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Accouplement hydraulique.
La présente invention se rapporte aux accouplements hydrauliques et concerne plus spécialement un agencement fournissant un fonctionnement particulièrement efficace avec des moteurs électriques du type à induction ou une autre source d'énergie.
Les moteurs électriques existants de ce type déve- loppent des couples de pointe à 90% environ de leur vitesse nominale. En conséquence, lors d'une utilisation comme source d'énergie pour un accouplement hydraulique, il est désirable que l'accouplement soit caractérisé par un faible couple de traînée au calage et dans des conditions corres-
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pondant à un glissement très élevé, afin d'avoir la certitude que la vitesse du moteur ne va pas tomber au-dessous du point précité correspondant a 90% de la vitesse nominale.
Les applications types de ces accouplements sont les commandes utilisées pour l'entraînement des transporteurs et des machines employées dans les mines.
L'un des buts de l'invention est en conséquence de per- mettre la réalisation d'un accouplement hydraulique présentant les caractéristiques précitées et fournissant en outre un couple de sortie maximum avec une consommation de courant minimum quand il est relié à un moteur électrique du type à induction, servant de source d'énergie.
Un autre but de l'invention est de créer un accouplement hydraulique dans lequel le faible couple de traînée au calage, en soi désirable, est obtenu par un dimensionnement critique des éléments, dans un ensemble fournissant un couple de sortie maximum pour le glissement nominal, et dans lequel le tore constitué par l'accouplement ne renferme ni clapets, ni les autres organes habituellement nécessaires pour abaisser le couple de traînée au calage.
Un autre but encore de l'invention est de créer un accouplement hydraulique du type' précité, agencé de façon à limiter le couple maximum transmis à une valeur ne dépassant pas 175% du couple de pleine charge (et dans certains cas inférieure) et de permettre un fonctionnement stable dans la limitation de couple maximum indiquée et dans la gamme de glissements intermédiaire .
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La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre l'invention.
La fig. 1 est une vue en coupe verticale partielle d'un accouplement hydraulique suivant l'invention.
Les fig. 2 et 3 sont des courbes de rendement carac- téristiques montrant le fonctionnement de l'accouplement.
Sur la fig. 1, la référence 10 désigne un carter en- traîné par un moteur électrique du type à induction (non représenté) et relié à une pompe 11 comportant des aubes radiales semi-circulaires 12. Des aubes radiales semi- circulaires 13, portées par une turbine 14 sont associées fonctionnellement aux aubes de la pompe; cette turbine est logée à l'intériour du carter 10, dont elle demeure écartée, et allé est clavetée sur l'arbre de sortie en arbre de char- ge 15. les borde diamétraux en regard des aubes 12 et 13 sont séparés par un intervalle annulaire 16 ayant une largeur prédéterminée, comme indiqué plus loin.
L'espace de travail annulaire occupé par le liquide, ménagé entre les aubages de la pompe 11 et de la turbine 14, plus l'intervalle 16, est désigné d'une façon générale par le terme "tore 17". Ce tore est espacé radialetaent de l'arbre 15. Entre le tore 17, l'arbre 15 et les parois ter- minales radiales 18 et 19 de la pompe 11 et de la turbine 14 respectivement, il est prévu une chambre annulaire 20, qui communique librement de façon permanente avec la partie torique de la turbine 14, étant donné que les canaux ménagés entre les aubes 13 de la turbine sont complètement ouverts en direction de la chambre 20 et se trouvent dans la zone
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annulaire entourant cette chambre.
La communication entre la partie torique de la pompe 11 et la chambre 20 est sensible- ment empêchée par une paroi annulaire 21 faisant saillie latéralement à partir de la pompe 11, en direction de la turbine 14, et se terminant à une faible distance de l'in- tervalle 16, la paroi 21 formant d'un côté une surface annulaire externe pour la chambre 20 et étant profilée de l'autre coté afin de s'adapter à la courbure des aubes 12 de la pompe, dans la partie intérieure du tore 17.
Un carter coaxial annulaire 22 estsupporté exté- rieurement par la pompe 11 et ménage un réservoir annulaire allongé 23, qui est fermé sauf aux points indiqués ci-après.
