Brevet FR2536852A1 — publié le 19840601

"COMPTEUR DE GAZ A ALIMENTATION TANGENTIELILE A LARGE GA 1 E DE DEBIT" Au nom de la Société dite: L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CIAUDE Invention de Roland PEITIT 1 L'invention concerne un dispositif de mesure du débit d'un fluide du type dans lequel une roue à aubages radiaux équidis- tants est entraînée en rotation autour de son axe par un flux de fluide rencontrant lesdits aubages. Les fabricants de dispositifs de mesure de débit de fluide, en particulier de débit de gaz, offrent sur le marché une gamme de matériel qui permet à l'heure actuelle de compter avec précision les débits les plus élevéss, mais dont la limite inférieure se situe vers 1 m 3/h brut Si la pression est moyenne, les faibles consom- mations sont difficilement contrôlables Un exemple simple permet de s'en rendre compte: une consommation de 5 m 3/h à 20 barsdonne, en première approximation, un débit brut de 0,250 m 3/h, donc net- tement inférieure à la valeur minimum indiquée ci-dessus Dans ces conditions, le comptage est imprécis ou inexistant. Un seul type de matériel est actuellement capable de contrôler des débits inférieurs au mètre cube brut; il s'agit du compteur à soufflets dit "à membranes" Mais son emploi en pression pose des problèmes tels que les constructeurs en ont abndonné la réalisation complète, laissant au client le soin de réaliser l'en- ceinte de pression dans laquelle sera monté le compteur Ces comp- teurs descendent jusqu'à 0,1 m 3/h brut, leur utilisation en pression est aléatoire et ils ne permettent pas une automatisation simple du contrôle du débit corrigé, c'est-à-dire ramené aux conditions stan- dart de température et de pression. L'invention a pour but de pallier les inconvénients ci-dessus et se propose de réaliser un dispositif de mesure du débit d'un fluide capable non seulement de contrôler des faibles débits, mais ayant deplus l'avantagede pouvoir être utilisé dans une gamme de pression très large à partir de la pression atmosphé- rique. le dispositif selon l'invention comporte un carter fermé de section droite circulaire muni d'ajutages d'amenée et d'évacuation de fluide et dans lequel ladite roue peut tourillonner librement, lesdits ajutages étant alignés et disposés tangentiellement audit carter de façon que le flux de fluide issu de l'ajutage d'amenée rencontre les aubages perpendiculairement à l'axe de rotation pré- cité. La disposition alignée des ajutages et lé fait que le fluide rencontre les aubages perpendiculairement à l'axe de rotation de la roue a pour conséquence que les paliers de ladite roue ne sont sollicités que par leur propre couple de frottement. Selon une autre caractéristique de l'invention, le nombre d'aubages et la disposition des ajutages sont tels que le fluide issu de l'ajutage d'amenée rencontre toujours un aubage quelle que soit la position angulaire de la roue. Cette disposition évite l'existence de points morts pour la roue. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la distance entre l'extrémité de chaque aubage et la paroi interne du carter est variable, cette distance atteignant une valeur mini- male dans la région o les aubages reçoivent la veine-de fluide issu de l'ajutage d'amenée et maximale à l'opposé de ladite région. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif: la figure 1 montres de façon schématique, un dispositif selon l'invention, le carter étant supposé ouvert la figure 2 est une vue en coupe axiale du dispositif de la fi- gure 1. Selon le mode de réalisation représenté, le dispositif>dési- gné d'une façon générale par 10,comporte un carter 11, par exemple métallique, muni intérieurement d'une chambre cylindrique 12, de section droite circulaire, dont la paroi interne est désignée par 13 et dans laquelle débouchent deux ajutages 14 et 15 pour l'amenée et l'évacuation respectivement d'un fluide dont le débit doit être mesuré, ledit fluide circulant selon les