Brevet FR2382599A1 — publié le 19780929

La présente invention a pour objet un dispositif perfectionné conçu pour procéder, dans des conditions plus avantageuses que jusqu'ici, au prélèvement superficiel de liquide à des vitesses relatives et élevées du mécanisme de prélèvement d'une part et de la surface du liquide à prélever d'autre part. On connais divers systèmes permettant de prélever du liquide à grande vitesse relative par écopage, et l'on citera pour mémoire le remplissage en vol des citernes d'eau des avions d'irrigation ou de lutte contre les incendies, en particulier les incendies de for8ts, par raclage en rasemottes d'un plan d'eau situé à proximité de la zone de déversement : voir par exemple le brevet des E.U.B. nO 1 911 431 délivré le 30 Mai 1933 et le brevet français n 1 481 100 déposé le 23 Février 1966.Le premier brevet décrit un dispositif d'écope qui, s'il est escamotable pour permettre l'atterrissage ou l'amerrissage de l'avion, est au contraire maintenu fixe et rigide par rapport à la carlingue lors de sa mise en oeuvre en vue du prélèvement d'eau, l'avion se dépla çant suffisamment près du plan. d'eau pour que l'écope y plonge à une profondeur appréciable (plus de dix centimètres). Le second brevet prévoit lui aussi l'immersion en profondeur de l'écope, gracie à une ailette de pénétration dans l'eau. le domaine d'application des dispositifs de prélèvement de liquide à grande vitesse relative n'est pas réservé au seul cas de surfaces planes telles que les plans d'eau, mais s'étend aussi aux pompes et aux centrifugeuses où s'établit un anneau liquide présentant une surface interne continue libre. On a également proposé des mécanismes stationnaires à écopes plongeant dans un liquide qui se déplace rapidement - qu'il s'agisse d'un cours d'eau ou d'une centrifugeuse à anneau liquide - et mettant à profit l'énergie cinétique du liquide pour l'évacuer ou le mettre en pression. On peut citer à cet égard le brevet des E.U.A. ne 2 124 914 délivré le 26 Juillet 1938 décrivant une centrifugeuse à anneau liquide que vient racler une écope proéminente faisant saillie sur la face mouillée d'un patin reposant sur la surface libre de l'anneau liquide. Dans le mOme genre, on peut également citer le brevet français n' 1 368 864 déposé le 25 Juin 1963 ainsi que le brevet britannique nb 987 023 publié le 24 Mars 1965. Dans ces techniques connues, l'orifice de prélèvement plonge dans le liquide à prélever. On s'y heurte à de nombreuses difficultés : ainsi, le déplacement relatif du liquide et de l'écope tend à enfoncer celle-ci au sein de celui-là, un peu comme un soc de charrue, ce qui non seulement est préjudiciable si l'on ne veut prélever que du liquide de surface comme dans les centrifugeuses, mais encore augmente sensiblement la tramée hydrodynamique et les contraintes mécaniques sur les moyens de support et d'attache de l'écope. il faut aussi tenir compte des inévitables variations d'écartement relatif du mécanisme et du niveau liquide, d'où des prélèvements hétérogènes avec captations successives ou simultanées d'air et de liquide, des fatigues dues aux efforts alternes, etc.. Le but de la présente invention est de résoudre les difficultés ci-dessus tout en satisfaisant à certains désiderata de l'industrie, notamment dans le domaine des ultra centrifugeuses - puissance dissipée faible, - écoulement général non perturbé, - absence de vibrations mécaniques trop importantes, - cavitation supprimée. Ce but est atteint, selon l'invention, gracie à un mécanisme de prélèvement de liquide à position auto-réglable en vue d'assurer sa pleine efficacité tout en réduisant au minimum la traînée hydrodynamique, quelles que soient les variations éventuelles d'écartement relatif du dispositif et de la surface liquide, de vitesse relative ou autres paramètres de travail. Contrairement aux systèmes proposés antérieurement, le dispositif faisant l'obit de la présente invention ne présente pas de partie immergée de nature à engendrer une tral- née importante et par conséquent une grande consommation d'énergie. il opère à l'aide d'un orifice de captation de liquide ménagé au ras de la face mouillée d 'un patin à hydroportance faisant en quelque sorte office de ski nautique pour maintenir l'orifice de captation à la surface du liquide, ledit patin étant sollicité par une force de rappel (poids, ressort, vérin ou autre) l'appuyant sur ladite surface du liquide, c'est-à-dire dans le sens.opposé à la force d'hydroportance qu'il engendre. Un conduit