Brevet FR2024426A1 — publié le 19700828

i. 2024426 La présente invention est relative à une .turbine d'aération à axe vertical, destinée à l'aération de liquides, en particulier dès eaux résiduaires qu'il s'agit de clarifier ; cette turbine comprend une pièce de rotor allant en divergeant 5 de bas en haut et présentant à l'intérieur une couronne d'aubes; la turbine comprend en outre un dispositif de support reliant la turbine à un arbre de commande, cependant que la couronne d'aubes subdivise l'espace intérieur du corps du rotor en un certain nombre de conduits de refoulement allant de bas en haut 10 et ouverts vers l'intérieur, conduits qui sont destinés au liquide qu'il s'agit d'aérer. les turbines d'aération de ce genre, qui sont aussi dénommées, dans la spécialité, turbines "Simplex" ou bien, d'après leur constructeur, turbines Bolton, sont des aérateurs de sur-15 face, et ont donné satisfaction dans de nombreuses installations de clarification, en comparaison des turbines dont les aubes sont placées du côté extérieur. Il est vrai que leur capacité spécifique d'absorption, au- sens de la quantité d'air introduite par unité de puissance utile consommée pour la commande d'en-20 traînement, est certes supérieure à celle des turbines précitées à aubage extérieur, mais elle est tout de même restée relativement modeste. Aussi a-t-on déjà proposé de fermer, dans une turbine d'aération de ce genre, les conduits de refoulement, par exem-25 pie par recouvrement des bords latéraux des aubes tournés vers l'axe de la turbine, au moyen d'une paroi latérale de guidage, et d'accroître par ce moyen cette capacité spécifique d'absorption. On réalise alors une turbine qui peut se comparer par exemple à une roue de pompe radiale aspirant dans le sens axial. 30 Par ce moyen, on augmente, il est vrai, considérablement la capacité d'absorption de la turbine d'aération et par conséquent aussi la quantité d'air absorbée par unité de temps, tout en obtenant, même avec une consommation d'énergie accrue pour la commande d'entraînement, une plus grande quantité d'air intro-35 duite par unité de puissance consommée pour assurer la commande d'entraînement. Mais cette forme de réalisation, comparable à une roue de pompe, de la-turbine d'aération, a 1 'inconvénient que, le plus souvent, l'amélioration de la capacité d'absorption de la tur-40 bine d'aération est plus que simplement compensée, surtout lors 69 40903 2. 2024426 de l'aération &feaux résiduaires à clarifier qui, le plus souvent, sont chargées de matières solides fibreuses, telles que des fils, des cheveux et des matières analogues. Cet inconvénient consiste en une tendance marquée des conduits de refou-5- lement, en quelque sorte fermés, de la turbine à se colmater par les impuretés qui se trouvent- dans les liquides à aérer, les- impuretés de ce genre se mettent en-travers des orifices d'entrée des conduits fermés de-refoulement et provoquent, tout d'abord, une augmentation de la résistance à l'écoulement à 10 travers les conduits faisant suite et forment en même temps un nouveau point d'accumulation des impuretés, de sorte qu'en peu de temps les conduits de refoulement correspondants de la turbine sont pratiquement bouchés et- mis ainsi hors d'état de contribuer en aucune façon au refoulement du liquide. 15 La tendance au colmatage est beaucoup plus faible dans les turbines à aubage intérieur précitées, tout comme dans celles qui sont à aubage extérieur, parce qu'il n'y a pratiquement pas de possibilité, pour les impuretés en forme de fibres, de se placer en travers de l'un des conduits de refoulement. Il en 20 est ainsi parce que les conduits de refoulement•ont un profil en forme de TJ, c'est-à-dire qu'ils sont ouverts vers l'intérieur ou l'extérieur sur toute leur longueur. Le risque de colmatage qui subsiste dans les turbines Simplex nuit moins à leur capacité de refoulement que, tout au contraire, à la'puissance 25 nécessaire à leur commande, parce que, dans ces turbines, les impuretés à l'état de fibres s'accrochent au dispositif de support qui existe nécessairement et donnent ainsi naissance à un poids mort qu'on est obligé d'entraîner dans le mouvement de rotation et qui oppose éventuellement une résistance accrue au 50 mouvement de circulation du liquide. Il est vrai qu'on peut remédier un peu à ce faible risque de colmatage, dans les turbines Simplex précitées, en faisant tourner la turbine alternativement dans un sens et dans 1'autre, ce qui de toute façon se fait couramment pour empêcher l'en-35 semble de la masse liquide de tourner, à la longue, avec la turbine. Dans ces conditions, l'un:des buts de la présente invention est de parvenir à une turbine du genre précitée qui, au point de vue dé la capacité de refoulement e.t de la.capacité d'absorption, 40 soit équivalente' aux turbines .