Brevet FR2529264A1 — publié le 19831230

La présente invention concerne en général des pompes à liquides et des compresseurs de gaz et en particulier une pompe ou un compresseur du type centrifuge, com- portant une carcasse de finissant une chambre qui présente une lumière d'aspiration centrale et une lumière de refoulement tangentielle, et une roue à aubes circulaire, de forme aplatie, qui tourne coaxialement à la lumière d'aspiration. En l'état actuel de la technique, les pompes et compresseurs centrifuges sont des machines dont le rende- ment est plutôt faible, notamment lorsqu'en service les conditions de débit et de hauteur d'élévation stécartent, même légèrement, des valeurs nominales pour lesquelles elles ont e été dessinées. Le facteur qui influe le plus fortement sur le rendement est la fraction d'énergie cinétique qu'on réussit ou on à récupérer à la sortie du fluide de la roue à aubes. Théoriquement, le fluide possède à la sortie de la roue à aubes une vitesse tangentielle telle que son ener- gie cinétique est égale à l'energie de pression développée à l'intérieur de cette même roue sous l'effet de la force centrifuge. Pour la raison exposée ci-dessus, si la machine, pompe ou compresseur, n'est pas munie d'un dispositif quelconque apte à récupérer l'énergie cinétique que possède le fluide sous forme de vitesse tangentielle lorsqu'il sort de la roue à aubes, son rendement hydraulique ne peut dépasser 50% dans le cas le plus favorable. Pour récupérer l'énergie cinétique, on adopte des dispositifs dénommés diffuseurs, qui utilisent le principe de la transformation de l'énergie cinétique d'un fluide en pression au moyen d'un ou de plusieurs conduits divergents. Cette solution n'est cependant pas satisfaisante à cause du faible rendement de transformation qu'il est possible d'obtenir, principalement en raison de la formation de tourbillons anormaux, dont la présence est mise en évidence par la discontinuité de la pression dans la condui te de refoulement, qu'on observe dans la totalité des pompes centrifuges à diffuseur. En d'autres termes, avec une seule roue à aubes munie d'n diffuseur il n'est pas possible d'atteindre une hauteur d'élévation importante. L'invention a donc pour objet de réaliser une machine centrifuge, pompe ou compresseur, dont le rendement est supérieur à celui des machines connues du même type. A cet effet, dans la pompe ou le compresseur cen srifuge selon l'invention, la chambre a la forme d'un tronc de cylindre coaxial à la 770ue à aubes, dont la hauteur correspond à épaisseur de la roue et dont le diamètre est supérieur à celui de cette meme roue. Le diamètre de la chambre est avantageusement égal ou supérieur au double de celui de la roue. Cette dernière peut être du type a aubes radiales. Elle peut aussi du type fermé ou carené. De toute façon, l'invention sera blen comprise à 1' aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique alfflexe', représentant à titre d'exemple non li- mitatif, une forme d'exécution de cette machine centrifuge: Fig. 1 représente le parcours des filets de fluide pour atteindre la lumière de refoulement; Fig. 2 est un graphique dans lequel le rapport entre le diamètre de la chambre et celui de la roue est porté en abcisse, tandis que la hauteur d'élévation est portée en ordonnée; Fig. 3 est une vue en élévation et partiellement en coupe verticale d'une forme d'exécution d'une pompe centrifuge selon l'invention; Fig. 4 est une vue en coupe suivant IV-IV de fig. 3. On peut voir à la figure l que, grâce à l'agencement selon l'invention, le fluide qui sort de la roue à aubes décrit dans la chambre, pour atteindre la lumière de refoulement, une spirale à vitesse décroissante (dans la pratique un vortex inversé, dans lequel le fluide, au lieu d'accélérer en se rapprochant du centre de rotation, comme cela se produit dans les vortex normaux, decélère au fur et à mesure qu'il s'éloigne de ce centre), en exerçant encore une force centrifuge supplémentaire, qui stajoute à celle qui est produite à l'intérieur de la roue. Les filets de fluide auront dans ce cas l'allure représentée à la figure 1.Dans cette figure, les cercles concentriques C et G représentent respectivement le contour de la cham- bre et celui de la roue, dont les diamètres sont désignés par C et par G- Les flèches indiquent les vitesses des filets de fluide en allant du centre vers la périphérie de la chambre C. Comme on peut le constater, étant donné la diminution de la vitesse tangentielle du fluide depuis sa sortie de la roue G jusqu'à ce qu'il atteigne la paroi péri- phérique de la chambre, on obtient sur cette dernière.une augmentation notable de la pression et donc de la hauteur d'élévation aux dépens de énergie possédée par le fluide sortant de la roue et qui, autrement, serait dispersée en de nombreux tourbillons désordonnés. Au cours d'essais pratiques qui ont été effectués, on a constaté qu'une pompe ou un compresseur selon l'invention présente un meilleur rendement global que les machines