Brevet FR2696793A1 — publié le 19940415

POMPE A REFOULEMENT AXIAL La présente invention s'applique à une pompe comprenant dans un alésage de corps de pompe annulaire cylindrique fermé par une plaque latérale: un rotor à aubages centrifuges, un manchon d'aspiration axiale relié à ce rotor, et une sortie de refoulement axial à travers la plaque latérale. La plupart des pompes à rotor centrifuge comportent une entrée axiale qui correspond à l'entrée axiale du rotor mais leur direction de refoulement est en général soit radiale soit tangentielle au corps de pompe Pour certaines applica- tions, le besoin s'est exprimé de réaliser une pompe dont les départs d'aspiration et de refoulement sont disposés axiale- ment par rapport au rotor de pompe et voisins l'un de l'au- tre Ces dispositions de départ axial du refoulement sont généralement réalisées par retour axial du départ tangentiel de la chambre annulaire collectrice du flux radial à la sor- tie du rotor Ces dispositions constructives qui s'inspirent de celles existant dans les pompes multicellulaires ne conviennent malheureusement pas pour les petites pompes éco- nomiques telles que les pompes de circulateur de chauffage central o le corps de pompe doit présenter une forme simple. Par ailleurs, l'application des dispositions d'entrée et de sortie axiales avec des aubages de redressement progressif du flux radial, selon une disposition propre aux pompes mul- ticellulaires, pour réaliser des pompes mono-étagées à un seul rotor, s'est révélée donner lieu à beaucoup de bruits parasites provoqués par les aubages de redressement radial- axial du flux. La présente invention se propose de réaliser une pompe à aspiration axiale et à refoulement axial qui utilise un corps de pompe simple classique du commerce fermé par une plaque latérale traversée par les conduits d'aspiration et de refou- lement de la pompe et qui ne présente pas les inconvénients de bruits et de vibrations de fluide des pompes axiales réa- lisées précédemment, mais qui permette de réaliser des pompes conservant un bon rendement dans des conditions d'exploita- tion différentes, ces pompes étant en quelque sorte person- nalisées à leurs conditions d'exploitation. A cet effet, la pompe selon l'invention comporte une chambre annulaire collectrice ménagée dans le corps de pompe en face de la sortie radiale du rotor et qui présente en section transversale une largeur et une profondeur signifi- catives, comprises de préférence entre 1/10 et 1/20 du dia- mètre extérieur du rotor, et, entre la paroi périphérique de la chambre annulaire collectrice et le manchon d'aspiration du rotor, est interposée une cloison annulaire qui est munie à sa périphérie d'un passage annulaire débouchant sur la face latérale de ladite chambre annulaire qui est située du côté de la plaque latérale et ce passage annulaire est muni d'au- bages fixes dont la ligne générale est disposée inclinée par rapport à la ligne circonférentielle du passage annulaire, pour capter la composante rotative du flux de liquide traver- sant ladite chambre annulaire, ladite cloison annulaire déli- mitant, avec la plaque latérale, une chambre de refoulement reliée d'une part à ladite sortie de refoulement axial et, d'autre part, à la chambre annulaire collectrice via le pas- sage annulaire. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la chambre de refoulement présente une forme générale d'anneau interrompu s'étendant dans un plan perpendiculaire à l'axe du rotor de pompe et qui est relié axialement par un passage transversal ménagé à travers la plaque latérale, à une conduite de refoulement à départ axial La chambre de refou- lement présente, dans le plan transversal à l'axe du rotor de pompe, la forme générale d'une spirale dont la section trans- versale est d'épaisseur constante et de hauteur croissante dans la direction de rotation de la sortie des aubages, de- puis une extrémité de petite section proche dudit passage transversal jusqu'à une extrémité de grande section débou- chant sur ledit passage transversal L'extrémité de la spi- rale de petite section est séparée du passage transversal par une languette solidaire du corps central de cloison et qui part de ce corps central vers la paroi de l'alésage du corps de pompe La languette présente de préférence une forme géné- rale d'arc venant sensiblement tangenter la périphérie cir- culaire du passage axial de refoulement ménagé à travers la plaque latérale. Selon un autre mode de réalisation de la pompe selon l'invention, les aubages fixes du passage annulaire présen- tent, du côté de la chambre annulaire collectrice, une arête d'entrée sensiblement radiale et s'aplatissant progressive- ment pour aboutir sur la chambre de refoulement, à une arête de sortie inclinée par rapport à la direction radiale. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaî- tront à la lecture de la description de divers modes de réa- lisation de l'invention, faite à titre non limitatif en re- gard du dessin annexé, dans lequel: la figure 1 représente, en coupe longitudinale par l'axe, une pompe selon l'invention dans un premier mode de réalisation, ainsi qu'une partie fragmentaire de son moteur électrique d'entraînement et des condui- tes de liaison de la pompe; la figure 2 représente un autre mode de réalisation de la pompe selon l'invention, avec des conduites de liaison partant dans des directions opposées; la figure 3 représente une vue en bout de la pompe selon l'invention, la plaque latérale étant enlevée pour faire apparaître la cloison annulaire à aubages interposée entre le rotor de pompe et la conduite de refoulement, une variante d'aubages étant représentée en vue fragmentaire; les figures 4 et 5 représentent des vues fragmentaires de dessus des aubages de la cloison représentée en bout à la figure 3 et correspondant respectivement aux figures 2 et 1. La pompe représentée sur la figure 1 comporte, de façon classique, un rotor 1 tournant dans un corps de pompe 2. Selon un type de réalisation utilisé pour les circulateurs de chauffage central, le rotor 1 à aubages centrifuges 3 est réalisé en matière plastique et est fixé en porte-àfaux et en bout sur un arbre 4 solidaire d'un rotor 5 de moteur élec- trique, logé de façon étanche par rapport au stator dans un tube d'entrefer 6 La carcasse ou l'enveloppe 7 du moteur électrique est fixée de façon étanche sur le corps de pompe 2 en isolant le stator du moteur et son bobinage 8 du fluide véhiculé par la pompe, grâce à un flasque avant 9 en tôle raccordé de façon étanche au tube d'entrefer 6 et portant le palier avant 10 de l'arbre 4, immergé dans le fluide véhiculé par la pompe. Le corps de pompe 2 présente un alésage 11 qui forme une cavité cylindrique intérieure enveloppant le rotor 1 et dé- bouchant sur la face frontale plane 12 du corps 2 Le débou- ché de l'alésage 11 est fermé de façon étanche par une plaque latérale 15, grâce à l'interposition d'un joint annulaire d'étanchéité 13 dans une rainure 13 a et à l'aide de vis de serrage 14 donc chacune traverse un trou 14 a d'une patte 14 b du corps 2 et est vissée dans un alésage fileté 14 c de la plaque 15 La plaque latérale ou platine 15 porte respective- ment, au centre une conduite d'aspiration 16 et à sa partie supérieure (selon les figures 1 et 2), une conduite de refou- lement 17 Les conduites 16 et 17 débouchent respectivement sur des passages correspondant 16 a et 17 a ménagés à travers la plaque 15 La plaque 15 peut être remplacée par une pièce venue de fonderie, par exemple monobloc avec des raccords d'entrée et de sortie, ou par un bloc foré. Selon l'invention, dans le corps de pompe 2, en face de la sortie radiale du rotor 1, est ménagée une chambre annu- laire 18 qui collecte le flux de liquide qui sort du rotor de pompe 1 avec des composantes de vitesse radiale et de vitesse tangentielle Au centre du rotor de pompe 1, vient faire saillie vers l'extérieur un manchon 19 d'entrée du liquide dans le rotor 1 Ce manchon 19 se raccorde à un manchon d'as- piration 20 logé dans la cavité de l'alésage 11 et appliqué de façon étanche, par un joint d'étanchéité annulaire 21 logé dans une rainure annulaire 21 a représentée à la figure 3, sur la face intérieure plane 22 de la plaque 15 La chambre annu- laire collectrice 18 est munie ici d'une bague 23 qui déli- mite la paroi périphérique 23 a de cette chambre 18 mais il est bien entendu possible de prévoir, comme représenté à la figure 2, à