à. conduits de refoulement fermés, "3 69 40903 3' 2024426 et qui, en qe qui concerne la "tendance au colmatage, soit plus avantageuse même que les turbines connues à aubage intérieur ou extérieur. Dans ce but, la turbine du genre précité est caractérisée, 5 selon l'invention, par le fait qu'une partie, au moins, des aubes présente, au moins dans la région d'extrémité des conduits de refoulement, des surfaces de refoulement qui surplombent la racine des aubes. Autrement dit, une partie au. moins des conduits de refoulement doit être considérée, au moins dans la 10 région de son extrémité, excepté une sorte de fente ouverte vers le côté intérieur de la turbine, comme étant en quelque sorte fermée, grâce à quoi on oirtient de façon certaine, d'une part, une meilleure capacité de refoulement et, d'autre part, un moindre risque de colmatage. 15 Comme il est usuel, ainsi que cela a été dit edL-ciessus, de commander la turbine de façon à la faire tourner alternativement dans un sens et dans l'autre, il est avantageux d'exécuter les aubes de façon qu'elles aient un profil en T, d'autant plus qu'avec ce mode de fonctionnement ce sont nécessairement 20 les deux côtés des aubes qui deviennent des surfaces de refoulement. Le risque de colmatage est particulièrement faible dans la forme de réalisation préférée de la turbine, dans laquelle la hauteur des aubes augmente, en commençant dans la région 25 amont des conduits de refoulement* de façon continue en partant de zéro pour atteindre une valeur maximale, cette valeur de la hauteur des aubes étant avantageusement obtenue entre la région du début ou amont et la région de la fin ou aval des conduits de refoulement. 30 On choisit, en même temps, et avec avantage, le profil en I des aubes de telle sorte que la largeur de la "barre transversale du profil en T augmente de façon continue entre la région amont et la région aval des conduits de refoulement, tandis que le dispositif de support est en même temps fixé sur la face 35 supérieure libre de la barre transversale des aubes. Ci-après va être décrit de façon plus détaillée un. exemple de réalisation préféré d'une turbine selon l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels : îig. 1-est Tmc» vue en perspective d'une turbine d'aération 40 avec son dispositif de support fixé à un arbre de commande. 69 40903 4' 2024426 Fig. 2 représente la turbine d,aération selon la fig. 1 dont certaines parties ont été enlevées. Fig. 3 représente à une échelle plus grande une vue partielle de dessous, et obliquement vers le haut, à travers 5 l'ouverture d'aspiration située au bas de la turbine d'aération selon les figs. 1 et 2. La turbine, désignée dans son.ensemble par 1, comprend une pièce rotorique 2 qui, en partant d'une ouverture d'aspiration 8 située dans le bas (fig. 2), va en divergeant en direction du 10 haut. Contre sa paroi intérieure 6, le rotor 2 porte un certain nombre d'aubes 3 qui délimitent un certain nombre de conduits de refoulement 7 allant de bas en haut et destinés au liquide à aérer. Ainsi qu'on le voit dans les figs. 1 à 3» ces conduits de refoulement 7 sont ouverts du côté intérieur. Sur la face 15 supérieure des aubes désignées par 3a, 3b, 3ç a été fixé un dispositif de support 5 qui sert de jonction avec un arbre de commande 4.. La turbine d'aération représentée est destinée à être commandée alternatiyement dans un sens et dans l'autre. C'est 20 pourquoi les deux faces latérales des aubes 3 sont exécutées sous la forme de surfaces de refoulement 9 et 10 (fig; 1) et, lors de la commande dans le sens de la flèche 11, c'est chacune des surfaces 9 qui exerce un effet de refoulement, ainsi que cela est indiqué dans la fig. 1 par des hachures 12. Lors de 25 la commande en sens contraire, ce sont au contraire principalement les surfaces 10 qui exercent un effet de refoulement. C'est surtout dans la région d'extrémité des conduits de refoulement 7 que les aubes 3 ont un profil 13 en T marqué, comprenant une barre transversale 14 dont les extrémités libres 30 forment en même temps les bords longitudinaux des surfaces de refoulement 9 et 10. Il en résulte que les surfaces de refoulement 9 et 10 des aubes 3 sont disposées par rapport à leur base 15 de façon à la surplomber nettement. 