Brevet FR2161851A1 — publié le 19730713

La présente invention a pour objet un organe destiné à etre inséré dans un circuit hydraulique et fonctionnant à partir de conditions d'écoulement prédéterminées en régime de supercavitation, ctest-à-dire avec formation au sein même de l'écoulement d'au moins une poche permanente de vapeur saturante du liquide véhiculé. L'organe selon l'invention est caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins un obstacle disposé en plein écoulement et maintenu par des moyens de support fixés à la paroi intérieure du conduit, la forme de l'obstacle présentant une zone de décrochement provoquant un décollement franc de la veine sous forme d'une poche à son aval sans possibilité de recollement sur ledit obstacle. L'invention présente des applications diverses. On remarque tout d'abord qu'en régime supercavitant, la pression au droit de la poche est égale à la pression de vapeur du fluide Pv. L'organe selon l'invention peut donc jouer le rôle d'un limiteur de débit lorsque l'on atteint le régime de supercavitation. Le débit du circuit n' est plus fonction en effet que gle la différence entre la pression amont et celle, constante, au droit de la poche, et par conséquent ce débit est indépendant des conditions à 1' aval. Par ailleurs, si V1 est la vitesse du fluide à l'amont de l'obstacle, V2 sa vitesse au droit de la poche et p sa densité, la pression à l'amont est donnée par l'expression P1 = Pv + 1/2 pV22 - 1/2 P V12 (1) Le paramètre de cavitation de 1t écoulement à 1' l'amont de l'obstacle est donné par l'expression -Pv (2) i/2 pV12 En remplaçant dans (2) P1 - Pv par sa valeur tirée de (1), on obtient S1 S1 et S2 sont les sections de l'écoulement respectivement en amont de l'obstacle et au droit de la poche. L'expression (3) montre donc que le paramètre de cavitation est uniquement fonction de la géométrie de l'organe selon l'invention et qu'en particulier pour une géométrie donnée, clest-à-dire constante, le paramètre de cavitation amont est lui-meme constant. S2 L'organe selon l'invention peut donc être utilisé comme dispositif de protection contre la cavitation d'appareils disposés dans le circuit à l'amont de l'organe, en assurant automatiquement la constance du paramètre de cavitation quel que soit le régime de fonctionnement au-delà du régime correspondant à la supercavitation de organe. Organe selon l'invention sera calculé de manière à obtenir un paramètre de cavitation constant aussi voisin que possible de la valeur critique du paramètre de cavitation de l'appareil à protéger. Enfin lfapparition de la poche de cavitation provoque dans l'écoulement à l'aval de l'obstacle une nette augmentation de la perte de charge créée par l'obstacle et par conséquent des modifications importantes de l'état relatif des pressions amont et aval. Ces modifications de pressions peuvent être utilisées par exemple dans certaines applications pour commander des appareils de contrôle et en particulier provoquer la fermeture d'un obturateur sur le circuit. On pourra profiler convenablement la portion de l'obstacle à l'aval de sa zone de décrochement afin de réduire les pertes de charge qutil provoque dans des conditions d' écoulement autres que celles correspondant au régime de supercavitation. Dans le cas en particulier de l'application à la commande d'appareils de contrôle, l'effort dont on dispose est proportionnel à l'écart des pressions amont et aval et sera donc d'autant plus grand que la perte de charge en régime non supercavitant est plus faible. Selon une forme d'exécution de l'organe selon llinven- tion, l'obstacle présente une section maximale à son aval, et les moyens de support sont disposés entièrement en amont et de préférence à une certaine distance de cette section. La portion de conduit dans laquelle se trouve 1? organe peut être suivie d'une portion de conduit divergente, ce qui a pour effet de produire, au niveau de la divergence, une remontée de pression favorisant en cet endroit la résorption de la poche de vapeur saturante qui stest formée à l'aval de l'obstacle. La portion de conduit divergente pourra être réalisée sous la forme d'un tronc de cône d'angle au sommet d'environ 4 . Elle pourra également etre conçue de façon à présenter une augmentation progressive de section transversale donnant un gradient de pression positif et constant. Dans le cas où la portion de conduit dans laquelle se trouve organe est suivie d'un conduit de même section, la poche de décollement peut être assez longue avant de se résorber, et subit alors des fluctuations ltamenant près des parois du conduit, ce qui risquerait de provoquer des détériorations de celui-ci. Dans ce cas, afin de stabiliser cette poche et de la maintenir au centre du conduit, on donnera un mouvement de rotation du fluide à ltaval de l'obstacle selon l'invention, en réalisant ses supports en forme d'ailettes présentant une inclinaison par rapport au plan diamétral dans laquelle chacune se trouve. La portion de conduit dans laquelle se trouve organe peut être précédée d'une portion de conduit convergente, ce qui a pour effet d'augmenter