Brevet FR2702983A1 — publié le 19940930

TURBINE DE GRENAILLAGE Abréqé de l'invention La présente invention a pour objet une turbine de grenaillage pour la projection à haute vitesse de grenailles, cette turbine comprenant une série de palettes ou aubages entraînés en rotation autour d'un axe et dont une surface de prise en charge s'étend entre une première extrémité adjacente dudit axe pour la prise en charge initiale de grenailles à projeter et une deuxième extrémité éloignée dudit axe pour l'éjection de la grenaille, lesdites premières extrémités étant situées à une distance dudit axe inférieure à la distance séparant une deuxième extrémité de l'axe. Chaque surface de prise en charge présente un profil concave et de courbure circulaire, la tangente dudit profil au voisinage de la première extrémité faisant un angle inférieur à 900 avec la tangente, au voisinage de ladite extrémité, à un cylindre de révolution autour de l'axe, tandis que la tangente dudit profil au voisinage de la deuxième extrémité forme un angle inférieur à 600 par rapport à une radiale s'étendant entre ledit axe et ladite deuxième extrémité. Etat de la technique Des turbines de grenaillage sont connues dans l'état de la technique Par exemple, les documents US 3 034 264, US 3 977 128, 4 377 924 et 4 020 596 décrivent des machines de grenaille comprenant une turbine de grenaillage et leurs utilisations Ces documents sont incorporés dans la présente spécification par référence pour décrire des machines utilisant des turbines de grenaillage et des utilisations possibles de turbines de grenaillage. Dans l'état actuel des turbines centrifuges de projection, le principal avantage des turbines de grenaillage projetant les grains par l'action centrifuge est la faible consommation d'énergie par rapport au système à air comprimé détendu avec injection de grenaille, à performance de projection évidemment égale. Une busette de projection à air détendu de 10 mm de diamètre - nécessite un compresseur de 60 CV, alors qu'une turbine de projection effectue le même travail avec seulement 4 CV installée à la broche. Les turbines à aubages droits prennent en charge la grenaille, qui sort du distributeur avec un choc assez violent, capable même de casser la grenaille d'acier, très fragile pour les hautes duretés. La présente invention vise à remédier à cet inconvénient et a pour objet une turbine de grenaillage de projection à haute performance, convenant en particulier dans des grenailleuses o elle projette des particules métalliques sur les surfaces à décaper ou à traiter en valeur de rugosité. Brève description de l'invention La présente invention a pour objet une turbine de grenaillage dont les palettes ou aubages ont un profil déterminé capable de conférer aux grains la plus haute vitesse possible, tout en maintenant un diamètre et une vitesse de rotation nettement plus faibles que pour les aubages droits. L'innovation de cet aubage ou palette se situe à deux niveaux: 1 au niveau de la prise en charge initiale des grains. 2 au niveau de la vitesse d'éjection résultante. La turbine de grenaillage pour la projection à haute vitesse de grenailles comprend une série de palettes ou aubages entraînés en rotation autour d'un axe et dont une surface de prise en charge s'étend entre une première extrémité adjacente dudit axe pour la prise en charge initiale de grenailles à projeter et une deuxième extrémité éloignée dudit axe pour l'éjection de la grenaille, lesdites premières extrémités étant situées à une distance dudit axe inférieure à la distance séparant une deuxième extrémité de l'axe, chaque surface de prise en charge présente entre ses dites première et deuxième extrémités un profil concave et de courbure circulaire, la tangente dudit profil au voisinage de la première extrémité faisant un angle a inférieur à 900 avec la tangente, au voisinage de ladite première extrémité, à un cylindre de révolution autour de l'axe dont le rayon correspond à la distance séparant la première extrémité de la surface de prise en charge considérée et ledit axe, tandis que la tangente dudit profil au voisinage de la deuxième extrémité forme un angle y inférieur à 600 par rapport à une radiale s'étendant entre ledit axe et ladite deuxième extrémité. De façon avantageuse, chaque surface de prise en charge présente entre ses dites première et deuxième extrémités un profil concave et de courbure circulaire, la tangente dudit profil au voisinage de la première extrémité faisant un angle a inférieur à 450 avec la tangente, au voisinage de ladite première extrémité, à un cylindre de révolution autour de l'axe dont le rayon correspond