Brevet FR2403814A1 — publié le 19790420

L'invention concerne un moyen de séparation de particules d'impuretés d'un courant de gaz s'écoulant axialement à relativement grande vitesse, comme cela peut être nécessaire pour des moteurs à combustion interne, des moteurs Diesel, des moteurs d'avions à réaction, des turbines ou des machines analogues, où l'on exige une alimentation propre en air ou autre gaz. On a employé la force centrifuge pour séparer des particules solides d'impuretés d'un écoulement axial de gaz. Les dispositifs de la technique antérieure nécessitent que la force centrifuge soit relativement importante pour atteindre le but poursuivi. T'effet abrasif des particules d'impuretés en résultant réduit considérablement la durée de vie du dispositif. Aussi a-ton proposé beaucoup de procédés de production de lac- tion centrifuge dans les générateurs de force centrifuge.Par exemple, le brevet américain MONSON 9.517,821 propose un séparateur centrifuge à élément déflecteur comprenant un moyeu central s'étendant axialement avec une pluralité d'ailettes de type hélicoïdal s'étendant radialement vers l'extérieur, chaque ailette comportant une cambrure dans sa surface à haute pression, l'objectif de cet élément déflecteur amélioré étant d'accroître l'efficacité du séparateur.centrifuge. Dans le brevet américain CAMPOLONG 3.895.930 également, un déflecteur à ailettes disposé dans le séparateur centrifuge communique à l'écoulement d'air une rotation héli cotidale ou un mouvement cyclonique.Les particules de saletés entratnées dans l'air, qui sont relativement lourdes, sont projetées à la périphérie du tube par suite de la force centrifuge de l'écoulement en tourbillon, ce qui épure l'air des particules d'impuretés au centre du tube. Ces deux séparateurs centrifuges, par suite de la conception du générateur, donnent bien une séparation totale des particules d'impuretés de l'écoulement de gaz, mais, comme on l'a signalé plus haut, la durée de vie du dispositif est courte à cause de l'abrasion des particules d'impuretés sur la surface interne du tube entourant les générateurs, ainsi que sur les surfaces extérieures de l'élément déflecteur. La présente invention envisage un dispositif comportant une enveloppe sensiblement creuse qui reçoit à son extrémité d'entrée un courant de gaz impur s'écoulant axialement avec une vitesse relativement grande. Un organe générateur à géométrie optimisée est disposé coaxialement â l'enveloppe pour séparer les particules dtimpuretés du courant d'air et pour diriger et maintenir ces particules contre la paroi de l'enveloppe, tandis que le gaz relativement propre est déchargé par une extrémité opposée, de sortie, de l'enveloppe et les particules d'impuretés sont déchargées par un passage communiquant avec la paroi de l'enveloppe près de cette extrémité opposée de sortie. La surface de l'organe générate#ur est géométriquement optimisée pour donner la vitesse et la quantité de mouvement des particules d'impuretés, ce qui amène celles-ci à se diriger vers la paroi d'enveloppe dans la première étape de séparation. Cela est réalisé dans une première phase en imposant à la vitesse axiale des particules d'impuretés une composante de vitesse radiale, par suite soit du choc des particules sur l'organe générateur dans le premier étage du séparateur soit du choc de ces particules sur d'autres particules qui ont déjà été dirigées vers la paroi de l'enveloppe de séparateur. Grâce à la quantité de mouvement des particules les plus lourdes, les impuretés sont contraintes d'aller dans la couche extérieure du courant de gaz lorsque l'écoulement de gaz s'approche du deuxième étage du séparateur.Ce deuxième étage du séparateur comporte une pluralité d'ailette8 montées sur la circonfé#ence de l'organe générateur pour faire subir aux particules un échange de quantité de mouvement lors du choc avec ces ailettes. Ce choc augmente beaucoup la composante radiale de la vitesse et donne aussi une légère composante tangentielle â la vitesse de l'écoulement de particules, ce qui contraint les particules les plus lourdes à se rapprocher de l'enve- loppe du séparateur et localise les particules d'impuretés les plus lourdes vers la portion extrême de la surface interne de l'enseloppe du séparateur.Lorsque le courant de gaz sort du deuxième étage de l'organe générateur, le vecteur de vitesse radiale des