Ce réservoir communique avec la chambra 20 par plusieurs canaux d'entrée équidistanta 24, disposés autour de la paroi 18 de la pompe et traversant: cette parole et avec la partie interne du tort formé par la pompe 11 par plusieurs canaux de sortie équidistants 25, répartis autour de la paroi 21 et traversant cette paroi.
Les canaux 24 et 25 ont, dans l'exemple représenté, des diamètres différents à leurs extré- mité* opposées, mais on comprendra que dans chaque cas les diamètres les plus petits correspondent aux parties impor- tantes des canaux, les références 24 -et 25 se rapportant à ces parties;
par ailleurs, le diamètre de chaque canal 25 est plus petit que celui de chaque canal 24, pour une raison qui sera expliquée ci-après. Les parois annulaires interne et externe 26 et 27 du réservoir 23 vont en divergeant légè- rement à partir de l'extrémité fermée 28 du carter 22, en
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direction de la pompe 11, afin de découvrir complètement les canaux 24 et M'et d'avoir lacertitude que le réser- voir 23 va être' vidé sous l'effet de la force centrifuge lorsqu'un fonctiennement normal est repris après une condition faisant intervenir un couple de traînée ou couple résistant.
- On a indiqué d'une façon générale dans ce qui précède les éléments constructifs de l'accouplement, sans tenir compte de certains critères qui sont nécessaires pour donner à cet accouplement une efficacité maximum lors de son entraînement par un moteur électrique du type à induction.
Afin de permettre de mieux comprendre les considéra- tions sur lesquelles les critères dimensionnels qui vont être indiqués maintenant sont fondés, on se reportera tout d'abord aux courbes de rendement représentées sur la fig. 2: Les moteurs électriques du type à induction exis- tant sur le marché sont étudiés de façon à fournir un couple de pointe à 90% environ de leur vitesse nominale, comme indiqué par la courbe 29 sur la fig. 2. Sur cette fig. 2, le couple fourni par le moteur (en %) et le courant de charge total (en %) sont portés en ordonnées, tandis que la vitesse du moteur (en ici) est portée en abscisses.
On a pu déterminer qu'il était essentiel qu'en aucun cas la vitesse du moteur ne tombe à une valeur inférieure au point correspondant à 90% et que, pour obtenir un couple de sortie maximum à partir de l'accouplement avec une consommation de courant minimum (courbe 30 sur a fig, 2), le circuit de l'accouplement devait être agencé pour fournir un faible couple de traînée au calage ou dans une condition voisine
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de la condition de calage.
Pour obtenir ce résultat, on a pu déterminer que les caractéristiques de l'accouplement devaient être telles que la courbe d'absorption de l'accouplement au calage (courbe 31 sur fa fig. 2) coupe la courbe 29 correspondant au couple de sortie du moteur à son sommet ; en outre, ces caractéristiques doivent être telles que le couple du moteur soit transmis avec un rendement de 95 à 97%. On a pu démontrer également que le circuit de travail doit être tel que l'on obtienne une capacité de couple aussi élevée que cela est possible pour le glissement normal de 3 à 5%. et uno valeur ne dépassant pas 175% de cette capacité.dans une condition de calage total, et que ce circuit doit fournir la stabilité dési- rable dans les gammes de glissement moyennes allant par exemple de 30 à 70%.
On a cherché à développer un type d'accouplement pré- sentant les caractéristiques précitées dans un seul ensem- ble n'exigeant pas de déflecteurs, de clapets ou d'autres dispositifs réduisant l'écoulement pour fournir le faible couple de traînée désirable. L'inconvénient de ces éléments ou dispositifs réside dans le fait que leur incorporation au circuit de travail ou tore réduit la capacité de couple de l'accouplement au glissement nominal.
Des recherches ont montré que, pour obtenir les résultats indiqués ci-avant, certains critères doivent être satisfaits en ce qui concerne les formes et les dimensions de l'accouplement. Dans l'accouplement perfectionné sui- vant l'invention, des résultats optima sont obtenus avec l'agencement représenté sur la fig. 1, dans lequel les aubes 12 et 13 ont des formes semi-circulaires et sont
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disposées radialement, l'intervalle annulaire 16 étant ménage entre les bords diamétraux en regard des autos. En outre, les aubes 12 et 13 sont planes, sauf en ce qui concerne la présence d'une faible dépouille, ne dépassant pas 1 , qui peut être nécessaire pour faciliter le moulage.
