Brevet FR2739685A1 — publié le 19970411

La présente invention concerne un débitmètre de Woltmann comportant un rotor de turbine comprenant un moyeu de turbine auquel sont fixées des aubes, qui est monté entre un moyeu fixe placé en amont du rotor et un moyeu fixe placé en aval du rotor, de façon qu'il puisse tourner et se déplacer axialement, les diamètres externes des extrémités des moyeux fixes dirigés vers le rotor étant, dans tous les cas, plus grands que le diamètre externe du moyeu de la turbine à ses extrémités dirigées vers les moyeux fixes, et la poussée axiale de la turbine soumise à un débit axial qui agit dans le sens du courant étant compensée par les différences de pression statique sur les deux faces d'extrémité du moyeu de turbine. Le courant dans un débitmètre à turbine met la turbine en rotation. En même temps, le débit du milieu fluide fait agir sur la turbine une poussée hydrodynamique axiale dans le sens du courant et cette poussée exerce une charge sur le palier de poussée du côté aval de la turbine, entraînant ainsi une usure qui a un effet nocif sur la durée de vie de ce palier. De plus, la précision de mesure en souffre. Une multitude de solutions sont connues ayant pour but d'empêcher ou de réduire les inconvénients mentionnés ci-dessus; lesdites solutions compensent ou essayent de compenser la force de poussée axiale engendrée par le courant qui agit sur la turbine. Un débitmètre à turbine est décrit dans le document US-PS 4 449 410, dans lequel une turbine, comportant un moyeu auquel sont fixées des aubes, est montée dans un élément tubulaire dans lequel peut passer un fluide, de façon qu'elle puisse tourner et se déplacer axialement. Pour réaliser ceci, l'axe de la turbine est monté dans des paliers de poussée prévus dans des moyeux fixes, l'un en amont et l'autre en aval de la turbine. Les moyeux sont prévus avec des diamètres échelonnés dans le trajet de courant du fluide à mesurer de forme telle que les diamètres externes des extrémités des moyeux fixes dirigées vers la turbine soient, dans tous les cas, plus grands que le diamètre externe du moyeu de turbine à ses extrémités dirigées vers les moyeux fixes. De plus, cependant, les diamètres internes des extrémités des moyeux fixes dirigés vers la turbine sont aussi plus grands que le diamètre externe des extrémités du moyeu de turbine dirigés vers les moyeux fixes. Ainsi, dans le cas d'un jeu axial correspondant de la turbine, son moyeu peut entrer dans les moyeux fixes avec tolérance. Les parois internes des moyeux fixes sont réalisées avec une forme cylindrique sur cette longueur de pénétration et un peu au-delà de façon que, dans tous les cas, un intervalle annulaire radial de section constante soit créé entre les extrémités qui pénètrent du moyeu de turbine et ces parties de paroi interne creuses cylindriques. De plus, l'extrémité du moyeu de turbine située en aval a un diamètre plus grand que le reste de ce moyeu. Bien sûr, l'extrémité du moyeu fixe situé en aval, qui est dirigée vers la turbine, a également un diamètre qui est plus grand que le moyeu fixe situé en amont. La poussée axiale de la turbine dans le débitmètre à turbine décrit est compensée comme suit: Etant donné le changement brutal entre les diamètres externes du moyeu situé en amont et du moyeu de turbine, le courant s'arrête en ce point, entraînant ainsi une pression négative presqu'égale dans la cavité du moyeu située en amont, dans toutes les positions axiales de la turbine. A l'extrémité avale du moyeu de turbine, le grand diamètre externe de ce moyeu et le grand diamètre du moyeu aval forment un profil de retenue qui est saillant de manière importante dans le courant méridien de la turbine et entraîne un sévère changement dans le sens du courant, pour toutes les positions axiales de la turbine. Etant donné l'intervalle annulaire radial mentionné plus haut, la