particules d'impuretés est considérablement plus grand que le vecteur de vitesse axiale par suite des effets des ailettes montées sur le courant de gaz. Les particules de gaz éprouvent aussi un accroissement de leur vecteur de vitesse radiale, mais, à cause de la différence de masse considérable entre ces particules et les particules d'impuretés, l'effet de cette quantité de mouvement produite est relativement sans importance et l'on obtient une séparation entre les particules d'impuretés et les particules de gaz.Le troisième étage de séparation comporte à nouveau une surface d'organe générateur géométriquement optimisée pour accroftre la vitesse du courant de gaz afin de séparer encore du courant de gaz les particules d'impuretés les plus légères, d'une manière similaire à la première phase.Ces particules plus légères s'accélèreut par suite de la diminu- tion de la surface de la section transversale dans laquelle s'écoule le gaz et elles acquièrent une composante de vitesse radiale en heurtant la surface à géométrie optimisée du générateur. Cet accroissement de la vitesse radiale produit use séparation additionnelle des particules les plus légères d'avec le courant de gaz s'écoulant dans le troisième étage du générateur. Comme dans le premier étage de séparation, ces particules plus légères sont dirigées vers l'enveloppe interne du séparateur et la quantité de mouvement des particules les transporte sur la paroi extérieure du séparateur.La phase finale de séparation est obtenue par une rapide contraction du courant de gaz sans imprimer une séparation d'écoulement d'avec les particules d'impuretés. Cela est également obtenu par une conception à géométrie optimisée de l'organe générateur qui fait rapidement contracter l'air propre et le fait décharger dans une extrémité opposée de sortie de l'enveloppe sans provoquer de séparation d'écoulement. Les particules d'impuretés se déchargent dans un passage communiquant avec la paroi d'enveloppe près de l'extrémité opposée de sortie. Le principal objet de cette invention est de -fournir un dispositif pour séparer les particules d'impuretés d'un courant de gaz s'écoulant axialement à vitesse relativement élevée. Un autre objet de cette invention est de séparer les particules d'impuretés d'un courant de gaz en agissant sur la quantité de mouvement des particules d'impuretés sans provoquer de séparation d'écoulement, au lieu d'utiliser la force centrifuge comme le nécessitent les dispositifs de la technique antérieure. Un autre objet de l'invention est également de fournir un moyen pour séparer les particules d'impuretés d'un courant de gaz en faisant naître un vecteur de vitesse tangentiel aussi bien que radial sur la vitesse d'entrée axiale des particules d'impuretés par l'utilisation d'un générateur séparateur à géométrie optimisée. Un objet de l'invention est aussi de réaliser la séparation de particules d'impuretés mentionnée ci-dessus avec un rendement élevé et une faible chute de pression dans le gaz s'écoulant axialement. Un objet de l'invention est encore de réaliser la séparation cidessus en optimisant les relations géométriques entre les composante du dispositif. Les objets et avantages précédents de l'invention, ainsi que d'autres, apparattront plus complètement dans la description détaillée qui suit, prise en méme temps que le dessin joint où l'on a illustré une réalisation de l'invention à titre d'exemple. Il faut toutefois bien comprendre que ce dessin n'est donné qutà des fins d'illustration et qu'il ne doit pas être considéré comme définissant les limites de lin- vention. La fig 1 est une vue de côté, en coupe, montrant les composants de structure de l'invention et les relations géométriques entre eux. La fig 2 est une vue en bout, prise du c8té droit de la fig 19 montrant l'organe générateur aménagé conformément à l'invention. La fig 3 est une vue en coupe prise le long de la ligne 3-3 de la fig 2, montrant une relation angulaire prédéterminée entre les ailettes et l'axe de l'organe générateur. Sur la fig 1, le dispositif séparateur comprend une enveloppe creuse désignée dans son ensemble par le nombre de référence 2. Cette enveloppe 2 comprend une section d'entrée conique 4 avec une extrémité d'entrée ou nez 6 pour recevoir un courant de gaz I s'écoulant axialement à vitesse relativement élevée. L'enveloppe 2 comprend aussi une section