Brevet FR2513325A1 — publié le 19830325

Turbopo pe à ailettes de directrices orientables La présente invention concerne un perfectionnement aux turbopanpes destiné à leur assurer un rendement maximal pratiquement indépendant de leur débit et de leur vitesse de rotation. Les turbopompes ont connu de multiples améliorations en vue d'augmenter leur rendement, notamment le tracé et la finesse des ailettes du rotor, ainsi que par la présence de directrices à ailettes placées en amont ou en aval du rotor, ou les deux à la fois. Cependant l'inclinaison optimale des ailettes de directrices dépend de la vitesse de rotation du rotor et du débit, d'o la nécessité de définir une vitesse inxoinale et un débit nominal pour lesquels le rendement sera maximal et d'accepter un moindre rendement pour les autres valeurs possibles de la vitesse et du débit (ou de la pression de rcfoulenent qui est liée au débit à vitesse donnée, par la caractéris- "qiue de la pompe). Pour pallier cet inconvénient, la présente invention propose une orientation automatique des ailettes de la directrice d'entrée, afin que le rendement soit maximal quelle que soit la vitesse de rotation. Pour cela, la turbopompe selon 1 'invention comporte une directrice d'entrée dont les ailettes sont orientables, une directrice de sortie dont les ailettes également pivotantes s'orientent sous l'action du fluide, et des moyens pour asservir l'angle de rotation des ailettes d'entrée à l'angle de rotation des ailettes de sortie. Dans un mode avantageux de réalisation, les ailettes de sortie sont reliées par des ensembles bielle-manivelle à une première couronne, les ailettes d'entrée àBune seconde couronne et un asservis- sement commande la rotation de ladite seconde couronne en fonction de la rotation de ladite première couronne Avantageusement, ledit asservis- sement est conçu pour que la cotangente de 1 'angle de rotation des ailettes d'entrée soit une fonction linéaire de la cotangente de l'angle de rotation des ailettes de sortie Cet asservissement peut être réalisé par un arbre équipé de deux pignons qui engrènent respectivement avec lesdites première et seconde couronnes, ou par une came reliant lesdites première et seconde couronnes et dont le profil est spécialement adapté, ou par un moteur qui entraîne ladite seconde couronne et qui est asservi 2 - en position par un circuit logique connecté en entrée à un capteur de position angulaire lié à ladite première couronne. D'autres caractéristiques de la présente invention apparai- tront à l 'étude de 1 'exaemple de réalisation donné ci-après à titre illustratif et nullement limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel: la figure 1 est une coupe longitudinale de la turbopompe, suivant la ligne I-I de la figure 2, la figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne II-II de la figure 1, la figure 3 est une vue extérieure montrant, avec la figure 1, l'asservissement de la rotation des ailettes, la figure 4 représente schématiquement une autre réalisa- tion nmcanique de cet asservisserrent, la figure 5 représente schématiquement une réalisation électrique de cet asservissement. Les figures 1 et 2 permettent de retrouver les éléments classiques d'une turbopompe: le rotor 1 avec ses ailettes 2, la conduite d'arrivée 3 et la volute de sortie 4. o La directrice d'entrée (ou avant-directrice) est carposée d'ailettes 5, au nombre de sept sur le dessin, qui, contrairement aux réalisations connues, sont orientables et non fixes Pour cela, elles comportent chacune un axe 6 placé sensiblement dans leur plan médian de façon telle que les pressions exerc _es par le fluide S 'équi- librent sensiblement de part et d'autre de l ailette Pour assurer la continuité de la veine fluide, un noyau 7 est placé au centre de la conduite d'arrivée 3; son profil extérieur et celui de? la conduite 3 épousent la trajectoire des bords des ailettes mobiles 5. On sait, par l'analyse du triangle des vitesses d'entrée, qu'une turbopompe aura un rendement maximal si le fluide arrive sur les ailettes 2 du rotor 1 avec un angle a 1 qui dépend de l'angle 1 d'inclinaison des ailettes 2 du rotor 1, de la vitesse de rotation o du rotor, du débit Q du rayon r 1 et de la largeur e 1 de la surface cylindrique à 1 'entrée du rotor, suivant