Brevet FR2554873A1 — publié le 19850517

- 1 - 2554873 La présente invention concerne une pompe centri- guge à composante radiale, notamment une pompe à eaux usées à amorçage automatique munie d'une oule axiale et d'un rotor avec au moins une palette conte- nue dans un corps comportant une tubulure de refoule- ment. La capacité d'aspiration et donc le débit des pompes de ce type dépendent directement de la mesure dans laquelle l'air qui se trouve dans une cavité au milieu du rotor à palette peut être évacué. En effet, dès que le rotor tourne et capte une quantité de li- quide requise tout d'abord pour toute pompe à amor- çage automatique et qui, à partir de sa chambre de remplissage, remplit la pompe jusqu'à peine au-dessus du milieu de l'axe du rotor, il se forme dans le corps de pompe annulaire ou en volute un courant de traînée qui tourne autour de l'axe du rotor et qui, dans sa zone extérieure, se compose presque exclusi- vement de liquide, tandis qu'à l'intérieur il se com- pose d'un mélange de liquide et d'air. Il n'existe pas de limite nette entre ces deux zones extérieure et intérieure. Ce courant de traînée maintenu en suspension par le rotor tournant n'a aucune espèce d'action aspirante. Le courant de traînée et la cavité centrale sont entourés par un anneau d'eau qui remplit la partie restante du corps de pompe en volute ou annulaire. Etant donné qu'il n'existe pratiquement pas liquide ne contenant pas de particules d'air ou de gaz répar- ties extrêmement finement, il faut que, lors de l'as- piration, le mélange d'air et d'eau traverse l'anneau d'eau extérieur afin de pouvoir réduire la cavité et l'air qui s'est accumulé au milieu du rotor et aussi les bulles d'air entraînées dans le courant d'eau. Toutefois, des forces centrifuges considérables de l'épaisse couche d'eau formée par le rotor à palette s'opposent à cette réduction. - 2 - 2554873 On connait par le DE -B- 1 528 879 un dispositif d'amorçage automatique pour pompes centrifuges à compo- sante radiale dans lequel un tube ouvert à ses deux ex- trémités est disposé dans la tubulure de refoulement, l'extrémité intérieure de ce tube étant située à la pé- riphérie du rotor. Ce tube, qui a une section rectan- gulaire, présente à son extrémité intérieure un biseau qui pénètre dans l'embouchure du courant de traînée en rotation. Ce tube a pour objet de dériver une partie de la zone intérieure, fortement chargée d'air, de ce courant de tra née et de conduire cette partie à la sortie de la tubulure de refoulement séparément du res- te de l'écoulement. Dans ce tube l'air peut, en un é- coulement à peu près laminaire, s'élever sans perturba- tion et passer dans une conduite de refoulement tandis que l'eau passe par une embouchure dans l'enceinte prin- cipale de la tubulure de refoulement et parvient ainsi à nouveau dans le courant de tratnée en rotation. Par cette séparation d'air et de liquide l'air peut 9tre envoyé dans une conduite de refoulement et le liquide être renvoyé dans la pompe. La réduction du volume d' air dans l'enceinte de la pompe provoque une succion à la tubulure d'aspiration, ce qui engendre dans la cham- bre de remplissage une dépression qui élève le liquide situé au-dessous du niveau de la pompe. On connaît aussi des pompes qui assurent une sépa- ration des fractions d'air et d'eau par des fermetures de cavité, volets ou autres corps de refoulement ou di- recteurs disposés dans la tubulure de refoulement et divisant le courant principal. Tous ces dispositifs connus requièrent un supplément de parties intérieures de fermeture qui augmentent les coIts de fabrication et d'assemblage. L'invention est basée sur ce qu'en plus de l'écou- lement de traînée central il existe le long du pourtour du rotor un écoulement secondaire. Le mélange d'eau et d'air entraîné dans l'écoulement de traînée et se re- -3- nouvelant constamment jusqu'au début du refoulement est évacué en permanence dans la conduite de refoulement, ce à quoi servent les corps directeurs supplémentaires mentionné précédemment. Hors de l'anneau d'eau et d' air en rotation un volume d'eau pratiquement sans air et dont la vitesse d'écoulement est nulle se maintient en suspension. L'écoulement secondaire maintient en mouvement les particules d'eau sortant du rotor et as- sure que du liquide parvient à nouveau dans ce dernier. Les particules d'eau dépourvues d'air sont renvoyées dans le rotor par l'anneau tourbillonnant d'eau et d' air. Le problème auquel l'invention apporte une solu- tion consiste à rendre possible une construction plus simple et moins coateuse, ne faisant pas appel à des corps directeurs ou pièces intérieures de fermeture supplémentaires qui, notamment lorsque la pompe à amor- çage