Brevet FR2767160A1 — publié le 19990212

Dispositif de guidage pour des coudes de tuyauterie L'invention concerne un dispositif de guidage qui se trouve conjointement avec un coude, ou avec deux coudes disposés l'un à la suite de l'autre, dans un conduit dans lequel passe un fluide. Les écoulements de fluides, donc les écoulements de liquides ou de gaz, sont exposés, lorsqu'ils passent dans des conduits coudés, à des forces centrifuges qui produisent une modification de pression perpendiculairement à la direction d'écoulement. La pression augmente ainsi vers l'extérieur, ce qui, selon la loi de Bernoulli, a pour conséquence que les vitesses mesurées sur les filets de fluide diminuent vers l'extérieur. De plus, l'écoulement de la couche limite dans le conduit ou tube coudé, communément appelé coude, est influencé de telle sorte qu'il se produit une augmentation de pression sur le rayon extérieur de courbure à l'entrée du coude et sur le rayon intérieur de courbure à la sortie du coude. On obtient ainsi un épaississement de la couche limite ou encore un détachement d'écoulement dont la courbe caractéristique et les dimensions dépendent des particularités physiques respectives du fluide et de l'écoulement, ce qui influence à nouveau l'écoulement et la répartition de pression et de vitesse qui y règne. Un tourbillonnement relatif, rotatif perpendiculairement à la direction d'écoulement, se forme à la sortie du coude ou en arrière de cette sortie, tourbillonnement qui est amorti par frottement interne dans l'écoulement tubulaire non perturbé et disparaît ainsi après une longueur de parcours donnée. Ce phénomène s'accompagne d'une augmentation de la résistance à l'écoulement, dont la valeur dépend des particularités géométriques du coude. 2 2767160 Si le premier coude est suivi, avant l'évanouissement du tourbillonnement relatif, d'un autre coude dont la direction de flux sortant est perpendiculaire ou oblique au plan qui est sous-tendu par la direction de flux entrant et de flux sortant du premier coude, le tourbillonnement relatif se transforme alors en totalité ou en partie en un tourbillon dont l'axe de rotation se situe dans la direction d'écoulement après le deuxième coude. De telles conditions se rencontrent souvent dans des coudes qui se trouvent dans des admissions de turbomachines telles que des pompes centrifuges et des turbines. Le tourbillonnement, appelé ici prérotation, dont l'axe de rotation se O trouve dans la direction d'écoulement, peut selon son intensité influencer fortement la courbe caractéristique de la turbomachine en aval. Afin d'atténuer ou de supprimer la prérotation pour des installations du type décrit ci-dessus, on a pris jusqu'alors différentes mesures. La première mesure consistait à disposer après le deuxième coude un dispositif de guidage qui s'opposait à la prérotation. Une autre mesure consistait à prévoir un dispositif de guidage qui était disposé dans ou après le premier coude et empêchait l'apparition du tourbillonnement relatif. Dans le premier cas, on a employé des régulateurs réglables de prérotation, ou des nervures de guidage disposées longitudinalement à la direction d'écoulement. Dans le second cas, on a employé des pales directrices installées dans le premier coude, dont une ou plusieurs étaient orientées dans la direction d'écoulement optimal dans le coude. Ces pales directrices empêchaient le détachement de l'écoulement et engendraient une uniformisation du profil de vitesse dans l'écoulement en aval du coude. Enfin, on connaît encore des coudes accélérateurs, qui possèdent une section diminuant progressivement. L'accélération de l'écoulement qui en résulte engendre une uniformisation du profil de vitesse. Toutefois, les possibilités d'utilisation des coudes accélérateurs sont limitées du fait de leurs dimensions différentes de collets. Un autre problème apparaissait en cas de division en deux flux entrants. Une telle division est effectuée, par exemple, pour des pompes centrifuges a un étage et à double flux, et pour des pompes jumelées. Les deux rotors d'une pompe jumelée recevaient ainsi, des flux de circulation différents, du fait d'un profil d'écoulement déformé produit en aval de coudes normaux. Les courbes caractéristiques différentes qui en 3 2767160 résultent pour les deux pompes ont conduit certains fabricants à altérer le comportement de la pompe recevant le flux le plus avantageux, afin d'arriver à un niveau identique pour les courbes caractéristiques des deux pompes. Toutes les mesures citées sont certes plus ou moins coûteuses, mais elles visent uniquement à diminuer les effets qui sont produits par un coude ou par deux coudes montés l'un à la suite de l'autre. Les dispositifs connus de guidage ne permettent pas d'exercer sur l'écoulement une influence intentionnelle n'ayant pas ou pas seulement pour objectif d'uniformiser le profil de vitesse ou de supprimer le tourbillonnement. Or, c'est justement ce qui peut être avantageux, par exemple à l'admission d'une turbomachine. Un flux entrant influencé d'une manière déterminée peut ainsi très bien améliorer les conditions de refoulement pour la turbomachine. L'invention vise un dispositif de guidage pour un coude, ou pour deux coudes montés l'un à la suite de l'autre, qui nécessite une dépense réduite et qui permette d'influencer d'une manière souhaitée l'écoulement quittant le coude, donc à l'aide duquel on puisse obtenir non seulement un profil de vitesse uniformisé ou la suppression du tourbillonnement, mais aussi une influence souhaitée de l'écoulement allant au-delà de cette uniformisation ou suppression. 