Brevet FR2480365A1 — publié le 19811016

i POMPE A CANAL LATERAL La présente invention concerne une pompe à canal latéral, comprenant un corps de pompe comportant un arbre Fui y est logé de façon étanche et sur lequel est fixée une roue ainsi qu'un canal d'écoulement partant d'un orifice d'aspira- tion pratiqué dans le corps de pompe et conduisant, par l'in- termédiaire d'au moins un canal latéral réalisé à l'intérieur du corps de pompe et d'éléments d'ailettes correspondantes de la roue, & un orifice de sortie pratiqué dans le corps de pom- pe" Sur une '--ompe centrifuge ce ce genre, on en:ratne presque sur un tour complet le fluide à refouler qui pénétre, par l'orifice d'aspiration, à l'intérieur des éléments d2ai,, lettes de la roue rotative et dans le canal latéral de sorte que grace à la force centrifuge, on crée un flux de circula- tion entre les éléments de la roue et le canal latéral. Il se produit ainsi une transmission d'énergie par échange de la force impulsive du flux de circulation à niveau énergétique élevé vers le flux volumique à niveau énergétique plus faible. Sur les pompes à canal latéral jusqu'ici connus, les éléments d'ailettes de la roue, qui revtrent une importance particulière pour la transmission d'énergie, ont toujours la meme longueur et, partant la mime section du canal latéral à l'exception de variations nécessaires à l'écoulement qui sont limitées à la zone d'aspiration et de sortie de la pompe. Ces réalisations connues n'ont queune efficacité réduite et sont de ce fait limitées au refoulement de flux volumiques relati- vement faibles. On connatt des réalisations particulières telles que celles décrites dans la demande de brevet allemand H 14218 IA/59% --.-.-. dans lequel, à des fins de réglage de la puissance ou du débit et en sacrifiant le rapport de transmission d'éner- gie et le rendement, on a modifié la section du canal latéral vers la périphérie. On connatt également des pompes à canal latéral, telles que celles décrites dans le brevet allemand 966 487, dont la section du canal latéral nulle au niveau de l'emtrée, staccrott radialement en allant vers la sortie pour s'échapper ensuite, tangentiellement hors du corps de pompe. On sacrifie également dans ce cas le rendement et le rapport de transmission d'énergie. Dans ces modes de réalisations, on ne s'intéresse pas non plus aux phénomènes d'écoulement qui imposent, on le sait, d'étroites limites au dimensionne- ment des pompes à canal latéral et notamment de leur canal latéral. La présente invention vise à proposer une pompe à canal latéral dont le canal latéral produise un meilleur ef- fet, pour l'obtention d'un rapport de transmission d'énergie ID plus élevé et d'un plus grand rendement. A cet effet, on prévoit selon l'invention que les éléments d'ailettes d'une couronne d'ailettes de la roue soient disposés de façon alternée suivant leur longueur par rapport au centre de la roue, un élément d'ailette long suc- cédant à un élément d'ailette court et que le canal latéral correspondant présente, par rapport au contour extérieur dis- posé concentriquement par rapport au centre de la roue, un contour intérieur qui, en direction de l'orifice de sortie, se rétrécit en forme de spirale, contour intérieur dont la distance à l'arbre, au niveau de l'orifice d'aspiration cor- respond à la distance d'un élément d'ailette long à l'arbre et dont la distance à l'arbre au niveau de l'orifice de sortie correspond à la distance d'un élément d'ailette court audit arbre. On préfère que le contour intérieur se rétrécisse selon une spirale d'Archimède. Un rétrécissement selon une spirale logarithmique est également avantageux. Le mode de réalisation selon l'invention présente l'avantage que la transmission d'énergie, qui n'est que modé- rée, des éléments d'ailettes au flux volumique est sensible- ment améliorée et qu'il est crée une séparation, par rapport au flux de circulation principal, d'un flux de circulation par- tiel à l'entrée du canal latéral-grâce aux éléments d'ailet- tes de plus grande longueur conduisant, en raison de sa vi- tesse plus élévée, à une vitesse de circulation plus