pression au raccord de décharge du système de refroidissement dans le convertisseur, en fonc- tion des variations des rapports de vitesses.
La fig. 7 est une représentation schématique du convertisseur de la fig. 1, où l'on voit la forme du circuit toroïdal en corrélation avec les élé- ments à aubage, ainsi que la position de la ligne médiane du courant liquide de ce circuit.
La fig. 8 est une vue schématique éclatée et développée, où l'on voit la corrélation entre les aubes de la roue primaire, de la roue secondaire
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et du stator, ainsi que les formes des lignes médianes du profil hydrodynamique de ces aubes, les aubes de la roue primaire étant du type à faible capacité, re- présenté dans la figo 14.
Les figso 9, 10 et 11 représentent, à l'aide de vecteurs, .les angles d'attaque du liquide de travail pour les rapports de vitesses indiqués, en corré- lation avec les bords d'entrée des aubes de la roue primaire, de la roue secon- daire et du stator, respectivement, les aubes de la roue primaire étant du type à grande capacité, représenté dans la fig. 15.
Les figso 12 et 13 sont des vues schématiques cotées montrant respec- tivement les coudes, extérieur et intérieur, dépourvus d'aubages, du circuit toroldal.
Les figs. 14 et 15 sont des vues schématiques montrant respective- ment des aubes de roue primaire, de capacité relativement réduite et relativement grande, ces vues étant prises en regardant dans le sens de la flèche 2 dans les figso 1 et 22, respectivemento
La fig. 16 est une vue schématique montrant plusieurs aubes de roue secondaire, en regardant dans le sens de la flèche 3 de la fig. 1, tandis que la figo 17 est une vue schématique montrant plusieurs aubes de stator, cette vue étant prise dans le sens opposé à celui de la flèche 4 dans la fig. 1, cha- cune des figso 14, 15, 16 et 17 indiquant: des angles d'entrée et de sortie (a1 et a ) préconisés, les angles d'entrée de la roue primaire étant mesurés à la coquille extérieure et à la coquille intérieure ;
distance préconisée (b) entre les aubes de la roue primaire, au niveau de leur entrée; et une distance préconisée (c) entre les aubes de la roue secondaire, au niveau de leur sortie et entre les aubes du stator, également au niveau de leur sortie.
Les figs. 18, 19, 20 et 21 sont des vues cotées montrant respective- ment des aubes représentatives de la roue primaire, de la roue secondaire et du stator, relatives aux aubes correspondantes représentées respectivement dans les figs. 14, 15, 16 et 17, les dimensions étant indiquées par rapport aux axes des abscisses et des ordonnées, chaque aube étant considérée comme étant posée le long de l'axe X.
La figo 22 est une vue partielle en coupe, dessinée à une échelle moindre, analogue à la fige 1, cette vue montrant une aube de grande capacité, telle que représentée dans la figo 15, disposée dans le circuit toroïdal du convertisseur au lieu et place de l'aube de roue primaire 15.
La fige 23 représente diverses courbes de rendement du convertisseur équipé de roues primaires de divers types.
Les figs. 24 et 25 sont des courbes comparatives, qui dans chaque figure se rapportent respectivement à un convertisseur du type comportant un stator à flux radial entrant, tel que décrit ici, et où le stator est disposé à la sortie de la roue secondaire* et à un convertisseur du type comportant un stator à flux radial sortant, où le stator est situé à l'entrée de la roue pri- maire.
Dans la figo 1, le chiffre de référence 10 désigne le carter rota- tif du convertisseur, dont les extrémités opposées sont fixées respectivement à une bride d'accouplement annulaire 11 qui établit une liaison de commande en- tre une source de puissance et une roue primaire 12, cette dernière comprenant une coquille extérieure 13, une coquille intérieure 14 écartée de la première et une série d'aubes 15 réparties à intervalles égaux autour de la coquille ex- térieure 13 et de la coquille intérieure 14, en chevauchant l'espace compris entre ces coquilles.
Le liquide refoulé par la roue primaire 12 pénètre dans une extré- mité d'un canal extérieur 16 recourbé sur lui-même et exempt d'aubes, canal dont
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l'extrémité opposée communique avec l'entrée d'une roue secondaire 17 comportant, une coquille extérieure 18 reliée à cannelures à un arbre mené 19y une coquille intérieure 20 espacée par rapport à la coquille extérieure 18, ainsi qu'une sé- rie d'aubes 21 réparties à intervalles égaux autour de la coquille extérieure @ 18 et de la coquille intérieure 20 et chevauchant l'espace compris entre ces coquilles.
