Brevet FR2605060A1 — publié le 19880415

La présente invention concerne les pompes centrifuges et plus précisément une roue centrifuge à bandage destinée à être utilisée dans une pompe centrifuge. L'invention concerne plus précisément l'élimination des détériorations dues à la cavitation et qui sont normalement provoquées par un courant de recirculation du fluide autour du bandage de la roue. On a constaté que l'addition d'un bandage à une roue centrifuge n'ayant par ailleurs pas de bandage, empêchait la formation de tourbillons aux extrémités des ailettes de la roue ou à leur voisinage et évitait ainsi la détériora- tion de la roue par cavitation provoquée par les tourbil- lons. L'addition d'un bandage pose cependant des problèmes particuliers car une partie du fluide, en aval de la roue, a tendance à recirculer autour de la périphérie externe du bandage et à pénétrer à nouveau dans le courant principal, juste en amont des ailettes de la roue. Lorsque le fluide qui recircule sort de l'espace délimité derrière le bord avant ou aval du bandage, il arrache souvent des tourbil- lons qui viennent frapper directement les parties des ailettes de la roue qui sont placées plus à l'extérieur en direction radiale. Ces tourbillons créent un effet d'éro- sion sur les parties affectées des ailettes et provoquent finalement une perte de rendement et de résistance méca- nique de la roue analogue à celle d'une roue sans bandage. Ainsi, l'utilisation d'un bandage destiné à éviter les problèmes posés par les tourbillons aux extrémités des ailettes est compromise par le problème posé par les tour- billons arrachés au bord avant du bandage. On a effectué diverses tentatives de résolution des problèmes posés par le courant de recirculation autour d'une roue à bandage. Par exemple, on a placé des joints labyrinthes autour de la périphérie externe du bandage de la roue afin que le courant de recirculation autour du bandage soit réduit au minimum. Cependant, quelle que soit la qualité du joint labyrinthe, il reste toujours un cer- tain courant passant par dessus le joint et qui provoque alors l'apparition du problème précité posé par les tour- billons. En outre, au cours du temps, les j6ints laby- rinthes ont tendance à perdre leur efficacité, surtout dans les pompes dans lesquelles les vibrations et les conditions thermodynamiques soumettent le joint à un frottement impor- tant. Une utilisation importante des joints labyrinthes pourrait être envisagée pour la réduction du courant de recirculation à une valeur minimale, comme suggéré dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2 984 189. Une telle utilisation poussée des joints d'étanchéité n'est cependant pas possible en pratique et est coûteuse. Divers autres procédés ont aussi été proposés pour la construction d'une roue centrifuge à bandage afin que les problèmes posés par les tourbillons provenant du bandage soient résolus. Cepen- dant, aucun d'eux ne s'est révélé à la fois efficace et utilisable en pratique compte tenu du coût. La présente invention a pour objet une roue centrifuge à bandage qui évite les problèmes de détérioration par cavitation dus à la recirculation du fluide autour du bandage. L'invention concerne aussi une telle roue centrifuge à bandage qui ne nécessite pas d'utilisation importante des joints labyrinthes. Elle concerne aussi une pompe à roue centrifuge à bandage qui ne présente pas un degré significatif de dété- rioration par cavitation, soit à cause des tourbillons des bouts des ailettes soit à cause des tourbillons arrachés par le fluide qui recircule autour de la roue centrifuge à bandage. Elle concerne aussi une pompe à roue centrifuge à bandage dans laquelle le fluide qui recircule autour du bandage peut être réintroduit à l'entrée avec une perturba- tion minimale du diagramme de circulation à l'entrée. Les objets précédents ainsi que d'autres sont réalisés selon la présente invention qui concerne de façon générale un perfectionnement aux pompes ayant une roue centrifuge à bandage comprenant au moins une ailette spiralée entourée circonférentiellement par un bandage. La roue centrifuge est montée afin qu'elle puisse tourner dans un boîtier. Le boîtier a une entrée et une sortie de fluide et un espace annulaire est délimité par la périphérie externe du bandage et la surface adjacente du boîtier, cet espace transmettant un courant de fluide de recirculation passant sur le ban- dage lors du fonctionnement de la pompe. La présente inven- tion concerne un perfectionnement destiné à supprimer les détériorations par cavitation créées par le courant de recirculation. Ce perfectionnement met en oeuvre: un premier joint d'étanchéité placé près d'une extré- mité amont du bandage, un second joint d'étanchéité placé près d'une extrémité aval du bandage, un dispositif diffuseur comprenant un passage formé dans le boîtier et assurant la communication entre l'espace annulaire, délimité entre le premier et le second joint d'étanchéité, et une zone de mélange ayant au moins une partie de paroi perméable au fluide, et un dispositif déflecteur placé à une face externe du bandage entre les joints d'étanchéité et destiné à diriger le courant de fluide dans le dispositif diffuseur. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la partie de paroi perméable au fluide est enfermée dans une zone collectrice formée dans le boîtier et un dispositif est destiné à réintroduire le courant qui recircule dans le fluide s'écoulant vers la pompe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, faite en référence au dessin annexé dont la figure unique est une coupe schématique en élévation latérale d'une partie de pompe centrifuge ayant une roue centrifuge à bandage réa- lisée selon un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure représente un mode de réalisation préféré de l'invention et représente schématiquement les éléments essentiels d'une pompe 10 à roue centrifuge à bandage réalisée selon l'invention. La pompe a un boîtier 12 conte- nant un rotor rotatif 14 qui a des ailettes 16. Un organe sensiblement cylindrique 18 formant un bandage est fixé au bord externe de l'ailette 16 et entoure les ailettes 16 et le rotor 14. Comme représenté, le bandage 18 est disposé dans une partie 20 en retrait du boîtier 12. Un joint labyrinthe 22 est placé près de l'extrémité amont du ban- dage 18 et un joint labyrinthe aval 24 est placé près de l'extrémité aval du bandage 18. Le rôle des joints 22 et 24 est évidemment de réduire au minimum le débit du fluide qui recircule et qui pourrait normalement s'écouler autour du bandage 18 par le passage annulaire formé dans la partie 20 en retrait délimitée par une surface externe du bandage 18 et la surface interne adjacente du boîtier 12. Un diffuseur sans ailette est disposé entre les joints 22 et 24 d'étanchéité et comporte un passage formé dans le boîtier 12 et assurant la communication entre l'espace délimité entre les joints d'étanchéité 22 et 24 et une chambre 28 de mélange. Cette chambre 28 est délimitée par des parois 30. Une partie au moins des parois 30 est formée d'un matériau perméable au fluide. Dans le mode de réalisa- tion préféré représenté, la chambre 28 de mélange et les parois 30 sont logées à l'intérieur d'une zone collectrice 32 formée dans le boîtier 12. Cette zone 32 collectrice du courant assure la communication vers une région adjacente à l'entrée du boîtier 12 par l'intermédiaire d'un canal 34 d'injection de fluide. Lors du fonctionnement, un couple est appliqué au rotor 14 par une source externe d'énergie (non représentée). Lorsque du fluide est introduit-par l'entrée du boîtier 12, les ailettes 16 provoquent une élévation de la pression du fluide entrant et un dessin tourbillonnaire favorable à l'opération de pompage par exemple d'une roue centrifuge d'une pompe centrifuge, cette roue augmentant encore la pression du fluide et évacuant celui-ci par une sortie du boîtier 12. Une partie du fluide passant au niveau des ailettes 16, et surtout la partie qui se trouve juste en aval des ailettes 16, a tendance à pénétrer dans l'espace annulaire délimité entre la périphérie externe du bandage 18 et la partie adjacente de la cavité 20 formée dans le boîtier 12. Comme ce fluide est à une pression supérieure à celle du fluide entrant à l'entrée et étant donné l'action de pompage induite par le mouvement de la périphérie externe du bandage 18 par rapport à la partie adjacente du boîtier 12, le fluide se trouvant dans l'espace annulaire a tendance à revenir vers la gauche, dans la direction de l'entrée. Ce courant est ce qu'on appelle dans le pré- sent mémoire un "courant de recirculation" par dessus le bandage et, en l'absence de la mise en oeuvre de l'inven- tion, il peut provoquer une détérioration par cavitation des ailettes 16 de la roue, comme dans le cas des roues centrifuges à bandage de la technique antérieure. Il faut aussi noter que le courant de recirculation comporte aussi une composante importante de vitesse tangentielle ou de tourbillonnement, due à l'action du bandage, en rotation. Etant donné que la rotation du bandage de ce mode de réalisation et de la technique antérieure introduit une composante importante de vitesse tangentielle dans le cou- rant qui recircule, ce courant a tendance à arracher des tourbillons importants à l'extrémité d'entrée du bandage. Cette tendance est encore