centrale annulaire 8 et un chapeau annulaire ou section de sortie 12. La section de sortie 12 comporte un canal annulaire 16 disposé axialement, dans lequel un gaz G relativement propre s'écoule à l'exté- rieur du dispositif. Elle comporte aussi un canal annulaire 18 disposé perpendiculairement et communiquant avec la paroi 12a de la section de sortie 12, à travers lequel les particules d'impuretés C s'écoulent à l'extérieur du dispositif d'une manière et pour les raisons que l'on expliquera plus loin. Le canal 18 comporte une buse d'étranglement 20 pour régler l'-écoulement comme cela est bien connu dans cette technique. Un organe générateur 22 est disposé axialement à l'intérieur de la section d'entrée 4 et d'une portion de la section centrale 8 adjacente à la section d'entrée 4. L'organe générateur 22 comprend un corps 24 dont la géométrie est optimisée d'un premier diamètre à son extrémiste avant 26 à un deuxième diamètre plus grand à son extrémité arrière 28 pour commander la vitesse et la quantité de mouvement des particules d'impuretés qui passent sur le séparateur générateur. De mime, l'extr & mité arrière 30 de l'organe générateur 22 est géométriquement optimisée pour commander la vitesse du gaz passant dans le séparateur avant de sor- tir de l'enveloppe par le banal 16. On a attaché au corps de générateur 24, à un enplacement prédeter- miné entre les diamètres 26 et 28 une couronne annulaire 32. Celle-ct est convenablement fixée dans une rainure 36 ménagée dans les extrémités adjacentes de la section d'enveloppe d'entrée 4 et de la section#d'en- veloppe centrale 8. Dans cette mesure, l'organe générateur 22 et la couronne 32 peuvent être une pièce unitaire coulée ou usinée ou peuvent être des pièces séparées fiséess l'une à l'autre, comme les personnes compétentes en la matière le comprendront.De même, bien que la section d'enveloppe d'entrée 4, la section d'enveloppe centrale 8 et--la section d'enveloppe de sortie aient été illustrées comme des pièces séparées, l'enveloppe 2 peut être constituée par une pièce unique ou plusieurs pièces de moulage ou d'usinage pour convenir au mieux à la fabrication, cette réalisation n'étant pas une caractéristique de grande importance de l'invention en cours de description. En se référant maintenant à la fig 2, on voit les détails constructifs de la couronne annulaire 32 mentionnée plus haut. La couronne annulaire 32 a une pluralité d'ailettes 34 montées sur celle-ci et disposées à égale distance circonférentiellement autour du corps de générateur 24. Comme le montre la fig 3, ces ailettes 34 sont placées à un angle D par rapport à l'axe de la couronne 32 et du corps de générateur 24. L'angle D est géométriquement optimisé pour obtenir les changements de vitesse tangentielle voulus dans l'écoulement des particules d'impuretés afin de maximiser la séparation des particules d'impuretés d'avec le courant de gaz, comme cela deviendra évident dans la description suivante du fonctionnement du dispositif. Il faut comprendre que les composants décrits de l'invention peuvent être fabriqués en tout matériau convenable, métallique ou non métallique, matériau qui dépend du milieu auquel le dispositif est destiné, c'est-àdire du fait que le gaz en cause soit corrosif ou non corrosif, ainsi que de la température et de la pression du système dans lequel l'invention est utilisée. A des fins d'explication, on peut indiquer que la séparation des particules d'impuretés du courant de gaz se produit pendant quatre phases distinctes que l'on va décrire, tandis que le gaz entre dans l'enveloppe du séparateur, la traverse et la quitte. Dans la première phase, les particules d'impuretés acquièrent un vecteur de vitesse radiale sur la vitesse axiale d'entrée. Cela commence à séparer les particules d'impuretés des particules de gaz. La deuxième phase permet aux particules d'ir#- puretés d'acquérir une petite composante tangentielle de vitesse et aussi augmente beaucoup la composante de vitesse radiale acquise pendant la première phase.La troisième phase agit comme la première phase et permet aux particules d'impuretés plus légères d'acquérir un vecteur de vitesse radiale sur le vecteur de vitesse axiale et de se séparer du gaz sans produire une séparation d'écoulement des particules d'impuretés plus lourdes. La phase finale ou quatrième phase permet au gaz propre d'être complètement