Toutefois, la relation indiquée, employée seule, n'est pas suffisante pour l'application particulière envisagée.
Les parties indiquées doivent présenter certaines relations dimensionnelles, permettant d'obtenir le circuit requis, comme décrit ci-après.
Une caractéristique de l'accouplement réside dans le fait que le circuit de travail, comprenant les aubes 12 et 13 et l'intervalle 16, est dimensionné en fonction du diamètre externe du tore 17. Sur la fig. 1, on a désigné
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par D le diamètre externe du tort 17.. te 41M\a.v. tattsnuft de ce tore 17 est égal à 0,5224 D. Par suite la dimension maximum du tore 17, diamétralement à l'accouplement, est égale à 0,2388 D. AxLalement à l'accouplement, la largeur maximum du tore est égale à la somme des rayons des aubes 12 et 13 de la pompe et de la turbine respectivement, chacun de ces rayons étant égal à 0,1194 D, et de la largeur de l'intervalle 16 qui est égale à 0,0104 D.
Lalargeur indiquée pour l'intervalle, égale à 0,0104 D peut varier légèrement dans des limites définies, et on peut accepter en particulier une tolérance de 0,0052 D en plus ou en moins. Cette largeur de l'intervalle est importante, car on a pu déterminer que des largeurs d'intervalle inférieures et supérieures aux limites indiquées ont un effet nuisible sur le rendement de l'accouplement et l'ab- sorption du couple.
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On voit à l'examen de la fig. 1 que le tore 17 est fresque circulaire et que ses parties comprises dans la pompe 11 et la turbine 14 ont une forme semi-circulaire vraie. ,Cette forme du tore 17 le long des surfaces des paroi* internes de la pompe 11 et de la turbine 14 non seulement fournit le!trajet le plus court pour le liquida de travail, mais donne également la perturbation dynamique ,la pins, faible, c'est-à-dire une modification minimum de la direction par unité de longueur. lies rapports dimensionnels précités, indiqués pour le circuit de travail, fournissent un couple de sortie maximum dans une condition correspondant au glissement nominal,
mais une autre considération importante, qui est liée au dimensionnement du circuit, est la nécessité d'obtenir un faible couple de traînée au calage, selon une valeur ne dépassant pas 175% de la capacité de couple de l'accouplement dans des conditions de travail normales, lors d'un entraînement par un moteur électrique du type à indu et lion. Cette condition est satisfaite en évacuant partiellement le liquide de travail à partir du tore 17, vers la, chambre annulaire 20 et dans le réservoir 23, lors du calage de l'accouplement.
Si l'on se reporte de nouveau à la fig. 1, on voit que le volume de la chambre annulaire 20 eet critique et présente une relation également critique par rapport au volume de ce qui peut 8tre dénommé l'huile en circuit dans l'accouplement pour un remplissage normal. Cette quantité est déterminée par le volume d'huile nécessaire pour remplir le tore 17, moins le volume des aubes 12 et 13, plus le volume de l'intervalle annulaire 16 et de l'espace
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annulaire 32 ménagé entre la paroi radiale 19 de la turbine 14 et le carter 10.
Pour faciliter l'interprétation de ce volume d'huile en circuit dans l'accouplement, on supposera que l'accouplement représenté sur la fig. 1 tourne avec un glissement nul, de sorte que l'huile ne subit aucune circulation autour du tore 17. maia est simplement refoulée par la force centrifuge à l'extérieur d'une surface cylin- drique imaginaire engendrée par une ligne 33 tangente à la partie interne du tore 17 et parallèle à l'axe de l'accou- plement, cette surface ayant par suite un diamètre de 0,5224 D.
Pour obtenir le couple de traînée désiré au calage, on a pu déterminer que le volume de la chambre annulaire 20 devait représenter entre 45 et. 50$ du volume de l'huile en circuit dans l'accouplement, et que le volume du réser- voir 23 ne devait pas représenter moins de 25% de ce volume de l'huile en circuit de l'accouplement. On prévoit ici trois canaux 24 et un même nombre de canaux 25, le . diamètre de chaque canal 24 étant choisi de façon à se . trouver dans une gamme allant de 0,018D à 0,021 D, tandis que celui de chaque canal 25 se trouve dans une gamme allant de 0,0076 D à 0,0094 D.
