Roue de machine centrifuge munie d'un diffuseur On sait qu'il est souvent nécessaire d'apporter des retouches aux roues de machines centrifuges tel les que ventilateurs, compresseurs ou pompes centri- fuges, tournant à une vitesse imposée, quand, après la mise en exploitation, on s'aperçoit que les carac téristiques fournies s'écartent quelque peu de celles qui sont demandées.
Avec les roues du type classique, non munies d'un diffuseur tournant avec la roue, c'est-à-dire cel les pour lesquelles il y a égalité de diamètre entre les flasques et l'extrémité des pales, on ne dispose que de deux moyens pour effectuer ces retouches diminuer le diamètre des pales ou retoucher l'angle de sortie des pales, le premier moyen ne pouvant d'ailleurs être utilisé que s'il s'agit de réduire la pres sion fournie.
Les roues munies d'un diffuseur tournant prolon geant les flasques de la roue, sont plus favorisées car, aux deux moyens ci-dessus décrits, s'en ajoute un troisième: augmenter le diamètre des pales. Ce lui-ci peut en effet s'utiliser sans augmenter le dia mètre de la roue, car on dispose, à l'intérieur du dif fuseur tournant, de toute la place voulue pour allon ger les pales. Il devient donc possible, avec ces roues, non seulement de diminuer la pression en raccour cissant les pales, mais encore de l'augmenter en les allongeant ; sans qu'il soit nécessaire de retoucher l'angle de sortie.
Cependant, si les roues à diffuseur tournant sont de petites dimensions, ou très étroites, il arrive que ces retouches soient délicates, en raison de la diffi- culté qu'il y a d'accéder à l'extrémité des pales, à l'intérieur du diffuseur.
La présente invention vise à remédier à ces in convénients et a pour objet une roue de machine centrifuge munie d'un diffuseur prolongeant les flas ques de la roue. Cette roue est caractérisée par des ailettes auxiliaires disposées dans le diffuseur, à sa périphérie.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une for me d'exécution de la roue faisant l'objet de la pré sente invention.
La fig. 1 est une vue schématique partielle de cette roue dans un plan perpendiculaire à son axe de rotation et avec tracé des triangles des vitesses d'écoulement du fluide.
La fig. 2 est une vue en coupe radiale de la roue de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue partielle d'une roue, ana logue à celle de la fig. 1, avec tracé des triangles des vitesses pour un autre régime (diminution du débit).
La fig. 4 est une vue analogue à la précédente, avec tracé des triangles des vitesses pour un autre régime (augmentation du débit par rapport à la fig. 1).
La fig. 5 est un graphique de fonctionnement comparé de la roue, avec en abscisse le débit et en ordonnée la pression fournie, la vitesse de rotation étant supposée constante.
La fig. 6 est un exemple de traçage d'une ailette. La fig. 7 représente une variante de détail de la roue en coupe suivant l'axe VII-VII de la fig. 8.
La fig. 8 est une coupe suivant l'axe VIII-VIII de la fig. 7. La fig. 9 est une vue, analogue à la fig. 8, d'une autre variante.
La roue à pales radiales représentée aux fig. 1 et 2 comprend un axe de rotation en 00', une ouïe d'aspiration 1, des pales principales 10 dont l'extré- mité est désignée en 2, des ailettes auxiliaires dont le bord d'attaque est désigné en 3 et le bord de fuite en 4, situé à titre d'exemple, à la même distance de l'axe que l'extrémité 5 d'un diffuseur tournant. Ce lui-ci est composé de deux flasques 6 et 7, qui pro longent les flasques 8 et 9 de la roue, entre lesquels sont insérées les pales principales 10.
Dans l'exem ple, on a choisi un type de pale muni de cuillers d'en trée 11, comme dans les roues utilisées dans les com presseurs d'avion, mais il est bien entendu que tout autre tracé peut être adopté pour les pales principa les 10 qui, au lieu d'être radiales, peuvent être cou chées en arrière ou en avant par rapport au sens de rotation. De même, la longueur et la divergence des flasques 6 et 7 du diffuseur tournant peuvent être différentes de celles de cet exemple.
A la fig. 1 on a représenté le triangle des vites ses de l'écoulement fluide à la sortie des pales prin cipales en 2. On a U2: vitesse périphérique de la roue pour ce point 2 ; Vu2 : composante tangentielle de la vitesse absolue de l'écoulement en ce même point 2 ; Vm2 : composante méridienne de cette mê me vitesse au même point. V2 est donc la vitesse absolue résultante. La différence Vu2 - U2, avec son signe, est la composante tangentielle relative (pour un observateur tournant avec la roue) et W2 est la vitesse relative résultante.