séparé des particules d'impuretés et de sortir par le canal de sortie 16. En fonctionnement, un courant de gaz impur I, à vitesse relativement élevée, entre dans l'enveloppe 2 par la section d'entrée 4, comme l'indiquent les flèches de la fig 1. Dans cette première phase de séparation, le courant de gaz est rapidement ralenti, et les particules d'impuretés les plus lourdes heurtent le corps générateur 24; la quanti té de mouvement de ces particules plus lourdes fait que le choc renvoie ces particules vers l'autre paroi 4A de la section d'entrée. De plus, les particules les plus légères peuvent entrer en collision soit avec le corps de générateur 24 soit avec d'autres particules plus lourdes ren ~vouées, pour être également du fait de leur quantité de mouvement, ben- voyées vers la paroi extérieure 4A de l'enveloppe.La collision de ces particules avec la surface géométriquement optimisée du corps de généra teur 24 fait acquérir aux particules une composante de vitesse radiale qui est perpendiculaire à leur vitesse axiale d1 origine d'entrée dans le dispositif séparateur. Lorsque le gaz entrant passe de la première phase à la deuxième phase de séparation, il traverse les ailettes 34, ce qui produit un change de quantité de mouvement. Les particules d'impuretés heurtent les ailettes et, par suite, leur composante de vitesse radiale est grande ment accrue du fait de la configuration géométrique des ailettes et de leur relation avec 11 écoulement de gaz dans le séparateur. De plus, une légère composante de vitesse tangentielle est donnée à l'écoulement de particules, ce qui force les particules plus lourdes à s'avancer vers la paroi 8A de la section centrale et amène les particules d'impuretés à se localiser contre cette paroi interne 8A de la section centrale.La composante de vitesse tangentielle fait prendre aux particules dtinpure- tés un léger mouvement circulaire lorsqu'elles passent le long de la pa roi interne 8A de la section centrale 8 sans provoquer de séparation d' écoulement. A la sortie de la phase deux, le gaz ralentit à nouveau légèrement à cause de la surface accrue de la coupe transversale qu'il doit tra verser en quittant les ailettes. En ce point, on constate une sépara tion supplénientaire à la suite de la collision avec la surface comprise entre les ailettes et le diamètre arrière 28 du générateur. Gomme dans la phase un, la surface de cette zone est géométriquement optimisée de sorte que les particules d'impuretés plus légères sont accélérées pour heurter la surface et acquérir une composante de vitesse radiale sur leur vitesse axiale, de sorte que les particules plus légères se dépla cent vers la paroi interne 8A de la section interne 8 et provoquent une séparation supplémentaire des particules d'impuretés d'avec 11 écoule- ment de gaz. L'étage final du séparateur à écoulement de gaz axial est défini par la zone du corps de générateur 24 qui se trouve à l'arrière du dia mètre 28 et par l'extrémité du corps de générateur. Cette portion du corps de générateur est également géométriquement optimisée pour permettre au courant de gaz de se contracter rapidement et de ralentir sans produire de séparation d'écoulement. Les particules d'impuretés qui conservent leur plus grande vitesse et qui ont été dirigées vers la paroi 8A gardent leur direction tandis que le courant de gaz relativement propre, qui a été contracté par l'effet géométrique de la portion 30 du corps de générateur, est dirigé vers le canal 16 et sort par celui-ci comme on le voit sur la fig 1. On peut voir dans la description précédente de l'invention que la séparation des particules d'impuretés d'avec le courant de gaz entrant est obtenue avec une grande efficacité et une faible chute de pression en optimisant les relations géométriques des composants du séparateur selon l'invention. C'est ainsi que pour provoquer la séparation des particules d'impuretés d'avec l'écoulement de gaz, les angles A et B du corps de générateur 24 de l'organe générateur 22, ont une grande importance. De manière similaire, l'angle E de la portion 30 du corps de générateur est important pour donner une rapide contraction du courant de gaz et diriger l'air propre dans le canal 16, comme on Ira indiqué. De même, l'an- gle d'ailette D, représenté sur la fig 3, est optimisé pour donner la composante de vitesse tangentielle convenable aux particules