Brevet FR2549006A1 — publié le 19850118

La présente invention concerne un système de rotors, comprenant plusieurs rotors à pales montés sur un arbre, et conçu pour imprimer un débit à un fluide ou pour être mis en rotation par un tel débit de fluide. L'invention concerne en général les systèmes de rotors du type mentionné ci-dessus, qui peuvent par exemple être inclus dansdes systèmes de pompes ou de turbines ou utilisés comme hélices de bateaux ou d'avions L'invention a cependant, été initialement mise au point pour résoudre des 10 problèmes concernant des hélices de bateaux. Un équipement interne de marine comporte un moteur un réducteur à engrenages avec inverseur de marche, et un arbre de transmission muni d'une hélice Pour un moteur diesel marin de la classe des 400 H P, la vitesse de rota15 tion est d'environ 2400 à 2600 t/min, qui doit être substantiellement réduite pour que l'hélice soit efficace Aux vitesses d'environ 15 noeuds, une -réduction de 1:2 peut être normale, mais pour des bateaux plus lourds à longue durée de service, pour lesquels le coût du carburant est d'une particulière 20 -importance, il peut être souhaité d'avoir des réductions de vitesses allant jusqu'à 1:4 ou 1:5 Correlativement à la réduction de vitesse de l'hélice, l'augmentation du couple qui doit être transmis à travers le mécanisme d'inversion-de marche et l'arbre de transmission à l'hélice, en accroît 25 les dimensions. Il peut être mentionné par exemple que la puissance et les gammes de vitesses indiquées ci-dessus nécessitent de passer d'une réduction de 1:2 à 1:4 qui accroît difficilement l'efficacité de 50 à 60 % environ, augmente le diamètre de 30 l'arbre d'hélice d'environ 25 % et le diamètre d'hélice d'environ 60 % Ainsi, les gains obtenus par une efficacité d'hélice accrue accompagnés de coûts de carburant réduits sont partiellement obérés par les coûts plus élevés du 2 2549006 mécanisme d'inversion de marche, de l'arbre et de l'hélice. 5 Les coûts globaux des derniers éléments cités peuvent être très élevés, jusqu'à la moitié du prix du moteur Un autre problème est que le grand diamètre d'hélice crée des difficultés d'encombrement, qui rendent impossible l'utilisation d'une réduction égale ou supérieur à 1:4 dans les transmissions dites internes-externes Une solution connue au problème d'Qbtenir une grande efficacité d'hélice, lorsque le diamètre de l'hélice n' a pas besoin d'être plus grand que ce qui est pratique pour les transmissions internes externes pour la dite classe de puissance de moteur, est de monter deux hélices tournant en sens contraire entraînées par des arbres concentriques Le coût de ce montage est cependant élevé car il implique de longs arbres creux. Le but de la présente invention est de réaliser un système de rotors décrit en introduction, plus spécialement 20 une hélice de bateau qui peut être fabriquée à un coût beaucoup plus faible que les dispositifs de ce type connus auparavant, sans sacrifier à l'efficacité. Ceci est réalisé selon l'invention par le fait que l'arbre est en prise sur l'engrenage central d'un train d'engrenage planétaires, que N rotors sont en prise sur une couronne dentée qui s'engrène sur les engrenages planétaires du train d'engrenage, tournant en sens inverse de celui de l'arbre, et que N+I 1 rotors sont fixés et entrainés sur et par le porteur d'engrenages planétaires tournant dans le 30 même sens que l'arbre. L'idée de base de l'invention réside en ce que la réduction du nombre de tours du moteur n'est pas à faire avant le rotor,c'est à dire non pas dans le système d'inversion de marche, mais dans le moyeu du système de rotors, qui 35 permet de réduire les dimensions de l'inverseur de marche et de l'arbre et de les rendre ainsi moins couteux qu'auparavant Sur ce principe, un système de rotors a été réalisé en observant le rapport cidessus mentionné dans ou contre le sens de rotation de l'arbre, un tel système pouvant être équilibré du fait que l'un des rotors tournant avec l'arbre équilibre le couple de l'arbre; tandis que les rotors restants sont appariés en sens de