la place de la bague 23, un alésage 23 a du corps de pompe concentrique à l'alésage d'entrée 11 et en épaule- ment par rapport à ce dernier La chambre annulaire collec- trice 18, pour remplir sa fonction de collecte des jets de liquide sortant de la périphérie du rotor 1, doit présenter, en section transversale une largeur et une profondeur ou hauteur h significatives La largeur et la hauteur h entre la périphérie extérieure la du rotor et la paroi périphérique intérieure 23 a sont comprises de préférence entre 1/10 et 1/20 du diamètre extérieur du rotor. Une cloison annulaire 24 qui est ici monobloc avec le manchon d'aspiration 20, est interposée entre la paroi péri- phérique 23 a de la chambre annulaire 18 (matérialisée en fait par la paroi intérieure de la bague 23) et le manchon d'aspi- ration 20 Cette cloison annulaire 24 comporte à sa périphé- rie un passage annulaire 25 entre,d'une part la face latérale de la chambre annulaire 18 qui est située du côté de la pla- que 15 et qui délimite en fait cette face, et d'autre part, une chambre de refoulement 30 ménagée entre la cloison 24 et la plaque 15 Le passage annulaire 25 est muni d'aubages ou d'ailettes fixes 26 (figure 2) ou 28 (figure 1) L'autre face latérale 27 de la chambre annulaire 18 est constituée ici par un épaulement ménagé au fond de l'alésage 11 ou 23 a (figure 2) du corps de pompe 2. Comme on le voit sur la figure 4, les aubages 26 présen- tent une ligne générale inclinée par rapport à la ligne cir- conférentielle du passage annulaire 25 Les aubages 26 ont pour fonction hydraulique de guider les filets liquides vers la chambre de refoulement 30 en transformant en pression au moins une partie de la composante de vitesse rotative du flux de liquide sortant du rotor 1 Les aubages 26 tels que repré- sentés en vue de dessus à la figure 4 présentent une forme complètement radiale et symétrique par rapport à l'axe 4 a du rotor de pompe, avec une arête radiale d'entrée 26 a et une arête radiale de sortie 26 b. Selon un autre mode de réalisation représenté également en vue de dessus à la figure 5 et en coupe axiale à la figure 1, les aubages 28 logés dans le passage 25 présentent, du côté de la chambre annulaire collectrice 18, une arête d'en- trée 28 a sensiblement radiale et leur section s'aplatit pro- gressivement (en 28 c) en direction de la chambre de refou- lement 30 pour déboucher sur cette chambre par une arête 28 b inclinée par rapport à la direction radiale On a représenté sur les figures les aubages 26 et 28 du passage 25 solidaires d'un anneau intérieur de base 29 monté à la périphérie de la cloison 24 et fixé, par collage ou par soudure à faces recou- vrantes 31, à la cloison 24, mais il est bien évident que les aubages 26 et 28 peuvent venir monobloc avec la cloison annu- laire 24. La chambre de refoulement 30 qui est représentée en vue frontale à la figure 3 présente une forme générale d'anneau interrompu s'étendant dans un plan perpendiculaire à l'axe 4 a du rotor de pompe La chambre de refoulement 30 en forme d'anneau interrompu présente en fait la forme générale d'une spirale de section transversale décroissante depuis le pas- sage de refoulement 17 a et délimitée par un fond de spirale 32 qui se rapproche progressivement de la paroi de l'alésage 11 sans le rejoindre, jusqu'à une languette 33 solidaire du corps de cloison 24 et qui s'étend en direction de l'alésage hl pour venir, le cas échéant (non représenté sur la figure 3), s'appliquer sur la paroi intérieure de l'alésage 11 pour former, en coopération avec cette paroi, l'anneau interrompu de la chambre de refoulement 30. La chambre de refoulement 30 a pour fonction hydrauli- que, non seulement de récupérer le flux axial de liquide traversant le passage 25, mais aussi de transformer en pres- sion les composantes de vitesse de rotation du flux axial guidé par les aubages 26 ou 28, en réduisant cette vitesse de rotation dans un divergent Comme cela apparaît sur les fi- gures 1 et 2, la section transversale de la chambre de re- foulement 30 présente une épaisseur e sensiblement constante entre la plaque latérale 15 et la paroi 24 a de la cloison annulaire 24 et une hauteur croissante de hi à h 2 depuis la proximité de la