Pour obtenir des résultats optima, le nombre des aubes de la pompe 11 et de la turbine 14 respectivement doit être de 44 pour un diamètre de circuit D, pour autant que les conditions indiquées à propos des,rapporte dimensionnels et des volumes relatifs soient satisfaites.
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Lors d'an fonctionnement dans des conditions normales avec un glissement de 3 à 5%, la circulation de l'huile se produit entièrement à l'intérieur du tore 17, comme indiqué par la courbe 34 sur la fig. 2, tandis qu'au calage une partie de l'huile s'écoule vers l'intérieur à partir de la turbine 13, vers la chambre annulaire 20, Si la paroi annulaire 21 n'était pas prévue, l'huile qui se trouve dans la chambre 20 tendrait à revenir directement à la pompe 11 par suite de sa rotation.
La paroi 21 sert de barrière déviant l'huile vers les canaux 24, à partir desque s cstte huile s'écoule successivement, sous l'impulsion de la force centrifuge, à travers le késervoir 23 et les canaux 25, en direction de la pompe 12, comme représente par la courbe 31 sur la fig. 2.
On voit que le volume de l'huile qui se trouve dans le tore 17 à un moment quelconque au calage est réduit à un degré déterminé par le volume d'huile qui s'écoule à travers la chambre annulaire 20 et le réservoir 23, cette huile n'agissant pas sur la turbine pour fournir le couple de sortie. Cette condition donne donc un couple- de traînée relativement faible par rapport à celui obtenu sans la chambre 20 et le réservoir 23 et, dans le cas de l'accou- plement perfectionné suivant l'invention, ce couple ne représente pas plus de 175% de la capacité de l'accouplement dans la condition de glissement nominal.
Le réservoir 23, les canaux 24 et 25 et la paroi annulaire 21 constituent des éléments importants dans l'en- semble de la construction, étant donné qu'ils agissent pour imposer une limite au couple maximum transmis, et qu'ils
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fournissent en outre on fonctionnement stable, en permettant d'obtenir un couple élevé, inférieur au couple limite, dans la gamme correspondant à un faible glissement, par exemple dans la gamme des vitesses allant de 0,30 à 0,70. Dans le cas présent, l'écoulement en retour depuis la chambre 20, à travers le réservoir 23, en direction de la pompe 11, est placé sous la commande établie par les différents diamètres des canaux 24 et 25, ce qui assure ainsi un remplissage progressif et régulier du tore 17 à la fin du calage.
De préférence, le diamètre extérieur du réservoir 23 ne doit pas dépasser le diamètre d'un cercle imaginaire représentant la limite externe de la zone interne correspondant à 20% du tore 17.
Une représentation comparative du rendement de l'accou- plement équipé de la chambre annulaire 20 et du réservoir 23 et d'un accouplement ne comportant pas ces éléments est fournie par les courbes 35 et 36 de la fig. 3, sur laquelle l'absorption du couple sous forme de fraction du couple nominal est portée en ordonnées, tandis que le glissement (en %) est porté en abscisses, la vitesse d'entrée de la pompe 11 étant considérée comme constante, le glissement indiquant la capacité de l'accouplement.
Le couple de traînée au calage ou dans une condition voisine de la condition de calage est suffisamment faible pour que la vitesse du moteur ne tombe pas au-dessous du point correspondant à 90% mentionné ci-avant, et ce résultat est obtenu par un agencement qui ne réduit pas la capacité de couple de l'accouplement dans la condition de glissement nominal. Par suite, on peut transmettre des puissances éle-
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vées avec des accouplements ayant un diamètre plus faible que cela n'était possible jusqu'ici.
D'autres résultats importants, provenant du faible couple de traînée, résident dans le fait que, quand la condition de calage ou la condition voisine disparaît le moteur subit une accélération instantanée; cet accouplement convient donc particulièrement bien aux!types d'entraînement dans lesquels il est désirable de limiter le couple de sortie, les transporteurs constituant un exempte de ce type.
Des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits, dans le domaine dos équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention.
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