pression de retenue résultante, et donc une surpression, est transmise au côté aval du moyeu de turbine. Cette pression entraîne une poussée axiale en sens contraire du courant dans toutes les positions de la turbine. Si on compare à l'état de la technique, le débitmètre à turbine décrit ci-dessus réalise une compensation de la poussée axiale avec des moyens structurels relativement simples. Cependant, les inconvénients sont la perte de pression relativement forte due au profil de retenue saillant considérablement dans le courant méridien et la course erratique de la turbine entraînant des conditions de passage de courant défavorables. Donc, l'objet de la présente invention consiste à prévoir un débitmètre à turbine dans lequel la force de poussée axiale créée par le courant sur la turbine est compensée par de très simples moyens structurels qui, de plus, peuvent être considérés comme favorables en termes de technique fluide, étant donné les faibles pertes de pression, et qui entraînent une allure plus calme de la turbine. Suivant l'invention, cet objet est résolu avec un débitmètre à turbine du type mentionné ci-dessus en ce que, sur sa largeur, le moyeu de turbine présente un diamètre externe constant qui est approximativement 4 à 8 % plus petit que ceux des faces des moyeux fixes dirigées vers la turbine. D'une manière surprenante, il s'est révélé que simplement le fait que le diamètre externe du moyeu de turbine soit légèrement plus petit que les diamètres externes des moyeux fixes situés respectivement en amont et en aval peut réaliser une compensation automatique efficace de la poussée axiale, sans les inconvénients de l'état connu de la technique. Cette liaison de cause à effet n'avait pas été reconnue auparavant. La compensation automatique de la poussée axiale dans un débitmètre à turbine prévu suivant l'invention fonctionne comme suit: Pour le fluide circulant dans le débitmètre à turbine, le brutal changement de section, immédiatement après le moyeu amont, entraîne un changement dans la vitesse méridienne, c'est-à-dire la vitesse axiale du courant, suivant la formation de la couche limite au moyeu amont et quelle que soit la dimension du changement en section, une séparation de la couche limite se produit en formant une zone d'eau morte après le changement brutal de diamètre (moyeu amont par rapport au moyeu de turbine). Dans le processus, la pression statique n'augmente pas dans la zone de l'intervalle existant entre le moyeu amont et la turbine. Cet intervalle forme une liaison non obstruée vers le fluide dans la cavité du moyeu amont. La largeur de l'intervalle axial dépend du fonctionnement et peut donc influencer la zone d'eau morte car une énergie additionnelle peut être transférée du fluide dans la cavité du moyeu dans la zone d'eau morte. Durant ce processus, quand la largeur de l'intervalle augmente, l'extension axiale de la zone d'eau morte se réduit et le courant vient encore en contact avec la surface périphérique du moyeu de turbine, dans la turbine elle-même. Donc, la zone d'eau morte est contrôlée par la position axiale de la turbine. L'intervalle axial entre la turbine et le moyeu aval est d'une importance vitale pour la création de la compensation automatique de poussée axiale. Si la turbine est placée juste avant le moyeu aval (petit intervalle axial), une zone de pression de retenue se forme immédiatement avant le changement brutal de diamètre au moyeu amont car la ligne de courant de retenue est déjà en contact avec la paroi du moyeu de turbine. Cela déclenche une augmentation de pression dans la zone de l'intervalle axial aval, ce qui, à son tour, engendre une force de poussée qui entraîne un déplacement axial de la turbine en sens contraire du courant. L'effet de pression de retenue décroit quand la dimension de l'intervalle axial aval croît. Plus l'intervalle axial amont se raccourcit, plus