Brevet FR2010937A1 — publié le 19700220

La présente invention concerne les--diffuseurs pour con- vertir l'énergie cinétique des fluides en pression statique. Les diffuseurs sont utilisés depuis longtemps pourconvertir l'énergie cinétique des fluides en pression statique dans de nombreux types de machines.-D'une façon générale, un diffuseur est un passage d'écoulement de section transversale croissant de l'entrée à la sortie. Pendarit le passage du fluide à- travers le diffuseur, sa vitesse décret et du fait de la conversion de lténergie cinétique, la pression statique crott.Une conversion efficace de lténergie est nécessaire dans de nombreux appareils, tels que les pompes à inJecteurs, les turbines à gaz, etc, dans lesquels certaines actions de base doivent entre effectuées par du fluide à vitesse relativement élevée, mais doivent prendre fin avec un écoulement à petite vitesse pour augmenter au maximum la pression à la sortie. Une conversion efficace dépend de la possibilité d'obtenir une décélération uniforme du courant sur toute la section transversale d'écoulement. Cependant, il se produit des pertes d'énergie pendant ce processus de conversion, ce qui limite le rendement de conversion du diffuseur. De nombreuses formes de diffuseurs ont été proposées pour limiter les pertes d'esnergie et augmenter le rendemt. Un diffuseur bien calculé de forme générale conique avec une paroi droite et un angle de diffuseur relativement faible peut habituellement convertir environ 80 de lténergie cinétique en pression statique. De nombreuses variantes de cette forme ont été proposées. Certains diffuseurs sont à deux dimensions du fait que le passage long s'élargit suivant un seul plan. D'autres diffuseurs comportent des parois incurvées axialement et-des ailettes intérieures de division, des générateurs de turbulence, etc. Cependant, ces variantes n'ont pas apporté d'augmentation.appré- ciable (par exemple 1% ou plus) au rendement des diffuseurs. Une décélération uniforme du fluide et une conversion maximale de l'énergie cinétique en pression statique ne peuvent pas être obtenues quand il existe des différences appréciables de la vitesse transversalement au courant du fluide. Ce problème est encore aggravé quand il existe une couche limite stagnante ou circulant lentement contre la surface intérieure du diffuseur. Cette condition devient parfois tellement sévère qu'il en résulte un décol lement des filets du fluide, ceest-à-dire qu en un poirt du diffuseur les filets se.séparent de la paroi divergente du diffuseur en raison de la formation de tourbillons intermittents ou permanents qui déplacent les filets divergeant normalement rdgu- lièrement en établissant -un écoulement parallèle conduisant à une perte indésirable du rendement du système.Du fait de la couche limite pratiquement stagnante, la partie centrale du courant à l'intérieur du diffuseur n'est pas décélérée dans la mesure espérée d'après la forme géométrique du diffuseur. La couche limite emp- che ainsi la récupération d'une partie appréciable de l'énergie cinétique existant à l'entrée du diffuseur. Dans un système d'écoulement de fluide à rendement élevé et à grand débit, des économies importantes peuvent être obtenues avec une amélioration meme relativement faible du fonctionnement du diffuseur. Il- est par suite nécessaire de pouvoir disposer de diffuseu ayant un rendement supérieur pour la conversion d'énergie. La présente invention a pour objet un diffuseur à plusieurs étages comportant entre l'entrée et la sortie au moins une section de récupération ayant un angle d'élargissement sensiblement inférieur à celui des sections voisines de l'entrée et. de la sortie. En cas d'utilisation de deux ou plus de deux sections de récupération, les sections comprises entre les sections de récupération ont un angle d'élargissement substantiellement supérieur à celui des sections de récupération. En général, ces sections d'élargissement. ont sensiblement le même angle d'élargissement que les sections voisines de l'entrée et de la sortie du diffuseur, Bien que le diffuseur puisse avoir n'importe quelle section transversale désirée, par exemple rectangulaire ou elliptique, les meilleurs résultats sont obtenus avec une section transversale pratiquement circulaire, les sections d'élargissement. étant pratiquement coniques et les sections de récupération pratiquement clylindri- ques. Les performances du diffuseur sont améliorées avec une à six sections de récupération environ dans le corps du diffuseur. Les plus grandes améliorations du rendement de conversion deéner- gie sont en général obtenues avec- une à quatre sections de récu- pération environ. Les meilleurs résultats sont habituellement obtenus avec trois sections de récupération Bien que ngimporte quelle longueur