aggravée par le fait que le courant de recirculation, lorsqu'il arrive à l'extrémité d'entrée du bandage, s'écoule en direction axiale, en s'op- posant au courant principal entrant. Comme les tourbillons formés près de l'extrémité amont du bandage 18 sont in- tenses et proviennent d'une partie très proche des ailettes 16 de la roue, ils viennent directement frapper l'extrémité amont des ailettes. En conséquence, les ailettes de la roue de type connu présentent des détériorations importantes par cavitation à leur extrémité amont, à un point tel que le rendement de pompage est affecté et la résistance mécanique des ailettes est souvent compromise. L'invention évite les problèmes précités posés par la technique antérieure par disposition d'une cavité annulaire dans le boîtier 12, cette cavité délimitant un espace annulaire entre la périphérie externe du bandage et une surface adjacente du boîtier. Des joints labyrinthes 22 et 24, placés près des parties amont et aval du bandage et respectivement, sont destinés à réduire au minimum le débit de recirculation. Tout courant de recirculation qui sécoule au-delà du joint 24 est dirigé par un déflecteur 25 vers un diffuseur 26. Comme représenté, le diffuseur 26 forme un courant de section uniforme sur toute sa longueur. Cepen- dant, il faut noter que le diffuseur 26 est placé autour de la circonférence externe de la cavité 20 si bien que le fluide qui y circule passe dans une section qui augmente radialement. Le rôle du diffuseur 26 est de réduire la vitesse du courant de recirculation et de provoquer une réduction correspondante de pression telle que la pression du fluide à l'extrémité de sortie est nettement inférieure à celle qu'il a à l'extrémité d'entrée, si bien que tout le fluide pratiquement qui passe au niveau du joint 24 s'écoule radialement vers l'extérieur dans le diffuseur 26. La perte de charge ne doit cependant pas être élevée au point qu'elle est inférieure à la pression d'entrée près du joint 22. En effet, le fluide aurait tendance à fuir autour du joint 22 et à passer en dérivation par rapport à la roue, avec une perte correspondante de rendement. Le fluide qui recircule passe par un diffuseur 26 sans ailette et pénètre dans la chambre 28 délimitée par des parois 30 perméables au fluide. Ces parois 30 constituent la caractéristique essentielle de l'invention. Plus préci- sément, les parois perméables sont destinées à supprimer pratiquement toutes les composantes tangentielles de la vitesse du fluide qui y circule. Le matériau dont sont formées les parois 30 n'est pas primordial pourvu évidem- ment qu'il soit compatible avec le fluide à pomper. Par exemple, les parois peuvent être formées d'un métal en poudre qui a été fritté afin qu'il constitue un matériau perméable. En outre, des matériaux céramiques poreux ana- logues peuvent aussi être utilisés. De préférence, le maté- riau choisi a une porosité au moins égale à 90 %, c'est-à- dire une densité inférieure à 10 % de celle du métal de base, le reste étant formé par l'espace des cavités. Evi- demment, aucun trajet d'écoulement direct à travers le matériau ne doit être formé. Au contraire, il faut que tout le courant suive un trajet sinueux, provoquant un change- ment de direction qui supprime toutes les composantes tan- gentielles de la vitesse si bien que le fluide sortant par la paroi poreuse n'a qu'une seule composante de vitesse. La dimension des pores n'est pas primordiale pourvu évidemment qu'elle ne soit pas faible au point d'empêcher pratiquement la circulation du fluide ou au point de se boucher par des impuretés dont la présence peut être prévue dans le fluide. La dimension maximale des pores est choisie afin qu'elle soit inférieure à l'épaisseur de la couche limite du fluide. Une dimension avantageuse de pores peut être calculée d'après l'équation suivante: dimension des pores: 23 470 x D3/5 x (N)1/5 V qui donne la dimension des pores en microns. Dans l'équation qui précède, D désigne le diamètre du bandage de la roue exprimé en centimètres, N est la vitesse de rotation, exprimée en tr/min, et V est la viscosité cinématique du fluide, exprimée en m2/s. Dans le mode de réalisation considéré, la chambre de mélange placée à l'intérieur des parois perméables 30 est disposée dans une zone collectrice 32 placée dans le boî- tier 12. Le fluide qui traverse les parois 30 et qui n'a plus de composantes tangentielles de vitesse, est collecté et réintroduit dans la fluide qui se rapproche des ailettes 16. De préférence, le fluide est réintroduit par un canal incliné d'injection qui donne une composante axiale de vitesse correspondant à celle du fluide d'entrée. Bien qu'on ait décrit l'invention de façon