la zone d'eau morte située en amont entre loin dans la zone du moyeu de la turbine. Donc, le courant méridien est, par la zone d'eau morte, écarté de la paroi du moyeu de turbine quand l'intervalle axial amont décroît en dimension. Comme résultat des contraintes de cisaillement relatif au courant entre la ligne de courant près de la paroi et le fluide dans la cavité du moyeu fixe aval, se produit un effet d'éjection dans la zone de l'intervalle axial aval, créant là un effet de pression négative, ce qui déplace la turbine axialement dans le sens du courant. Ainsi, a lieu un renversement de sens de l'effet de la poussée axiale - la poussée axiale agit dans le sens du courant. Etant donné l'interaction de la zone d'eau morte à l'intervalle axial amont et l'effet de surpression relative à l'intervalle et de pression négative (interaction entre l'effet de retenue et d'éjection) à l'intervalle axial aval, on a une compensation de poussée entièrement automatique. La turbine est libérée des forces hydrauliques en toute position axiale, pour autant que sont présentes des conditions de courant stationnaires. L'invention est expliquée plus en détail dans la suite au moyen d'un exemple de réalisation, en référant aux dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un débitmètre à turbine, et les Figs. 2 et 3 sont des vues suivant la Fig. 1, destinées à illustrer le principe de fonctionnement de la compensation automatique de poussée axiale. D'autres composants normaux de débitmètre à turbine, qui satisfont à l'état de la technique et ne sont pas directement cruciaux pour l'invention, n'ont pas été montrés dans les figures. Un fluide, sur lequel doivent être effectuées des mesures, circule dans un élément tubulaire 1, dans le sens indiqué par la flèche 2. Un rotor de turbine 3, monté de façon à pouvoir tourner et se déplacer axialement, est situé dans cet élément tubulaire 1 et comprend un arbre de rotor 4, un moyeu 5 et des aubes 6 qui lui sont fixées. Un moyeu 7 est situé en amont du rotor 3 et un moyeu 8 est situé en aval du rotor 3 de façon qu'il reste entre les extrémités des moyeux 7 et 8 dirigées vers le rotor 3 et les faces d'extrémités axiales du rotor 3 des intervalles axiaux 9 et 10. Les moyeux sont, dans tous les cas, respectivment reliés à l'élément tubulaire 1, par des ailettes 11 et 12 qui sont radiales, c'est-à-dire que lesdits moyeux sont montés fixes dans l'élément 1. Les extrémités de l'arbre 4 du rotor sont respectivement dans des cavités 18 et 19 des moyeux 8 et 7 et présentent des trous axiaux 13 qui débouchent à leurs extrémités. Des pivots 14, respectivement montés fixes en translation et en rotation dans les sommets des moyeux 7 et 8, s'adaptent dans ces trous 13. Les longueurs des pivots 14 et les profondeurs des trous 13 sont prévues de manière que le rotor 3 puisse se déplacer axialement avec une tolérance entre le bout du moyeu aval 7 et celui du moyeu amont 8. Le couple pivot 14 et trou 13 forme un palier simple à lubrification fluide qui garantit le mouvement axial et simultanément de rotation du rotor 3. Cet ensemble de paliers pour le rotor 3 est standard dans les débitmètres à turbine. La grandeur axiale des aubes 6 correspond à la largeur B du moyeu 5 du rotor. Sur la Fig. 1, on peut voir que le moyeu 5 a un diamètre extérieur constant D1 sur toute la largeur B. On peut aussi voir que le diamètre externe D1 est légèrement plus petit que les diamètres D2 et D3 des bouts des moyeux dirigés vers le rotor 3. A titre d'exemples dans le présent exemple de réalisation suivant l'invention, D1 est à peu près 4 à 8 % plus petit que D2 ou D3, l'écart entre D1 et D2 n'étant pas systématiquement identique à l'écart entre D1 et D3. Etant donné l'échelonnement non continu de diamètres entre le bout du moyeu aval 7 et le moyeu 5, il se forme une zone d'eau morte 15, immédiatement derrière ce bout du moyeu, ladite