d'impuretés de manière à éliminer 11 effet des dispositifs de la technique antérieure où l'on générait une force centrifuge qui provoquait des effets abrasifs indésirables sur le générateur. Les relations entre les diamètres de l'enveloppe et du générateur sont optimisées pour ralentir ou accélérer l'écoulement de gaz afin d'assurer la commande de la quantité de mouvement des particules dtimpuretés. Bien qu'on ait illustré et décrit en détail une seule réalisation de l'invention, il faut bien comprendre que l'invention n'y est pas limitée. On peut apporter divers changements dans la conception et la disposition des parties composantes sans s'écarter de l'esprit et de la portée de l'invention telle qu'elle est maintenant compris. par les personnes compétentes en la matière. REVENDICATIONS 1 - Dispositif séparateur à écoulement axial pour séparer des particules dtimpuretés d'un courant de gaz s'écoulant à vitesse relativement élevée, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe tubulaire avec une section d'entrée à une extrémité, une section de sortie à l'extrémité opposée et une section centrale entre elles; un organe générateur monté coaxialement à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire pour coopérer avec celle-ci, cet organe générateur comportant des moyens pour définir un premier passage d'écoulement, qui imposent un vecteur de vitesse radiale à la vitesse axiale d'entrée relativement élevée des particules dtimpuretés, l'écoulement de gaz étant ralenti et les particules d'impuretés heurtant les moyens qgi définissent le premier passage d'écoulement1 de sorte que la quantité de mouvement des particules d'impuretés plus lourdes éloigne celles-ci de l'organe. générateur et les dirige vers l'enveloppe tubulaire; des moyens pour définir un deuxième passage d'écoulement disposés en aval des moyens pour définir un premier passage d'écoulement, ce deuxième passage d'écoulement comprenant des moyens qui accroissent sensiblement le vecteur de vitesse radiale imposé sur la vitesse axiale des particules d'impuretés par les moyens définissant le premier passage d'écoulement, et des moyens qui accélèrent cet écoulement de gaz et qui imposent un vecteur de vitesse tangentielle à la vitesse axiale et radiale des particules d'impuretés des moyens pour définir un troisième passage d'écoulement, disposés à caté des moyens définissant un deuxième passage d'écoulement, ce troi sième passage d'écoulement comprenant des moyens qui imposent un tee- teur de vitesse radiale aux particules d'impuretés, cet écoulement de gaz étant accéléré et les particules d'impuretés heurtant les moyens qui définissent ce troisième passage d'écoulements de sorte que la quantité de mouvement des particules d'impuretés plus légères éloigne ces particules d'impuretés plus légères et les dirige vers l'enveloppe tubulaire; des moyens définissant un quatrième passage d'écoulement, disposés en aval des moyens qui définissent le troisième passage d'écoulement, et comprenant des moyens. qui ralentissent l'écoulement de gaz sans protoquer de séparation d'écoulement entre les particules d'impuretés et le gaz relativement propre; tandis que la section de sortie de l'enveloppe tubulaire comprend en outre un canal disposé axialement s'étendant à partir de la portion de sortie et déchargeant le gaz relativement propre; et un canal disposé perpendiculairement, s'étendant à partir de la portion de sortie et communiquant avec la portion centrale de l'enveloppe tubulaire pour décharger les particules d'impuretés. 2 - Dispositif séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe générateur a une portion avant située dans la section d'e#ntrée et une portion arrière située dans la section centrale, la portion avant de l'organe générateur ayant un profil qui coopère avec le profil de la section d'entrée et qui va en croissant avec une inclinaison prédéterminée pour rapidement ralentir le courant de gaz, tandis que les particules d'impuretés plus lourdes sont dirigées vers la paroi de l'envelop- pe lorsqu'elles heurtent la portion avant de l'organe générateur et acquièrent ainsi un vecteur de vitesse radiale; une pluralité d'ailettes sont disposées autour de l'organe générateur devant sa portion arrière, à un angle prédéterminé par rapport à l'axe de l'organe générateur pour imposer un faible vecteur de vitesse tangentielle au