Brevet FR2462691A2 — publié le 19810213

FR 2462691 A2 19810213 FR 7919508 A 19790730 DISPOSITIFS DE COMPENSATION DES FORCES DE TRAINEE SUR LES ROTORS DE TJRBINES DEBITMETRIQUES A ROTOR DE COMPENSATION. La présente invention concerne un dispositif permettant la réduit ion des effets de la poussée axiale s'exerçant sur un organe tournant sollicité par un écoulement de fluide comme dans le cas des débitmétres à hélices du type à un seul rot or. Elle est plus particulièrement relative aux débitm êtres à doubles rotors faisant l'objet du brevet 7013988 du demandeur, mais elle peut s'appliquer à toute disposition similaire mettant en oeuvre deux rotors s'influençant mutuellement par couplage hydrodynamique. Dans la technique actuelle, il est habituel de réaliser des débitmitres à hélice dont la conception prévoie de compenser la force de trainée appliquée au rotor soumis à l'écoulement du fluide à mesurer par le moyen de butées mécaniques à pointes tournant dans des crapaudines pu plates s'appuyant sur une surface lisse réalisées dans des materiaux à faible coeffiF cient de frottement ou aussi par le moyen de roulements à billes. Ces dispositions qui ont l'avantage de la simplicité ou de l'Econo- mie présentent un inconvénient notoire qui est la présence de frottements mécaniques et visqueux relativement importants et variables qui s'opposent à la rotation libre de l'hélice. Cela provoque des erreurs de mesure quelquefois importantes dans la zone de fonctionnement normal et toujours dans la zone des faibles débits oW les frottements prennent une importance trés grande. Différents moyens ont été développés pour réduire cet effet, tels la réduction des surfaces de frottement en contact, la réalisation de pointes de pivots trés fines, le choix de materiaux à trés faible coefficient de frottement et dans certains cas l'adoption de dispositifs à contraction de veine pour developper des forces opposées à la trainée. Dans le cas du brevet de l'inventeur relatif à un débitmètre à deux rotors, la mesure précise du tourbillon provoqué par le premier rotor est rendue difficile du fait des frottements mécaniques auxquels est soumis le -tation deuxième rotor. Ceci ayant même pour effet un arrêt pur et simple de la rodudit rotor à certaines valeurs du débit. Pour remédier à ces difficultés, la solution proposée, qui fait l'objet de la présente invention, consiste, tout en conservant des moyens mécaniques de sustentation trés largement dimensionnés, rustiques et fiables, à rendre trés sensible et fidè3ele mouvement des organes en rotation, comme dans le cas d'un débitmttre à double rotor déja évoqué, par le moyen de dispositifs qui compensent les efforts sur les butées dus aux effets dynamiques de l'écoulement du fluide dont on veut mesurer le débit, ceci par l'effet de la vitesse propre du fluide. La description qui suit, au regard des dessins donnés à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre les particularités du dispositif selon l'invention qui améliore le fonctionnement d'un débitmétre à hélice à deux rotors à rotation libre comme celui décrit dans le brevet français 7013988 du demandeur, ou d'un débitmétre à deux hélices à pas contraires, de dispositifs similaires qui pourraient êtrr ainsi réalisés, et aussi dans le cas d'un débitmre à une seule hélice. Le dispositif selon l'invention réduisant également les inconvéniens évoqués dans les paragra- phes précédants. La figure 1 illustre le détail de réalisation du dispositif à rotor de compensation selon les dispositions prévues dans le brevet 7013988 et dans le brevet 7602712 déposés en Errance par le demandeur. La figure 2 illustre le détail de réalisation du débitmétre à hélice selon les brevets cités ci-dessus, avec à titre d'éxemple non limitas tif un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. La figure 3 illustre le moyen de transformer un débitmttre à deux rotors selon la figure 2 en un dbitmêtre à un seul rotor présentant les moites avantages. Le dispositif selon la figure 1 comprend dans un corps3,constitu ant une portion de conduite facilement adaptable, les éléments suivants: un premier support 4 et un deuxième support 5 formés d'un- moyeu central 4a et 5a maintenus dans l'axe de la conduite par des bras 4b et 5b dirigés ra- dialement, un axe 6 pourvu d'une tête 6a emmanchée dans l'alésage 4c du support 4. Dans le moyeu la du rotor 1 sont emmanchés deux bagues 7 et 8 qui tournent librement sur l'axe 6 forint ainsi des paliers lisses. Pour maintenir l'hélice 1 dans une position stable: des butées sont réalisées par l'intermédiaire des faces 7a et 8a des bagues 7 et 8 qui font légèrement saillie et qui viennent s'appuyer,selon les cas, sur la face 6b de la tette 6a ou 9a de la bague 9 fixée par une