impor- tante entre les éléments d'ailettes et le canal latéral, Ainsi, le flux de circulation principal tridimensionnel, for- mé pour l'essentiel à partir des éléments d'ailettes les plus courts et s'écoulant en forme de spirale ou d'hélice, sur toute la longueur du canal latéral se trouve davantage accé- léré, ce qui entraYne une rentrée nettement plus importante dans les éléments d'ailettes, conjuguée à un degré de trans- mission d'énergie plus élevé et à un plus grand rendement. Le canal latéral qui, au départ, est plus large permet une pleine éfficacité de l'élément d'ailettes de plus grande lon- gueur, et en devenant plus petit en direction du bout du ca- nal, la recouvre progressivement jusqu'à la hauteur des élé- ments d'ailettes plus courts, de sorte que le flux de circu- lation partiel avec une amplitude de ce fait décroissante perd de la vitesse relative par rapport au flwc de circula- tion principal et vient se fondre dans ce dernier avec la même vitesse de circulation., fDans une autre réalisation avantageuse de l'inven- tion, la roue peut 9tre constituée d'étages de roues ou de disques séparés axialement ou radialement pour donner lieu à des réalisations à étages multiples équipés de canaux latê- raux correspondants. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire ci-après, à titre d'exemples purement illus- tratifs et non limitatifs, plusieurs modes de réalisations représentés sur le dessin annexé. Sur ce dessin: - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une pompe à canal latéral selon l'invention dont la roue est représentée en pointillé; - la figure 2 est une coupe selon II-II de la figure 1;, - la figure 3 est une vue d'un canal latéral de la pompe selon les figures 1 et 2; - la figure 4 est une coupe à travers la canal laté- ral, selon IV-IV de la figure 3; - la figure 5 est une coupe longitudinale d'une pompe à canal latéral et à double flux selon l'invention - la figure 6 est une vue de la roue bilatérale de la pompe à canal latéral selon la figure 5; - la figure 7 est une coupe longitudinale selon VII-VII de la figure 6; - la figure 8 est une coupe longitudinale d'un autre mode de réalisation de l'invention; - la figure 9 est une coupe transversale d'une autre variante de l'invention; - la figure 10 est une coupe longitudinale de la pompe radiale, à plusieurs étages, à canal latéral représen- tée sur la figure 9; - la figure Il est une vue des canaux latéraux de la pompe à canal latéral selon les figures 9 et 10; - la figure 12 est une coupe longitudinale selon XII-XII de la figure 11; - la figure 13 est une vue de la roue de la pompe, à plusieurs étages radiaux et à canal latéral selon les figu- res 9 et 10; - la figure 14 est une coupe longitudinale selon XIV-XIV de la figure 13; - la figure 15 est une coupe longitudinale d'une autre variante de l'invention; - la figure 16 montre une variante du mode de réali- sation représentée sur la figure 15; - - la figure 17 est une coupe longitudinale d'une autre variante de l'invention; - la figure 18 est une coupe longitudinale d'un autre mode de réalisation de l'invention; - la figure 19 est une coupe longitudinale d'une pompe à canal latéral comportant une roue à deux disques sé- parés et, - la figure 20 est une coupe longitudinale d'une pompe à canal latéral asymétrique selon l'invention. La pompe à canal latéral représentée sur les figu- res 1 à 4 est une pompe monoflux à un seul étage consistant en un corps 10 et en une roue 12. Le corps 10 se compose d'un anneau 14 comportant un orifice d'admission 16 et un orifice de sortie 18, d'un flasque de palier 20, d'un flasque de corps 22 quilui est parallèle et d'un disque de corps 24 fixé entre le flasque de corps 20 et le flasque de palier 22. La surface d'appui de l'anneau 14 du corps de pompe sur le flasque de palier 20 et respectivement sur le flasque 22 du corps est rendue étanche au moyen d'une bague d'étanchéité respective26. A l'intérieur du flasque de palier 20 du corps de pompe 10 est disposé un arbre 30 dont le passage à travers ledit flasque est étanchéifiéau moyen de bagues de garniture 28; l'arbre 30 peut