à la distance séparant la première extrémité de la surface de prise en charge considérée et ledit axe, tandis que la tangente dudit profil au voisinage de la deuxième extrémité forme un angle y inférieur à 600 par rapport à une radiale s'étendant entre ledit axe et ladite deuxième extrémité. Selon des formes de réalisation, chaque aubage ou palette est pourvu de deux tenons de fixation logés dans deux flasques de turbine ou est pourvu derrière sa face active d'une nervure, avec trou et découpe, servant à sa fixation. Selon une autre forme de réalisation, les aubages ou palettes font partie intégrante d'un flasque d'entraînement. D'autres particularités et détails de l'invention ressortiront de la description détaillée suivante dans laquelle il est fait référence aux dessins ci-annexés. Brève description des dessins Dans ces dessins donnés à titre d'exemples uniquement: la Figure i est une vue schématique partiellement en coupe d'une turbine à aubages droits courante réalisant une prise en charge avec choc initial; la Figure 2 montre un profil d'une surface active d'une palette d'une turbine suivant l'invention, ladite surface étant concave et avec prise en charge correcte; la Figure 3 est une vue à plus grande échelle de la surface active au niveau de la prise en charge initiale; la Figure 4 est une vue en coupe d'un profil d'une autre forme de réalisation d'une palette d'une turbine suivant l'invention à haute vitesse d'éjection; les Figures 5 et 6 sont respectivement une vue de face d'une turbine suivant l'invention à quatre aubages et une coupe selon les lignes VI-VI de la figure 5, les aubages étant attenants au flasque d'entraînement; les Figures 7 et 8 sont respectivement une vue de profil et une vue de face arrière d'une variante de réalisation d'aubage suivant l'invention, les aubages étant démontables et maintenus entre deux flasques, dont l'un est le flasque d'entraînement, et les Figures 9 à 11 sont respectivement une vue partielle en coupe d'une turbine, une vue en coupe selon les lignes X-X de la figure 9 et une vue partielle en perspective. Description de formes de réalisation Pour les grenailles fragiles, utilisées pour des applications de grenaillage de surface difficiles, telles que les cylindres de laminoir par exemple, il est important de prendre la grenaille en charge de la façon la plus douce possible, sans choc, afin de préserver la grenaille et d'éviter de la casser. Comme on le voit en figure 1, les palettes droites 100 ou même convexes réalisées actuellement ont tendance à briser la grenaille à l'entrée Par contre, les surfaces concaves 22 de la palette 1, telles que celles reprises au croquis de la figure 2, diminuent fortement l'effet de choc et permettent donc d'éviter le bris de la grenaille dès sa prise en charge. Comme on le voit à la figure 1, les palettes sont entraînées en rotation (vitesse w) de sorte que la grenaille 101 sortant du distributeur est amenée progressivement par l'effet de la force centrifuge au voisinage du bord libre 102 d'une palette 100 o la grenaille 101 quitte la turbine avec une vitesse VR, vitesse résultante de la vitesse tangentielle V, et de la vitesse radiale V,. A la sortie du distributeur, la grenaille possède une vitesse faible, dont la direction est celle indiquée par le vecteur B de la figure 2 Le vecteur A, perpendiculaire au rayon r, indique la vitesse du point matériel du pied de l'aubage. La figure 3 montre, de façon agrandie, les vecteurs vitesses A et B au rayon r 1. Une prise en charge douce de la grenaille est impérative pour les petites turbines, qui doivent tourner très vite pour atteindre une vitesse d'éjection résultante suffisamment élevée. Contrairement à ce qui a déjà été fait, il ne s'agit pas de faire une surface de début d'impact parallèle au vecteur vitesse de la grenaille à la sortie du distributeur, vecteur B, mais bien de faire une surface de prise en charge aussi proche que possible de la direction opposée au vecteur vitesse à ce niveau de diamètre. Certains constructeurs ont mis le bord d'attaque de l'aubage tangent au vecteur B, ce qui est une erreur fondamentale pour une prise en charge correcte de la grenaille On obtient ainsi le profil en pointillé (figures 2 et 3), profil o la prise en charge initiale des grenailles est très mauvaise Ce profil réduit fortement la prise en charge, ce qui entraîne une diminution du débit admissible par cette turbine En effet, ce type de profil rejette une partie de la grenaille vers le centre empêchant ainsi sa prise en charge. Il est donc nécessaire que la tangente à la surface du bord initial de prise en charge soit le plus proche