de captation se raccorde sans saillie ni étranglement à l'orifice, du côté opposé à la surface du liquide, formant de préférence un angle assez petit avec cett-e surface et il s'étend vers l'aval de façon à dévier le moins possible le liquide capté. Ce conduit peut être d'ailleurs de section circulaire ou rectangulaire, et l'orifice est de préférence l'intersection de ce conduit avec la face mouillée du patin. Avec l'écope immergée courante, le prélèvement stef- fectuait en déviant par un obstacle la vitesse du fluide (d'où nécessité impérative de l'immersion). Dans la présente invention au contraire la mise en incidence du patin crée des forces de pression sous sa surface (forces de portance) et, s'il y a communication entre les deux faces du patin, un débit stétablit sous l'effet de la différence de pression. C'est de cette disposition que découle l'avantage de base du dispositif de l'invention, à savoir la très importante réduction de travée hydrodynamique. Celle-ci s'explique en particulier par la quasi disparition du phénomène de cavitation. Ce phénomène apparat lorsque la pression statique locale devisent inférieure à la pression de vapeur saturante du liquide. Le fonctionnement du patin crée des pressions statiques importantes qui retardent l'apparition du phénomène. En particulier, un choix de la position de l'orifice de prélèvement à proximité du. point de contact de l'avant du patin avec le fluide permet d'obtenir localement une pression statique très voisine de la pression totale (qui est très élevée dans les centrifugeuses) et d'éliminer ainsi le risque de cavitation. Un tel choix se fait par un réglage des forces qui appuient le patin vers la surface du liquide. On a également dans ce cas le débit maximal. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple -non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut entre réalisée. La figure 1 est une vue schématique en coupe partiel- le illustrant un mode de réalisation de la présente invention. La figure 2 est une vue analogue d'une variante. La figure 3 est une vue fragmentaire en coupe longitudinale d'une centrifugeuse à anneau liquide comportant le dispositif perfectionné de la présente invention. La figure 4 est une vue en coupe transversale selon la ligne IV-IV de la figure 3. La figure 5 est une vue analogue à la précédente montrant une variante de réalisation conforme à l'invention. La figure 6 est une vue schématique en coupe à plus grande échelle d'un patin aménagé pour le gélèvement de liquide. La figure 7 est un graphique du débit prélevé en fonction de 1 'enfoncement du patin dans la masse de liquide. Sur les figures 1 et 2, on a représenté en L la masse liquide supposée à surface plane S, la flèche F indiquant le sens du mouvement relatif. Le dispositif de prélèvement comporte ici un orifice de captation 1 ménagé dans la surface hydroplanante d'un patin 4 qui se termine de préférence vers l'avant par une spatule 5 comme un ski nautique. Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'orifice de captation 1 et le patin 4 sont incorporés à un bras 6 pivotant sur un support 7 autour d'un axe horizontal creux 8 dont l'intérieur communique d'une part avec l'orifice 1 par un conduit interne 9 et d'autre part avec un réservoir (non représenté) par un conduit externe 10. Le bras 6 est solidaire d'un prolongement il relié au support 7 par un ressort de traction 12 qui tend à faire pivoter le bras 6 dans le sens des aiguilles d tune montre, c'est-à-dire à solliciter l'orifice 1 dans le sens de l'immersion dans le liquide L, conjointement avec le couple dA au poids du patin. Ce système de ressort peut entre éliminé si le poids est suffisant.Le déplacement angulaire est limité dans les deux sens par des butées 13 et 14 que présente le support 7 et qui peuvent entre réglables, étant par exemple constituées de tétons vissés dans le support 7 et bloqués par des écrous. Le fonctionnement du dispositif illustré implique un mouvement relatif qui peut entre à vitesse élevée, que le dispositif soit stationnaire, auquel cas le liquide doit s'écouler dans le sens F, ou qu'au contraire le liquide soit stationnaire auquel cas le dispositif devra se déplacer dans le sens opposé à F. Le patin 4 se comporte alors comme une plaquette hydroplanante ou en d'autres termes un ski nautique, engendrant une force de portance qui tend à soulever le bras 6 et qui équilibre les couples inverses dds au poids et/ou à la force du ressort 12 et/ou à la traînée du patin 4 à orifice de