rotation contraires et s'équilibrent l'un avec l'autre. Un système de propulsion de marine à trois hélices conçu de manière optimum selon les principes de l'invention, aura un diamètre d'hélice d'environ les 2/3 de celui d'une hélice unique étudiée de manière pptimale pour une réduction de 1:4 ou 1 5 r Le coût total de l'inverseur de marche, de 10 l'arbre, et du montage de l'hélice sera approximativement moitié moindre de celui correspondant à un montage monohélice, tandis que l'efficacité sera la même pour l'un et l'autre montage. L'invention est décrite d'une manière plus détaillée 15 en se 'référant aux exemples présentés dans les dessins ci-joints, parmi lesquels la figure 1 montre la coupe longitudinale d'un système de rotors selon l'invention, dans une réalisation générale; la figure 2 montre schématiquement un système d'hélices pour bateau; la figure 3 montre la coupe longitudinale du système présenté en figure 2; la figure 4 montre ur coupe partielle et en perspective de la réalisation d'un système d'hélices pour bateau; les figures 5, 6, et 7 montrent des vues schématiques en perspective illustrant d'autres applications du système de 25 rotors selon l'invention. Le système de rotors présenté schématiquement sur le figure 1 peut être une pompe, un compresseur, un ventilateur ou une turbine Un arbre 1, qui selon l'application, est l'arbre d'entrée ou de sortie porte un engrenage 2 qui est 30 l'engrenage central d'un train d'engrenagesplanétaires et s'engrène sur les planétaires 3 d'un porteur de planétaires 4 Une couronne dentée 5 sur une moyeu cylindrique 6 engrène sur les pignons planétaires 3 Le moyeu 6 porte deux jeux de pales de rotors 7 et ainsi forme avec les pales 7 deux rotors 8 fermement assemblés l'un à l'autre et tournant dans le sens inverse de rotation de l'arbre Le por-eui de planétaires 4 est assemblé à trois jeux de pales de rotors 9 dont les deux jeux extérieurs sont associés l'un et l'autre au porteur de planétaires et à une enveloppe cylindrique 10, tandis que le jeu central de pales 9 est seulement monté sur le cylindre 10, formant ainsi trois rotors il assemblés fermement l'un à l'autre et tournant dans le sens de rotation de l'arbre. L'invention est basée sur l'idée selon laquelle pour un diamètre donné maximum, la meilleur efficacité est obtenue quand les différents rotors du système ont appro10 ximativement la même vitesse de rotation et produisent le même couple Certains écarts par rapport à ces valeurs égales peuvent découler du fait que les rotors induisent des vitesses sur le milieu ambiant axialement et radialement demandant ainsi des mises au point de diamètre et de pas 15 ( voir figure 2). La condition à observer selon l'invention est-que si le nombre de rotors tournant en sens inverse de l'arbre est N, le nombre de rotors tournant dans le même sens que l'arbre doit être de N+i dans le but d'obtenir un équilibre 20 des couples quand les rotors tournent à la même vitesse. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, N= 2 et la relation suivante s'applique: Couple de l'arbre 1 + IQ Couple des rotors tournant avec l'arbre 3 Q Couple des rotors tournant en sens inverse de l'arbre + 2 Q Total O Ainsi il y a compensation du couple quand le couple d'un rotor correspond au couple d'entrée Cela signifie que 30 le moyeuréducteur qui est intégré dans le système doit augmenter le couple de cinq fois, et le distribuer également entre les cinq rotors Ceci signifie aussi qu'en l'absence de pertes de puissance, la puissance ne va pas changer et le nombre de t/min aura été réduit au cinquième 35 de celui de l'arbre D'une manière générale, ceci signifie que la réduction doit être de 1:1 + 2 N qui veut dire que la réduction initiale du système planétaire, qui est le rapport 2549006 entre les diamètres d'engrenage de la couronne 5, qui entraine les rotors 8, tournant en sens contraire, et l'engrenage central 2 doit être de 2:1 dans l'exemple representé figure 1 Ceci signifie de manière générale que la réduction doit être de N:1. Les figures 2 et 3 représentent une variante réalisation