Le liquide sortant de la roue secondaire 17 pénètre dans l'entrée, très rapprochée, d'un stator 22, ce dernier comprenant une coquille extérieure 23 reliée à un manchon fixe 24 qui est coaxial avec l'arbre 19 et espacé par rap- port à celui-ci, une coquille intérieure 25 et une série d'aubes 26 réparties à'intervalles réguliers autour de la coquille extérieure 23 et de la coquille in- térieure 25 et chevauchant l'espace entre ces coquilles.
Le liquide sortant du stator 22 pénètre dans une extrémité d'un canal intérieur 27 recourbé sur lui-même et dépourvu d'aubes, l'extrémité opposée de ce canal étant en communication avec l'entrée de la roue primaire 12. La partie intérieure du canal 27 est délimitée par des parties convenablement courbées des coquilles intérieures 14 et 25, tandis que la partie extérieure de ce canal est délimitée en incurvant convenablement une portion de la coquille extérieure 23 du stator et en y fixant une extrémité d'une chicane courbe 28 dont l'extrémité opposée se termine à faible distance de la coquille extérieure 13, de façon à déterminer une ouverture ou un orifice 29, dans un but qui sera exposé dans la suite.
Comme il ressort de la fig. 1, la roue primaire 12, le;canal 16, la roue secondaire 17, le stator 22 et le canal 27 occupent des positions relatives telles, qu'ils déterminent un trajet toroïdal fermé pour le liquide de travail, sauf que, comme il sera décrit dans la suite, le liquide parcourt également un réfrigérateur extérieur, branché sur le circuit toroïdal. De façon générale, les aubes 15 de la roue primaire sont situées dans la partie du circuit toroïdal qui représente un flux radial dirigé vers l'extérieur, tandis que les aubes 21 de la roue secondaire et les aubes 26 du stator sont situes dans la partie du cir- cuit toroïdal qui représente un flux radial dirigé vers l'intérieur.
Les aubes 15 de la roue primaire, les aubes 21 de la roue secondaire et les aubes 26 du stator sont normales par rapport, respectivement, aux coquilles extérieure et intérieure 13 et 14, 18 et 20, et 23 et 25.
L'allure du circuit toroïdal, en corrélation avec les emplacements des diverses aubes, constitue une caractéristique importante de l'invention, et ses avantages seront décrits ultérieurement, lors de l'exposé des caractéristi- ques de fonctionnement du convertisseur. Pour le moment on notera que les faces des coquilles intérieures 20 et 25 tournées vers les aubes sont coplanaires et sont transversales par rapport à l'axe du convertisseur, et que la face corres- pondante de la coquille intérieure 14 est également transversale par rapport au même axe. En outre, la face de la coquille extérieure 13 tournée vers les aubes 15 est en convergence avec la coquille intérieure 14, tandis que la coquille ex- térieure 18 est en divergence avec la coquille intérieure 20, le tout en consi- dérant le sens du flux liquide.
Les faces tournées vers les aubes, de la coquille extérieure 23 et de la coquille intérieure 25, du stator 22, sont parallèles.
Les canaux 16 et 27 présentent une forme générale en U ou semi-circu- laire et font donc dévier de 180 le flux liquide entre la roue primaire 12 et la roue secondaire 17 et entre le stator 22 et la roue primaire 12, respective- ment. De plus, ces canaux sont établis de manière à assurer des changements de direction aisés et non turbulents au liquide qui les traverse, de manière à em- pêcher ainsi la séparation du liquide d'avec les parois de ces canaux. Les con- ditions requises pour atteindre ces résultats seront exposées dans la suite.
Une caractéristique importante de l'invention réside dans la manière de dissiper une partie importante de la chaleur développée dans le liquide de
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travail lorsque celui-ci se déplace dans le circuit toroldal, et consiste à fair passer ce liquide à travers un réfrigérateur extérieur, avec un réglage déterminé, et à obtenir ce résultat de façon telle que le liquide se déplaçant entre les au-!- bes de la roue primaire soit en outre maintenu à une pression suffisante pour ré; duire notablement toute tendance des particules liquides à se séparer des surfaces de ces aubes lorsque le convertisseur fonctionne dans la gamme des petits rap- ports de vitesses. Une telle séparation, si elle n'est pas empêchée, s'accompagne d'une perte d'énergie considérable.
Comme il sera exposé d'une façon détaillée dans la suite (voir figs.