goupille 10 comme le montre la figure. Dans le moyen 2a du rotor 2 et dans l'axe de celui-ci est pratiqué /13 un alésage 2b dans lequel est emmanché un axe/ayant ses extrémités taillées en cone dont les extrémités 13a et 13b pivotent dans les cuvettes 14 et 15. Dans cette disposition , il est bien connu que des couples antagonistes hydrodynamiques et mécaniques vont s'opposer à la libre rotation des organes tournants, hélice et rotor, et perturber la mesure effectuée. Dans le cas de l'hélice, le terme principal correspond aux frotte- ment s visqueux sur les surfaces mouillées, ceci dès que la vitesse du fluide de a atteint une valeur suffisante pour réduire au second ordre l'effet des frottements mécaniques . Mais en même temps qu'un couple antagoniste visqueux est apparu, une force de trainée s'est développée qui pousse l'hélice sur sa butée d'autant plus fort que la vitesse du fluide est plus grande. Dans ces conditions, un couple mécanique antagoniste apparait qui augmente celui initial. Ce couple de trainée va évoluer en fonction de divers paralnêtres comme: les materiaux constitutifs,l'état de surface des faces en contact, l'état sec ou mouillé des dites surfaces, la viscosité du liquide, la vitesse du fluide, etc... Dans le cas du deuxième rotor, compte tenu de la conception du dipositif, les frottements visqueux ne provoquent plus qu'une composante de trainée, sans couple visqueux antagoniste. Dans ces conditions, seul le te zme de frottement mécanique intervient en fonction de la poussée due à la trainée, qui. varie fortement dans la zone de débit de l'appareil considéré. Pour des raisons de rusticitéet de solidité, le dimensionnement des pièces mécaniques illustré à la figure 1 a été largement calculé. Il s'en suit qu'au niveau du premier rotor (l'hélice) les couples mécaniques antagonistes sont loin d'être négligeables et plus particulière ment au niveau de la butée de grand diamètre. Dans ces conditions, le seuil de fonctionuement du premier rotor va ttre relativement enlevé et la plage d'utilisation de l'appareil réduite, bien que le deuxième rotor puissc compenser ce défaut. Dans le cas du deuxième rotor,le couple de trainée atteint rapidement une valeur telle que le couple moteur dA au tourbillon provoqué parle premier rotor est insuffisant pour le mettre en rotation. Pour s'afranchir de cesdéfauts et réduire l'évolution des couples de trainée par le fait des paramétres déja cités, diverses solutiops ont étE proposes qui ne donnent pas satisfaction ou qui ne sont pas applicablesau débitmêt re à hélice avec rotor de compensation. Le but de l'invention est de remédier à ces difficultés tout en artélorant la sensibilité des mesures effectuées par un débitmêtre à deux rotors. Pour cela, on pourra réaliser, par éxemple une disposition connue illustré par la figure 2 donnée à titre indicatif non limitatif, qui consiste à créer des surpressions et des dépressions sur les faces des moyeux des organes tournants afin de créer des forces s'opposant aux forces de trainée. Dans ce mode de réalisation, le support 5 porte un renflement 5c à l'aplomb de la face 5d. Ce renflement ayant pour but de créer une surpre ssion de forme mathématique k # V en utilisant la "pression d'arret" sur la face frontale du renflement 5c. Cette surpression s'éxerçant sur la section 2c va développer une force qui compensera l'effort en sens inverse dh à la trainée, qui est elle-mEme de la forme K r v V2 puisqu'en général l'écoule- ment est turbulent. Les dimensions géométriques des éléments sont définis pour que cet te compensation soit pratiquement éxacte pour une viscosité donnée et pour une gamme de viscosité d'autant plus grande que ce terme intervient à la puissance I/4 sur la trainée. Sans sortir du cadre de l'invention et pour améliorer le fonctionnement du dispositif, un deuxième renflement lic pourra être placé au nive- eau de la face ilb qui provoquera un effet de dépression sur la face 2d qui développera une force s'ajoutant à celle s1 exerçant sur la face 2c. De mème et pour parfaire les conditions de fonctionnement du système à double rotor et pour améliorer la proportionnalité avec le débit mesuré du tourbillon provoqué par le premier rotor et donc la proportionnalité avec le débit de la vitesse de rotation du deuxième rotor, on pour ra aussi, sans sottir du cadre de l'invention, placer au niveau des faces liaet4e des renflements 11d et 4d de même type que ci-dessus qui auront des effets similaires et réduiront le couple de trainée sur la butée 9a du premier rotor. Sans sortir du cadre de l'invention, les renflements 5c, lic, 11d, 45 pourront avoir des formes aérodynamiques diverses, titre combinés en une seule pièce comme pour ild et lic, être munis de fentes droites ou