35 C'est dans les figs. 2 et 3 que l'allure du profil des aubes 3 est visible de façon particulièrement claire. D'une part, la hauteur de la partie des aubes 3 qui est à peu près à angle droit par rapport à la paroi intérieure 6 du rotor 2 augmente, en partant de l'ouverture d'aspiration 8, de zéro 40 jusqu'à une valeur maximale, pour diminuer ensuite légèrement 69 40903 5. 2024426 en direction de l'extrémité des. conduits de refoulement 7, c'est-à-dire vers la périphérie de la turbine. D'autre part, . la largeur de la barre transversale 14 du profil 13 en T augmente, en partant de l'ouverture d'aspiration 8, jusqu'à une 5 largeur maximale à la fin des conduits de refoulement 7. L'allure de la largeur de la barre transversale 14 est en même temps choisie de façon que la distance des extrémités libres, tournées l'une vers l'autre, des barres transversales 14 d'aubes adjacentes reste pratiquement constante depuis l'ouverture 10 d'entrée 8 jusqu'à l'extrémité des conduits de refoulement 7. Le raccordement de la surface de la paroi intérieure 6 avec la partie attenante de la surface d'aube, à la base 15 de celle-ci, est nettement arrondi (fig. 3)» de même le raccordement entre l'âme du profil en T et la barre transversale 14. 15 Cet arrondi peut être réalisé de façon encore plus marquée que cela n'est représenté, jusqu'à ce que chaque surface de l'âme et la barre transversale du profil en T se complètent en un arc qui se continue de façon progressive par la surface de la paroi intérieure 6. 20 Ainsi qu'on le voit dans les figs. 1 et 2, le dispositif de support 5 se compose d'une pièce en étoile à trois branches 16 qui présentent un profil plat placé sur chant et s'étendent, sous forme d'arc, depuis un moyeu central 17 jusque sur la face supérieure des aubes 3a» 3b, 3c. Les extrémités écartées des 25 branches 16 sont fixées, par exemple par soudure autogène, aux barres transversales 14 correspondantes des aubes 3a» 3b, 3ç, les raccordements étant tous également nettement arrondis. Il en est de même pour les extrémités rapprochées des branches 16 qui sont fixées au moyeu 17. 30 Ainsi qu'on le voit en fig. 1, on a fixé, sur le moyeu 17, par exemple au moyen d'une bride 18 et de boulons 19» l'arbre .de commande 4. On voit en fig. 2 que le profil de la surface intérieure 6 du rotor 2 est convexe vers l'intérieur et que la surface exté-35 rieure 20 a la forme d'un tronc de cône divergeant de bas en -haut, cependant que les deux cercles de base du cônë coïncident avec les bords extrêmes de la paroi intérieure 6. En même temps, la surface-6 a une forme comparable à celle d'un tore dont la génératrice serait un segment de cercle. Le rotor 2 présente 40 par conséquent, à l'intérieur, une cavité annulaire 21 qui peut 69 40903 2024426 ê"tre soit vide (fig* 2, à droite), soit remplie cPune matière 22 capable de flotter. La raison pour laquelle le rotor est exécuté de cette façon va être décrite brièvement ci-après, en regard de la fig. 2. Dans 5 la technique, on s'efforce, d'une manière générale, d'obtenir un rendement aussi élevé que possible, c'est-à-dire de réduire à leur minimum les pertes qui n'apportent aucun avantage. Il en est ainsi également pour les turbines d'aération, ainsi que cela a été indiqué ci-dessus. La commande d'une telle turbine doit four-10 nir non seulement la puissance nécessaire pour aspirer dans le sens des flèches 23 le liquide à aérer, pour le soulever jusqu'au-dessus de la surface 24 du liquide, pour l'accélérer et le délivrer dans le sens des flèches 25» mais aussi une puissance non négligeable représentant les pertes de puissance dans les 15 organes de transmission et les paliers. Or, comme la turbine représentée est disposée de telle sorte qu'elle soit suspendue librement, il faut que les paliers de support de l'arbre 4 absorbent tout d'abord le poids propre, agissant dans le sens de l'axe, de la turbine et de l'arbre, poids auquel s'ajoutent 20 encore, au cours du-fonctionnement, les forces de réaction agissant dans le même sens, et qui prennent naissance