Brevet FR2717536A1 — publié le 19950922

REDRESSEUR D'ECOULEXENT POUR COMPTEUR A GAZ A ROUE DE TURBINEB La présente invention concerne un dispositif destiné à influencer un écoulement et, plus particu- lièrement un redresseur d'écoulement pour éliminer les vortex dans un courant de gaz qui s'écoule dans un tuyau d'écoulement, lequel dispositif consiste en une plaque ayant une certaine épaisseur, dans laquelle un motif de trous à symétrie de révolution est disposé. Les compteurs à gaz à roue de turbine sont standardisés et calibrés dans des installations à écou- lements idéals. L'écoulement de gaz s'approchant du compteur a une distribution de vitesse à symétrie de révolution et des précautions sont prises, dans l'instal- lation de standardisation, pour éliminer tout vortex. L'écoulement est approximativement un profil d'écoulement complètement développé dans un tuyau rectiligne de longueur infinie. En pratique ces compteurs sont utilisés dans des stations comprenant de nombreux coudes, vannes, équipements, resserrements et élargissements ou même manomètres qui font que l'écoulement n'est pas uniforme et est potentiellement fortement turbulent. La norme internationale ISO 9951 "la mesure des écoulements gazeux dans des conduites fermées des compteurs à turbine" demande aux fabricants de prévoir des instructions de montage pour le compteur, de sorte qu'en pratique l'erreur de mesure ne soit pas supérieure à 1/3 de l'erreur permise dans des conditions idéales. Pour les débits d'écoulement les plus gros, ceci représente 1/3 de 1 %, et pour les débits d'écoulement faibles 1/3 de 2 %. La dépendance d'un débitmètre vis-à-vis du profil d'écoulement avec lequel il est utilisé, s'applique non seulement à des compteurs à gaz à roue de turbine, mais à 2 2717536 d'autres débitmètres tels que par exemple les plaques à orifices. Pour les plaques à orifices, on a défini dans la norme internationale ISO 5167 des redresseurs d'écou- lement. Ces redresseurs d'écoulement doivent être instal- lés à une distance de 22 fois le diamètre nominal en face de la plaque à orifices. La perturbation suivante devrait être alors située à une distance de 20 fois le diamètre nominal en amont du redresseur d'écoulement. La dimension totale de face à face devient alors 44 fois le diamètre nominal plus la longueur du redresseur d'écoulement. Pour des compteurs à gaz à roue de turbine, on utilise des redresseurs d'écoulement similaires. Du fait que le compteur à gaz à roue de turbine est, de par sa nature, moins sensible aux perturbations dans le profil d'écoulement, une dimension de face à face plus petite est choisie dans ce cas, une bonne réduction de l'effet des profils d'écoulement déviateur étant cependant obtenue. Les redresseurs d'écoulement consistent en une ou plusieurs plaques perforées ayant des trous de tailles égales ou variables, en un assemblage de tubes ronds ou carrés qui sont installés dans le tuyau dans la direction axiale, ou en la combinaison de ces éléments. Le brevet britannique GB-1 375 908 divulgue un redresseur d'écoulement à trous ronds. Ce brevet décrit un art antérieur japonais, qui implique l'utilisation d'un redresseur d'écoulement consistant en une plaque dans laquelle sont disposés des trous en grand nombre. Tous ces redresseurs d'écoulement connus ont été conçus principalement pour être utilisés avec des plaques à orifices, et l'optimisation de la position d'installation a également été prévue spécifiquement en vue d'une utilisation avec des plaques à orifices. La présente invention décrit un redresseur d'écoulement qui a été spécifiquement conçu et optimisé pour être utilisée en 3 2717536 combinaison avec un compteur à gaz à roue de turbine. Un paramètre important des redresseurs d'écoulement est la perte de charge permanente qu'ils entraînent. Le compteur à gaz à roue de turbine ordinaire consiste en un corps qui, à l'aide de rayons, est installé dans un tuyau dans lequel le gaz s'écoule. L'écoulement est dirigé vers l'intervalle annulaire entre le corps central et un cylindre extérieur. Une roue à ailettes est installée de telle manière que les ailettes sont situées dans l'intervalle annulaire, la roue à ailettes étant entraînée par le gaz qui s'écoule à travers l'intervalle. Généralement, en amont de la roue à ailettes sont disposés de simples redresseurs d'écoulement, par exemple sous forme de rayons plats entre le corps central et le cylindre extérieur. Des plaques munies de trous ont aussi, dans certains tuyaux été utilisées au titre de simples redresseurs d'écoulement. Les dimensions des simples redresseurs d'écou- lement connus n'ont pas été optimisés par rapport à leur performance, comme la démonstration en est faite lorsque les compteurs sont testés en utilisant les perturbations conformes à la norme ISO 9951. Cette norme spécifie quatre configurations pour engendrer des distributions de vitesses perturbées. Ces quatre perturbations peuvent être classées en deux groupes en symétrie plane l'un par rapport à l'autre. Lorsque l'un entraîne un vortex en rotation vers la gauche, l'autre entraîne un vortex en rotation vers la droite. Les perturbations peuvent en outre être classées en une perturbation qui produit une forte perturbation et une autre qui produit une faible perturbation. La perturbation entraîne non seulement l'apparition d'un vortex mais aussi d'une inhomogénéité marquée dans la distribution de vitesses. 