flèches F les deux ajutages 14 et 15 sont disposés coaxialement l'un par rapport à l'autre et tan- gentiellement à la chambre circulaire 12 Ils ont, Me plus, des sections droites Si identiques Dans la chambre 12 une roue ou rotor 16, monté rotativement autour d'un axe 17 et supporté par des paliers à roulement 18 est muni d'aubages ou pales radiaux, angu- lairement équidistants, 1, 2, 3 9, cette roue, munie de ses au- bages ayant un rayon moyen Rm La circulation du fluide dans le sens des flèches F entraÂne, par action sur lesaubages, la rotation de la roue 16 dans le sens de la flèche K De fluide remplit le carter 11 de sorte que la roue 16 tourne entièrement baignée dans ledit fluide. On expliquera, ci-après, le fonctionnement du dispositif de mesure de débit de fluide ou compteur, selon l'invention. Pour que la rotation soit possible, il faut un certain jeu entre tout ce qui tourne et tout ce qui est fixe Ce jeu déter- mine nécessairement un débit de fuite Celui-ci est dû aux écarts de pression s'exerçant sur l'aubage d'une part et extérieurement à ce dernier d'autre part. Les extrémités 1 a et 9 a des pales 1 et 9 qui, dans la po- sition représentée de la roue, reçoivent la veine de fluide issue de l'ajutage d'entrée 14, se trouvent à une distance minimale 1 de la paroi interne du carter qui est suffisante pour permettre l'évacuation de la presque totalité des fuites Cette distance c 1 correspond à une surface de fuitej L'extrémité 5 de la pale 5 qui est à l'opposé des pales 1 et 9 se trouve à une distance maximale ú 2 de la paroi interne du carter, ceci pour réduire au maximum le couple de viscosité du fluide Cette différence locale de jeu entre les extrémités des - pales et la paroi du carter peut être obtenue par exemple par un léger décentrage de la roue par rapport audit carter. Roue bloquée ou n'ayant pas encore démarré Si 1 et 2 sont les masses spécifiques du fluide à l'entrée et à la sortie du carter et V 1 la vitesse du fluide dans l'ajutage d'entrée, le débit-masse entrant i=l SR V ( 1) qui résulte de la condition de continuité,s'écoule intégralement par la section de fuite A o la vitesse est V donc 1 SRV f 2 V or en régime incompressible P 1= P 2 d'o S V = R V 1 Cette vitesse V est génératrice au droit de la pale 1 d'une pression différentielle/p qui, d'après la relation de p Bernouilli, a pour valeur 2 _ = Cap S, Le couple moteur résultant m est 'em = P Ri, avec Rm rayon moyen de l'aubage par rapport à l'axe de rotation de la roue. Traduit en débit volumique, cette relation devient %m 2 L 1 (À S 2V 1 Cetterelation fournit, en fonction des paramètres cons- tructifs, R et Sp du dispositif, du débit Qentrant à la vitesse V 1 et de l masse sécifique du fluide, la valeurci drieu couple moteur m Si ce couple moteur est égal ou supérieur au couple ré- sistant C la u oue peut olu u se mettre en rotation. On en dédufeit le débit de-démarrage Q:- trucifs, S etd disositifdu dbit Ql nrn Ol ies Qd 2 252 R 2 P Equilibre de la roue dès la mise en rotation: Soit V' la vitesse tangentielle de la roue. l'équation de continuité ( 1) est modifiée de la façon suivante puisque le fluide a maintenant un mouvement relatif par rapport aux aubages: débit de fluide véhiculé entre 2 aubages QS= p VI débit de fluide évacué par la fuite: Q =ç (V - débit de fluide entrant par l'ajutage d'entrée: = se Q O=O 1 O d Rnn' r in e vites de f R V') V 1 lite: Il -,-S îS ___ V = R V)VI V 1 " La pression différentielle régnant de'part et d'autre de l'aubage 1 devient: Pt= P(vV')2 2 (V -v')2 ( 2) 2 2 plus faible que si la roue est bloquée. En remplaçant V par sa valeur dans la relation ( 2) ci- dessus et en posant, tout calcul fait, que S = A et R = B, la force P' créée par sur l'aubage 1 est: A p 22 F' =S P o (A 2 1)Av 2 + 2 ABV 1 AV + B V 1 P 2 o \V =V V 1 écart de vitesse entre le fluide entrant et la roue à aubages. Mais à cette force F' s'ajoute une force F" résultant de la variation de quantité de mouvement du