de section de récupération puisse être utilisée, la longueur optimale de chaque section de récupération est en général égale environ au diamètre à son entrée multiplié par son numéro de positon à partir de l'entrée du diffuseur. La première section de récupération peut ainsi avoir une longueur à peu près égale à son diamètre, la seconde section de récupération une longueur à peu près égale au double de son diamètre, etc. N'importe quelle valeur d'élargissement (indiquée par le rapport entre l'aire de la sortie de la section d'élargissement et l'aire de l'entrée de cette section) peut être utilisée dans chaque section d'élargissement. Pour le rendement le plus élevé de conversion de l'énergie, le rapport entre l'aire à la sortie et l'aire à l'entrée de n'importe quel étage d'élargissement est de préférence égal au rapport entre l'aire à la sortie du diffuseur et l'aire à l'entrée du diffuseur multiplié par la ravine carrée du nombre d'étages de récupération plus un.Cette relation peut entre exprimée par l'équation dans laquelle Rs est le rapport entre l'aire à la sortie d2une section particulière de détente et l'aire à l'entrée de cette section, RD est le rapport entre l'aire à la sortie du diffuseur et l'aire à l'entrée du diffuseur, et N est le nombre d'étages de récupération. N'importe quel rapport entre 1'aire àla sortie l'afre àlintrée du diffuseur peut être utilisé. Des résultats avantageux sont obtenus entre environ 1,5/1 et environ 8/1. Cependant, il est préférable que ce rapport soit compris entre environ 3,5/1 et environ 6/'. Un rapport bien plus faible se traduit par un rendement plus faible de conversion de l'énergie, en raison de la grande vitesse à l'échappement, tandis qu'un rapport très supérieur a tendance à augmenter les dimensions et le prix de l'appareil. Une moyenne optimale est obtenue en général avec un rapport d'environ 6/1. L'ensemble du diffuseur peut avoir n'importe quel angle convenable d'élargissement. Cet angle est celui formé entre l'axe longitudinal du diffuseur et une ligne tracée entre la paroi à l'entrée du diffuseur et la paroi à la sortie du diffuseur. Des résultats avantageux sont obtenus pour des valeurs comprises entre environ 1" et environ 7". Cependant, il est préférable que eet angle soit compris entre environ 2" et environ 7". Un angle plus petit a tendance à augmenter les pertes d'énergie par frottement contre les parois et nécessite un diffuseur enagérément lcng pour obtenir le rapport désiré entre les aires à la sortie et à l'entrée. Un angle plus grand augmente les pertes d'énergie en augmentant la tendance au décollement et à la turbulence du courant. Les meilleurs résultats sont en général obtenus avec un angle d'élargissement d'environ 2,20 pour l'ensemble du diffuseur. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus par ticulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement les courbes de distribution des vitesses le long d'un diffuseur classique et d'un diffuseur réalisé selon la présente invention. la figure 2 représente graphiquement le rendement d'un diffuseur perfectionné à plusieurs étages selon la présente invention, et la figure 3 est une coupe longitudinale schématique d'une pompe à injecteur comportant un diffuseur selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente côte à côte deux diffuseurs. Le diffuseur supérieur 10 est un diffuseur conique suivant la technique antérieure, tandis que le diffuseur inférieur 11 est un diffuseur à plusieurs étages selon la présente invention. Ces deux diffuseurs ont la même rapport entre les aires à la sortie et à l'entrée du diffuseur, le même angle d'élargissement et la même longueur totale. Chaque diffuseur comporte une section d'eptrée cylindrique 12, qui peut être, par exemple l'échappement d'une soufflerie ou la section de mélange d'une pompe à injecteur, et une section d sortie cylindrique 13 qui peut être un conduit de tuyère d'éjection. Pour les essais, le fluide est envoyé à la même vitesse et à la même pression initiales, à travers chaque diffuseur. Les vitesses sont mesurées en plusieurs-points le long de lignes perpendiculaires à l'axe longitudinal du diffuseur en A, B, C et D. Des courbes de gradients de vitesses le long du diffuseur sont ensuite tracéespour certairide ces points. I1 est rappelé que les vitesses sont mesurée seulement aux positions indiquées et que l'extension des courbes vers la droite est simplement une indication des vitesses relatives. Comme il a été indiqué ci-dessus, une vitesse à peu près uniforme dans toute la section transversale du diffuseur se traduit par un rendement de conversion de lténergie supérieur au rendement obtenu dans le cas où l'écoulement est caractérisé par un rapport supérieur entre Ja vitesse de pointe et la vitesse moyenne. -A