Au point 3', situé un peu en dedans de la péri phérie du diffuseur tournant, et choisi comme centre des ailettes auxiliaires, le triangle des vitesses se sera déformé comme suit La vitesse périphérique U3', du point 3', a grandi vis-à-vis de U2 dans le rapport des rayons des points 3' et 2. La composante tangentielle de la vitesse absolue d'écoulement est liée à Vu2 et à U2 et U3' par la condition<B>:</B> U3' X Vu3' = U2 X Vu2, puisqu'il n'y a eu aucune transformation d'énergie mécanique en énergie de fluide dans le diffuseur tournant.
La composante méridienne de la vitesse d'écou lement Vm3' a décru, vis-à-vis de Vm2, dans le rap port des sections équatoriales, comptées respective ment sur des cylindres d'axe 00' et de rayons R2 et R3', entre les flasques 8 et 9 et 6 et 7.
La vitesse absolue résultante est devenue V3', et la vitesse relative résultante est devenue W3', beau coup plus grande que W2 et beaucoup plus rappro chée de la tangente à la circonférence de rayon R3' que W2 ne l'était de la tangente à la circonférence de rayon R2.
Les ailettes auxiliaires 12 (une seule d'entre elles est représentée à la fig. 1<B>)</B>, constituées dans l'exem ple par des lames plates, ou mieux, par un profil d'aile d'avion symétrique, sont disposées de manière à avoir leur axe 3-4 confondu avec la direction W3', avec leur centre en 3' et leurs bords d'attaque en 3, et de fuite en 4.
Dans ces conditions, aucune force de portance n'est créée. On ne constatera donc, pour ce régime, aucune différence dans la pression fournie par la roue, que les ailettes auxiliaires soient en place ou enlevées.
A la fig. 3 (avec ailettes rigoureusement dans la position déterminée fig. 1), on a recommencé le tracé des triangles des vitesses pour un autre régime, diffé rent de celui de la fig. 1, et caractérisé par une dimi nution du débit, donc de la composante méridienne de la vitesse Vm2.
La nouvelle vitesse relative résultante W'3' est plus rapprochée de la tangente à la circonférence de rayon R3' que celle W3' de la fig. 1. Il en résulte qu'une force de portance 13, dirigée vers l'intérieur de la roue, est créée sur les ailettes et, en consé quence, on constate une augmentation de la pres sion, entre l'intérieur du diffuseur tournant et l'exté rieur de la roue. La pression fournie a été aug mentée.
Inversement, à la fig. 4, on a étudié un autre régime dans lequel le débit est augmenté et, par con séquent, la composante méridienne V"m2 est deve nue plus grande que Vm2 de la fig. 1. On trouvera que la nouvelle vitesse relative résultante W"3' est plus écartée de la tangente à la circonférence de rayon R3' que W3' de la fig. 1. Une force de por tance 14 sera ainsi créée sur le profil de l'ailette, mais elle sera dirigée, cette fois-ci, vers l'extérieur de la roue.
La couronne d'ailettes auxiliaires se com porte alors comme un aubage de turbine et restitue de l'énergie mécanique à l'arbre de la machine en diminuant la pression fournie.
Le graphique de la fig. 5 avec le débit Q porté en abscisse et la pression fournie P en ordonnée, la vitesse de rotation étant supposée constante, rend compte du fonctionnement de la roue analysé à l'ai de des fig. 1, 3 et 4.
La courbe I est celle de la roue, les ailettes auxi liaires étant enlevées. La courbe II est celle de la roue garnie d'ailettes auxiliaires. Le point d'intersec tion A des deux courbes est celui du régime analysé à la fig. 1. Le point B est celui du régime analysé à la fig. 3 et, enfin, le point C est celui du régime analysé à la fig. 4.
La courbe II est celle qui est obtenue avec l'em ploi d'un nombre d'ailettes auxiliaires N bien déter miné, chacune d'elles ayant une largeur L comptée entre le bord d'attaque 3 et le bord de fuite 4 éga lement bien déterminée, c'est-à-dire que cette courbe correspond à un produit N X L bien déterminé, et à une orientation des ailettes qui est celle déterminée par le tracé de la fig. 1.
On comprend facilement, sans recommencer le tracé des fig. 1 à 4, que si, sans changer l'orientation des ailettes auxiliaires, on augmente la valeur du pro duit N X L, les forces de portance 13 et 14, des fig. 3 et 4, seront augmentées et l'on obtiendra une nou- velte courbe III passant toujours par le point A, mais faisant un angle plus grand avec la courbe initiale I que la courbe II. Inversement, si l'on diminue la valeur du produit N X L, sans modifier l'orientation des ailettes, on aura une nouvelle courbe IV passant encore par le point A, mais faisant un angle moins grand avec la courbe I que la courbe II.
