Brevet FR2462577A1 — publié le 19810213

Dans le brevet français nO 76 35439 déposé le 16 Novem- bre 1976 par le Demandeur, on a décrit une turbine tournant à des vitesses de l'ordre de 3000 tours par minute par exemple et apte à entraîner des outils, tels que brosses ou autres, desti- nés notamment à des travaux sous-marins. Cette turbine peut être actionnée par une motopompe fournissant de l'eau sous une pression de quelques bars avec un débit de l'ordre d'une à plusieurs dizaines de m3 à l'heure et permet de réaliser des appareils portables. Suivant ledit brevet, la turbine comporte un distribu- teur se présentant sous la forme d'un canal sans aubages qui communique, avec les aubes d'un rotor à quatre aubes, au moyen d'injecteurs constitués par des fentes formées entre des portions de couronne circulaire du stator, en nombre double de celui des aubes, l'eau s'échappant axialement au centre de la chambre ro- torique. Les travaux ultérieurs du Demandeur lui ont permis de découvrir qu'une telle turbine ne fonctionne correctement et avec un rendement satisfaisant que si un certain nombre de con- ditions de forme et de dimensions sont respectées. En conséquence, la turbine suivant l'invention est prin- cipalement caractérisée en ce que les aubes ont un profil en arc de cercle, que les portions de la couronne statorique qui défi- nissent les injecteurs ont chacune une face terminale plane sen- siblement inclinée à 450 sur le rayon correspondant de la portion de couronne considérée et, pour un premier injecteur, formant un angle sensiblement égal à 1350 avec le plan tangent à la surface extérieure de l'aube correspondante, lorsque celle-ci occupe une position dans laquelle une aube voisine est sur le point de venir coopérer avec l'injecteur considéré. Suivant une autre particularité de l'invention, dans ladite position d'une aube, elle coopère avec un second injec- teur dont la face terminale plane fait un angle sensiblement égal à 1200 avec le plan tangent à la surface extérieure de la- dite aube et la différence d'inclinaison des deux jets consécu- tifs agissant sur la même aube est constamment sensiblement égale à 150. Une autre particularité de l'invention est que le rap- port entre le rayon extérieur desdits arcs de cercle et le rayon intérieur de ladite couronne statorique est sensiblement égal à 3/4. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la descrip- tion ci-après. Au dessin annexé La figure 1 est une vue en élévation et en coupe, à échelle réduite, d'une turbine conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention; La figure 2 est une vue en coupe par un plan perpendi- culaire à l'axe du rotor, le rotor étant enlevé; La figure 3 est une vue schématique du rotor, montrant les aubes; et La figure 4 est un schéma destiné à montrer la disposi- tion des aubes et de la couronne d'injection. Le stator de la turbine représentée au dessin est com- posé d'un corps principal 1 fermé par un flasque 2 fixé au corps 1 à sa périphérie au moyen de vis 20. Comme on le voit à la figure 2, le corps 1 forme un canal 3 fermé par le flasque 2 et muni en 30 d'un orifice d'ad- mission de l'eau et une chambre cylindrique plate 4 qui reçoit le rotor 5, dont l'arbre 6 traverse axialement un orifice cir- culaire 7 ménagé au fond de la chambre 4 et tourillonne dans cet orifice. La face opposée du rotor comporte un axe creux 8 qui tourillonne dans un palier 9 formé par la partie centrale du flasque 2 et fileté extérieurement. Le palier 9 est lui-même coiffé d'une bague de retenue 10 destinée au raccordement d'un conduit coudé Il orientable dans toutes les directions et muni d'une tuyère 12. La paroi extérieure circulaire de la chambre 4 est constituée, dans le mode d'exécution préféré décrit, de huit portions 41 à 48, solidaires du corps 1. Le flasque 2 est fixé sur le corps 1, au moyen de vis 13 et 20. Ces portions, qui couvrent chacune un angle égal à 450, sont séparées entre