4 2717536 L'objet de la présente invention est un redres- seur d'écoulement qui a été optimisé de façon à éviter les inconvénients ci-dessus mentionnés et de façon que les mesures faites au moyen d'un compteur à gaz à roue de turbine muni d'un redresseur d'écoulement conforme à l'invention fournissent des mesures qui amènent l'erreur dues aux perturbations dans la plage de 1/3 de l'erreur nominale permise. L'objet de l'invention est atteint au moyen d'un redresseur d'écoulement en forme de plaque, la plaque étant munie d'un certain nombre de trous régulièrement distribués sur la surface de la plaque et le diamètre desdits trous étant inférieur à 0,1 fois le diamètre du tuyau d'écoulement, la surface totale de la somme des sections transversales des trous étant comprise entre 0,4 et 0,8 fois la surface de la section transversale du tuyau d'écoulement, le diamètre du trou le plus grand étant inférieur à 1,3 fois le diamètre du trou le plus petit, l'épaisseur de la plaque étant plus petite que le diamètre du trou le plus grand et étant comprise entre 1 et 0,6 fois le diamètre du trou le plus grand. Un tel redresseur d'écoulement conforme à l'invention assure que, s'il est utilisé en conjonction avec un compteur à gaz à roue de turbine et si les perturbations appliquées sont celles décrites dans la norme ISO 9951 l'erreur de mesure entraînée par la perturbation reste inférieure à 0,2 % sans interposition de redresseur d'écoulement additionnel ou de longueur rectiligne additionnelle. La taille des trous dans le redresseur d'écou- lement conforme à l'invention est, en moyenne, égale à approximativement 1/10 fois le diamètre nominal du tuyau D, et la surface ouverte peut être égale à approximati- vement 50 % de la surface ouverte totale, une très bonne suppression des vortex étant néanmoins obtenue. Il en35 résulte que la perte de charge au travers de la plaque 2717536 reste limitée. De plus, la rigidité de la plaque est encore telle qu'aucun renforcement supplémentaire n'est requis. Avantageusement, l'épaisseur de la plaque est comprise entre 0,8 et 1 fois la racine carrée de la section transversale moyenne des trous disposés dans la plaque. Cela revient sensiblement à dire que l'épaisseur de la plaque est comprise entre 0,7 et 0,9 fois le diamètre moyen des trous dans la plaque. Avantageusement, la plaque est disposée en amont de la roue à ailettes d'un compteur à gaz à roue de turbine et la distance entre le compteur et la plaque est comprise entre 0,1 et 10 fois le diamètre de la section transversale du tuyau d'écoulement. Avantageusement, on dispose dans l'intervalle annulaire autour du compteur, un second redresseur d'écoulement qui consiste en un certain nombre de rayons ou aubes, le rapport entre la hauteur des rayons et l'espacement entre les rayons ou le pas étant compris entre 0,8 et 1, et la longueur des aubes en direction axiale étant comprise entre 0,8 et 1 fois la racine carrée de la surface ouverte moyenne des passages formés entre les rayons ou aubes dudit second redresseur. En variante, on dispose dans l'intervalle annu- laire autour du compteur, un second redresseur d'écou- lement qui consiste en une plaque munie d'un motif régulier d'un certain nombre de trous, le plus grand trou étant inférieur à 1,3 fois le plus petit trou et l'épaisseur de la plaque étant inférieure au diamètre du trou le plus grand. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description suivante se référant aux dessins annexes sur lesquels: 6 2717536 - la figure 1 montre une section de conduite 1 pourvue d'un redresseur d'écoulement conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue de face partielle d'un redresseur d'écoulement conforme à la figure 1; - la figure 3 montre en coupe transversale un compteur à gaz à roue de turbine selon la ligne III-III de la figure 1; - la figure 4 montre en section transversale un autre mode de réalisation de compteur à gaz à roue de turbine. La figure 1 montre une section de conduite 1 présentant un coude 2. Dans la section de conduite 1 se trouve incorporé un compteur à gaz à roue de turbine 