captation 1. On notera que le "tirant d'eau" du mécanisme décrit est très faible et partant sa traînée hydrodynamique sera réduite. On notera également que la position de travail du mécanisme se règle automatiquement pour que orifice de captation 1 demeure toujours quasiment au ras de la surface S malgré des variations de hauteur du support 7 ou, ce qui revient au même, des variations de niveau du liquide L. On a représenté en S' et S" les niveaux de rapprochement maximum et d'éloignement maximum respectivement : dans le premier cas, le patin 4 vient en 4' et le bras 6 butera contre 14, tandis que dans le second cas lepatin 4 vient en 4" et le bras 6 butera contre 13. Dans ces déplacements angulaires, l'inclinaison du patin 4 variera de part et d'autre d'une valeur optimale qui est par exemple égale à 5 . Pour la conserver constante sans allonger démesurément le bras 6, on peut remplacer l'articulation en 8 de ce bras -------------------------------------- --------------- par un montage coulissant de celui-ci dans un guide qui serait par exemple perpendiculaire à la surface S du liquide. On pourra aussi avoir recours au montage illustré sur la figure 2 où le patin 4 est articulé en 15 à une extrémité d'une biellette 16 articulée à son autre extrémité en 17 sur le support 7. Le débattement angulaire du patin 4 par rapport à la biellette 16 est limité par des butées 18, 19. Cette biellette est en outre soumise à l'action d'un vérin hydropneumatique 20 à la tige duquel elle est attelée en 21 et qui lui procure un rappel élastique de force réglable. Enfin, l'orifice de captation 1 est connecté au réservoir (non (repré- senté) par un tuyau souple 22. Les variations de hauteur relative du support 7 par rapport à la surface liauide S se traduisent alors par des déplacements angulaires de la biellette 16, le patin 4 conservant sensiblement son inclinaison. Ceci est également vrai grosso modo si la surface liquide S n'est pas rigoureusement plane mais par exemple quelque peu ondulée : le patin 4 oscillera autour de son articulation 15 en conformité avec les ondulations. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté au prélèvement sur plan d'eau par engin à vitesse élevée, que ce soit à des fins d'utilisation (arrosage), de dépollution ("marées noires") ou autres. La présente invention n'est toutefois pas limitée à une mise en oeuvre sur surface liquide horizontale. Ainsi, dans la variante des figures 3 et 4, on a illustré son application à une pompe ou centrifugeuse à anneau liquide il venant se former contre une paroi cylindrique C tournant à grande vitesse V. Selon l'invention, le prélèvement de liquide se fait à la surface cylindrique libre Si de l'anneau liquide par deux bras 6 analogues à celui de la figure 1, articulés sur les prolongements radiaux 23 d'un moyeu 24 et sollicités par des ressorts de compression 25 prenant appui contre des protubérances 26 de ce moyeu. On a désigné sur ces figures 3 et 4, par les mimes chiffres de référence que sur la figure 1, les mimes parties du dispositif de prélèvement, de sorte qu'il parait inutile de les décrire à nouveau. On notera toutefois qu'à la différence du dispositif qui est illustré sur la figure 1 et dont le bras articulé 6 est incliné vers l'avant, c'est-à-dire dans le sens opposé au mouvement relatif F du liquide, ce qui causerait ici un effort d'appui excessif sous la traînée du patin, le dispositif des figures 3 et 4 comporte des bras articulés 6 inclinés vers l'arrière, c'est-à-dire dans le sens du mouvement relatif V du liquide. Bien entendu, au lieu de deux patins 4 à 1800 l'un de l'autre, on pourrait en prévoir un plus grand nombre (par exemple 7 à 1200) et- avoir éventuellement un montage articulé tel que celui de la figure 2, ainsi que le montre la figure 5. Ici également, on a utilisé les mimes chiffres de référence que sur la figure 2 pour désigner les mêmes parties. On notera toutefois que le vérin 20 de la figure 2 a été remplacé sur la figure 5 par des ressorts de compression 25. Tous les autres avantages énumérés concernant ltauto- régulation de la position du patin 4 sur la surface libre S restent valables. Des résultats particulièrement satisfaisants ont été obtenus en adoptant les proportions suivantes avec un conduit de prélèvement de diamètre D (voir figure 6) et d' axe incliné à 20e par rapport à la face postérieure mouillée 4a du patin 4 situé derrière l'orifice 1 du conduit, celui-ci débouchant au ras de cette face et dans son plan de symétrie - largeur du