destinée à illustrer les relations ci-dessus. Ces figures montrent schématiquement un montage à triple hélice pour bateau 20,21 ( c'est à dire N= 1) Les hélices antérieure et postérieure 21 sont entrainées dans le mnme sens que l'arbre 1, tandis que l'hélice centrale 20 tourne dans le sens inverse de celui de l'arbre Ainsi que le montre la figure 2, les hélices antérieure et centrale peuvent être considérées comme une paire tournant 15 en sens inverse et compensant leurs propres couples, tandis que le couple de l'hélice postérieure équilibre celui de l'arbre Les diamètres des hélices sont adaptés pour tenir compte du rétrécissement de l'écoulement du fluide. Puisque N dans cet exemple est égal à 1, la réduction 20 de base est de 1:1 qui rend possible comme le montre la figure 3, de faire du système planétaire un simple différentiel L'arbre 1 porte un engrenage central 22 avec un engrenage conique annulaire, et un engrenage 23 avec un engrenage annulaire correspondant est monté sur le moyeu 25 24 de l'hélice centrale 20 Le moyeu 25 de l'hélice antérieure 21 constitue le porteur des engrenages planétaires 26 et est fermement assemblé au moyeu 27 de l'hélice postérieure par un fourreau 28 Dans ce cas, la vitesse de rotation de l'hélice est réduite au tiers de celle de 30 l'arbre. En démultipliant la vitesse du moteur dans le moyeu de l'hélice l'inverseur du marche du moteur peut aussi être constitué comme un simple différentiel (non représenté sur la figure) avec une réduction initiale de 1:1 Pour 35 l'entrainement en marche avant, le train d'engrenage est verrouillé, par exemple par un embrayage, de façon à constituer un tout, qui emboîte l'arbre d'entrée sur le 6 2549006 porteur d'engrenages planétaires Pour l'inversion de marche, le porteur de planétaires est bloqué par exemple, sur le carter du pignon libre du moteur, et l'arbre de sortie tourne dans le sens inverse de celui de l'arbre cd'entrée Le rapport de réduction en marche avant et en marche arrière est de 1:1 L'entrainement en marche avant n'entraîne aucune perte à l'exception de celles provoquées par l'huile circulant dans lecarter du train d'engrenages. Le différentiel de l'inverseur de marche peut en principe 10 avoir les mêmes dimensions et la même taille d'engrenages que le différentiel integré dans le moyeu d'hélice qui facilite la réduction des coûts. La figure 4 représente le système d'hélices des figures 2 et 3 dans une réalisation pratique pour laquelle 15 les détails sans intérêt pour la présente invention, tels qu'engrenages, joints et analogues ont été négligés et, ou les détails avec contreparties dans les figures 2 et 3 oht reçu les mêmes indices de références que dans ces figures. L'arbre 1 est assemblé de manière fixe sur l'engrenage central 22 par la cannelure 28 Les engrenages planétaires 26 sont montés sur des axes 29, qui sont fixes dans un fourreau 30 avec lequel le moyeu 25 de l'hélice antérieure est assemblé de manière non rotative au moyen des cannelures 31 Les extrémités internes des axes radiaux 29 sont montés dans un manchon 32 dans la partie arrière duquel est serti un axe 33 qui est couplé par les cannelures 34 à un fourreau 35 et en outre par des cannelures 36 au moyeu 27 de l'hélice postérieure 21 La partie antérieure de l'arbre 33 est portée par un roulement à aiguilles 37 à l'extrémité postérieure de l'arbre d'hélice 1 Ainsi, les fourreaux 30, 32 se comportent comme le porteur d'engrenages planétaires, qui est assemblé de manière rcn rotative aux hélices 21. Le moyeu 24 de l'hélice centrale 21 est assemblé par les cannelures 40 à un élément de fourreau additionnel 41, qui est assem- 7 2549006 blé rotativement par rapport aux fourreaux 30,32 opérant comme le porteur d'engrenages planétaires L'élément de fourreau 41 a des dents d'engrenage 23 qui s'engagent sur les engrenages planétaires 26 et sont donc identiques à celles de l'engrenage central 22. Les engrenages 22,26,23 du système planétaire ou différentiel tournent dans un bain d'huile et le système de moyeu est par conséquent hermétique à l'eau environnante au moyen de