elles par des fentes 410-420-430-440-450-460-470 et 480, fermées en haut par le flasque 2 et constituant des injecteurs de l'eau depuis le canal 3 vers la chambre 4. Chaque injecteur est déli- mité par une surface plane, telle que 441 de la portion 45 (figure 4) inclinée à 450 sur le rayon rotorique correspondant et par une surface cylindrique 442 qui se raccorde avec les surfaces cylindriques intérieure et extérieure d'une des por- tions (44). Le profil développé du canal 3 dans un plan perpendi- culaire à l'axe du rotor a la forme générale d'un trapèze iso- cèle dont la grande base correspond à l'orifice 30 et dont la petite base est au niveau de l'injecteur 480. Les côtés allongés de ce trapèze font un angle d'environ 870 avec sa grande base. Dans sa partie qui communique avec la chambre centrale, le canal 3 a une section droite (figure 1) comportant deux chanfreins 31- 32 inclinés à 300. Le rotor (figures 1, 3 et 4) est formé de deux disques 51,52 ayant un diamètre sensiblement égal à celui de la chambre 4 (un jeu de 1 % entre le diamètre du rotor et celui de la cham- bre statorique est avantageusement prévu) et entre lesquels sont prévues quatre aubes 53 à 56, le disque inférieur 52 n'étant muni d'aucun orifice, tandis que le disque supérieur 51 est muni de l'orifice de base de l'arbre creux 8; autrement dit, l'eau qui pénètre par un injecteur I, (figure 4) travaille dans une cham- bre limitée, côté arrivée, par deux portions cylindriques de pa- roi de la chambre 4 du stator et par deux aubes et, côté sortie, débouchant entre les extrémités des deux aubes, au voisinage de l'orifice de l'arbre 8, par lequel elle s'échappe. La figure 4 montre que, le rotor étant positionné comme l'illustre cette figure, pour un rayon R du rotor de centre 0, de 59,5 cm, on déterminera le centre 0' de l'aube 56, de 41,5 cm de rayon intérieur et 45 mm de rayon extérieur, en traçant un trian- gle rectangle O HO' avec OH = 19 mm et HO' = 5 mm, ce qui cor- respond à 00' = 19 mm 65. Plus généralement, les quatre centres des arcs de cer- cle qui constituent les aubes seront de préférence situés sur une circonférence de centre O et de rayon 0,33 R. Ces quatre centres sont évidemment situés sur deux axes orthogonaux. On a considéré, à la figure 4, une position du rotor o une extrémité A de l'aube 56 vient affleurer le bord inférieur de l'orifice de sortie d'un injecteur (plus précisément, dans laquelle l'arc de cercle intérieur de l'aube se raccorde avec la paroi statorique au point o celle-ci est coupée par la droite OHI3. L'autre extrémité B de l'aube 56 se trouve alors sur un rayon O'B, tel que l'angle au centre soit sensiblement de 1400. De préférence, l'extrémité correspondant à A est une por- tion de surface circulaire parallèle à la surface statorique en 4 2462577 regard, le jeu entre ces deux surfaces étant d'environ 1% du diamètre du rotor. Le rayon de la surface cylindrique (telle que 442) de- chaque injecteur est avantageusement de 25 mm. Suivant une particularité essentielle du dispositif dé- crit, dans la position rotorique représentée à la figure 4 (o la paroi intérieure de l'extrémité extérieure de chaque aube se raccorde à la surface intérieure de la chambre au niveau d'un in- jecteur sur deux), les directions I1 T1 et I2 T2, parallèles aux parois planes des injecteurs, (c'est-à-dire, inclinées à 450 sur OI1 et OI21 I1 et I2 étant les centres des fenêtres rectangulai- res, de 10 mm de long et 2mm de large dans l'exemple décrit, par lesquelles les injecteurs débouchent dans la chambre (4)) sont respectivement inclinées à 1350 et 1200 sur les tangentes à V'- aube en T1 et T2 (il s'agit de demi-tangentes T1 x1 et T2 x2 dirigées de la droite vers la gauche). Pour faire fonctionner la turbine qui vient d'être dé- crite, on injecte de l'eau sous pression (de 0,3 à 10 bars et de préférence de l'ordre de 3 à 5 bars par exemple) par l'orifice 30' (auquel est raccordée une motopompe). L'eau pénètre