9 et 10), l'angle d'attaque du liquide par rapport aux lignes médianes du profil hydrodynamique des aubes varie avec le rapport de vitesses entre la roue secon- daire 17 et la roue primaire 12, le rapport de vitesses étant défini comme étant la vitesse de la roue secondaire divisée par celle de la roue,primaire. Aux rap- ports de vitesses relativement élevés, c'est-à-dire, dans la gamme de rapports correspondant à un rendement élevé, le liquide s'écoule de façon favorable entre les aubes 15 de la roue primaire, dans le sens de la ligne médiane de cambrure de ces aubes 15; toutefois, si la roue secondaire 17 vient à ralentir par suite de l'accroissement du couple résistant, le liquide pénètre dans la roue primaire
12 sous des angles moins favorables, soit, des angles plus grands, par rapport à la ligne médiane de cambrure des aubes 15 de la roue primaire.
Dans cette gamme de rapports de vitesses relativement peu élevés, et comme il a été indiqué d'une manière générale plus haut, les particules liquides tendent à se séparer des sur- faces des aubes 15 de la roue primaire, ce qui entraîne une perte d'énergie.
Il a été déterminé que si l'on maintient une pression suffisante du liquide à l'entrée de la roue primaire, la tendance à la séparation peut être éliminée dans une grande mesure, ce qui s'accompagne d'une amélioration du ren- dément, la disposition visant à atteindre ce résultat faisant partie du système de refroidissement à circulation forcée.
Une représentation schématique du circuit de refroidissement est donnée dans la fig. 5, à laquelle on se reportera ci-après, de même qu'à la fig.
1. Le liquide de travail est aspiré d'un puisard approprié 30 à l'aide d'une pompe 31 commandée par un moteur et s'écoule ensuite par un trajet comprenant, en série : refroidisseur 32, un canal annulaire 33 (voir fig. 1) compris entre l'arbre 19 et le manchon 24, un canal 34 compris entre la partie courbe 35 du stator et la coquille extérieure 23, d'une part, et une extension 36 de la co- quille extérieure 18 de la roue secondaire, extension clavetée sur l'arbre 19, d'autre part. Le liquide débité à travers le canal 34 rejoint le circuit toroï- dal en un point situé entre la sortie de la roue secondaire 17 et l'entrée du stator 22.
Le flux réfrigérant quitte le circuit toroïdal à travers l'orifice 29 et traverse un¯canal 36a prévu dans le manchon 24, de même qu'un conduit de rac- cordement 37, pour parvenir dans le puisard 30. Le conduit 37 comprend une sou- pape classique de régle de la pression 38 qui, dans le cas présent, est de pré- férence mise au point en vue de maintenir une pression de 40 lbs. par pouce carré à l'entrée de la roue primaire 12. Il a été déterminé que cette pression constante suffit pour supprimer la tendance des particules liquides à se séparer des aubes 15 de la roue primaire lorsque le convertisseur fonctionne dans la gamme de rapports de vitesses peu élevés.
Une autre caractéristique importante réside dans la direction du flux de refroidissement par rapport au flux tel qu'il s'effectue au sein du circuit toroïdal. Etant donné que la roue primaire 12 et la roue secondaire 17 sont si- tuées respectivement dans la partie dirigée radialement vers l'extérieur et dans la partie dirigée radialement vers l'intérieur, du circuit toroïdal, il est évident que-comme il sera exposé ultérieurement-, lorsque le convertisseur tourne avec un rapport de vitesses relativement élevé, la poussée du liquide engendrée par la roue secondaire 17 s'oppose à celle due à la roue primaire 12, et la cir- culation toroïdale s'arrête.
Lorsque la roue secondaire ralentit, la circulation
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toroïdale augmente et s'oppose à celle du liquide qui se déplace à travers le canal 34, de sorte que la pression à l'extrémité de décharge de ce canal augmente.
Toutefois, qu'il y ait ou non une circulation toroïdale, une pression de suppres sion fondamentale de 40 1bs. par pouce carré est maintenue à l'entrée de la roue primaire 12. Cette pression est suffisante pour le but principal qui a été exposé; elle n'est toutefois pas assez élevée, même aux petits rapports de vitesses, que pour déterminer des fuites excessives aux bourrages habituels, désignés à titre d'exemple par 39. La situation en ce qui concerne la relation entre la pres- sion et les variations du rapport de vitesses, à l'extrémité de sortie du canal 34, est représentée graphiquement dans la fig. 6, où la pression (ordonnées) à . l'extrémité de décharge de ce canal augmente lorsque le rapport de vitesses (ab- ' ' scisses) diminue.