la vitesse d'écoulement dans le passage contenant l'or- gane et ainsi, obtenir les mêmes effets hydrauliques pour un rapport obstruction plus faible de l'obstacle. D'une façon générale, la section transversale et la forme des obstacles sera prédéterminée de façon telle que, compte tenu de la contraction de l'écoulement en aval desdits obstacles, le rapport de la section globale transversale des poches de vapeur saturante à la section FR ale de passage de l'écoulement au droit des poches soit inférieure à 0, 15 environ. L'organe pourra être réalisé selon plusieurs formes d'exécution, par exemple, il pourra comporter un seul obstacle placé au centre du conduit, ou un obstacle de forme annulaire centré sur l'axe du conduit. n pourra aussi comporter plusieurs obstacles répartis régulièrement dans la section transversale de l'écoulement. La section desdits obstacles par un plan passant par l'axe du conduit pourra, de préférence, effectuer la forme d'un triangle isocèle dont le sommet correspondant aux deux côtés égaux est dirigé vers l'amont et dont le côté opposé est perpendiculaire à l'axe du conduit. L'organe selon l'invention pourra être placé dans le circuit hydraulique immédiatement à l'aval d'un appareil de ce circuit, et pourra être fixé directement sur ledit appareil. Par exemple, dans le cas où ledit appareil est un coude å ailettes, chaque obstacle pourra être fixé à l'extrémité aval des ailettes du coude ou de leurs entretoises. On pourra même, dans ce cas, constituer l'obstacle par l'extrémité aval même des ailettes du coude ou d'une de leurs entretoises, en donnant une conformation convenable à cette extrémité aval. Organe selon l'invention pourra être monté de façon déplaçable dans une direction parallèle à l'axe du conduit, le conduit dans lequel il est ainsi disposé présentant une section de passage variable. L'organe selon l'invention est intéressant pour les raisons suivantes n assure une bonne stabilité d'écoulement car sa poche de cavitation est bien définie géométriquement et bien localisée, avec résorption au sein même du liquide, c'est-à-dire sans l'effet nuisible de l'érosion par cavitation sur les parois du dispositif ou du conduit. D'autre part, le paramètre de cavitation à l'amont de organe est constant quel que soit le débit. L'organe est simple et d'encombrement réduit, sans pièce mobile ni frottement mécanique pouvant entraver son bon fonctionnement. Afin de bien faire comprendre l'invention, plusieurs formes de réalisation vont être décrites, à titre d'exemples, en référence aux figures annexées - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un organe simple selon l'invention inséré dans un conduit relié à un circuit hydraulique, - la figure 2 est une vue en bout selon II-II de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale dtune variante de l'organe selon l'invention, - la figure 4 est une vue en bout selon IV-IV de la figure 3, - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une autre variante de l'organe, - la figure 6 est une vue en bout selon VI-VI de la figure 5, - la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'une autre variante de 1? organe, - la figure 8 est une vue en bout selon VIII-VIII de la figure 7, - la figure 9 est une vue en coupe longitudinale d'une variante de organe en régime sans cavitation, - la figure 10 est une vue en coupe longitudinale de la variante de la figure 9 en régime supercavitant. On voit sur les figures 1 et 2 un conduit 1 que l'on insère à l'aval d'un circuit hydraulique que l'on désire protéger contre la cavitation. Ce conduit l de section cylindrique contient un corps conique 2 formant obstacle placé pointe en amont au centre de l'écoule- ment, lequel s'effectue dans le sens de la flèche. Le corps conique est supporte sur sa partie amont par trois ailettes minces 3 convenablement profilées pour ne pas perturber l'écoulement, et surtout ne pas etre elles-mêmes à ltorigine d'une-cavitation. A partir d'un régime prédéterminé d'écoulement, fonction de la gométrie de cet obstacle 2, il se forme à l'aval de celui-ci une poche 4 de vapeur saturante du liquide véhiculé, correspondant à un régime de supercavitation à son niveau, assurant alors automatiquement à partir de cet instant la constance du paramètre de cavitation à son amont, la géométrie de l'obstacle 2 ayant été prédéterminée de façon que ce paramètre constant de cavitation soit supérieur i celui de l'appareil à protéger placé dans cette partie du circuit. Cette poche 4, localisée dans l'axe du conduit 1, est résorbée en 5 au sein même du liquide, grâce à l'augmentation de la pression locale due à l'accroissement de section due au conduit divergent 6. Les figures 3 et 4 montrent une variante de l'invention dans laquelle l'obstacle est constitué par une couronne 8 cents4 sur l'axe du conduit 1 et dont la section dans sa partie aval 9 est croissante amont en aval. Cette couronne est maintenue dans le conduit 1 par des ailettes 10 convenablement profilées. Le conduit 1 est suivi d'un élément de conduit de forme conique due section croissante d'amont en aval présentant ltangle