fluide entrainé par la roue, dont la vitesse V 1 a été réduite-jusqu'à V', soit Fil =Psv I (V 1 V') = F Isp (V -,'V) V F' et F" équilibrent la force résistante à l'entraînement appliquée au centre de la pale et telle que -R = 'R @R et Rm ayant Rm déjà été définis Donc Rm F' + F" R = O Rm Soit après mise en forme: (A 2 + 1)(AV 2 2 (AB + 1) AV + B 2 2 R = O v 11 V 12 dont la solution en V' est: V 1 VI 1 =1 AB1 | 1 +\î ( 2 B)B + 2 (A 2 + î)'> l V 1 A 2 +,1 + PS m V, | L en exprimant VI': soit V' = 21 T Rm N avec N nombre de tours par unité de volume q passé on tire N 1 A_ t + AB +\f + ( 2 A B) B + 2 (A 2 + 1)e q u 2 r Rm SR L A 2 + t 1-RmE Q 6 2536852 Cette seconde relation donne, en-fonction des divers para- m-tres constructifs du dispositif, du débit Q 1,-de la masse spéci- fique du fluide e donc de la pression, de la fréquence réduite N atteinte, en fonction du couple résistant, le couple résiduel. Rq Or, ce couple résiduel 'R conditionne également (voir plus haut) le débit de démarrage Il a donc intérêt à être le plus faible possible. Dans le cas de la présente invention, ce couple résiduel est réduit au couple résistant des paliers et au couple résiduel de viscosité Ce dernier ayant été iréduit par le choix judicieux des jeux entre carter et rotor Le couple de détection de vitesse est totalement annulé si on utilise une détection par fibres optiques. L'invention n'est nullement limitée au mode de réalisa- tion décrit et représenté et de nombreuses modification pourraient y être apportées Par exemple, les section droites SR des deux ajutages peuvent être différentes l'une de l'autre et différentes de la section de la pale St Le nombre des aubages peut être supérieur ou inférieur à neuf On pourrait également utiliser, au lieu de paliers à roulement pour le rotor, toute autre sorte de paliers, y compris des paliers fluides - REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure du débit d'un fluide du type dans lequel une roue ( 16)à aubages radiaux équidistants ( 1, 2,, 9) est entraînée en rotation autour de son axe ( 17) par un flux de fluide rencontrant lesdits aubages, caractérisé en ce qu'il comporte un carter fermé ( 11-) de section droite circulaire muni d'ajutages ( 14, 15) respectivement, d'amenée et d'évacuation de fluide et dans lequel ladite roue ( 16) peut tourillonner librement, lesdits ajuitages ( 14, 15) étant alignés et disposés tangentiellement audit carter ( 11) de façon que le flux de fluide issu de l'ajutage d'amenée ren- contre les aubages ( 1, 2,, 9) perpendiculairement à l'axe de rotation ( 17) précité. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'aubages ( 1, 2,, 9) et la disposition des ajutages ( 14, 15) sont tels que le gaz issu de l'ajutage d'amenée - ( 14) rencontre toujours un aubage quelle-que soit la position an- gulaire de la roue ( 16) 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre l'extrémité (Sa, 2 a,, 9 a) de chaque aubage et la paroi interne ( 1-3) du carter ( 11)-est variable, cette distance atteignant une valeur minimale (E 1) dans la région o les aubages reçoivent la veine-de fluide issu de l'ajutage-d'amenée ( 14) et maximale ( 2) à l'oppos, de ladite région. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section droite S de l'ajutage d'entrée ( 14) et la sur- R face S des aubages ( 1, 2,, 9) sont identiques. p Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans le cas de la mesure du débit d'un fluide de masse spé- cifique i Ple débit de démarrage Q dudit dispositif est donné par la formule: 2 R- QO =\ \ ( 1 1)JS Rm P s R - dans laquelle: SR: section droite de l'ajutage d'entrée S: section droite d'un aubage S:section droite d'un aubage = surface de fuite entre l'extrémité des aubages et le carter R = couple résistant Rm = rayon moyen de la roue. 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section droite de l'ajutage d'entrée ( 14) et la surface des aubages ( 1, 2,, 9) SR et Sp respectivement, sont diffé- rentes.