languette 33 jusqu'au passage axial de refou- lement 17 a, c'est-à-dire dans la direction de rotation du rotor de pompe 1, correspondant à la sortie des aubages 26 ou 28 Comme représenté à la figure 3, la languette 33 présente, de préférence, la forme d'un arc qui vient lécher, ou sensi- blement tangenter, la périphérie circulaire du passage axial de refoulement 17 a. Sur le mode de réalisation représenté à la figure 2, les éléments remplissant les mêmes fonctions que dans le mode de réalisation de la figure 1, sont affectés des mêmes repères de référence Pour des raisons de clarté, seuls les plus importants de ces repères de référence sont indiqués Les aubages 26 du passage annulaire 25 sont ici disposés de façon complètement radiale et la périphérie de leur arête d'entrée 26 a s'applique sur un épaulement d'appui 34 ménagé à l'inté- rieur de l'alésage 11 et qui correspond au débouché de l'alé- sage 23 a ménagé dans le corps de pompe 2 et déterminant la périphérie de la chambre annulaire collectrice 18 A la dif- férence de la solution de la figure 1, les tronçons de conduite d'aspiration 16 b et de conduite de refoulement 17 b partent axialement de la plaque latérale 15 mais décrivent un coude de départ en quart de cercle pour se retrouver prati- quement en alignement dans des directions opposées Grâce à cette disposition, la pompe et ses tronçons de conduites d'aspiration et de refoulement peuvent être intercalés sur une conduite de fluide droite, en pratiquant une interruption de cette conduite droite et en raccordant les embouts droits d'aspiration et de refoulement 16 c et 17 c. Le fonctionnement de la pompe représentée sur la figure 1 va maintenant être explicité La rotation du rotor 1 pro- voque la projection, par les aubages centrifuges 3 de ce dernier, du liquide qui remplit la pompe, vers la périphérie la de sortie du rotor, et par voie de conséquence, l'aspira- tion du liquide à pomper selon la direction de la flèche A. Le liquide sortant de la périphérie du rotor 1 est projeté dans la chambre annulaire collectrice 18 avec une surpression et des composantes respectives de vitesse radiale et de vi- tesse de rotation dans la direction de rotation du rotor 1. Le flux de liquide s'engage ensuite entre les aubages fixes 26 ou 28 qui présentent une forte inclinaison par rapport à la direction axiale de l'axe de rotor 4 a En effet, l'angle a entre la direction circonférentielle et la ligne moyenne de l'aubage est de l'ordre de 30 ou moins et la composante de rotation du flux est conservée par les aubages 26, 28 et est décélérée progressivement pour être transformée en pression dans la chambre de refoulement en spirale 30. En progressant dans la spirale de la chambre de refoule- ment 30, depuis la petite section de hauteur hi, jusqu'à la grande section de hauteur h 2, le flux de liquide décéléré arrive sur le passage de refoulement 17 a o il change de direction à 900, de façon progressive et à faible vitesse, c'est-à-dire avec un minimum de pertes de charge et ressort selon la direction de refoulement de la flèche R dans la conduite de refoulement 17 On remarquera que la partie des aubages 28 qui est aplatie en 28 c tend à refouler le flux rotatif du liquide vers le fond 32 de la chambre de refoule- ment, situé à distance du passage annulaire 25, en particu- lier à proximité du passage de refoulement 17 a Cette dispo- sition légèrement aplatie des aubages 28 permet d'obtenir un meilleur mélange des filets de fluide en rotation et de ceux se déplaçant lentement vers l'orifice de refoulement 17 a Une telle disposition des aubages 28 est donc propre à améliorer le rendement de la transformation en pression de la compo- sante de vitesse rotative Les aubages 26 ou 28 peuvent pré- senter un angle d'inclinaison a qui varie le long de l'aubage afin de changer l'orientation de la composante de vitesse de rotation VR' On a représenté sur la figure 5, un angle d'in- clinaison ai à l'entrée 28 a de l'aubage 28 qui est supérieur à l'angle d'inclinaison a 2 à la sortie sur l'arête 28 b, mais il est évident que l'on peut réaliser l'inverse, en fonction des vitesses tangentielles VR en sortie de rotor et de la. section de la chambre annulaire collectrice 18. Les