zone s'étendant sur l'intervalle axial 9 et au-delà, jusqu'à la paroi du moyeu 5. L'extension axiale de la zone d'eau morte 15 jusqu'à la paroi du moyeu 5 est d'autant plus grande que l'intervalle axial 9 est plus petit. Si le rotor 3 est directement adjacent au moyeu 7 (Fig. 2), c'est-à-dire un petit intervalle axial 9, la zone d'eau morte 15 s'étend sur une longue distance dans le rotor 3. Le courant méridien 16 près de la paroi est alors dévié par la zone d'eau morte 15 en s'écartant de la paroi du moyeu , si bien qu'il ne rencontre pas ou ne rencontre qu'un peu la petite couronne 17 formée par le changement brusque entre les diamètres D1 et D3 au bout amont du moyeu 8. En tenant compte de la contrainte de cisaillement concernant le courant entre le courant méridien 16 près de la paroi et le fluide dans la cavité 18 du moyeu S, un zffct d'éjection se forme alors dans la zone de l'intervalle axial 10, ce qui crée là une pression négative. La force résultante Fax2 agit dans le même sens que la force de poussée axiale, engendrée par le courant, qui agit sur le rotor 3, si bien qu'il se déplace dans le sens du courant par une force qui en résulte. Donc, l'intervalle axial 10 est réduit et, avec lui, l'extension axiale de la zone d'eau morte 15 jusqu'à la paroi du moyeu 5 (Fig. 3). Etant donné ce déplacement, la zone d'eau morte 15 fait saillie de moins en moins dans le rotor 3. De plus, la dimension croissante de l'intervalle axial 9 veut dire que l'énergie supplémentaire provenant du fluide dans la cavité 19 du moyeu 7 entre dans la zone d'eau morte 15 de sorte que ceci n'est pas seulement raccourci en sens relatif (en ce qui concerne la position axiale du rotor 3), mais aussi en termes absolus. Comme le mouvement axial du rotor 3 continue dans le sens du courant, le courant méridien 16 près de la paroi est en contact avec la paroi du moyeu 5 à plus grande échelle étant donné le raccourcissement de l'extension axiale de la zone d'eau morte 15 et la réduction correspondante de la déviation. Si le rotor 3 se situe juste devant le moyeu 8 (petit intervalle axial 10), une zone de pression de retenue s'établit directement devant le changement brusque de diamètres D1/D3 au moyeu 8 car le courant méridien 16 près de la paroi, encore en contact avec la paroi du moyeu 5, frappe contre l'orifice à bord aigu 17. L'augmentation de pression, ainsi engendrée dans la zone de l'intervalle axial 10, engendre une force de poussée Fax, qui entraîne à peu près un déplacement axial du rotor 3 dans le sens contraire du courant. Il résulte du processus de fonctionnement décrit une compensation automatique de la force de poussée axiale créée par le courant et agissant sur le rotor 3 de la turbine. Les paliers 13, 14 sont chargés moins lourdement et la précision de mesure améliorée. REVENDICATION 1. Débitmètre de Woltmann comportant un rotor (3) de turbine comprenant un moyeu (5) de turbine auquel sont fixées des aubes (6), ledit rotor étant monté entre un moyeu fixe (7) placé en amont du rotor (3) et un moyeu fixe (8) placé en aval du rotor (3), de façon qu'il puisse tourner et se déplacer axialement, les diamètres externes (D2, D3) des extrémités des moyeux fixes (7, 8) dirigés vers le rotor étant, dans tous les cas, plus grands que le diamètre externe (D1) du moyeu (5) de la turbine à ses extrémités dirigées vers les moyeux fixes (7, 8), la poussée axiale de la turbine soumise à un débit axial qui agit dans le sens du courant étant compensée par les différences de pression statique sur les deux faces d'extrémité du moyeu (5) de la turbine, caractérisé en ce que le moyeu (5) de la turbine a un diamètre extérieur constant (D1) sur toute la largeur (B) et en ce que le diamètre externe (D1) du moyeu (5) est à peu près 4 à 8 % plus petit que les diamètres externes (D2, D3) des extrémités de moyeux (7, 8) dirigées vers le rotor (3) de la turbine.