être entratné en rotation dans le sens indiqué par la flèche (figure 1) au moyen d'un moteur d'eno tratnement non représenté, par exemples un moteur électrique à deux pales. La roue 12 est fixée sur l'extrémité libre de l'arbre 30 au moyen d'une clavette 32, la liaison axiale de ladite roue étant assurée au moyen d'une rondelle 34 fixée au moyen d'une vis 36. La roue 12, en forme de disque, est pourvue d'une couronne d'éléments d'ailettes 38 disposés en regard d'un canal latéral 40 pratiqué dans le disque 24 du corps de pom- pe. Les éléments d'ailettes 38 sont disposés de façon alter- née suivant leur longueur par rapport au centre de la roue 12, un élément d'ailette long 38a alternant avec un élément d'ailette court 38b. Le canal latéral 40 situé en face a un contour extérieur 42 disposé concentriquement par rapport au centre de la roue et un contour intérieur 44 qui se rétrécit en direction de l'orifice de sortie 180 De ce fait, le con- tour intérieur 44 est, de préférence, en forme de spirale d'Archimède. La distance existant entre le contour intérieur 44 et l'arbre 30 est calculée de façon à correspondre au voi- sinage de l'orifice d'admission 16 à la distance d'un élément d'ailette long 38a et, au voisinage de l'orifice de sortie 18, à la distance d'un élément.d'ailette court 38b. Le fluide à refouler qui pénètre par l'orifice d'as- piration 16 dans le canal latéral 40 et dans les éléments d'ailettes 38 de la roue 12 en passant par l'orifice d'entrée 46 pratiqué dans le disque 24 du corps de pompe est accéléré radialement en direction de la périphérie par la force cen- trifuge de la roue rotative 12, ce qui permet la réalisation d&me veine de circulation spatiale en forme d'hélice ou de spirale qui s'êGoule sur toute la longueur du canal latéral, A cette veine de circulation 7ient, en direction du centre de la rouet se superposer par impulsion une autre veine de circulation partielle engendrée par les éléments d'ailettes alternés 38a de plus grande longueur. Cette veine ou ce flux de circulation partiel à niveau énergétique plus élevé conduit à l'intérieur de la veine de circulation principale à une transmission d'énergie et à une vitesse de circulation plus élevée, c'est-à-dire à une vitesse d'écoulement plus élevée entre le canal latéral 40 et les éléments d'ailettes 38, Du fait de la vitesse d'écoulement plus élevée, il se produit une rentrée plus importante du milieu à refouler dans les éléments d'ailettes 38 et, par suite, une plus grande trans- mission d'énergie sur la veine volumique se trouvant dans le canal latéral 40. Sur un prototype de pompe réalisé selon l'invention, on a pu observer une hauteur de refoulement de 25 % plus im- portante. Avec la réduction de la vitesse de la veine ou flux volumique, le schéma circulatoire de la veine de circulation principale se trouve modifié en direction de la périphérie pour passer d'une forme au départ alternativement ovale à une forme presque constante et sensiblement circulaire; ou autrement dit, les éléments d'ailettes 38a de plus grande longueur perdent progressivement leur efficacité. Ceci exige un ajustement de la géométrie du canal latéral qui, selon l'invention, est réalisé de façon que pour un parallélisme des parois latérales et un contour extérieur 42 constants du canal latéral 40, le contour intérieur 44 dudit canal affecte la forme d'une spirale de sorte que les éléments d'ailettes 38a de plus grande longueur soient pleinement efficaces à partir du début du canal latéral 40 et soient, en direction de la fin du canal latéral 40, en fonction de la diminution de leur efficacité, progressivement recouvert jusqu'à la lon- gueur des éléments d'ailettes de plus faible longueur 38b. Ainsi, la veine de circulation partielle se raccorde progres- sivement, avec la diminution de l'amplitude, selon une confi- guration circulatoire pratiquement circulaire 9 à la veine de circulation principale formée essentiellement par les élé- ments d'ailettes 38b de plus faible longueur. A la fin du canal latéral 40 fait suite un court canal de postrefoulement 48 qui se rétrécit axîalement en direction de son extrémités