possible en angle de la direction du vecteur B, vecteur vitesse de la grenaille à la sortie du distributeur. Evidemment, il n'est pas possible de placer le bord d'attaque de l'aubage dans le prolongement du vecteur B (ou A d'ailleurs), car le bord d'attaque a une épaisseur qui empêche ces directions de coïncider Ceci dit, il est avantageux que le bord d'attaque soit le plus proche de cette direction, tenant compte de l'épaisseur. Comme on le voit à la figure 2, la turbine suivant l'invention est placée dans un corps 20 permettant l'éjection de grenailles par le conduit 200. Cette turbine comprend une série de palettes 11 (deux palettes étant représentées) entraînées en rotation (flèche w) autour d'un axe 21 Les palettes présentent une surface de prise en charge 22 des grenailles 101 à projeter, surface 22 qui s'étend entre une extrémité ou bord 23 adjacent de l'axe 21 (bord 23 ou extrémité pour la prise en charge initiale des grenailles à projeter) et une extrémité ou bord 24 éloigné dudit axe 21 (bord pour l'éjection de la grenaille) Le bord 23 est situé à une distance r 1 de l'axe 21, distance r 1 inférieure à la distance r 2 séparant le bord 24 de l'axe 21. La surface de prise en charge présente entre ses bords 23,24 un profil concave et circulaire (rayon R). La tangente t 23 forme un angle a avec la tangente t d'un cylindre de révolution autour de l'axe 21 et dont le rayon est rj, tangente t au voisinage du bord 23 Cet angle a est avantageusement inférieur à 450, assurant ainsi une excellente prise en charge (prise en charge douce) La prise en charge sera d'autant meilleure que l'angle a se rapproche de 0 (par exemple inférieur à 150). La tangente t 24 dudit profil au voisinage du bord 24 forme un angle y par rapport à une radiale T s'étendant entre l'axe 21 et ledit bord 24 Cet angle est compris entre O et 600. Le profil de l'aubage ou de la palette est conçu suivant l'invention de manière à éjecter la grenaille avec une vitesse résultante aussi haute que possible, pour une vitesse de rotation déterminée, de préférence la plus faible possible. En d'autres termes, pour que la vitesse résultante VR (figure 4) soit maximale pour une vitesse tangentielle fixée V, (donc W fixé puisque V, = w r 2, avec W en rad/sec), l'angle y (angle y que fait le bord d'éjection 24 par rapport à une radiale T passant par le sommet de ce bord) est compris entre 0 et 600, et ce en fonction du type de grenaille utilisée. L'angle y est fixé par la vitesse à obtenir en fonction de la vitesse de rotation des aubages 1 (N tours/minute), mais aussi en fonction du degré d'usure admissible des aubages Il est évident que des angles y élevés peuvent provoquer des usures beaucoup trop importantes, exigeant la mise en oeuvre d'aubages à très haute dureté. La vitesse relative Vr combinée avec la vitesse V, donne la vitesse résultante Vr Quand l'angle Y augmente, la vitesse relative Vr diminue, mais la composition des deux vitesses peut donner une vitesse résultante VR plus élevée, à vitesse de rotation (N tours/minute) égale En fonction des grenailles projetées, cet angle optimum varie de O à 600 En- dessous ou au-dessus de cette valeur, la composition des deux vitesses V, et Vr donne une vitesse résultante plus faible à vitesse de rotation N égale. Le profil de cette aubage est de courbure circulaire; dont le rayon est choisi en fonction des dimensions r 1 et r 2 de la turbine pour arriver à l'angle y désiré Choisir un profil circulaire aboutissant à un meilleur ratio VRIN est indispensable pour des applications particulières de grenaillage En effet, pour une petite turbine, le gain de vitesse VR pour une vitesse de rotation donnée est importante En effet, pour les turbines connues, il faut tourner à des vitesses très grandes (+ 20 %) pour atteindre le même résultat. De même, en grenaillage de cylindres de laminoir, la tendance est d'augmenter la dureté des tables de cylindres pour mieux résister à l'usure Par voie de conséquence, le grenaillage des cylindres devient de plus en plus difficile, voire impossible. Il est à noter que la solution consistant à tourner plus vite pour atteindre une vitesse plus haute, risque de casser les grains à l'entrée, lors de la prise en charge initiale De plus, l'augmentation de la vitesse entraîne une accroissement des forces de balourds proportionnel au carré de la vitesse de rotation. L'invention permet donc d'éviter ces inconvénients car elle permet des vitesses VR importantes pour des vitesses de rotation plus faibles La conception de la turbine suivant l'invention a permis de construire des machines de grenaillage miniatures à turbine, manoeuvrables