la relation: cotg 2 lQ r 12 el cotg 1 ( 1) 3 - On voit ainsi que, pour des caractéristiques dimensionnelles r 1, e 1 et ei données, l'angle al optimal dépend de la vitesse de rotation Q et du débit Q En conséquence, dans les réalisations connues o l'angle a est constant, le rendement de la turbopompe n'est maximal pour une valeur donnée de la vitesse de rotation Q que pour un certain débit Q. Pour toute autre valeur ce rendement décroît, ce qui conduit les constructeurs à établir des réseaux de courbes caractéristiques, donnant 1 'évolution du rendement en fonction de la vitesse, du débit et/ou de la pression de refoulement ("collines" de rendement). Ce phénomène, peu sensible quand la hauteur de refoulemnent est constante, est beaucoup plus gênant quand elle est fortement variable, oe qui est le cas, par exepple dans les transmissions hydrauliques pour véhicules. Pour que ce rendement reste maximal quels que soient la vitesse Q et le débit Q, il suffit de donner à l'angle a 1 sa bonne valeur c'est-à-dire celle résultant de la formule ( 1) susmentionnée. Ceci serait certes possible par la mesure du débit Q et de la vitesse Q, mais ce n'est pas simple; aussi la turbopompe selon la présente invention est basée sur un autre principe. En effet, une loi identique à celle ( 1) précitée pour l'angle al, existe entre les valeurs des mênes paramètres pris cette fois au niveau de la surface cylindrique à la sortie du rotor et affectés de l'indice 2; d'o la relation: cotg a 2 = Q 2 2 cotg 2 ( 2) Il en résulte, en combinant les deux relations ( 1) et ( 2), une relation entre l'angle a, que doit prendre la directrice d'entrée pour offrir un rendement maximal et l'angle a 2 que prennent les filets fluides à leur sortie du rotor Cette relation peut s'écrire: cotg a 1 = Kcotg a 2 + K' ( 3) avec K = l e rr 23 e 2 et K' = K cotg 82 cotg 1 -4 - ce qui montre bien que les angles a 1 et a 2 évoluent suivant une loi linéaire de leurs cotangentes dont les termes sont définis par les caractéristiques géométriques de la turbopcmpe: r 1 r 2, el, e 2, 1 et B 2 ' et quelles que soient les valeurs du débit Q et de la vitesse 2. Ainsi, la turbopompe selon l 'invention comporte, en plus de la directrice d'entrée à ailettes 5 orientables, une directrice de sortie (ou arrière-directrice) dont les ailettes 8 sont montées pivotantes autour d'un axe 9 placé près du bord de 1 'ailette le plus proche du rotor 1 Cette directrice de sortie reçoit le fluide dès sa sortie des ailettes 2 du rotor 1 et jusqu'à son arrivée dans la volute de sortie 4 Ses ailettes 8 sont donc soumises à la pression de sortie du fluide qui tend donc à leur faire prendre une inclinaison instantanée égale à 1 'angle-a 2 précité correspondant aux valeurs instantanées du débit Q et de la vitesse Q Lorsque 1 'une au moins de ces valeurs varie, l'angle a 2 varie conformànent à la relation ( 2). Le but étant d'obtenir la bonne inclinaison OL des ailettes d'entrée 5, un asservissement reliant les axes 9 et 6 respectivement des ailettes de sortie 8 et d'entrée 5, impose à ces dernières une rotation commandée par la rotation des premières Les paramètres déterminant cet asservissement sont tels que la relation constante entre les cotangentes des angles a I et a 2 soit vérifiée. Cet asservissement peut être réalisé de diverses manières et notamment comme représenté à la figure 3 L'axe 9 de chaque ailette de sortie 8 est muni d'une manivelle 10, laquelle est reliée à une couronne 11 par une biellette 12 Les manivelles 10 d'une part et les biellettes 12 d'autre part ayant respectivemnent des longueurs égales, à toute rotation des ailettes de sortie 8 correspond une rotation de la couronne 11. Un ensemble analogue est associé aux ailettes d'entrée 5, il coporte des manivelles 13 solidaires des axes 6 et des biellettes qui relient celles-ci à une couronne 14. Lorsque la plage de variation de la vitesse et/ou du débit est suffisamment faible, une liaison des deux couronnes 11 et 14 par un arbre 25 équipé de deux pignons 16 et 17 qui engrènent avec des dentures 18 et 19 solidaires des couronnes 11 et 14, permet de réaliser avec une approximation satisfaisante la relation ( 3) entre les angles a et a 2 des ailettes. 