Ce canal de post-refoulement 48 accélère le processus de purge d'air, lorsque l'on met en oeuvre des liquides, car l'air qui est refoulé vers le milieu de la roue à l'intérieur des éléments d'ailettes 38 peut sous l'effet du liquide qui suit, s'échapper par l'intermédiaire d'un alésage de purge d'air 50 suivi d'un canal de purge d'air 52., Du cté refoulement, le milieu à refouler quitte la zone du canal latéral par un orifice de communication 54 mé- nagé dans le disque 24 du corps de pompe et l'orifice de sor- tie 18. Lorsque le milieu à refouler est un gaz, aucun alé- sage de purge d'air n'est nécessaire. Il se produit alors dans le canal 48 de post-refoulement, une compression postérieure du milieu à refouler avec un processus de détente supplémentai- re sur le c8té aspiration du canal latéral 40, ce qui permet une formation plus rapide de la veine de circulation. Sur les figures 5 à 7, on a représenté une pompe & un étage à canal latéral et à double veine, dont la roue 12 comporte, des deux cdtés, des éléments d'ailettes 38. A cha- cune des deux couronnes d'ailettes correspond un canal latéral miagé dansun disque correspondant 24 du corps depompe.Les deux disques 24 du corps d pompe se touchent au voisinage de leurs bordures extérieures. Comme le mcntre la figure 5, le mi- lieu à refouler se divise derrière l'orifice d'aspiration 16 et pénètre dans le canal d'écoulement entre le canal latéral et les éléments d'ailettes 38 par l'intermédiaree d'orifi- ces d'entrée 46 ménagés dans les disques 24 du corps de pompe, pour stchapper ensuite, côté refoulement, par les orifices de comnunication 54 des deux disques 24 du corps de pompe et l'o- rifice de sortie 18o Sur la figure 8, on a représenté une variante d'une pompe à canal latéral à un seul cone stui de nne roue 12 eonstitut deu disques séparés 12a et 12b qui $sont réu- réunis au moyen d.un disque d'entretoisement 56, Le disque &entretoisement 56 est fixé sur l'arbre 30 avec les disques s6pars l1a, 12b et tourne avec ces derniers. Sa bordure extérieure forme avec le diamètre intérieur des deux disques 24 du corps de pompe une fente d'étanchéité radiale 58. La fente d'étanchéité 58 qui n'est pas limitée axialement permet1 lors du montage de la pompe & canal latéral, un mouvement de translation axial de la roue 12 à l'intérieur du disque 24 du corps de pompe, sans que cela nuise pour autant à l'étan- chéité. La pompe à canal latéral de la figure 8 comporte, de cette façon, deux étages qui sont séparés l'un de l'autre par le disque d'entretoisement 56. Le milieu à refouler qui pénètre par l'orifice d'aspiration 16 s'écoule, après le premier étage, par un canal de transfert 60 pratiqué dans l'anneau 14 du corps de pompe vers le second étage et quitte, après un tour presque complet, le canal latéral 40 de la se- conde cellule par l'orifice de sortie 18. Dans cet agencement le milieu à refouler de la pompe s'écoule en formant un seul flux dans deux étages montés axialement l'un à la suite de l'autre. Sur les figures 9 et 10 on a représenté une pompe à canal latéral à deux étages et à flux unique dans laquelle les deux étages sont montés radialement l'un à la suite de l'autre. Le milieu à refouler s'écoule par l'orifice d'aspi- ration 16 à travers l'orifice d'entrée 46 pratiqué dans le disque 24 du corps de pompe, dans le premier étage disposé radialement vers l'intérieur puis par un canal de transfert 60 représenté en pointillé sur la figure 9, dans la partie postérieure du disque 24 du corps de pompe vers le second étage qui est disposé radialement vers l'extérieur. A partir de ce second étage, le milieu à refouler s 'écoule vers l'ex- térieur par un orifice de communication 54 prévu-également dans la partie postérieure du disque 24 du corps de pompe, en passant par l'orifice de sortie 18. Il est avantageux que l'orifice de communication 54 soit prévu axialement derrière le canal latéral 40, car la dimension radiale de la pompe à canal latéral demeure ainsi limitée. Un autre avantage de la délivrance axiale du milieu à refouler par l'orifice de com- munication 54 réside dans le fait que l'on peut éviter