du fait du soulèvement du liquide au-dessus du niveau de la surface 24 du liquide. Le palier de l'axe est donc obligé d'absorber des forces axiales considérables, qui sont d'autant plus importantes 25 que, la quantité de liquide refoulée vers le haut par la turbine est plus grande. Du fait de la cavité 21, ou du fait que le rotor est rempli d'une matière 22 capable de flotter, il se crée alors des forces de poussée ascendantes agissant en sens contraire de ces forces axiales et qui réduisent considérablement la charge 30 des paliers et par conséquent les pertes dans les paliers. Comme matière à utiliser pour réaliser la turbine, on peut envisager, en dehors des alliages métalliques résistant à la corrosion, en particulier des alliages métalliques légers ou des matières synthétiques, par exemple des résines de polyester 35 armées de fibres de verre, avec lesquelles on peut obtenir d'emblée, sans usinage complémentaire spécial des surfaces lisses comme un miroir. Bien entendu, l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit ; on pourrait concevoir diverses va-40 riantes sans sortir du cadre de l'invention. 69 40903 7 2024426 REVENDICATIONS 1» Turbine d'aération à axe vertical, servant à aérer des liquides, en particulier des eaux résiduaires à clarifier, comprenant un rotor creux allant en divergeant de bas en haut, 5 portant sur sa face intérieure une couronne d'aubes, et comportant un dispositif de support reliant la turbine à un arbre de commande, cependant que la couronne d'aubes subdivise l'espace intérieur du rotor en un certain nombre de conduits de refoulement, allant de bas en haut et ouverts vers l'intérieur, conduits 10 qui sont destinés au liquide à aérer, caractérisée par le fait qu'une partie au moins des aubes présente, au moins dans la région de l'extrémité des conduits de refoulement, des surfaces de refoulement qui surplombent la base des aubes. 2. Turbine d'aération selon la revendication 1, caracté-15 risée par le fait que les aubes présentent une surface de refoulement de chaque côté et un profil en forme de T. 3. Turbine' d'aération selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que la hauteur des aubes augmente, à partir du début des conduits de refoulement, de façon continue 20 d'une valeur nulle jusqu'à une valeur maximale. 4. Turbine d'aération selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la valeur maximale de la hauteur des aubes est située entre la région du début et la région de l'extrémité des conduits de refoulement. 25 5. Turbine d'aération selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée par le fait que la largeur de la barre transversale du profil en T augmente de façon continue entre le début et l'extrémité des conduits de refoulement. 6. Turbine d'aération selon l'une des revendications 2 à 30 3, caractérisée par le fait que le dispositif de support est fixé sur la face supérieure des barres transversales d"aubes à profil en T. 7. Turbine d'aération selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée par le fait que toutes les aubes de la couronne 35 d'aubes sont identiques, la largeur de la barre transversale du profil en T étant agencée pour que l'intervalle compris entre les extrémités libres des barres transversales d'aubes adjacentes soit constant, au moins de façon approchée, depuis la région du début jusqu'à la région d'extrémité des conduits de refoule-40 ment. 69 40903 8 2024426 8. Turbine d'aération selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la paroi extérieure non munie d'aubes et la paroi intérieure munie d'aubes dans la pièce du rotor forment une cavité fermée de façon étanche par 5 rapport à l'extérieur. 9. Turbine d'aération selon la revendication 8, caractérisée par le fait que la paroi extérieure de la pièce du rotor présente une forme conique et la surface intérieure de la pièce du rotor une forme bombée de façon à être convexe vers l'inté- 10 rieur, tandis que la cavité existant dans l'intervalle est remplie d'une matière flottante, en particulier une mousse de matière synthétique. 10. Turbine d'aération selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les raccordements 15 entre la base des aubes et la surface intérieure de la pièce du rotor, et les raccordements des bords latéraux des aubes avec la partie en surplomb de ces dernières présentent un arrondi d'allure progressive.