Par conséquent, en faisant varier uniquement le paramètre N X L, sans d'ailleurs qu'il soit nécessaire d'atteindre des valeurs N X L élevées par rapport à la circonférence 2 1 R3' (en pratique, il sera préfé rable de ne pas dépasser un rapport
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en choisissant en outre, pour N, un nombre premier différent de celui choisi pour les pales principales, par exemple 11, 17 ou 19, afin d'éviter les interfé rences des sillages des pales principales), on rem place la courbe unique initiale I par un faisceau de courbes se croisant toutes au point A.
On comprend également facilement, sans recom mencer le tracé des fig. 1 à 4, que si, cette fois-ci, on avait choisi pour tracer la fig. 1 une composante méridienne Vm2 plus grande que celle adoptée, on aurait trouvé une direction de la vitesse relative W3' qui aurait fait un angle plus grand avec la tangente à la circonférence de rayon R3' que celui représenté sur la fig. 1. Le point d'intersection sur la fig. 5 est D, situé à droite de A. En faisant varier mainte nant la valeur du produit N X L, on aura un nouveau faisceau de courbes se croisant toutes en D (repré sentées en traits interrompus).
Si, au lieu de prendre une valeur de la compo sante méridienne Vm2 plus grande que celle de la fig. 1, on l'avait prise plus petite, on aurait de même, en faisant varier N X L, obtenu un nouveau faisceau de courbes, mais cette fois-ci avec un point d'inter section E, situé à gauche de A (courbes représentées en traits mixtes).
On peut recommencer autant de fois qu'on le dé sire et, en définitive, on aura remplacé la courbe ini tiale 1 par une bande s'étalant largement au-dessus et au-dessous de part et d'autre de celle-ci.
Si donc, il est nécessaire de procéder à une re touche de la roue, soit pour augmenter la pression, fournie soit pour la diminuer, on voit que plusieurs solutions seront possibles, en agissant soit sur le pro duit N X L seul, soit sur l'orientation donnée aux ai lettes auxiliaires, soit en agissant sur les deux simul tanément.
Dans tous les cas, il y aura une solution opti mum, au point de vue du rendement, que l'on ob tiendra en faisant varier le produit N X Let l'orien tation, de telle manière que l'angle d'incidence que fait le profil de l'ailette avec la direction W3' soit voisin de celui de meilleure finesse de la polaire de ce profil. Il est facile de voir, par l'examen des fig. 1 à 4, que cette condition est facile à réaliser et, qu'en fait, les ailettes auxiliaires fonctionnent tou jours dans des conditions très voisines de l'optimum, parce qu'elles sont toujours très couchées vers l'ar rière du sens de rotation, et qu'ainsi leur emploi est un excellent moyen de faire varier les caractéristiques d'une roue sans que ce soit au détriment du rende ment.
L'examen de la fig. 5 fait apparaitre, en outre, que parmi toutes les courbes réalisables au moyen de l'adjonction des ailettes auxiliaires, il sera facile d'en trouver plusieurs qui seront toujours régulière ment tombantes à partir du point zéro et qu'ainsi, l'emploi d'ailettes, en nombre, largeur et calées à l'an gle voulu, procurera la possibilité de supprimer tout danger de pompage.
Enfin, la fig. 5, qui montre les larges possibilités de fonctionnement d'une roue- à pales principales ra diales, choisie comme exemple, et munie d'ailettes auxiliaires, prouve que cette disposition est suscep tible d'applications très étendues et peut remplacer avantageusement la solution classique consistant à utiliser une gamme de roues d'angles de sortie diffé- rents, échelonnés par exemple de 900 (pales radiales) à 600 (couchées en arrière).
Dans le cas des fig. 1, 3 et 4, on a supposé, pour rendre plus clair l'exposé du fonctionnement, que les ailettes auxiliaires étaient réduites à leur centre 3'. Cette simplification n'est admissible que si la largeur L des ailettes, comptée entre le bord d'attaque 3 et le bord de fuite 4, est très petite, ce qui rend les rayons des points 3 et 4 presque égaux au rayon R3'.
A la fig. 6, on a représenté le tracé plus compli qué, mais rigoureusement correct d'une ailette pour laquelle la différence des rayons des points 3 et 4 n'est plus négligeable, et qui fournit, en outre, un supplément de pression tel que la composante tan gentielle de la vitesse relative à la sortie, au point 4, est sensiblement plus grande que celle qui résulte de la loi U4 X Vu4 = U2 X Vu2. Ce tracé est donné, à titre d'exemple, pour un cas analogue à celui de la fig. 3, c'est-à-dire pour lequel il y a une force de portance créée sur l'ailette de manière à engendrer une augmentation de pression.