3 et un redresseur d'écoulement 4. Le compteur à gaz à roue de turbine 3 est muni d'ailettes 5 et est monté de façon à fonctionner sur des paliers, sur un corps cylindrique 6 disposé concentriquement dans la section de conduite 1 à l'aide de rayons radiaux en forme de plaque ou d'aubes 7. La longueur des aubes 7 en direction axiale est comprise entre 0,8 et 1 fois la racine carrée de la surface moyenne ouverte des passages entre les aubes 7. L'extrémité 8 du corps cylindrique 6, qui est dirigée vers le redresseur d'écoulement 4 est fuselée et essen- tiellement conique. Entre le corps cylindrique 6 et l'intérieur de section de conduite 1 se trouve un espace annulaire 9. Entre le redresseur d'écoulement 4 et l'extrémité conique 8 du corps cylindrique 6, un espace a été laissé vide. Le redresseur d'écoulement 4 con- siste en une plaque circulaire 11 qui est disposée dans la section de conduite 1 de façon a s'y ajuster. La plaque circulaire 11 est pourvue de passages 12. L'épais- seur de la plaque il est comprise entre 0,8 et 1 fois la racine carrée de la surface moyenne ouverte des passages 12. 7 2717536 Au travers de la section de conduite 1, un gaz s'écoule depuis le coude 2, passe par le redresseur d'écoulement 4 et passe ensuite dans le compteur à gaz à roue de turbine 3. Avant que le gaz atteigne le voisinage du coude 2, le gaz au centre de la conduite s'écoule plus rapidement qu'à proximité de la paroi intérieure de la conduite, et l'écoulement de gaz peut être représenté par un profil d'écoulement 13. Un gaz qui dans des conditions idéales s'écoule dans une conduite sans perturbations présentera un profil d'écoulement 13 de ce type. Après avoir passé le coude 2, le gaz au centre de la section de conduite 1 s'écoule moins rapidement que le gaz qui est plus proche de la paroi intérieure de la conduite, et l'écoulement de gaz peut alors être représenté par un profil d'écoulement 14. Si un compteur à gaz à roue de turbine avait été positionné dans un tel écoulement, le gaz s'écoulerait au passage des ailettes 5 à une vitesse supérieure, et le compteur à gaz à roue de turbine mesurerait un écoulement supérieur à ce qui serait le cas si le gaz devait s'écouler en passant dans un compteur à gaz à roue de turbine conformément au profil d'écoulement 13. Afin de forcer le gaz à s'écouler une fois de plus conformément à une distribution d'écoulement uniforme après le coude 2, le redresseur d'écoulement 4 a été incorporé dans la section de conduite en aval du coude. Après le passage dans le redresseur d'écoulement 4, le gaz s'écoulera dans l'espace 10, par exemple conformément au profil d'écoulement 15. Dans ledit espace 10, un transfert de quantité de mouvement a lieu qui assure que l'écoulement dans l'intervalle annulaire 9 est prati- quement uniforme. Le gaz passe ensuite au niveau des aubes 7 par lesquelles le corps cylindrique 6 est suspendu. Ces aubes agissent comme un second redresseur d'écoulement de sorte que le gaz, après le passage de ces aubes, s'écoule en passant dans les ailettes 5 selon une 8 2717536 distribution encore plus uniforme. Si on avait placé un redresseur d'écoulement 4 conforme à l'invention en amont d'un compteur à gaz à roue de turbine 3, les mesures montreraient, en conséquence, une beaucoup plus petite erreur de mesure que ce qui a été habituel jusque là. Si un second redresseur d'écoulement de quelque sorte que ce soit est utilisé, consistant en un jeu d'aubes, l'erreur de mesure peut être réduite encore davantage. La figure 2 montre une partie d'un redresseur d'écoulement 4. Le redresseur d'écoulement 4 consiste en une plaque circulaire 11 qui a été munie de passages 12. L'épaisseur de la plaque 11 est comprise 0,8 et 1 fois la racine carrée de la surface moyenne ouverte des passages 12. Les diamètres des passages 12 ne sont pas identiques. Un cercle extérieur de passages comprend des passages 16. On a trouvé de façon empirique qu'on pouvait obtenir un très bon résultat si, pour un diamètre de section de conduite de 105 mm, le diamètre des passages extérieurs 16 était de 10 mm. A l'intérieur de ce cercle, un second cercle de passages 17 est prévu, dont les diamètres sont de 8 mm. Encore plus à l'intérieur un troisième cercle de passages 18 est prévu, dont les diamètres sont de 11 mm. La surface ouverte totale de tous les passages 12 ensemble représente approxima- tivement 49 % de la surface ouverte de la section de conduite. L'épaisseur de la plaque circulaire est alors de 8 mm. Pour un diamètre de tuyau différent, on a trouvé de façon empirique qu'on obtenait un très bon résultat si le diamètre de la section de conduite est de 155 mm, auquel cas les passages extérieurs 16 ont un diamètre de mm, les passages médians 17 un diamètre de 12 mm tandis