dans chaque c.hambre de travail par deux injecteurs, respectivement dans les directions Il T1 et I2 T2. Les forces correspondantes d'impact sur chaque aube ont, dans la position du rotor représentée à la figure 4, des composantes tangentielles respectivement dirigées comme T1 =c et T2 X2. Il en résulte un couple par rapport au centre O et le rotor est entraîné en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre. On notera que, par suite de cette rotation, l'aube 56 va immédiatement cesser de recevoir l'impact de l'eau éjectée en Il, tandis qu'elle va continuer de recevoir l'impact de l'eau in- jectée en I2 et commencer à recevoir l'impact de l'eau injectée en I31 jusqu'àace que I2 T2 fasse à son tour un angle de 135 avec T1 Jr 1. En même temps, l'aube 53 va commencer à recevoir le jet injecté en Il, sensiblement sous un angle de 1200 avec la tangente. Autrement dit, les angles de 1200 et de 1350 consti- tuent sensiblement les valeurs minimale et maximale de l'angle variable que fait chacun des deux jets d'eau injectés sur chaque aube avec la tangente à l'aube. En outre, la différence d'incli- naison des jeux est constamment égale à 150. Les essais effectués par le Demandeur ont montré que le rendement de la turbine décroît rapidement lorsque l'angle maxi- mum Il T1 i q s'écarte de la valeur critique de 1350. Lorsque ledit angle passe par exemple de 1350 à 1450, le rendement peut diminuer de 30%, tandis qu'il diminue de 40% si l'angle passe de 135 à 125 . En dehors de ces limites, on peut considérer que la turbine n'est plus apte à fonctionner en pratique, le rotor pou- vant se bloquer. On fera observer que le jet d'eau injecté en I1 dans la position de la figure 4 se divise, après l'impact sur l'aube, en une portion qui s'échappe directement et rapidement vers la sortie de la chambre et une portion qui se trouve, en quelque sorte, coincée dans la partie étroite de la chambre; elle tour- billonne sur place et risque de provoquer un ralentissement ex- cessif du rotor si elle représente une proportion trop importante du jet, ce qui est le cas lorsque l'angle maximum dépasse sensi- blement 1350. Dans le cas o, au contraire, l'angle maximum est sensiblement inférieur à 1350, d'une part la composante tangen- tielle de la force d'impact du jet diminue, d'autre part, la proportion du jet qui s'échappe directement vers la sortie croit, si bien que le rendement tombe très rapidement. En pratique, l'on s'en tiendra à la valeur de 1350, l'écart devant rester in- férieur à 5 . Les essais ont également montré que la valeur de l'an- gle minimal d'impact en I2 est critique (ne devant pas s'écarter de la valeur de 1200 de plus de 100 et, de préférence, de 50). Lorsque l'angle minimum s'écarte des valeurs indiquées, on retrou- ve les mêmes phénomènes que lorsqu'on s'écarte de la valeur op- timale de l'angle maximum. De préférence, la différence entre les deux angles ex- trêmes ne doit d'ailleurs pas sensiblement s'écarter de plus d'- un degré de la valeur critique de 150. Les valeurs angulaires mentionnées ci-dessus et qui cons- tituent une particularité essentielle de l'invention devront res- ter les mêmes si la turbine a des dimensions différentes de celles mentionnées, ou travaille à des pressions différentes. La structure de la turbine est finalement principale- ment caractérisée par le nombre des aubes (qui sera toujours égal à quatre), le nombre et la disposition des injecteurs (huit injec- teurs ayant une surface telle que la direction principale du jet soit sensiblement inclinée à 450 sur le rayon correspondant du stator et sensiblement positionnés à 450 les uns des autres), la forme en arc de cercle des aubes et lesdites valeurs angu- laires, dont la principale est constituée par la valeur de 1350 définie ci-dessus. Toutefois, d'autres caractéristiques se sont avérées importantes. La principale de ces caractéristiques supplémentaires est le rapport entre le rayon extérieur des