En outre, les pales principales ne sont plus radiales, mais font un angle de 600 avec la tangente à la circonférence de rayon R2. Enfin, le profil choisi pour les ailettes auxiliai res n'est plus un profil symétrique, mais un profil incurvé.
Les triangles des vitesses s'établissent sans diffi cultés pour les trois rayons R2, R3 et R4, et l'on déduit les directions W3 et W4. On décale les posi tions des points 3 et 4, de telle manière que les deux directions W3 et W4 se coupent en parties égales. On trace l'arc de cercle 15 tangent à W3 et W4 aux points 3 et 4. On a ainsi la trajectoire de l'écoule ment dans la zone d'action des ailettes. On fait tour ner cet arc, autour du point 4, d'un angle i dont la valeur est celle de l'angle d'incidence de meilleure finesse du profil d'aile qui sera adopté pour les ai lettes. On obtient ainsi l'arc 16 qui joue, vis-à-vis de l'ailette, le même rôle que la corde du profil adop- té.
Il coupe la circonférence de rayon R3 au point 3<B>'</B> qui sera le bord d'attaque de l'ailette. Entre 3"' et 4 on trace, par rapport à l'arc 16, l'intrados et l'extrados du profil d'aile 17, d'après les coordonnées du catalogue de profils. On a ainsi obtenu un tracé qui donnera des ailettes donnant le supplément de pression désiré avec l'angle d'incidence l optimum, donc dans les meilleures conditions de rendement.
Dans la variante représentée aux fig. 7 et 8, la roue comprend une pale principale 10 entièrement radiale et une ailette auxiliaire 12 qui, constituée d'un même métal que les flasques 6 et 7 du diffu- seur tournant, est fixée sur celui-ci par soudure. L'ai lette 12 est profilée et tracée suivant la méthode de la fig. 6.
Cette ailette est fortement sollicitée par la force centrifuge, surtout dans le cas des roues de compres seur. Il est donc nécessaire de l'empêcher de se dé former. Pour cela, on lui donne une courbure dans le plan axial, la concavité regardant l'extérieur de la roue. Sous l'action de la force centrifuge, elle tend à prendre naturellement la courbure inverse 12' repré sentée en traits interrompus sur la fig. 8, mais pour cela elle doit passer d'abord par la position intermé diaire horizontale, en écartant les flasques 6 et 7 du diffuseur.
Ceux-ci sont également sollicités par la force cen- trifuge et tendent à prendre naturellement des posi tions 6' et 7', moins divergentes que leurs positions au repos, en se rapprochant l'un de l'autre. Les deux mouvements s'opposent l'un à l'autre et l'équilibre initial sera donc maintenu.
La fig. 9 représente une autre variante dans la quelle l'ailette 12 est alors constituée d'une matière différente et plus légère (alliage léger ou plastique) que celle constituant les flasques 6 et 7, de ma nière que l'ailette soit moins sollicitée par la force centrifuge. Ne pouvant plus être soudée, elle est maintenue en place dans des alvéoles 18 découpés à l'emporte-pièce, ou par tout autre moyen, dans les flasques 6 et 7, et dont les contours épousent ceux du profil de l'ailette.
Ces alvéoles sont fermés par des plaquettes 19, soudées sur les faces extérieures des flasques 6 et 7.
Dans la roue décrite, les ailettes sont très acces sibles et elles sont séparées des pales principales par un large intervalle dans lequel il n'y a pas de trans formation d'énergie mécanique en énergie de fluide, mais seulement transformation, par l'effet du diffu seur tournant, d'énergie cinétique en énergie poten tielle. Suivant le nombre, la largeur et l'inclinaison des ailettes, celles-ci pourront corriger les caracté ristiques fournies, soit en augmentant la pression, soit, au contraire, en la diminuant.
En outre, rendant la courbe caractéristique de pression entièrement tombante depuis le point de dé bit nul, elles renforceront l'effet d'antipompage qui est un avantage connu des roues à diffuseur tournant. Enfin, la commodité d'emploi de pareilles ailet tes est telle que, dans bien des cas, on les emploiera avec avantage, en dehors même de tout problème de retouche de caractéristiques, surtout avec des roues munies de pales radiales qui sont celles présentant les plus grandes facilités de construction ;
l'avantage d'une telle construction étant d'obtenir des courbes caractéristiques de pression ayant même allure que celles fournies par des roues dont les pales, au lieu d'être radiales, sont couchées en arrière du sens de rotation, et dont la construction est plus coûteuse.
Les ailettes pourraient être creuses, avoir une section variable, et être plus épaisses au centre qu'aux extrémités, de manière à constituer une pou tre moins déformable. Elles pourraient également avoir des extrémités pliées, de manière à permettre une fixation par rivetage.