une perte d'écoulement, ce qui est le cas, lors d'une délivrance radiale. Sur les figures Il et 12, on a représenté une vue des deux canaux latéraux 40a et 40b ménagés dans le disque 24 du corps de pompe. Les figures 13 et 14 montrent la roue 12 à deux étages refoulant radîalement, dont les deux couron- nes d'ailettes sont pourvues alternativement d'éléments d'ai- lettes 38a de grande longueur et d'élements d'ailettes 38b de plus faible longueur. La figure 15 montre une pompe à canal latéral et à double flux comportant deux étages. Le canal d'écoulement du milieu à refouler se divise derrière l'orifice d'aspiration 16 et s'écoule ensuite dans le premier étage disposé radiale- ment vers l'intérieur puis dans le second étage disposé ra- dialement vers l'extérieur, Dans ce cas, la roue 12 équipée, sur chacun de ces deux côtés, d'une couronne d'ailettes est réalisée d'une seule pièce. Sur la figure 16, on a représenté une variante de la pompe à canal latéral à deux étages et à double flux de la figure 15 dans laquelle la roue 12 est consitituée de deux disques séparés prenant appui l'un sur l'autre par leur dos. Dans cet ensemble également, chaque disque séparé de la roue 12 comporte deux couronnes d'ailettes concentriques de diamè- tre différent. A chaque couronne d'ailettes correspond éga- lement un canal latéral 40 qui est ménagé dans l'étage cor- respondant du disque de corps de pompe 24. Du fait que le débit à travers la pompe est constant, le volume des éléments d'ailettes extérieurs 38 est plus petit que celui des éléments d'ailettes intérieurs 38. Gràce à la réalisation symétrique de la roue 12, qui peut Otre entraînée dans les deux sens de rotation, les char- ges axiales s'équilibrent en cours de fonctionnement de façon à établir mi positionnement flottant et, par suite, à équili- brer axialement la roue 12, La roue 12 peut etre disposée libre de tout contact par rapport aux deux disques 24 du corps de pompe de façon à éviter un frottement et, par suite, une usure entre la roue 12 et le disque 24 du corps de pompe, ce qui est foavrable pour la durée de vïe de la pompe et la ré- ductîon du bruit de fonctionnement, La figure 17 montre une pompe à canal latéral à quatre étages et à flux unique dont la roue 12 est également constituée par deux disques séparés qui sont réunis entre eux au moyen d'un disque d'entretoisement 56. La pompe de cet exemple correspond ainsi pour l'essentiel à la pompe de la figure 8. Les quatre étages sont montés les uns à la suite des autres de sorte que pour un même dimensionnement géomé- trique, comme la pompe représentée sur les figures 15 et 16, le débit est inférieur de moitié et la pression de refoulement deux fois plus grand. La figure 18 montre une variante de la pompe de la figure 17 à flux unique et à quatre étages dans laquelle, ce- pendant, l'étanchéité entre les deux disques séparés de la roue 12, sur leur bordure extérieure, est réalisée au moyen d'un disque d'entretoisement 561 serré à l'intérieur du corps de pompe. On obtient ainsi quatre parois d'étanchéité radiales assurant une étanchéité axiale entre le disque d'entretoi- sement 56' et les disques séparés de la roue 12. La figure 19 montre également une version à quatre étages de la pompe à canal latéral, dans laquelle la roue 12 est également constituée de deux disques séparés mais qui sont fixés sur l'arbre 30 avec leurs couronnes d'ailettes tournées l'une vers l'autre, la partie du corps de pompe qui contient les canaux latéraux 40 s'étendant à l'intérieur de l'espace situé entre les deux disques séparés. A partir de l'orifice d'aspiration 16, le canal d'écoulement débouche par l'inter- médiaire de l'orifice d'entrée 46 dans le disque de gauche 24 à l'intérieur du premier étage dirigé radialement vers l'intérieur puis, après un tour presque complet, par un pas- sage axial, dans le même étage radial du canal latéral 40 op- posé. Après un autre tour presque complet le milieu à refou- ler pénètre par l'intermédiaire d'un canal de transfert tan- gentiel dans l'étage disposé radialement à l'extérieur puis, après un autre tour presque complet en passant par un