l'entrée du diffuseur (position A), le courant du fluide arrivant à grande vitesse dans le diffuseur est caractérisé par une courbe de distribution des vitesses très uniforme (c'est-àdire un rapport très faible entre la vitesse de pointe et la vitesse moyenne) avec seulement une couche limite très mince. La vitesse globale est élevée comme l'indique le développement de la courbe vers la droite, à partir de la position de mesure. En positon B, la vitesse du courant a commencé à diminuer et sa pression a augmente La diminution de la vitesse est indi quée par.une extension plus faible du maximum de la courbe de distribution des vitesses. Dans le cas du diffuseur 10 suivant la technique antérieure, la vitesse est plus faible près de la paroi du diffuseur qu'au centre, ce qui montre qu'une couche limite de vitesse faible a commencé å se former. Dans le diffuseur 11 selon l'invention, la positon B est à la fin de la première section d'élargissement 15. Comme l'angle d?élargissement de la section 14 est nécessairement supérieur à l'angle d'élargissement global du diffuseur 10,-la conversion d'énergie est supérieure dans cette section.Cependant, la courbe pour le diffuseur 11 montre des variations du rapport de la vitesse de pointe à la'vitesse moyenne encore plus importantes que la courbe pour la position B du diffuseur 10. En position C, les variations de la vitesse transversale ment -à la section sont encore plus importantes. La vitesse au centre est bien supérieure que dans la section de passage voisine de la paroi. Dans le diffuseur 11, la position C est à l'extré- 'mité. de la section de récupération 15. Comme le montre la courbe, le rapport entre la vitesse de pointe et la vitesse moyenne est considérabe.nent réduit par la section de récupération 15. La vitesse est sensiblement uniforme avec seulement une couche limite mince à faible vitesse d'éeoulement à seté de la paroi du diffuseur. A la sortie. du diffuseur, csest-à-dire en positon D, la différence. des courbes des rapports entre la vitesse de pointe et la vitesse moyenne pour le diffuseur classique 10 et le diffuseur selon-l'invention 11 est évidente. La vitesse varie considérablement transversalement à la sortie du diffuseur 10 avec une vitesse très faible sur une aire importante de la section transversale à côté de la paroi du diffuseur.La vitesse a seulement légèrement diminue entre les positions C et D dans-le diffuseur 10. Par contre, pour le diffuseur 11, la courbe montre un gradient de vitesse presque uniforme à la positon D. La vitesse est faible même au centre, ce qui indique une conversion supérieur de l'éner- gie cinétique en pression statice. La figure 2 est la courbe des performances d'un diffuseur perfectionné du fait de 11 existence étages de récupération selon la présente invention. La figure 2 est une courbe de C p en fonction de L/D pour une seule section de-récupération, Cp étant une mesure de l'aptitude à convertir l'énergie cinétique importante à l'entrée du diffuseur en énergie de pression à la sortie du diffuseur et L/D est le rapport de la longueur au diamètre de la section de récupération.Plus particulièrement, Cp est obtenu d'auprès l'équation: dans laquelle P est la variation de la pression statique entre l'entrée et la sortie du diffuseur P est la densité du fluide, V est la vitesse moyenne à 1'entrée et g est une constante de proportionalité entre la force et l'énergie cinétique Les valeurs de C p indiquées sur la figure 2 sont des valeurs obtenues en effectuant des essais avec des diffuseurs -ayant des sections de récupération de différentes longueurs dans un sys tète de canalisation en circuit fermé Pour ces essais, de. l'eau est refoulée vers le haut à travers le diffuseur essayé avec diffé- rents débits et les pressions et les vitesses sont mesurées pendant cette circulation I1 a été constaté queen dehors de variations rès faibles des performances résultant de l'effet du nombre de Reynolds, un diffuseur donné a des performances pratiquement constan tes (c'est-à-dire une valeur constante de Cp) dans une plage large des débits. Le diffuseur utilisé pour cet essai a une longueur d'environ 685 mm avec un rapport entre les aires de la sortie et de l'entrée d'environ 6/1.Ce diffuseur peut être séparé en un point situé à environ 230 mm de ventrée pour intercaler une section de ré- cupération. Comme le montre la figure 2, quand il n'existe pas de section de récupération (L/D = O), C p est égal à environ 0,684 Quand des sections de récupération de longueurs croissantes sont intercalées entre les deux sections d'élargissement, la valeur de Cp croit jusqu'à environ 0,872 pour L/D = 1, et ensuite commence à décrottre. Par suite, dans le cas du diffuseur utilisé pour les essais, le rapport L/D optimal est égal à environ 1 pour une