aubes et le rayon du rotor, rapport sensiblement égal à 3/4 dans le mode d'exécution préféré décrit. On fera observer que, de ce rapport, dépend la forme plus ou moins évasée de chacune des chambres de travail de l'eau. L'échappement optimal de l'eau est en outre lié à la va- leur (140') de l'angl.e B'A5. Toutes les dimensions indiquées dans l'exemple décrit sont évidemment valables à une homothétie près. Il convient ici de noter que le rapport des rayons men- tionné ci-dessus détermine pratiquement la position du centre O' lorsque l'on s'est fixé le rayon du rotor et les valeurs des angles maximum et minimum I 1T1>_1 et 12 T2."2- En effet, il s'agit alors de tracer un arc de cercle (56, figure 4) de rayon donné, qui passe par le point connu I3 et coupe les demi-droites de positions connues I1 T j et I2 T2 en deux points respectifs T1 et T2 tels que l'angle T1 O'T1 fasse 300 et que la tangente T1 xi à ce cercle soit perpendiculaire à 1 il, Une autre caractéristique supplémentaire est la pré- sence d'un jeu, de préférence de l'ordre de 1% du diamètre du rotor, entre celui-ci et la chambre statorique 4. Ce jeu permet un certain passage de l'eau entre les chambres de travail et l'on constate que le rendement décroît si on le réduit ou si on l'aug- mente par rapport à la valeur indiquée. Un jeu, de préférence sensiblement égal à 3% de la hauteur de la chambre statorique, est également prévu entre celle-ci et les surfaces opposées des disques 51 et 52. Ce jeu, qui n'est pas montré à la figure 1, per- met l'équilibre axial du rotor et évite des coincements qui nui- raient en particulier au rendement. Une autre caractéristique supplémentaire est la valeur, de préférence égale à 870, de l'angle défini ci-dessus pour le canal 3. Les parois latérales de ce canal sont ainsi inclinées de 30 sur la direction médiane du flux d'eau admis dans la tur- bine. Il en résulte un bon écoulement de l'eau le long des pa- 7 2462577 rois du canal et la réduction progressive de la quantité d'eau admise par les injecteurs successifs, ce qui est finalement fa- vorable au bon fonctionnement. Une autre caractéristique supplémentaire réside dans la valeur, de préférence égale à 300 comme indiqué ci-dessus, de l'angle formé par les chanfreins 31, 32 (figure 1) avec les pa- rois inférieure et supérieure du canal 3, du côté du rotor: on a constaté que ces chanfreins facilitent le glissement de V'- eau et facilitent également l'équilibrage axial du rotor. Une dernière caractéristique est constituée par la valeur préférentielle minimum du rapport entre la surface du jet de propulsion (c'est-à-dire de la section interne de l'extrémité de la tuyère 12, figure 1) et la surface totale des huit fenêtres d'admission de l'eau dans la chambre statorique 4. On a indiqué ci-dessus que chacune de ces fenêtres avait, dans le mode d'exé- cution décrit, 10 mm x 2 mm, ce qui donne une surface de 160 mm2 pour l'ensemble. Il a été constaté que ladite section interne devait de préférence avoir une section minimale de 180% de cette valeur, soit au moins 288 m2. Dans l'exemple décrit, il s'agit d'un cercle de 20 mm de diamètre. Si cette condition n'est pas respectée, la contre-pression due à l'échappement du jet d'eau par la tuyère freine le rotor de la turbine. On notera que, lorsque l'on ne désire pas utiliser un effet de propulsion dans l'eau de l'ensemble constitué par la turbine et par les outils qui lui sont associés, effet fourni par le jet qui s'échappe de la tuyère, le conduit coudé Il et la tuyère 12 peuvent être supprimés, l'échappement de l'eau étant alors libre. La turbine décrite peut être fabriquée à des coûts réduits en utilisant des matières plastiques moulées. Il va de soi que diverses modifications de forme et de dimensions pour- ront lui être apportées, sans toutefois s'écarter notablement des limites imposées par les conditions fixées ci-dessus, qui sont essentielles à son bon fonctionnement avec un rendement