passage axial dans le même étage radial adjacent axialement à partir duquel il débouche enfin, en passant par l'orifice de commu- nication 54, à l'intérieur de l'orifice de sortie 18. La figure 20 montre enfin une réalisation d'une pom- pe à canal latéral selon l'invention comportant un orifice deaspiration central disposé axîalement et ume roue 12 réali= sée de façon asymaétrique. Le milieu à refouler est aspiré sous la forme d'un flux unique à partir de l'étage le plus petit en diarmtre et, aprè un tour presque complet est amené dans le second étage à double flu qui se compose de de= couron- nes d'éléments d'ailettes disposdes dos dos sur la roue 12 réalisée dtane seule pice, les deux canaux latéraux 40 4tant disposes radialement à la meme hauteur en regard desdites couronnes d'ailettes, REVENDICATIONS 1 - Pompe à canal latéral comprenant un corps avec un arbre disposé de façon étanchezà l'intérieur dudit corps et une roue fixée sur ledit arbre ainsi qu'un canal d'écoule- ment partant d'un orifice d'aspiration ménagé dans le corps de pompe et conduisant, par l'intermédiaire d'au moins un canal latéral ménagé dans ledit corps de pompe et d'éléments d'ailettes de la roue correspondant audit canal, à un orifice de sortie ménagé dans le corps de pompe, caractérisée par le fait que les éléments d'ailettes (38) d'une couronne d'ailet- tes de la roue (12) sont disposés de façon alternée selon leur longueur par rapport au centre de la roue, un élément d'ai- lette court (38b) succédant à un élément d'ailette long (38a), et que le canal latéral (40) correspondant présente, par rap- port au contour extérieur (42) disposé concentriquement au centre de la roue, un contour intérieur (44) se rétrécissant en forme de spirale, contour intérieur dont la distance à l'arbre (30) au niveau de l'orifice d'aspiration (16) corres- pond à la distance d'un élément d'ailette long (38a) à l'ar- bre, et dont la distance à l'arbre au niveau de l'orifice de sortie (18) correspond à la distance d'un élément d'ailette court (38k) à l'arbre. 2 - Pompe à canal latéral selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le contour intérieur (44) se rétrécit selon une spirale d'Archimède. 3 - Pompe à canal latéral selon l'une des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé par le fait que la roue (12) compor- te des deux c8tés, des couronnes d'ailettes, qui sont séparées par une entretoise intermédiaire et qui sont, chacune, dispo- sées en regard d'un canal latéral (40). 4 - Pompe à canal latéral selon l'une des revendica- tions 1 ou 2, caractérisée par le fait que la roue (12) est constituée de deux disques séparés qui sont fixés de façon symétrique sur l'arbre (30) et qui comportent chacune une couronne d'ailettes. - Pompe à canal latéral selon la revendication 4, caractérisée par le fait que les deux disques de la roue (12) sont séparés au moyen d'un disque d'entretoisement (56), qui divise le canal d'écoulement en deux étages disposées l'une à la suite de l'autre. 6 - Pompe & canal latéral selon la revendication 4, caractérisée par le fait que les deux disques de la roue (12) avec leurs couronnes d'ailettes tournées l'une vers l'autre, sont fixées sur l'arbre (30) et que la partie du corps (10), qui renferme les canaux latéraux (40), s 'étend à l'intérieur de l'espace compris entre les deux disques précités, 7 - Pompe à canal latéral selon l'une des revendica- tions 1 à 6, caractérisée par le fait que la roue (12) compor- te plusieurs couronnes d'ailettes de diamètre différent qui, dans la direction radiale, sont reliées l'une à la suite de l'autre, et qu'à chaque couronne d'ailettes correspond un canal latéral (40) ménagé dans le corps (10) communiquant, dans le sens de l'écoulement, avec le canal latéral (40) suivant. 8 - Pompe à canal latéral selon l'une des revendica- tions 1 à 3, caractérisé par le fait que la roue (12), de section asymétrique, comporte, côté aspiration, uniquement une couronne d'ailettes et cCté refoulement, un étage de cou- ronne d'ailettes s'étendant des deux c8tés auxquelles corres- pondent des canaux latéraux (40) ménagée dans le corps de pompe.