Les caractéristiques de fonctionnement du convertisseur représenté dans la fig. 1 sont en corrélation avec la forme du circuit toroïdal tel que représenté schématiquement dans la fig. 7, avec les formes respectives et les angles d'entrée et de sortie des aubes de la roue primaire, de la roue secondaire et du stator et avec le nombre d'aubes dans chaque aubage. Les considérations qui seront exposées dans la suite, en ce qui concerne les angles d'entrée et de sortie des aubes, les angles d'attaque du liquide, ainsi que les rayons, se rap- portent à la ligne médiane du courant liquide du circuit toroïdal et à la ligne médiane du profil hydrodynamique des aubes respectives, comme indiqué dans la fige 7.
L'emplacement de la ligne médiane du courant liquide en un point quel- conque du trajet du flux est déterminé par la formule ci-après, telle qu'elle a été indiquée graphiquement sur le canal intérieur recourbé et dépourvu d'aubes 27 de la fig. 7.
EMI5.1
où Rm = le rayon moyen en un point situé sur la ligne médiane du courant liquide.
Ri et R rayons, intérieur et extérieur, respective- ment, des points situés sur l'extrémité d'une ligne sensiblement perpendiculaire aux parois du tore, passant par le point précité pris sur la ligne médiane du courant liquide.
Un convertisseur présentant les caractéristiques inventives exposées' ici est employé normalement avec un moteur à combustion interne à régulateur, moteur qui, à titre d'exemple, sera considéré ici comme étant du type diesel.
Les conditions auxquelles doit répondre la construction sont basées sur le rap- port entre les courbes caractéristiques de couple et de puissance d'un moteur donné, d'une part, et la caractéristique de couple primaire du convertisseur décrit ici, et destiné à être combiné avec un tel moteur, d'autre part. Le couple primaire d'un convertisseur est défini comme étant celui qui est requis pour faire tourner la roue primaire à n'importe quelle vitesse donnée pendant que la vitesse de la roue secondaire varie entre celle de calage (0,0) et celle d'em- ballement ou à vide (1,0), ces deux chiffres exprimant des rapports de vitesses.
Comme il sera exposé en détail dans la suite, la construction suivant l'inven- tion permet également de réaliser des rapports de vitesses supérieurs à 1,0.
En substance, les nouvelles caractéristiques du convertisseur à un étage décrit ici, en comparaison avec un convertisseur classique, également à un étage, consistent en : élévation du rapport des couples à la vitesse de calage (voir fig. 25), un meilleur rendement aux petits rapports de vitesses (voir fig. 24) et une courbe plus relevée d'absorption de puissance au couple primaire (voir figo 23).
Ces résultats sont obtenus en plaçant le stator 22
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(voir fig. 1) au voisinage immédiat de la sortie de la roue secondaire 17, c'est- à-dire, en disposant le stator 22 dans la partie du circuit toroïdal à flux radi- al dirigé vers l'intérieuro A cet,endroit, le stator 22 ést à même d'accepter avec un rendement maximum le liquide sortant de la roue secondaire 17, quelle que soit sa vitesse, le couple de réaction étant engendré dans les conditions de flux les plus favorables.
On décrira ci-après les détails de la construction permettant d'obte- nir les résultats recherchés ci-dessus, ainsi que d'autres. Dans la fig.8,onca repré- santé, en une vue éclatée et développée, des formes caractéristiques des aubes dans les divers échelons du convertisseur, ainsi que les lignes médianes du profil hydro- dynamique de ces aubes. Les angles d'entrée et de sortie pour chaque aube sont désignés respectivement par "a1"et "a2", avec ceci que, pour l'aube 15 de la roue primaire l'angle d'entrée se définit comme étant l'angle entre la tangente à la ligne de cambrure médiane 40, d'une part, et la tangente au cercle tracé avec le rayon de rotation de l'aube 15 de la roue primaire, depuis l'axe de ro- tation jusqu'au bord d'entrée de cette aube, d'autre part.
Le même principe s'ap- plique à l'angle de sortie de l'aube 15 de la roue primaire et aux angles d'en- trée et de sortie de l'aube 21 de la roue secondaire et de l'aube 26 du stator.
L'aube de roue primaire représentée dans la fig. 8 est identique à celles re- présentées respectivement dans les figs. 1 et 14.
D'une manière générale, les profils des aubes ont été dessinés de fa- çon à assurer un flux liquide efficace dans une gamme étendue de rapports de vi- tesseso A cette fin, les aubes ont été mises au point en vue d'assurer un ren- dement élevé au point optimum théorique et à accepter le flux sous un certain nombre d'angles d'attaque avec un minimum de pertes par choc dues au fait que le liquide se sépare; des surfaces des aubes, cette disposition ayant pour ré- sultat de réduire les pertes de rendement, le flux au contact des aubes étant exempt de remous, caractéristique qui est influencée par le système à flux ré- frigérant représenté dans la fig. 5.