que les passages 18 du cercle le plus intérieur ont un diamètre de 16 mm. La surface totale ouverte de tous les passages 12 ensemble représentent alors approxi- 9 2717536 mativement à nouveau 50 % de la surface ouverte de la section de conduite. L'épaisseur de la plaque circulaire est à nouveau comprise entre 0,8 et 1 fois la racine carrée de la surface moyenne ouverte des passages 12, ce qui correspond dans ce mode de réalisation à 12 mm. La figure 3 montre en section transversale selon la ligne III-III de la figure 1, le corps circulaire 6 suspendu dans la section de conduite 1 au moyen de rayons ou aubes 7. Les aubes 7 sont disposées à des distances mutuelles identiques l'une par rapport à l'autre et divisent l'espace annulaire 9 en passages 19 qui sont tous de même taille. La longueur des aubes 7 en direction axiale est comprise entre 0,8 et 1 fois la racine carrée de la surface moyenne ouverte des passages 19. L'espa- cement entre deux aubes adjacentes 7 est approximati- vement égale à la hauteur des aubes 7 en direction radiale. Les aubes 7 agissent ainsi en tant que second redresseur d'écoulement. On a trouvé que dans ces condi- tions les vortex sont pratiquement entièrement éliminés. Dans le cas d'aubes 7 plus courtes, l'apparition de vortex n'est pas entièrement éliminée tandis que le cas d'aubes 7 plus longues, les vortex sont transformés en vortex tournant dans la direction opposée. La figure 4 montre en section transversale un autre mode de réalisation possible de compteur à gaz à roue de turbine, le corps circulaire 6 étant suspendu dans la section de conduite 1 au moyen d'une plaque annulaire 20 dans laquelle des passages circulaires 21 sont disposés. Afin d'obtenir une surface ouverte iden- tique à celles des passages 19 entre les aubes 7 de la figure 3, les passages circulaires 21 dans ce compteur à gaz à roue de turbine sont conçus avec un diamètre supérieur par un facteur 1,13 à la hauteur des aubes 7 de la figure 3. 2717536 REVENDICATIONS 1. Dispositif (4) pour influencer l'écoulement et plus particulièrement redresseur d'écoulement pour élimi- ner les vortex dans un courant gazeux qui s'écoule dans un tuyau d'écoulement (1), ce dispositif (4) consistant en une plaque (11) d'une certaine épaisseur dans laquelle un motif symétrique circulaire de trous (12) est disposé, caractérisé en ce que la plaque (11) est munie d'un certain nombre de trous (12) régulièrement distribués sur la surface de la plaque et le diamètre desdits trous (12) est inférieur à 0,1 fois le diamètre du tuyau d'écou- lement, la surface totale de la somme des sections transversales des trous (12) étant comprise entre 0,4 et 0,8 fois la surface de la section transversale du tuyau d'écoulement (1), le diamètre du trou le plus grand (18) étant inférieur à 1,3 fois le diamètre du trou le plus petit (17), l'épaisseur de la plaque (11) étant plus petite que le diamètre du trou le plus grand (18) et étant comprise entre 1 et 0,6 fois le diamètre du trou le plus grand. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la plaque (11) est comprise entre 0,8 et 1 fois la racine carrée de la section transversale moyenne des trous (12) disposés dans la plaque. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la plaque (11) est comprise entre 0,7 et 0,9 fois le diamètre moyen des trous (12) dans la plaque. 4. Dispositif selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la plaque (11) est disposée en amont de la roue à ailettes d'un compteur à gaz (3) à 1i 2717536 roue de turbine et la distance entre le compteur (3) et la plaque (11) est comprise entre 0,1 et 10 fois le dia- mètre de la section transversale du tuyau d'écoulement (1). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on prévoit dans un espace annulaire compris entre le compteur (3) à roue de turbine et la paroi du tuyau d'écoulement (1), un second redresseur d'écoulement qui consiste en un certain nombre de rayons ou aubes (7), le rapport entre la hauteur des rayons ou la hauteur du trou circulaire et l'espacement entre les rayons ou le pas étant compris entre 0,8 et 1, et la longueur des aubes (7) en direction axiale étant comprise entre 0,8 et 1 fois la racine carrée de la surface ouverte moyenne des passages (19) formés entre les rayons ou aubes (7) dudit second redresseur. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on prévoit dans un espace annulaire compris entre le compteur (3) à roue de turbine et la paroi du tuyau d'écoulement (1), un second redresseur d'écoulement qui consiste en une plaque (20) munie d'un motif régulier d'un certain nombre de trous (21), le plus grand trou (21) étant inférieur à 1,3 le plus petit trou (21) et l'épaisseur de la plaque étant inférieure au diamètre du trou (21) le plus grand.