patin 4 ou du moins de sa partie mouillée 4a de préférence égale à 7D et en tous cas moindre que 8 D, - longueur de cette partie 4a - longueur de la partie antérieure libre 4b = 5 à 10 D. Le patin fonctionnera à un angle d'incidence d'environ 50 (il s'agit de l'angle dtattaque que fait la face mouillée 4a avec la surface libre du liquide S). Cette face mouillée 4a peut autre plane pour faciliter son usinage, mEme dans le cas dtun anneau liquide. Le canal de sortie 9 est conçu de façon à minimiser les pertes de pression. On réduira en particulier la vitesse de l'écoulement prélevé au moyen d'un divergent 27 aussi proche que possible de l'orifice de captation 1. La figure 7 indique l'allure de la variation du débit de prélèvement lorsqu'on exerce sur le patin 4 un effort pour l'appuyer de plus en plus sur le liquide, par exemple en tendant progressivement le ressort 12 de la figure 1, le point de contact P se déplaçant au fur et à mesure vers la droite. Le débit maximal M est obtenu lorsque le point P se trouve en Pi à proximité immédiate de l'orifice de prélèvement 1. Au-delà, le débit diminue tandis que la traînée augmente. il en résulte une conséquence pratique importante : le maintien automatique de la force d'appui par une force de rappel selon l'invention est nécessaire, car on ne peut en pratique prévoir exactement la position du patin 4 relativement au niveau S du liquide. En particulier, dans le cas d'une centrifugeuse ( gures 3 et 4 ou 5), il serait sans cela impossible de régler le débit de liquide entrant dans la capacité C et formant un anneau liquide lui. En effet, l'épaisseur de cet anneau augmente en cas d'un léger excès du débit entrant et, si le patin est fixe, on se trouvera sur la partie descendante à droite sur la courbe de la figure 7, avec un débit qui diminue, d'où une situation instable qui serait encore accentuée par le ralentissement de la centrifugeuse soumise à une traînée supérieure. Au contraire, on serait stable sur la partie ascendante de gauche, mais en pratique elle est trop courte pour titre utilisable, et en outre elle correspond à une légère entrée dtair dans l'orifice 1, ce qui est évidemment nuisible. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de prélèvement de liquide à grande vitesse au moyen d'un conduit de captation débouchant par un orifice sur la face mouillée d'un patin à hydroportance monté à l'extrémité mobile d'un bras agencé pour appuyer le patin sur la surface du liquide, avec une force opposée à la force dthydroportance et pour le conserver émergé à la surface du liquide, caractérisé en ce que cet orifice s'étend au ras de la face mouillée du patin et en ce que le conduit de captation y débouche très obliquement, son axe faisant un angle faible avec la partie postérieure de cette face, par exemple un angle d'environ 200. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice par lequel débouche le conduit est suivi d'un divergent. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le patin pivote à l'extrémité mobile du bras afin de maintenir sensiblement constante l'orientation du conduit de captation par rapport à la surface du liquide quels que soient les mouvements relatifs de cette surface etXou du bras. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la partie de la face mouillée du patin s'étendant en arrière de l'orifice qui débouche au ras de cette face dans son plan de symétrie, présente une largeur inférieure à 8 fois --et de préférence égale à 3 fois-- et/ou une longueur inférieure à 10 fois la largeur de cet orifice. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face mouillée du patin au voisinage de l'orifice est plane. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit de captation est noyé dans l'épaisseur du patin. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la force d'appui exercée par le bras est réglable afin de faire varier le débit et/ou la pression du liquide prélevé. 8. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes au prélèvement d'huile ou autre matière surnageante, par avions ou autres engins se déplaçant à grande vitesse au-dessus d'un plan d'eau. 90 Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, au prélèvement superficiel d'un liquide centrifugé dans un rot or creux, tel que centrifugeuse ou pompe. 10. Dispositif pour l'application selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est monté symétriquement avec au moins un autre dispositif analogue, à l'intérieur du rotor de centrifuga tion du liquide.