La conformation des aubes détermine direc- tement la gamme de variation du couple, le rendement et d'autres caractéristi- ques de fonctionnement, telles que le rapport des couples à la vitesse de calage, l'allure de la courbe du couple et le rapport de vitesses auquel correspond un rendement de pointe.
L'aube 15 de la roue primaire, telle que représentée dans les figs.
8 et 15, se présente dans le circuit toroïdal du convertisseur de la fig. 1 et est considérée comme étant une aube de roue primaire à capacité relativement faible. Une aube 41 de roue primaire à capacité relativement plus élevée, mon- trée dans les figs. 9 et 15, se présente dans le circuit toroïdal du convertis- - saur, comme indiqué dans la fig. 22. Des représentations graphiques de ces aubes seront expliquées dans la suite. Quoique les aubes de roue primaire 15 et 41 soient représentées ici en particulier comme étant dotées respectivement de faces antérieures convexes et concaves, il est bien entendu que les aubes de la roue primaire peuvent être soit convexes, soit concaves. Plus l'angle de sortie de l'aube de la roue primaire est important et plus grande est la puissance absorbée à n'importe quelle vitesse primaire donnée.
L'angle d'entrée de l'aube de la roue primaire est déterminé par la direction du flux d'approche.du liquide de travail, le volume de ce flux et l'angle de sortie du stator qui précède la roue primaire. Dans ces limites de variables, et pour une conformation donnée quelconque, l'aube de la roue primaire sera façonnée de manière à déterminer une transition progressive du frofil de l'aube entre l'entrée et la sortie de cette dernière.
En considérant un convertisseur équipé d'aubes de roue primaire 41 à capacité relativement élevée, d'aubes de roue secondaire 21 et d'aubes de sta- tor 23, à savoir, d'un nombre d'aubes approprié dans chacun de ces cas (les li- mites des nombres d'aubes seront indiquées dans la suite), en vue de constituer une unité ayant un couple spécifique relativement élevé, on a représenté sché-
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matiquement dans les figso 9, 10 et 11 certaines caractéristiques de construction préconisées pour les aubes respectives.
Comme montré dans la fig. 9, le bord d'entrée de l'aube de roue pri- maire 41 a été dessiné en vue d'accepter le liquide qui se déplace dans le canal intérieur 27 recourbé sur lui-même (voir fig. 1), suivant une dispersion angûlai- re de 40 à 97 , comme indiqué par les vecteurs de vitesse d'approche qui se rapportent à la gamme de rapports de vitesses allant de 0,0 à 0,87 et peuvent être considérés en corrélation avec la courbe de couple primaire 47, représentée dans la fig. 23.
La dispersion des vecteurs de vitesse d'approche au niveau des bords d'entrée des aubes 21 de la roue secondaire et des aubes 23 du stator (voir figs.
10 et 11), pour la même gamme de rapports de vitesses que pour l'aube 41 de la roue primaire, est de 29 à 62 pour les aubes 21 de la roue secondaire et de 27 à 145 pour les aubes 23 du stator. Le fait de situer les aubes 23 du stator, à nez bulbeux, au voisinage immédiat des sorties des aubes de larroue secondaire permet aux aubes du stator d'accepter ce flux à dispersion relativement impor- tante, venant des aubes de la roue secondaire, dans tous les filets liquides, cela avec un rendement maximum.
Les meilleures caractéristiques de rendement pour les diverses aubes ont été obtenuesavec les gammes suivantes pour les angles d'entrée et de sortie, respectivement "a1" et "a2".
EMI7.1
<tb>
Angles <SEP> d'entrée <SEP> Angles <SEP> de <SEP> sortie
<tb>
<tb>
<tb> Aubes <SEP> de <SEP> la <SEP> roue <SEP> primaire <SEP> 25 <SEP> à, <SEP> 48 <SEP> 36 <SEP> à <SEP> 90
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Aubes <SEP> de <SEP> la <SEP> roue <SEP> secondaire <SEP> 32 <SEP> à <SEP> 65 <SEP> 22 <SEP> à <SEP> 35
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Aubes <SEP> du <SEP> stator <SEP> 74 <SEP> à <SEP> 85 <SEP> 29 <SEP> à <SEP> 39
<tb>
Si l'on considère les caractéristiques de fonctionnement du conver- tisseur tel que représenté dans la fig. 1, c'est-à-dire, muni d'aubes de roue primaire 15 (voir figs. 8 et 14), le flux traverse la roue primaire 12 et la roue secondaire 17 dans un sens général orienté radialement vers l'extérieur et radialement vers l'intérieur, respectivement, par rapport au convertisseur.