automatique fonctionne avec des eaux usées, sont un inconvénient par le risque d'accumulation de sale- tés qu'ils favorisent. La solution à ce problème est constituée, confor- mément à l'invention, par une chambre de tourbillonne- ment qui est tangente au rotor et relie le corps du rotor à la tubulure de refoulement. Cette chambre peut être réalisée en lui donnai une section allant en s'é- lagissant de bas en haut, avec un tronçon inférieur qui, vers le haut, commence par s'élargir puis se rac- corde à un tronçon de section constante. Dans cette disposition cette chambre de tourbillonnement peut présenter un tronçon inférieur en forme d'entonnoir dont le plus petit diamètre est proche de l'endroit le plus bas du rotor et dont le plus grand diamètre est sensiblement au niveau du milieu du rotor. Du fait de la chambre de tourbillonnement abordée par le courant tangentiellement au diamètre du rotor et conduisant à la tubulure de refoulement, on peut, par suite de la forme - notamment en entonnoir - de -4 - cette chambre dans la zone du rotor, agir sur l'écoule- ment secondaire de telle sorte que, du fait de la force centrifuge dont la direction se trouve volontairement modifiée, le liquide qui par ailleurs est accéléré ra- dialement par rapport à l'arbre du rotor retourne plus vite dans le rotor et, ce faisant, enveloppe une partie de l'air ou du gaz contenu dans la cavité. La forme de la chambre de tourbillonnement ne perturbe pas l'écoule- ment général, de sorte que le gaz isolé, entraîné en ro- tation par la palette du rotor, peut entrer dans le champ du tourbillon secondaire et être évacué par celui- ci; en d'autres termes, il est, par la force centrifuge du liquide plus lourd en rotation, repoussé dans le noyau de rotation au sein de la chambre de tourbillonne- ment. Arrivé là, ce gaz s'élève avec le liquide en as- cension hélicoïdale et parvient, par l'intermédiaire de la tubulure de refoulement, dans le circuit de pompage. L'invention va maintenant ttre décrite plus en dé- tail sur la base d'un exemple d'exécution et en se ré- férant au dessin annexé qui illustre cet exemple; sur ce dessin - la figure 1 est une vue en coupe verticale, per- pendiculairement à l'axe du rotor, d'un corps de pompe à rotor comportant une chambre de tourbillonnement con- forme à l'invention, dans une première phase de fonc- tionnement du rotor, et - les figures 2 à 4 représentent le corps de pompe selon la fig. 1, vu respectivement dans une deuxième, troisième et quatrième phase de fonctionnement du rotor. La pompe 1 se compose d'un corps 2 dans lequel tourne un rotor 3 avec un arbre moteur 4 et une palette 5. Ce corps en forme d'anneau ou de volute se raccorde à une chambre de tourbillonnement qui, à l'endroit le plus bas T du rotor, présente une forme en entonnoir qui s'étend jusque dans une partie radiale située à mi- hauteur M du rotor et agit à la façon d'un cyclone. A la suite de ce tronçon en entonnoir la chambre de tour- - - 2554873 billonnement 6 se continue, sans changer de diamètre, jusqu'à la tubulure de refoulement 7. Les fig. 1 à 4 montrent en traits mixtes la section de la volute et du raccordement à la chambre de tourbil- lonnement dans le champ de celle des extrémités du corps annulaire en spirale 2 qui, vue dans la direction du courant liquide, est située côté sortie, la section libre de ce corps étant, dans cette zone de raccordement, égale à la largeur du rotor 3. Coaxialement à l'arbre moteur 4 du rotor 3 se trou- vent sur le corps 2 de la pompe 1 des tubulures ou ouïes d'admission (non représentées au dessin) auxquelles est raccordé e, au moyen de brides, une chambre de remplis- sage. Les parois latérales du corps 2 ne présentent qu' un faible jeu par rapport au rotor 3 et sa palette 5, tandis que la distance entre la spirale proprement dite ou l'anneau du corps 2 et le rotor 3 n'est en aucun en- droit inférieure à la largeur du rotor. La section cir- culaire du corps 2 a, elle aussi, une influence positive sur la formation de l'écoulement secondaire. A la mise en rotation de la pompe 1, celle-ci vide tout d'abord, par aspiration, la chambre de remplissage située en amont, et le rotor 3 remplit de liquide le corps 2 qui l'entoure. Lors des premiers tours du rotor 3 il ne se produit pas de refoulement. Il se forme plu- t8t un anneau liquide 8 dans le corps 2, avec une grande force centrifuge radialement vers l'extérieur, de sorte que le liquide rencontre la paroi de la chambre de tour- billonnement latéralement tangentiellement, comme figuré par les flèches 9. Hors du tronçon inférieur, analogue a un entonnoir, de la chambre de tourbillonnement qui à cet endroit présente une section circulaire, naissent a- lors à nouveau des