13325 - Dans les autres cas, une meilleure approche de la relation ( 3) sera possible par tout moyen d'asservissement angulaire. La figure 4 représente schématiquement un asservissement au moyen d'une came Le pignon 16 précité entraîne une came 20 contre laquelle s'applique un galet 21 solidaire de la couronne 14 précitée. Le profil de la came 20 est déterminé point par point de manière à réaliser la relation ( 3) entre les angles a 1 et OE 2 ccmpte tenu des dimensions des manivelles 10 et 13, des biellettes 12 et 15 et des couronnes 11 et 14. Un autre exemple de réalisation de cet asservissement est représenté schématiquement par la figure 5; il consiste à relier les pignons 16 et 17 précités respectivement à un capteur de position angulaire 22 et à un moteur électrique 23, lequel est asservi en position au moyen d'un circuit électronique 24 de tout type connu capable de piloter la rotation du moteur 23 en fonction de celle du capteur 22 selon une loi déterminée par la relation ( 3) d'une part et 1 'ensnemble des manivelles, biellettes et couronnes d'autre part. D'autres modes de réalisation de cet asservissement peuvent, sans sortir du cadre de la présente invention, être imaginés, Par exemple, on pourrait remplacer le capteur 22 et le moteur électrique 23 par un ensenble hydraulique ou pneumatique donnant les mêmes résultats De même, l'arbre 25 reliant les pignons 16 et 17 (figure 1) ou le pignon 16 et la came 20 (figure 4) pourra être en deux parties séprées par tout système de servocommande permettant de multiplier l'effort fourni par les ailettes 8 pour mieux agir sur les ailettes 5. La présente invention est applicable à tout type de turbopompe lorsqu'un bon rendemnent est souhaité pour divers régimes de fonctionnement. C'est le cas notanment dans les transmissions hydrauliques, et plus particulièrement celles équipant un véhicule car les variations de charge, de déclivité et autres conduisent à des valeurs de débit et pression variant dans de larges proportions. -6 - Revendications 1 Turbopompe coportant un rotor 1 à ailettes 2 et des directrices à ailettes d'entrée 5 et de sortie 8 placées respectivement entre la conduite d'arrivée 3 et le rotor 1 et entre celui-ci et la volute de sortie 4, caractérisée par le fait que lesdites ailettes de directrices 5 et 8 sont pivotantes et que des moyens d'asservissement déterminent 1 'angle de rotation des ailettes d'entrée en fonction de 1 'angle de rotation des ailettes de sortie 8. 2 Turbopotpe selon la revendication 1, caractérisée par le 1 l fait que lesdits moyens d'asservissement sont conçus pour que la cotangente de 1 'angle de rotation a 1 des ailettes d'entrée 5 soit une fonction linéaire de la cotangente de 1 'angle de rotation O 2 des ailettes de sortie 8. 3 Turbopoempe selon l'une des revendications 1 et 2, carac- térisée par le fait que les ailettes de sortie 8 sont reliées par des ensembles bielle-manivelle 12-10 à une première couronne 11, les ailettes d'entrée 5 à une seconde couronne 14 et un asservissement cammande la rotation de ladite seconde couronne 14 en fonction de la rotation de ladite première couronne il. 4 Turbopoepe selon la revendication 3, caractérisée par. le fait que ledit asservissement est réalisé par un arbre 25 équipé de deux pignons 16 et 17 qui entryénent respectivemnent avec lesdites première 11 et seconde 14 couronnes. Turboponpe selon la revendication 3, caractérisée par le fait que ledit asservissement est réalisé par une came 20 reliant lesdites première 11 et seconde 14 couronnes et dont le profil est spécialement adapté. 6 Turbopompe selon la revendication 3, caractérisée par le fait que ledit asservisseent est réalisé par un moteur 23 qui entraine ladite seconde couronne 14 et qui est asservi en position par un circuit logique 24 connecté en entrée à un capteur de position angulaire 22 lié à ladite première couronne 11. 7 Turbopompe selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que chaque ailette de sortie 8 est pivotante autour d'un axe 9 placé près du bord de l'ailette le plus proche du rotor 1. 7 - 8 Turbopunpe selon 1 'une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que chaque ailette d'entrée 5 est pivotante autour d'un axe 6 placé sensiblement dans leur plan rmdian de façon telle que les pressions exercées par le fluide s'équilibrent sensiblement de part et d'autre de l'ailette.