En d'autres termes, les aubes 15 et 21, respectivement de la roue primaire et de la roue secondaire, sont disposées dans le circuit toroïdal de telle façon que, pour un rapport de vitesses déterminé, la poussée liquide de la roue secondaire 17 s'oppose à celle de la roue primaire 12, provoquant ainsi un arrêt du flux dans le circuit de travail et entraînant une réduction notable du couple trans- mis.
Les aubes des divers échelons du convertisseur sont disposées à angle droit par rapport à leurs coquilles intérieures et extérieures respectives, comme représenté dans la fig. 1 et ne sont pas tordues entre leurs bords d'entrée et de sortie. De plus, on sait que, dans la construction de type courant, compre- nant une roue primaire à flux orienté radialement vers l'extérieur et une roue secondaire à flux orienté radialement vers l'intérieur la distance minimum, et donc la section de passage minimum, entre une paire d'aubes voisines se présente à l'entrée entre ces aubes et que la section du canal délimité par ces aubes va en augmentant vers les sorties de celles-ci, tandis que l'inverse vaut pour la roue secondaireo Par conséquent, dans ce type connu de roue primaire,- la pous- sée du liquide,
due à la vitesse relative va en diminuant et la poussée due à la pression va en augmentant, à mesure que le liquide s'écoule vers l'extérieur entre les aubes de la roue primaire, en conformité avec la loi qui régit l'écoule- ment d'un liquide à travers un conduit. La situation inverse se présente dans le cas de la roue secondaire connue à flux radial entrant, c'est-à-dire que, de l'entrée à la sortie la poussée due à la vitesse relative augmente, tandis que la poussée due à la pression diminue.
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Etant donné que seule l'énergie cinétique imprimée au liquide de tra- vail par la roue primaire présente un intérêt en ce qui concerne l'application d'un couple de rotation à l'arbre mené, il est avantageux de réduire au minimum le développement de la poussée due à la pression. Dans le convertisseur suivant l'invention, ceci a été réalisé en faisant converger les parois-limites des ca- naux de flux de la roue primaire 12 depuis l'entrée jusqu'à la sortie de cette roue primaire et, en particulier, en faisant converger les coquilles extérieure 13 et intérieure 14, comme montré dans la fig. 1. Grâce à cette disposition, l'augmentation de la section de chaque canal de flux de la roue primaire 12, de- puis son"entrée jusqu'à sa sortie, peut être limitée à 30% environ de ce qu'elle eût été sans cette disposition.
Dans la roue secondaire 17, les parois-limites constituées respecti- vement par la coquille extérieure 18 et la coquille intérieure 20 divergent de- puis l'entrée jusqu'à la sortie et limitent la diminution de la section entre aubes jusque 25% environo
En ce qui concerne le stator 22, la coquille extérieure 23 et la coquille intérieure 25 sont parallèles entre elles dans les régions où elles sont accolées aux aubes 26 du stator, ces dernières occupant des positions relatives telles qu'elles limitent à 20% environ l'augmentation de la section de passage depuis leur entrée jusqu'à leur sortie.
Des dimensions représentatives pour les canaux recourbés sur eux- mêmes et dépourvus d'aubages, soit, le canal extérieur 16 et le canal intérieur 27, sont indiquées respectivement dans les figs. 12 et 13, ces dimensions devant être considérées en corrélation avec les exemples représentés d'aubes de la roue primaire (figs. 14 et 18), d'aubes de la roue secondaire (figs. 16 et 20) et d'aubes du stator (figs. 17 et 21).
Afin d'empêcher la séparation du liquide d'avec les parois des canaux 16 et 27, et des pertes d'énergie qui en résulte- raient, la section de passage transversale du canal extérieur ou à grande éner- gie 16 se réduit de préférence de 10 à 15% entre la sortie de la roue primaire 12 et l'entrée de la roue secondaire 17, tandis que la section de passage cor- respondante du canal intérieur ou à faible énergie 27 est de préférence mainte- nue constante depuis la sortie du stator 22 jusqu'à l'entrée de la roue primai- re 12, ou bien, elle peut diminuer légèrement et progressivement dans cette der- nière direction..
Partant de ce qui précède, et en considérant les canaux, extérieur et intérieur, recourbés sur eux-mêmes, respectivement 16 et 27,en corrélation avec les canaux de flux, convergents et divergents, respectivement de la roue primaire 12 et de la roue secondaire 17, on voit que le profil périphérique extérieur du circuit toroldal est sensiblement piriforme.