comparables connues. En outre, une machine selon l'invention, pompe ou compresseur, n'est pas sujette aux vibrations et aus coups de béliers qui se produisent dans les pompes et les compresseurs traditionnels de type centrifuge, avec diffuseur. Il est en outre possible d'obtenir de fortes hauteurs d'élévation avec de bons rendements en n'utilisant qu'une seule roue de diamètre proportionné à la hauteur d'élévation désirée. On peut voir à la figure 2 les rapports de diamètres C:G portés en abcisse et les hauteurs d'élévation portées en mètres de colonne d'eau en ordonnée. Les essais correspondants ont été effectués en utilisant des carcasses de pompe de diamètres différents, en maintenant constantsle diamètre de la roue à aubes et le nombre de tours qu'elle exécute par minute, toutes les autres conditions restant les mêmes. La roue était entrainée en rotation par un moteur de 1 CH à 2800 t/m. Comme on peut le constater, l'augmentation de la hauteur d'élévation devient sensible lorsque le rapport devient supérieur à 2. Une valeur optimale de ce rapport C/G / est comprise entre 2 et 3, car, au-dessus de 3, les augmentations de la hauteur d'élévation qu'on obtient ne justifie pas l'augmentation de l'encombrement de la pompe. D'autre part, pour augmenter le rapport C/G' on ne peut descendre au-dessous d'un certain diamètre de la roue à aubes, car elle devrait alors être entrainée en rotation à une vitesse excessive et aurait un diamètre trop faible par rapport- au conduit d'aspiration. Le calcul du débit et de la hauteur d'élévation de ce type de pompe est particulièrement simple et ne nécessite aucune référence à des modèles empiriques. La raison de cette simplicité est à rechercher dans le fait que les deux paramètres que sont la vitesse tangentielle et le débit ne s'influencent pas réciproquement comme cela se produit dans les pompes traditionnelles, car la vitesse tangentielle à laquelle le fluide quitte la roue est dans une large mesure indépendante du débit. Théoriquement, en négligeant les frottements (qui, du reste, dans une caisse cylindrique et lisse sont imputables uniquement à la viscosité du fluide pompé et donc négligeables pour l'eau et liquides similaires) et en ap- pliquant le théorème de la constance du moment de la quantité de mouvement à une particule de fluide qui sort de la roue, on observe que la particule conserve la même quantité de mouvement par rapport à l'axe de rotation pour une valeur quelconque du rayon de rotation (#r = constant). v V 2 En remplaçant W par le rapport r, on a r . r = constant, d'où Vr = constant. Tout au long du parcours suivi par la particule depuis le bord de la roue à aubes jusqu'à la périphérie de la chambre,sla vitesse V diminue de façon linéaire au fur et à mesure que le rayon r augmente et, par conséquent, 1' énergie cinétique de la particule diminue suivant le carré de r, de sorte que dans une chambre dont le rayon est le triple de celui de la roue, l'énergie cinétique possédée par la particule de fluide à l'extrême périphérie de la chambre est égale à 1/9 de celle qu'elle possède à la sortie de la roue Le reste de l'énergie s'est nécessairement transformé en pression, les frottements étant considérés comme négligeables. La pression ou hauteur d'élévation est donc étroitement dépendante de la vitesse tangentielle de la roue et elle est précisément la moitié de la pression créée à l' intérieur de catte dernière; elle vaut h1 - , tandis que l'autre moitié (ou un peu moins, en fanchon du diamètre de la chambre) est produite dans l'espace libre de la chambre et est encore h2 = 2 pour une chambre de diamè tre infini. V En additionnant, on a h1 + h2 = . g Dans la pratique, toujours en négligeant les frottements, la hauteur d'élévatioii, pour une chambre dont le diamètre est le triple de celui de la roue, est égale à V + 8 . V = 17 . V 2g 9 2g 9 2g dans laquelle V est la vitesse tangentielle de la roue. Le débit est limité uniquement par la section des passages intérieurs de la pompe. Une valeur de la vitesse d'écoulement du fluide dans les passages qui peut être considérée comme optimale est d'environ 3 m/sec. mV2 L'absorption de puissance sera égale à P équation dans laquelle m est la masse du fluide qui traverse la roue du centre à la périphérie en un temps t et V est toujours la vitesse tangentielle où périphérique de la roue. A la figure 3, la pompe, désignée par la référence générale 10, comprend une carcasse 12, constituée par une partie inférieure creuse 14 et par un couvercle 16. Le couvercle 16 et la partie creuse 14 sont assemblés par leur périphérie au moyen de boulons, avecvinterposition d'un joint d'étanchéité 18. La carcasse 12 définit intérieurement une chambre 20 en forme de tronc de cylindre aplati. La partie creuse 1Q comporte uile tubulure d'aspira- tion 22, qui, par l'intermédiaire d'un conduit 24, aboutit à une lumière d'aspirati3n 26. Cette lumière 26 débouche sur un des flancs de la chambre 20 et elle est coaxiale à cette chambre. De la périphérie de la