générale à des fluides qui recirculent, les hommes du métier peuvent noter qu'elle s'applique plus spécialement à des liquides tels que l'eau, à des métaux liquides utilisés comme fluide de refroidissement dans des réacteurs et à des ergols utilisés dans les moteurs à réaction. En fait, une applica- tion particulièrement avantageuse de la présente invention est un moteur fusée qui travaille à des niveaux variables de poussée. La présente invention permet à la pompe de fonctionner sur une plus grande plage de vitesse de rota- tion et de différence de pression, sans cavitation qui serait possible autrement. REVENDICATIONS 1. Pompe munie d'une roue centrifuge à bandage compre- nant au moins une ailette spiralée (16) entourée circonfé- rentiellement par un bandage (16), la roue et l'ailette étant montées afin qu'elles puissent tourner dans le boî- tier (12), le boîtier ayant une entrée et une sortie de fluide, un espace annulaire (20) étant délimité par la périphérie externe du bandage et une surface adjacente du boîtier et transportant un courant de fluide de recircula- tion passant par dessus le bandage lors du fonctionnement de la pompe, ladite pompe étant destinée à supprimer les détériorations par cavitation provoquées par le courant de recirculation et étant caractérisée en ce qu'elle comprend: un premier joint d'étanchéité (22) placé dans l'espace annulaire à proximité de l'extrémité amont du bandage (18), un second joint d'étanchéité (24) placé dans l'espace annulaire à proximité de l'extrémité aval du bandage (18), un diffuseur (26) sans ailette ayant un passage de fluide formé dans le boîtier et dont une première extrémité débouche dans l'espace annulaire, entre le premier et le second joint d'étanchéité, une chambre (28) de mélange communiquant avec une autre extrémité du passage, la chambre de mélange ayant au moins une partie de paroi perméable au fluide formant la seule sortie de fluide de la chambre, et une déflecteur (25) placé à la périphérie externe du bandage entre le premier et le second joint d'étanchéité et destiné à diriger le courant de recirculation dans le diffuseur. 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier et le second joint d'étanchéité (22, 24) sont des joints labyrinthes. 3. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie (30) de paroi perméable au fluide est formée d'un matériau dont la porosité est au moins égale à 90 %. 4. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie (30) de paroi perméable au fluide a une dimension médiane de pore, exprimée en microns, qui est égale à 23 470x D3/5 (N) 1/5 dans laquelle D désigne le diamètre du bandage en centimètres,N la vitesse de rotation de la roue en tr/min et V la viscosité cinématique du fluide pompé, en m2/s. 5. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie (30) de paroi perméable au fluide est en- tourée d'une chambre collectrice (32) formée dans le bol- tier, et la chambre collectrice a un canal d'injection (34) destiné à réintroduire le courant de recirculation dans la pompe. 6. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le diffuseur sans ailette (26) est disposé de manière inclinée de manière qu'il reçoive le courant de recircu- lation. 7. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le déflecteur (25) est placé à proximité de l'extrémité du diffuseur sans ailette débouchant dans l'espace annu- laire entre le premier et le second joint d'étanchéité. 8. Pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que la partie (30) de paroi perméable au fluide est formée d'un matériau dont la porosité est au moins égale à 90 %. 9. Pompe selon la revendication 8, caractérisée en ce que la partie (30) de paroi perméable au fluide a une dimension médiane de pore égale à 23 470 x D3/5(N) 1/5 D étant le diamètre du bandage de la roue, exprimé en centimètres, N la vitesse de rotation de la roue en tr/min et V la viscosité cinématique du fluide pompé, en m2/s, la dimension étant donnée en microns. 10. Pompe selon la revendication 9, caractérisée en ce que la partie (30) de paroi perméable au fluide est enfer- mée dans une chambre collectrice (32) formée dans le boî- tier et la chambre collectrice a un canal d'injection (34) destiné à réintroduire le courant de recirculation dans la pompe. 11. Pompe selon la revendication 10, caractérisée en ce il que le diffuseur (26) sans ailette est disposé de manière inclinée de manière qu'il reçoive le courant de recircu- lation. 12. Pompe selon la revendication 11, caractérisée en ce que le déflecteur (25) est placé près de l'extrémité du diffuseur sans ailette débouchant dans l'espace intermé- diaire entre le premier et le second joint d'étanchéité.