Une caractéristique importante de l'invention consiste en ce que, comme indiqué plus haut, l'arrêt du flux dans le circuit toroïdal se produit à un rapport de vitesses supérieur à 1:la Ce résultat est obtenu grâce à une aug- mentation sensible de la masse de liquide de travail entraînée en rotation par la roue primaire 12, par rapport à la masse contenue dans la roue secondaire 17, le rapport entre ces masses étant déterminé de façon générale par les diamètres,- intérieur et extérieur, des masses liquides contenues respectivement dans la roue primaire et la roue secondaire.
Comme on le voit dans la fig. 1, laquelle représente à titre d'exem- ple un système de construction, la masse de liquide de travail, qui est entraî- née en rotation à la vitesse de la roue primaire 12, est, d'une manière générale, contenue entre les bords d'entrée des aubes 15 de la roue primaire et la surface extérieure 42 du canal extérieur 16, tandis que la masse liquide entraînée en rotation à la vitesse de la roue secondaire 17 est contenue d'une manière générale entre les bords d'entrée des aubes 26 du stator et les bords d'entrée des aubes 21 de la roue secondaire.
On conçoit que la masse liquide de la roue
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primaire 12 est sensiblement plus importante que celle de la roue secondaire 17, de sorte que l'arrêt du flux liquide à travers le circuit toroïdal, arrêt dû aux raisons indiquées ci-dessus, ne peut avoir lieu que lorsque la vitesse de la roue secondaire dépasse celle de la roue primaire. Cette disposition a permis d'attein- dre, au moment de l'arrêt du flux, des rapports de vitesses allant jusque 1,15.
Des courbes de couple primaire représentatives pour le convertisseur ci-dessus sont montrées dans la fig. 23. Une de ces courbes, désignée par le chiffre de référence 44, est relative à un convertisseur ayant un couple spécifi- que de 235 lbs.-feet et comportant les aubes de roue primaire 15 représentées avec leurs cotes dans les figs. 14 et 18, les aubes de roue secondaire 21, re- présentées avec leurs cotes dans les figs. 16 et 20, et les aubes de stator 26, représentées avec leurs cotes dans les figs. 17 et 21. Dans cette construction particulière, la roue primaire 12 comporte vingt-deux aubes, la roue secondaire- 17 comporte trente aubes et le stator 22 comporte quarante-quatre aubes, toutes les aubes étant réparties uniformément autour des éléments respectifs.
D'autres courbes de couple primaire de la fig. 23, désignées par les chiffres de référence 45 et 46, indiquent les caractéristiques des convertisseurs ayant respectivement un couple spécifique de 200 lbs.-feet et 280 lbs.-feet et des angles de sortie respectifs "a2" des aubes de la roue primaire, de 43,5 et de 90 . Les courbes 44, 45 et 46 indiquent également l'effet qu'exerce sur la capacité d'absorption de couple de la roue primaire la variation des angles de sortie "a2" des aubes de cette roue; en augmentant l'angle de sortie on augmente cette Capacité d'absorption à une vitesse primaire donnée.
Une disposition de variante à laquelle s'applique le facteur de con- version de vitesse supérieur à 1 : et qui fournit une courbe d'absorption de couple plus relevée, suppose l'emploi des aubes 41, à capacité relativement plus élevée (voir fig. 15)p dans la roue primaire 12. Dans la fig. 22, on a représen- té une aube disposée dans la roue primaire et, en comparant cette aube à l'aube 15 de la fig. 1, on constate que le bord de sortie de l'aube 41 s'étend partiel- lement dans le canal extérieur 16 et que ce bord est situé sur un cercle tracé avec un rayon plus grand que celui qui correspond au bord de sortie de l'aube 15.
Si l'on emploie l'aube de roue primaire 41 représentée avec ses cotes dans les figs. 15 et 19, au nombre de dix-huit, conjointement avec les aubes de roue secondaire 21 et les aubes de stator 26, comme il a été envisage plus haut à propos du convertisseur de la fig. 1, on obtient la courbe d'absorption de couple 47 représentée dans la fig. 23, ce convertisseur étant adapté à un moteur four- nissant un couple de 335 lbs.-feet. La courbe de rendement désignée par le chif- fre de référence 48 de la fig. 23 se rapporte à la courbe d'absorption 47 et constitue un exemple de la possibilité du convertisseur à fournir un'rendement élevé pour une gamme étendue de vitesses secondaires.
Compte tenu des dimensions du convertisseur, le nombre des aubes de la roue primaire varie entre 18 et 24, celui des aubes de la roue secondaire entre 24 et 30 et celui du stator entre 40 et 48, ces limites du nombre d'aubes étant en corrélation avec les limites d'angles d'entrée et de sortie indiquées plus haut.