obliques ou de trous droits ou cbliques, ou mbeme être constituées de materiaux souples pouvant se déformer sous l'effet de liécoulement; ceci afin de répondre au mieux aux différentes conditions d'exploitation qui pourraient être imposées par les utilisateurs, ou pour corriger divers paramêtres d'influence. Dans le brevet d'addition françqis 76C2712, il est précisé que le mode de réalisation da débitmêtre à hélice avec rotor de compensation peut être transformé à tout moment en débitmêtre à un seul rotor et inversement. Il en est Re méme dans le cas présent et l'on ne sortirait pas du cadre de 'invention si l'çn remplaçait,comme l'illustre la figure 3, la bague 11 de la figure 2 par une ogive lie avec un renflementlld et en omettant de mettre en place le deuxième rotor et son support aval, quitte à le rcettre en place par ?a suite si cela s'avérait nécessaire pour un emploi différent de l'appareil. REVENDICATIONS IO/ Système de mesure débitmétrique comprenant une première hélice et un deuxième rotor, pouvant lui-meme être une deuxième hélice, l'un et l'autre libres de rotation, supportés coaxialement dans une conduite par deux supports amont et aval et séparés par une bague, le diamêtre de la partie centrale des supports et de la bague étant identique à celui des deux rote ors libres de rotation.Ces organes étant disposés de telle façon que l'hé /rot or lice effectue la mesure du débit et le deuxième la mesure du glissement de l'hélice par rapport à la vitesse théorique à laquelle elle devrait tourner Système caractérisé par le fait que des surpressions et dépressions sont créées sur les faces des moyeux des organes tournants qui permettent de développer des forces s'opposant aux forces hydrodynamiques s'exerçant sur les dits organes tournants et réduire ainsi les couples antagonistes de frottementqui freinent la rotation libre des dits organes par le moyen de renflements disposés sur la partie centrale des s'apports amont et aval et sur la bague intercalaire. Ces renflements étant montés ou non selon les besoins. 20/ Système selon la revendication 1 caractérisée par le fait qu'un renflement est disposé sur le support aval supportant le deuxième rotor qui par l'effet de la pression dynamique du fluide en mouvement provoque une surpression sur la face avale du moyeu du dit rotor et par ce moyen met en action une force qui s'oppose à la force de trainée s'exerçant sur le dit rotor. 30/ Système selon la revendication 1 caractérisée par le fait qu'un renflement est disposé sur la bague, séparant le premier rotor du deuxième, de façon à créer par l'effet dynamique du fluide en mouvement une dépression sur la face amont du deuxième rotor et par de moyen développer une force qui s'oppose à la force de trainée s'exerçant sur le dit rotor. 40/ SYstème selon les revendications 1-2-3 caractérisé par le fait que des renflements disposés sur la bague séparant les deux rotors et sur le moyeu du support aval supportant le deuxième rotor créent chacune sur les faces du dit deuxième rotor des forces qui s'ajoutent et s'opposent à la force de trainée hydrodynamique appliquée sur le deuxième rotor. 5 / Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un renflement est disposé sur la bague séparant les rotors qui provoque une surpres- sion sur la face aval du moyeu de l'hélice et crée ainsi une force s'opposant à la force de trainée qui s'éxerce sur l'hélice. 60/ Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait que sur le support amont portant le premier rotor un renflement est disposé qui par l'effet hydrodynamique va provoquer une dépression sur la face amont du moyeu du dit rotor et créer ainsi une force s'opposant à la force de trainée qui s'exerce sur lui. 70/ Système selon les revendications 1/5/6 caractérisé par le fait que des renflements sont disposés sur la bague intercalaire et sur le moyeu du support amont pour créer des forces qui s'opposent aux forces de trainées s'exerçant sur le premier rotor. 80/ Système selon les revendications 1/3/6 caractérisé par le fait que les renflements prévus sont combinés en une seule pièce. 90/ Système selon l'une quelconque des revendications 2/3/5/6 caractérisé f sds par le fait que lesi ren s renflements sont combinés partiellement ou totalement par suppression de l'un ou l'autre renflement ou sa réduction. 10-/ Système selon l'une quelconque des revendications 2/3/5/6 caractérisé par le fait que des fentes ou des trous droits ou obliques sont ménagés à la périphérie des divers renflements. 11-/ Système selon les revendications 1/3/5 caractérisé par le fait qutil est possible de supprimer le deuxième rotor et son support aval et remplacer la bague intercalaire par une ogive portant elle he un renflement comme décrit ci-dessus.