optimum de divergence de 4", ce divergent ayant, pour un même effet, une longueur plus grande que le divergent des figures 1 et 2. Les figures 5 et 6 montrent une autre variante de réalisation dans laquelle l'organe comporte plusieurs obstacles 14 répartis régulièrement dans le conduit l sur des couronnes minces 15 lesquelles sont supportées par des ailettes profilées 16. Le conduit 1 est suivi d'un divergent 17 ayant les mêmes effets que celui de la figure 1. Les figures 7 et 8 montrent encore une variante de réalisation dans laquelle le conduit 1 contenant l'obstacle 18 n'est pas suivi d'un élément divergent ayant pour effet de produire la résorption rapide de la poche 19. Dans ces conditions, celle-ci est très longue, et aurait normalement une tendance à fluctuer, à venir en contact avec les parois du conduit 1, en y produisant une érosion de cavitation. Pour éviter cela, et stabiliser cette poche dans l'axe du conduit jusqu'à sa résorption en 20, on produit dans l'écoulement, et en conséquence dans la poche 19, un mouvement de rotation en donnant aux ailettes de support 21 de l'obstacle une inclinaison par rapport au plan diamétral du conduit 1. On voit sur la figure 9 une autre variante de réalisation dans laquelle l'obstacle est constitué par un corps 23 profilé en 24 à l'aval de la section 25 provoquant le décollement de la veine. La figure 9 montre l'écoulement dans le conduit 1 selon les flèches en régime correspondant à la non-cavitation de l'obstacle où l'on voit que celui-ci présente une faible perte de charge, grace à son profilage alors que la figure 10 montre le même obstacle en régime d'écoulement en supercavitation à son niveau avec formation d'une poche 26 de vapeur saturante. REVENDICATIONS 1. Organe destiné à être inséré dans un conduit de circuit hydraulique dans le but de permettre un fonctionnement en régime de supercavitation avec formation au sein même de l'écoulement d'au moins une poche permanente de vapeur saturante du liquide véhiculé, caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins un obstacle disposé en plein écoulement et maintenu par des moyens de support fixée à la paroi intérieure du conduit, la surface latérale de l'obstacle présentant une zone de décrochement provoquant en régime de supercavitation un décollement franc de la veine à son aval sans possibilité de recollement sur ledit obstacle. 2. Organe selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'obstacle présente à son aval une section maximale constituant la zone de décrochement et en ce que lesdits moyens de support sont disposés entiErement en amont et de préférence à une certaine distance de cette section. 3. Organe selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la section transversale et la forme des obstacles sont convenablement prédéterminées pour que, compte tenu de la contraction de l'écoulement en aval desdits obstacles, le rapport de la section globale transversale des poches de vapeur saturante à la section globale de passage de l'écoulement au droit des poches soit inférieure à 0, 15 environ. 4. Organe selon l'une des revendications 1, 2 ou 3 caractérisé en ce qu'il comporte un obstacle de forme annulaire centré sur l'axe du conduit. 5. Organe selon l'une des revendications l à 4 caractérisé en ce que les moyens de support sont constitués par des ailettes présentant une flèche d'amont en aval, l'extrémité la plus en aval étant celle fixée à l'obstacle. 6. Organe selon l'une des revendications l à 5 caractérisé en ce que la portion de conduit dans laquelle il se trouve est précédée d'une portion de conduit convergente. 7. Organe selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la portion de conduit dans laquelle il se trouve est suivie d'une portion de conduit divergente. 8. Organe selon la revendication 7 caractérisé en ce que la portion de conduit divergente présente une augmentation progressive de section transversale donnant un gradient de pression positif et constant. 9. Organe selon l'une des revendications l à 8 caractérisé en ce que les supports sont en forme d'ailettes présentant une inclinaison par rapport au plan diamétral dans lequel chacune se trouve. 10. Organe selon l'une des revendications 1 à 4 ou 6 à -8 caractérisé en ce qu'il est placé dans le circuit hydraulique immédiatement à l'aval d'un appareil de ce circuit et que chaque obstacle est fixé directement sur ledit appareil. 11. Organe selon la revendication 10 caractérisé en ce que l'appareil est un coude à ailettes et en ce que chaque obstacle est fixé à l'extrémité aval des ailettes du coude ou de leurs entretoises. 12. Organe selon la revendication 11 caractérisé en ce que chaque obstacle est constitué par une conformation convenable d'une portion située en plein écoulement de l'extrémité aval d'une des ailettes du coude ou d'une de leurs entretoises. 13. Organe selon l'une des revendications l à 9 ca caractérisé en ce que chaque obstacle est monté déplaçable dans une direction parallèle à l'axe du conduit et en ce que la portion de conduit dans laquelle il est disposé présente une section de passage variable.