angles d'inclinaison d'aubages a (aubages symétri- ques), al, a 2 (aubages à courbure progressive) peuvent être choisis en fonction des rendements obseivés pour la pompe dans ses conditions de fonctionnement les plus courantes Il est ainsi concevable de disposer de pompes standard selon l'invention et dans lesquelles seule la couronne 29 et ses aubages 26 ou 28, est changée en fonction des conditions d'exploitation particulière de la pompe. Les dispositions selon l'invention permettent ainsi de disposer d'une gamme de pompes standards dont le rendement est optimisé pour chaque condition d'exploitation. Le mode de réalisation représenté à la figure 2 utilise les aubages 26 standards susceptibles de s'adapter à des conditions d'exploitation variées et, comme on l'a déjà indi- qué, les raccords d'aspiration 16 c et de sortie 17 c alignés et orientés en sens inverse permettent d'insérer la pompe directement sur une ligne de conduite de propulsion de fluide. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Pompe comprenant dans un alésage de corps de pompe annulaire cylindrique fermé par une plaque latérale: un rotor à aubages centrifuges, un manchon d'aspiration axiale relié à ce rotor, et une sortie de refoulement axial à travers la plaque latérale, caractérisée en ce qu'elle comporte une chambre annulaire collectrice ( 18) ménagée dans le corps de pompe en face de la sortie radiale du rotor ( 1) et qui pré- sente, en section transversale, une largeur et une profondeur (h) significatives, comprises de préférence entre 1/10 et 1/20 du diamètre extérieur du rotor, en ce que, entre la chambre annulaire collectrice ( 18) et le manchon d'aspiration ( 20) du rotor ( 1), est interposée une cloison annulaire ( 24) qui est munie à sa périphérie d'un passage annulaire ( 25) débouchant sur la face latérale de ladite chambre annulaire qui est située du côté de la plaque latérale ( 15) et en ce que ce passage annulaire ( 25) est muni d'aubages fixes ( 26, 28) dont la ligne générale est disposée inclinée (angle alpha) par rapport à la ligne circonférentielle du passage annulaire ( 25), ladite cloison annulaire ( 24) délimitant avec la plaque latérale ( 15) une chambre de refoulement ( 30) re- liée, d'une part, à ladite sortie de refoulement axial ( 17 a) et, d'autre part, à la chambre annulaire collectrice ( 18) via ledit passage annulaire ( 25). 2 Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre de refoulement ( 30) présente une forme géné- rale d'anneau interrompu s'étendant dans un plan perpendicu- laire à l'axe ( 27) du rotor de pompe (l)et qui est relié axialement par un passage transversal ( 17 a) ménagé à travers la plaque latérale ( 15), à une conduite de refoulement ( 17) à départ axial. 3. Pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que la chambre de refoulement ( 30) présente, dans le plan transversal à l'axe ( 4 a) du rotor ( 1), la forme générale d'une spirale dont la section transversale est d'épaisseur (e) constante et de hauteur (hi, h 2) croissante dans la direction de rotation de la sortie des aubages ( 26, 28), depuis une extrémité de petite section proche dudit passage transversal ( 17 a) jusqu'à une extrémité de grande section débouchant sur ledit passage transversal. 4. Pompe selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite extrémité de la spirale de petite section est séparée dudit passage transversal ( 17 a) par une languette ( 33) solidaire du corps central de cloison ( 24) et qui part de ce corps central de cloison vers la paroi de l'alésage ( 11) du corps de pompe ( 2). 5. Pompe selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite languette ( 33) présente une forme générale d'arc venant sensiblement tangenter la périphérie circulaire du passage axial de refoulement ( 17 a) ménagé à travers la plaque latérale. 6. Pompe selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que les aubages fixes ( 28) du passage annulaire ( 25) présentent, du côté de la chambre annulaire collectrice ( 18), une arête d'entrée ( 28 a) sensiblement ra- diale et s'aplatissant progressivement (en 28 c) pour aboutir, sur la chambre de refoulement ( 30), à une arête de sortie ( 28 b) inclinée par rapport à la direction radiale.