acceptable. REVENDICATIONS 1. Turbine hydraulique comportant un distributeur se présentant sous la forme d'un canal sans aubages qui communique, avec les aubages mobiles d'un rotor à quatre aubes, au moyen d'- injecteurs constitués par des fentes formées entre des portions de couronne circulaire, en nombre double de celui des aubes, l'- eau s'échappant axialement au centre de la chambre rotorique, caractérisée en ce que les aubes ont un profil en arc de cercle, que les portions de la couronne statorique qui définissent les injecteurs ont chacune une face terminale plane sensiblement in- clinée à 45 sur le rayon correspondant de la portion de couron- ne considérée et, pour un premier injecteur, formant un angle sensiblement égal à 1350 avec le plan tangent à la surface exté- rieure de l'aube correspondante, lorsque celle-ci occupe une position dans laquelle une aube voisine est sur le point de venir coopérer avec l'injecteur considéré. 2. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans ladite position d'une aube, elle coopère avec un second injecteur dont la face terminale plane fait un angle sen- siblement égal à 1200 avec le plan tangent à la surface exté- rieure de ladite aube. 3. Turbine selon la revendication 2, caractérisée en ce que la différence d'inclinaison entre deux jets consécutifs agis- sant sur la même aube est constamment sensiblement égale à 15 . 4. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, le rapport entre le rayon extérieur desdits arcs de cercle et le rayon du rotor est sensiblement égal à 3/4. 5. Turbine selon l'une des revendications 1 à 4, caracté- risée en ce que lesdits arcs de cercle ont leurs quatre centres situés sur un cercle ayant pour centre le centre du rotor et pour rayon 0,33 fois ledit rayon intérieur de la couronne statorique. 6. Turbine selon l'une des revendications 1 à 5, caracté- risée en ce que, le rotor comportant deux disques de diamètre légèrement inférieur à celui de la chambre statorique centrale, entre lesquels sont fixées les quatre aubes, disposées de manière à former quatre chambres de travail de l'eau ouvertes chacune à une extrémité au voisinage d'un orifice axial d'échappement, dans ladite position d'une aube, la distance de ladite extrémité voi- sine de l'orifice d'échappement au diamètre du rotor perpendicu- 9 246.2577 laire à celui qui passe par le centre dudit premier injecteur, est d'environ 12 mm pour un rayon intérieur de la couronne statorique égal à 59,5 cm. 7. Turbine selon l'une des revendications 1 à 6, carac- térisée par un jeu, de l'ordre de 1% du diamètre du rotor, entre celui-ci et la chambre statorique qui le reçoit. 8. Turbine selon la revendication 6 ou 7, caractérisée par un jeu de l'ordre de 3% de la hauteur de la chambre stato- rique, entre celle-ci et les surfaces correspondantes desdits disques. 9. Turbine selon l'une des revendications 1 à 8, carac- térisée en ce que le profil développé dudit canal statorique dans un plan perpendiculaire à l'axe du rotor à la forme géné- rale d'un trapèze isocèle dont la grande base correspond à l'- orifice d'entrée de l'eau et dont les côtés allongés font un angle sensiblement égal à 870 avec la grande base. 10. Turbine selon les revendications 1 à 9, caractérisée en ce que, dans sa partie qui communique avec la chambre stato- rique par les injecteurs, ledit canal a une s.ection droite com- portant deux chanfreins sensiblement inclinés à 300 sur le plan des bases de ladite chambre. 11. Turbine selon l'une des revendications 1 à 10, carac- térisée par un conduit coudé, orientable dans toutes les direc- tions et muni d'une tuyère raccordée à l'orifice axial d'échap- pement de-l'eau. 12. Turbine selon la revendication 11, caractérisée en ce que la surface de la -section droite interne de l'extrémité de la tuyère est au moins égale à 1,8 fois la surface totale des huit fenêtres d'admission de l'eau dans la chambre statorique définies par les injecteurs.