efforts centrifuges qui renvoient le liquide dans le rotor 3 comme figuré par les flèches 12. Ceci ne perturbe pas l'écoulement général dans la chambre des gaz; les particules 13 de gaz et d'air contenues dans le liquide peuvent s'élever dans le grand tronçon cylin- 6 - 2554873 drique opérant comme récipient de compensation qui fait suite à la partie en forme d'entonnoir de la chambre de tourbillonnement 6, et ces particules sortent ensuite par la tubulure de refoulement 7. Lors de l'aspiration il s'établit de très grandes vitesses qui influent en conséquence sur la force cen- trifuge de l'anneau liquide 8 et du tronçon en forme d' entonnoir de la chambre de tourbillonnement 6 alimenté par cet anneau. Le rotor 3 qui tourne avec l'espace creux ou ceavité centrale 14 rempli d'air ou de gaz en- traine à sa suite, par l'arête de fuite 5a de la palette, une tramnée d'air 15. L'écoulement de traînée 16 égale- ment engendré par le rotor renferme souvent, en plus des particules d'air expulsées par effet centrifuge et en- traînées comme satellites dans l'écoulement de traînée, une grosse bulle d'air 17 fixée sur la palette 5. On voit aux fig. 2 et 3 qu'à mesure que la longueur de la distance parcourue augmente la tramnée d'air 15 dé- dépourviuede liquide s'agrandit en conséquence, cette tratnée étant déterminée essentiellement par la vitesse de rotation du rotor 3, la vitesse angulaire de l'anneau liquide 8, la somme de la colonne de liquide suspendue côté aspiration et pesant côté refoulement, ainsi que par la forme de la palette 5 du rotor. De cette façon l'air inclus dans la bulle 17 parvient dans le champ du du tourbillon secondaire, lequel entraîne cet air et, par l'action de la force centrifuge du liquide lourd en rotation, l'élimine dans le noyau de rotation figuré par les flèches 18, o il s'écoule, avec le liquide en as- cension et les autres particules d'air 13, vers la tubu- lure de refoulement 7. La teneur en air dans le liquide diminue à mesure qu'augmente le nombre des rotations, son énergie cinétique ne diminuant que très légèrement du fait des forces centrifuges, de sorte que de la cham- bre de tourbillonnement 6 il retourne dans l'anneau li- quide 8 du corps 2. La fig. 4 illustre la phase dans laquelle l'arête _7 - _2554873 de fuite 5a de la palette 5 est entrée dans le champ d'écoulement secondaire 9. Favorisé par la forme parti- culière en entonnoir de la chambre de tourbillonnement 6, le liquide, à cause de la force centrifuge qui a une autre direction, pénètre plus rapidement dans le rotor 3 et enferme une partie de l'air de la cavité centrale sous forme d'une bulle d'air 19, car la palette 5 em- p8che, au voisinage de son arête d'attaque 5b, le flot de liquide s'écoulant en direction du milieu du rotor de pénétr r dans la cavité 14. Une partie de la tralnée d'air 15 se trouve ainsi isolée de l'intérieur du rotor. La palette tournante 5 pousse la bulle d'air 19 devant elle et l'évacue dans le noyau de rotation 18. Ceci se répète à chaque tour du rotor 3, et à mesure qu'augmen- te la hauteur de la colonne d'aspiration et celle de la colonne de refoulement l'angle de traTnée diminue dans 1 champ de l'écoulement de traînée 16. Simultanément, la vitesse du liquide augmenteà cet endroit et dans le noyau de rotation 18. De cet état de choses le débit de la pompe peut s'expliquer comme suit: à l'aspiration la hauteur est fournie par l'anneau liquide, au refoule- ment par la palette du rotor, la vitesse de l'anneau li- quide 8 diminuant en fonction du débit véhiculé par la pompe. -8- - 8 - 2554873 REVENDICATIONS 1. Pompe centrifuge à composante radiale (1), notamment pompe à eaux usées à amorçage automatique avec ou!e axiale d'entrée et un rotor (3) muni d'au moins une palette (5) dans un corps de pompe (2) comportant une tubulure de refoulement (7), cette pompe étant caractérisée en ce qu'elle comporte une chambre de tourbillonnement (6) qui est tangente au rotor (3) et relie le corps (2) du rotor à la tubu- lure de refoulement (7). 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section de la chambre de tourbillonne- ment (6) va en s'élargissant de bas en haut. 3. Pompe oelon la revendication 1 ou 2, caracté- risée en ce que la chambre de tourbillonnement (6) comporte un tronçon inférieur qui, en direction du haut, commence par s'élargir puis se raccorde à un tronçon de section constante. 4. Pompe selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisée en ce que la chambre de tourbillonnement (6) comporte un tronçon inférieur en forme d'entonnoir dont le diamètre le plus petit est proche de l'endroit le plus bas (T) du rotor (3) et dont le diamètre le plus grand est sensiblement au niveau du milieu du rotor (3).