On remarquera à propos de n'importe lequel des convertisseurs dé- crits ci-dessus, en se reportant à la fig. 23, que, lorsque l'arrêt du flux dans le circuit toroïdal se produit pour un rapport de vitesses de 1,15:1, le couple primaire n'est pas ramené complètement à zéro, cela en raison des aubes fixes 26 du stator et des pertes mécaniques du côté primaire.
Comme indiqué plus haut d'une manière générale, les autres objets poursuivis en utilisant le convertisseur décrit ici sont: une amélioration du rendement aux petits rapports de vitesses et une élévation du rapport de cou- ples de calage, les deux caractéristiques étant considérées par rapport aux con- vertisseurs à un étage de type classique.
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En ce qui concerne le rendement aux petits rapports de vitesses, on se reportera à la fige 24, laquelle représente graphiquement, aux fins de comparai- son, certaines caractéristiques de rendement d'un convertisseur à un seul étage, équipé d'un stator à flux radial entrant et à un convertisseur analogue compor- tant un stator à flux radial sortant. Les caractéristiques choisies à cet effet sont: le couple moteur ou primaire, le couple secondaire du convertisseur et la puissance effectiveo Les différentes courbes relatives au flux entrant ont été représentées en traits interrompus, tandis que les différentes courbes se rappor- tant au flux sortant ont été représentées en traits pleins.
Lorsqu'un moteur diesel est ralenti sous l'effet de la charge par rapport à la vitesse de régime, le couple moteur augmente de 15 à 25%, suivant la construction du moteur cette propriété étant inhérente à ce type de moteur.
Par conséquent, et en supposant qu'un convertisseur soit adapté à un moteur die- sel, on voit que, dans la mesure où le moteur ralentit par suite de l'accroisse- ment de la charge dont est solidaire la roue secondaire et de la diminution de la vitesse de cette dernière, c'est-à-dire que, dans la gamme des petits rapports de vitesses, on tire parti de toutes les possibilités du moteur en ce qui concer- ne le couple et que le couple maximum sera disponible pour entraîner la charge.
Cette caractéristique est hautement avantageuse dans certains types de véhicules, y compris les tracteurs à chenilles, les pelles mécaniques sur roues et certains équipements pour champs pétrolifères, où on doit faire face à des charges qui varient dans de grandes limites.
En considérant la fig. 24 on constate que la courbe de couple moteur ou primaire pour un convertisseur à un seul étage comportant un stator à flux radial sortant (ligne en trait plein) est relativement aplatie, tandis que, pour un convertisseur analogue ayant un stator à flux entrant (ligne en traits interrompus) elle se relève dans le sens du calage, avec élévation concomitante du couple moteur, les convertisseurs respectifs étant considérés comme ayant des gammes de fonctionnement comparablesoEn ce qui concerne le couple secondaire, le convertisseur comportant un stator à flux entrant (ligne en traits interrom- pus), dépasse considérablement le convertisseur de couple à stator à flux sor- tant (ligne en trait plein) dans le sens du calage, cette situation étant par- tiellement due à la caractéristique de couple relevée, exposée plus haut.
Si l'on considère les courbes de puissance effective, la fige 24 montre que le convertisseur du type à stator à flux entrant (ligne en traits interrompus)four- nit un plus grand nombre de chevaux-vapeur dans une gamme plus étendue de vites- ses de la roue secondaire, c'est-à-dire, de vitesses de roulement du véhicule, que ne le fait le convertisseur du type à stator à flux sortant (ligne en trait plein)o Le convertisseur à stator à flux sortant est généralement établi en vue de limiter la vitesse secondaire à un rapport de vitesses inférieur à 1:1, dé- terminant ainsi une diminution rapide de la puissance, tandis que le convertis- seur comportant un stator à flux entrant atteint des rapports de vitesses plus élevés, supérieurs à 1:
1 et, par conséquent, permet au véhicule de déplacer des charges plus élevées à une vitesse de marche plus grandeo
Des courbes comparatives concernant l'élévation du rapport de vites- ses correspondant au couple de calage, pour les convertisseurs à stator à flux entrant et à stator à flux sortant, sont représentées dans la figo 25. Le stator' à flux entrant (ligne en traits interrompus) permet d'obtenir un rapport de mul- tiplication de couple à la vitesse de calage notablement plus important que ne le permet le stator à flux sortant (ligne en trait plein), ce qui se traduit par un couple secondaire plus important, étant donné que ce dernier représente le produit du couple d'entrée et du facteur de multiplication du couple.
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