manuellement La performance de ce type de turbines permet donc de construire des machines de grenaillage à turbine portative mais aussi de construire des turbines de grenaillage nécessitant de très hautes vitesses de projection, telles que celles utilisées dans les grenailleuses de cylindre de laminoir Ces turbines peuvent également être utilisées dans le grenaillage de contrainte ou "shot peening", o les grandes vitesses de projection sont souvent nécessaires. Les figures 5 et 6 montrent une réalisation de ce type de turbine avec quatre aubages 1, respectant les conditions de performances préconisées, pour un type de grenaille angulaire choisi. Les aubages 1 de cette réalisation font partie intégrante du flasque d'entraînement 3 (figures 5 et 6). Ce flasque 3 présente des orifices livrant passage à des boulons 25 pour sa fixation sur un arbre d'entraînement 26. Une autre réalisation d'aubage 1 suivant l'invention est celui repris aux figures 7 et 8, o le trou 4 et la découpe 5 dans la nervure 6 servent à la fixation de l'aubage On voit sur la face active 22 la prise en charge initiale 23 Une autre disposition d'aubage est représentée aux figures 9 à 11 La face active 22 y est indiquée Cet aubage n'est pas pourvu d'une nervure dorsale Les deux tenons 9 servent à la fixation de l'aubage dans les deux flasques 3 A, 3 B représentés partiellement. Pour augmenter l'agressivité de la projection, il peut être utile de faire un canal 27, dont la largeur décroît en fonction de l'augmentation du rayon r Une autre solution est de faire un canal, dont le profil en coupe transversale soit légèrement courbé Cette façon de construire l'aubage concentre la grenaille au centre, juste au moment de l'éjection. Les aubages ou palettes suivant l'invention sont avantageusement réalisés dans un matériau très dur, anti-usure, tel qu'en carbure de tungstène ou en tout autre matériau anti-usure plus ou moins performant. La turbine peut être coulée d'une seule pièce avec les aubages incorporés et d'un seul tenant Elle peut également présenter un nombre différent d'aubages pair ou impair, par exemple de 2 à 20, en particulier de 4 à 7. Bien entendu, on ne sortirait pas du domaine de l'invention en réalisation des aubages ayant une il forme active telle que revendiquée mais dont le mode de fixation et/ou la forme extérieure seraient différentes. Seule la face active 22 est importante dans la turbine suivant l'invention. REVENDICATIONS 1 Turbine de grenaillage pour la protection à haute vitesse de grenailles, cette turbine comprenant une série de palettes ou aubages entraînés en rotation autour d'un axe et dont une surface de prise en charge s'étend entre une première extrémité adjacente dudit axe pour la prise en charge initiale de grenailles à projeter et une deuxième extrémité éloignée dudit axe pour l'éjection de la grenaille, lesdites premières extrémités étant situées à une distance dudit axe inférieure à la distance séparant une deuxième extrémité de l'axe, caractérisée en ce que chaque surface de prise en charge présente entre ses dites première et deuxième extrémités un profil concave et de courbure circulaire, la tangente dudit profil au voisinage de la première extrémité faisant un angle a inférieur à 900 avec la tangente, au voisinage de ladite première extrémité, à un cylindre de révolution autour de l'axe dont le rayon correspond à la distance séparant la première extrémité de la surface de prise en charge considérée et ledit axe, tandis que la tangente dudit profil au voisinage de la deuxième extrémité forme un angle y inférieur à 600 par rapport à une radiale s'étendant entre ledit axe et ladite deuxième extrémité. 2 Turbine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que chaque surface de prise en charge présente entre ses dites première et deuxième extrémités un profil, concave et circulaire, la tangente dudit profil, au voisinage de la première extrémité, faisant un angle a inférieur à 450 avec la tangente, au voisinage de ladite première extrémité, à un cylindre de révolution autour de l'axe dont le rayon correspond à la distance séparant la première extrémité de la surface de prise en charge considérée et ledit axe. 3 Turbine suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque aubage est pourvu de deux tenons de fixation logés dans les deux flasques de turbine. 4 Turbine suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque aubage est pourvu derrière sa face active d'une nervure, avec trou et découpé, servant à sa fixation. 5 Turbine suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les aubages font partie intégrante d'un flasque d'entraînement.