seule section de récupération.Une augmentation suplémentaire de Cp peut votre obtenue comme il a été expliqué ci-dessus, par l'addition d'étages de récupération suplémentaires espacés Par exemple, avec un premier étage ayant un rapport L/D d'environ 1 et un second étage avec un rapport L/D d'environ 2, la valeur de C p monte à environ 0,T Les longueurs optimales des sections de récupération, les rapports des aires des sectionsd1élargissement, etc, peuvent varier légèrement dans les limites indiquées ci-dessus, d'après les combi- naisons particulières des variables considérées cl-dessusO Par suite, pour les résultats globaux optimaux, un diffuseur pour une utilisation donnée, doit être essayé pour déterminer les dimensions optimales et autres caractéristiques entre ces limites. La figure 3 est une coupe schématique dsune pompe à injecteur comportant un diffuseur selon la présente invention Le corps de cette pompe comprend une section dsentrée convergente 100, une section de mélange 101 de section transversale pratiquement uniforme, un diffuseur constitué par une première section d'élargissement 102, une section de récupération -103, une seconde section d'élargissement 104 et un conduit de sortie 105 e Le fluide d'entratnement pénètre à travers la section dgentrde 100 entourant un ajutage 106.Comme il a été indique cindessus, le diffuseur peut comporter plusieurs sections de récupération, bier qu'une seule soit représentée sur la figure 3 pour rendre celle-ci plus claire. Les essais montrent que ce diffuseur augmente appréciablement le rendement de la pDmpe à injeçteur, par rapport à la même pompe à injecteur comportant un diffuseur à élargissement uniforme classique. De plus, ce diffuseur peut entre utilisé pour d'autres systèmes de pompes à injecteurs, et d'autres systèmes, tels que les souffleries ou les système d'échappement des turbines à gaz, quand il y a lieu de convertir l'énergie cinétique d'un courant à grande vitesse en énergie de pression. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et l'invention peut te mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que lion sorte de son cadre. REVENDICATIONS 1. Diffuseur pour convertir l'énergie cinétique en pression statique dans un système à circulation d'un fluide comprenant un corps creux, long, avec une entre pour le fluide alune extrémité et une sortie pour le fluide à l'autre extrémité, cractérisé-en ce que l'aire à la sortie est supérieure à ltaire~à l'entrée, une première section d'élargissement et une seconde section dYélar- gissement approximativement coniques à l'entrée et à la sortie, chacune s'élargissant vers la sortie et au moins une section ayant un angle d'élargissement substantiellement inférieur à l'angle d'élargissement de la première et de la secondesectiondiélargi s ment, entre ces deux sections. 2. Diffuseur selon la revendication 1, caractérisé par 1 à 6 sections de récupération sensiblement cylindriques espacées entre la première et la seconde sections d'élargissement et par une section d'élargissement suplémentaire entre chaque paire de sections de récupération successives, toutes les sections d'élargissement ayant environ le même angle d'élargissement 3. Diffuseur selon la revendication 1, caractérisé par trois sections de récupération cylindrique entre la première et la seconde sections d'élargissement et par une section suplémentaire d'élargissement entre chaque paire de sections de récupération successives, toutes les sections d'élargissement ayant environ le même angle d'élargissement. 4. Diffuseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que Chaque section de récupération est pratiquement cylindrique avec une longueur égale environ au diamètre de la section de récupération considérée multiplié par son numéro de position à partir de l'entrée du diffuseur. 5. Diffuseur selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport entre l'aire à la sortie et l'aire à l'entrée de chaque étage d'élargissement est environ égal au rapport entre l'aire à la sortie du diffuseur et l'aire à l'entrée du diffuseur multiplié par la racine carrée du nombre d'étages de récupération plus un. 6. Diffuseur selon la revendication 5 caractérisé en ce que le rapport entre l'aire à la sortie du diffuseur et l'aire à l'entrée du diffuseur est compris entre environ 1,5/1 et environ 8/1. 7. Diffuseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport entre l'aire à la sortie du diffuseur et l'aire à l'entrée du diffuseur est égal à environ 6/1. 8.Diffuseur selon l'une des revendications 5 à 7, earactérisé en ce que 11 angle d'élargissement du diffuseur est compris entre environ 10 et environ 7 . 9. Diffuseur selon l'une des revendication 5 à7 > caractérisé en ce que l'angle'd'élargissement du diffuseur est égal à environ 2,2 .