courant de particules d'impuretés; la portion arrière de l'organe générateur a un profil qui ss'accroit selon une inclinaison prédéterminée relativement plus raide que celle de la portion avant de sorte que les particules d'impuretés plus légères heurtent cette portion arrière et acquièrent un vecteur de vitesse radiale qui dirige ces particules plus légères vers la paroi de l'enveloppe, la portion arrière de l'organe générateur se terminant en outre en un cône qui a un angle au sommet prédéterminé pour rapidement contracter ce courant de gaz sans provoquer de séparation d'écoulement entre le gaz relativement propre et les particules d'impuretés; et les canaux disposés axialement et perpendiculairement dans la section de sortie font saillie vers l'extérieur. 3 - Dispositif séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que: l'organe générateur a une première et une deuxième portion, la première portion étant formée par rapport à l'enveloppe pour rapidement ralentir le courant de gaz entrant tandis que la collision du courant de gaz avec la première portion impose un vecteur de vitesse radiale aux particules d'impuretés de sorte que celles-ci sont dirigées vers la paroi de l'enveloppe; une pluralité d'ailettes sont disposées circonférentiellement devant la deuxième portion de l'organe générateur et font un angle par rapport à l'axe du générateur pour imposer un vecteur de vitesse tangentielle aux particules d'impuretés du courant de gaz; la deuxième portion de l'organe générateur est formée gar rapport à lten- veloppe pour imposer encore une vitesse radiale aux particules d'impur tés de sorte que les particules d'impuretés les plus légères sont dirigées vers la paroi de l'enveloppe, cette deuxième portion ayant en outre des moyens qui définissent un passage d'écoulement contractant le courant de gaz; et l'extrémité opposée de l'enveloppe comprend un canal axial s'étendant vers l'extérieur, dans lequel le gaz relativement propre est déchargé et un canal perpendiculaire s'étendant vers l'extérieur et communiquant avec la paroi de l'enveloppe, dans lequel les particules d'impuretés sont déchargées. 4 - Dispositif séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe générateur comprend une pluralité d'ailettes disposées circonférentiellement pour imposer un vecteur de vitesse tangentielle aux particules d'impuretés traversant les ailettes; et l'organe générateur est formé par rapport à l'enveloppe pour rapidement ralentir le courant de gaz et pour imposer un vecteur de vitesse ra diale aux particules d'impuretés lors de leur collision avec l'organe générateur de sorte que les particules d'impuretés les plus lourdes sont dirigées vers la paroi de l'enveloppe avant que le courant de gaz ne traverse les ailettes, pour imposer aussi un vecteur de vitesse radiale aux particules d'impuretés les plus légères afin de les diriger vers la paroi de l'enveloppe et pour rapidement contracter le courant de gaz après son passage dans les ailettes. 5 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enveloppe comprend une section d'entrée profilée et une section de sortie annulaire; l'organe générateur comprend une première portion profilée en avant des ailettes, qui communique avec la section d'entrée profilée et dont le profil croît selon une inclinaison prédéterminée pour rapidement ralentir le courant de gaz et pour diriger les particules d'impuretés, lors de leur collision avec l'organe générateur, vers la paroi de l'enveloppe avant que le courant de gaz ne traverse les ailettes; ; 11 organe générateur comprend aussi une deuxième portion profilée au-delà des ailettes, cette portion étant profilée avec une inclinaison prédéterminée relativement plus raide que celle de la première portion pour diriger aussi les particules d'impuretés les plus légères vers la paroi interne de l'enveloppe après passage du courant de gaz dans les ailettes; et la deuxième portion profilée se termine en cône à angle au sommet prédéterminé pour rapidement contracter le courant de gaz. 6 - Dispositif séparateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ailettes -sont disposées selon un angle par rapport à l'axe de l'organe générateur pour imposer un vecteur de vitesse tangentielle au courant de gaz traversant les ailettes, ce vecteur de vitesse tangentielle dépendant de l'inclinaison prédéterminée de la portion profilée.