joints qui n'ont pas été présentés de manière détaillée ici Afin d'être stir que l'eau ne puisse pas s'infiltrer, l'huile est mise sous pression au moyen d'un 10 accumulateur de presseion 43, qui contient une membrane à ressort taré ou une capsule anéroïde (non représentée) qui est assemblée à un ergot 44 se déplaçant à travers le carter de l'accumulateur Plus l'ergot est en saillie et plus la pression s'élève Ainsi, l'ergot agit comme un indicateur de pression qui fournit un contrôle visuel direct du main15 tien de la pression recommandée. D'autres applications du principe de l'invention sont illustrées par les Fig 5 et 7 La Fig 5 montre un système d'hélices pour avion avec une hélice "contra-rotative" 50 et deux hélices 51 tournant avec l'arbre d'hélice La Fig 6 représente un hélicoptère muni d'un 20 rotor "contra-rotatif" 60 et deux rotors 61 tournant avec l'arbre. Tous les modes de réalisation du système de rotors décrit ci-dessus ont un arbre de transmission, mais l'invention n'est pas comme il y été dit dans l'introduction, limitée à de tels systèmes de rotors; elle embrasse aussi des systèmes de rotors à arbres entrai25 nés Un exemple de dernier type est présenté à la Fig 7 sous la forme d'une turbine à eau pourvue d'un rotor "contra-rotatif" 70 et de deux rotors 71 tournant avec l'arbre En vertu du fait que le diamètre du rotor peut être réduit substantiellement, comme dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, vis à vis d'un montage mono-rotor, la section 30 de la canalisation peut également être réduite et abaisser ainsi les coûts. REVENDICATIONS 1. Système de rotors, comprenant plusieurs rotors à pales portés sur un arbre et conçu pour imprimer un débit à un fluide ou être mis en rotation par un tel fluide, caractérisé en ce que l'arbre ( 1) est assemblé sur et entraîné par l'engrenage central ( 2, 22) d'un train d'engrenages planétaires, en ce que N rotors ( 8; 20) sont assemblés et entrainés sur et par une couronne dentée ( 5; 23) qui engrène sur les pignons planétaires ( 3; 26) du train d'engrenages pour tourner dans le sens inverse de 10 celui de l'arbre, et en ce que N+ 1 rotors ( 11; 21) sont assemblés et entrainés sur et par le porteur d'engrenages planétaires ( 4; 28; 30; 32) du train d'engrenages pour tourner dans le sens de rotation de l'arbre. 2 Système de rotors selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre les diamètres de roulement de la dite couronne dentée ( 5; 23) et l'engrenage central ( 2; 22) est approximativement égal à N:1. 3 Système de rotors selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les rotors ( 8, Il; 20,21) sont 20 disposés de sorte que les rotors adjacents soient contrarotatifs. 4 Système de rotors selon l'une des revendications 1-3 caractérisé en ce que les surfaces et les angles de pales des rotors ( 8,11; 20,21) sont choisis de sorte que 25 tous les rotors absorbent approximativement la même part de couple. Système de rotors selon l'une des revendications 1-4, caractérisé en ce que les diamètres des rotors ( 8,11, 20,21) sont adaptés respectivement au rétrécissement de la 30 veine liquide glissant (a) le long du système de rotors. 6 -Système de rotors selon l'une des revendications 1-5, caractérisé en ce que les rotors sont des hélices ( 20, 21) qui forment un ensemble. 7 système de rotors selon la revendication 6, 35 caractérisé en ce qu'il est pourvu de trois hélices. 9 2549006 8 Système de rotors selon la revendication 7, caractérisé en ce que le train d'engrenages planétaires est un différentiel de rapport 1:1. 9 Système de rotors selon la revendication 8, 5 caractérisé en ce que les engrenages planétaires sont montés sur des axes radiaux fixes dans des fourreaux assemblés sur les moyeux des hélices antérieure et postérieure, et en ce que le moyeu de l'hélice centrale est assemblé à un second fourreau ayant une couronne dentée 10 engrenant sur les pignons planétaires. Système de rotors selon l'une des revendications 1-9, caractérisé en ce que le train d'engrenages planétaires est disposé dans un carter à bain d'huile sous pression.