chambre 20 part une lumière de refoulement tangentielle 30 ménaL'e dans la paroi périphérique de la partie creuse 14, qui, par l'intermédiaire d'un conduit tangentiel 32, aboutit à une tubulure de refoulement Une saillie centrale 36 du couvercle 16 est traversée de façon étanche par un arbre 38 monté dans des paliers 40. L'extrémité supérieure de cet arbre 38 est accouplée au moyen d'un joint 42 à l'arbre 44 d'un moteur électrique à bride 46, supporté par une couronne 48 for mée sur le couvercle 16. A ltextrémité inférieure de l'arbre de transmission 38, qui s'étend dans l'axe de la chambre 20, est calée une roue à aubes 50, de type fermé ou caréné. Cette roue 50 est de préférence à aubes radiales, comme le montrent les figures 3 et 4, afin que le fluide la quitte avec la même vitesse tangentielle. La hauteur de la chambre 20 est légèrement supérieure à l'épaisseur de la roue 50. L'espace restant entre la roue et la paroi plane inférieure de la chambre 20 est fermé par une bague d'étanchéité mécanique en bronze 52, qui entoure la lumière d'aspiration 26. Le diamètre de la Chambre 20 est le triple de celui de la roue 50. Une pompe construite comme le représentent les figures 3 et 4 etait munie d'un moteur électrique asynchrone de 1 CH tournant à 2800 t/m. La roue 50 avait un diamètre de 110 mm et une hauteur de 20 mm. La chambre 20 de la carcasse 12 avait un diamètre de 330 mm et une hauteur de 30 mm. Le conduit d'aspiration 24 avait un diamètre de 60 mm, tandis que celui de refoulement avait un diamètre de 50 mm. Pour effectuer des essais avec cette pompe, deux manomètres ont été introduits dans la chambre 20 à travers des trous pratiqués dans le couvercle 16 et ont été placés, l'un au point A, correspondant au bord extérieur de la roue 50, et l'autre au point B, correspondant à la périphérie de la chambre 20. Les résultats de ces essais sont indiqués dans le tableau I ci-dessous: TABLEAU I Débit Hauteur Pression Puissance Puissan- Rende- Rende 1/min d'éléva- à la sor- hydrauli- ce élec- ment ment tion tie de la que trique du de la (manomè- roue (ma- (kgm/sec) absorbée groupe pompe tre B) nomètre A) par le moto- (,')* CE, m CE, m moteur pompe (w) 430 8 4 57,3 800 70,1 87,6 357 9,25 5,2 55 760 70,9 88,6 300 9,95 5,6 49,8 700 69,7 87,1 222 11,6 6,55 '43 625 67,4 84,2 141 12,5 7,1 29,4 530 54,4 68,o * Pour un rendement du moteur et de la transmission mécanique de 80%. On peut constater à la lecture du Tableau I qu'il y a une récupération importante d'énergie de pression de la sortie de la roue à la périphérie de la chambre 20 etque le rendement de la pompe est très élevé. D'après les mêmes critères que ci-dessus, on a construit un compresseur centrifuge expérimental pour gaz, qui présente les caractéristiques suivantes: - roue de type fermé à aubes radiales, ayant un diamètre de 280 mm et une hauteur de 45 mm; - chambre cylindrique de la carcasse ayant un diamètre de de 560 mm et une hauteur de 55 mm; - conduit d'aspiration ayant 120 mm de diamètre; - conduit de refoulement ayant 100 mm de diamètre; - moteur électrique de l CH tournant à 2800 t/m. On fixe à la carcasse du compresseur 2 manomètres à eau communiquant avec l'intérieur de la cavité cylindrique, l'un (A) en regard de la périphérie de la roue à aubes et l'autre (B) en regard de la périphérie de la chambre. Les résultats obtenus au cour, des essais figurent dans le Tableau II ci-dessous: TABLEAU II Débit Pression Pression Puissance Puissan- Rende- Rende l/sec manomè- manomè- produite ce élec- ment ment du tre A) tre B) -(kgm/sec) trique du compres CE, en CE, en absorbée groupe seur mètres mètres par le moto- (%) moteur compres (w) seur (%) 153 32 100 15,3 350 42,9 53,5 132 45 113 14,9 314 46,6 58,2 105 58 130 i3,6 257 52,0 65,0 76 62 140 10,7 220 47,8 59,7 48 68 142 6,7 191 34,6 43,1 A la lecture des résultats du Tableau II on peut constater que dans le cas d'un compresseur centrifuge é- galement, la pression augmente fortement entre la sortie de la roue à aubes et la périphérie de la chambre, aux dépens de l'énergie cinétique. - REVENDICATIONS 1.- Machine (pompe ou compresseur) de type centrifuge, comportant une carcasse définissant une chambre qui présente sur un côté une lumière d'aspiration centrale et sur sa périphérie une lumière de refoulement tangentielle, et une roue à aubes circulaire, de forme aplatie, qui tourne coaxialement à la lumière d'aspiration, caractérisée en ce que la chambre (20) a la forme d'un tronc de cylindre coaxial à la roue à aubes (50), dont la hauteur correspond à l'épaisseur de la roue et dont le diamètre (0C) est supérieur à celui (#G) de cette même roue. 2.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le diamètre (C) de la chambre est égal ou supérieur au double ds celui (G) ) de la roue à aubes (50). 3.- Machine selon la- revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que la roue (50) est à aubes radiales. 4.- Machine selon l'unie quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la roue à aubes (50) est carénée.