0 On y parvient, suivant l'invention, par un dispositif de guidage qui est formé par une ou plusieurs nervures de guidage, qui sont disposées avant l'unique coude ou, selon le cas, avant le deuxième coude, qui s'étendent essentiellement parallèlement au plan de courbure de l'unique coude ou du deuxième coude et dont le ou les bords d'attaque divisent l'aire de la section transversale du conduit de telle sorte qu'on obtient des surfaces partielles avec des écoulements partiels de débits prédéfinis, la ou les nervures de guidage provoquant, dans leur autre tracé, une modification des sections transversales des surfaces partielles de telle sorte que l'écoulement quitte la sortie de l'unique coude ou du deuxième coude sans intensité de tourbillon ou avec l'intensité de tourbillon que l'on veut. Le dispositif de guidage suivant l'invention influence d'une manière souhaitée les conditions existantes dans un coude par le fait qu'au lieu d'un seul conduit, dont la courbure et le tracé de profil sont sensiblement prescrits, on met en place plusieurs conduits dont les tracés de courbure et de profil peuvent être détermines par le tracé choisi pour les nervures. 4 2767160 Si l'on doit seulement produire un profil de vitesse uniformisé ou supprimer le tourbillonnement après le premier ou le deuxième coude, il est proposé de diviser l'aire de la section transversale de la tuyauterie par des nervures de guidage de telle sorte qu'on obtienne des surfaces partielles avec des écoulements partiels de débits identiques. L'efficacité du dispositif de guidage suivant l'invention peut, en association avec deux coudes disposés l'un à la suite de l'autre, être accrue par le fait que le dispositif de guidage s'étend dans le deuxième coude. De la sorte, les flux partiels ne se rejoignent que dans le deuxième coude ou après le deuxième coude, le dispositif de guidage coupant l'aire de la section transversale du conduit faisant suite au deuxième coude, et le côté respectivement opposé à un bord d'attaque débouchant sous un angle de telle sorte que les aires de passage pour les flux partiels sont mutuellement adaptées en correspondance avec l'effet respectivement souhaité. La courbure, résultant d'une telle disposition, du dispositif de guidage à l'entrée dans le deuxième coude produit également un tourbillonnement, qui s'oppose à la prérotation à éviter. Un avantage pour la simplicité de fabrication du dispositif de guidage suivant l'invention est ici la torsion à une dimension de la nervure utilisée pour le dispositif de guidage. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, il est prévu d'utiliser des nervures de guidage qui possèdent un profilage favorisant l'écoulement en vue d'un effet recherché. Le dispositif de guidage suivant l'invention convient particulièrement bien pour une utilisation dans la région d'admission de turbomachines. Le dispositif de guidage suivant l'invention permet de conformer la courbe caractéristique d'une turbomachine, par exemple d'une pompe centrifuge. On peut surtout éviter le problème des flux de circulation différents qui apparaît lors d'une division en deux flux entrants. Au contraire de la solution connue mentionnée plus haut, cela ne s'effectue pas par une altération des conditions du côté recevant le flux le plus avantageux, mais par une amélioration du côté recevant initialement le flux le moins avantageux. On va maintenant expliquer plus en détail l'invention à l'aide de deux exemples de réalisation. Dans les dessins annexés: 2767160 la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un coude dans lequel passe un liquide de type connu, avec un détachement d'écoulement sur le rayon intérieur de courbure; la figure 2 est une vue de dessus de deux coudes disposés l'un à la suite de l'autre, avec un dispositif de guidage suivant l'invention; la figure 3 est une projection d'une représentation en trois dimensions des coudes de la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un coude d'aspiration suivant l'invention pour un groupe de pompes jumelées. Dans le coude 1 représenté sur la figure 1, on a dessiné deux profils de vitesse 2, 3 d'un liquide s'écoulant dans la direction des flèches des profils de vitesse 2, 3. Le profil de vitesse 2, en vigueur à l'entrée du coude 1, possède, comme le montrent ses lignes et ses flèches, une répartition de vitesse uniforme. La vitesse diminue uniquement dans la région de la paroi du coude 1, du fait du frottement qui y existe. Un détachement d'écoulement se produit sur le rayon intérieur de courbure du coude 1; en l'observant de plus près, ce détachement peut être divisé en différentes couches possédant des caractéristiques différentes. Comme les différentes couches peuvent être conjointement considérées comme une zone de perturbation 4 en ce qui concerne leur effet sur l'écoulement passant dans le coude 1, on a renoncé ici à une représentation différenciée. Dans la région de la zone de perturbation 4, la section disponible pour l'écoulement dans le tube 1 est considérablement limitée. De plus, il se produit dans la région de la zone de perturbation 4 une modification de la répartition de vitesse au sein de l'écoulement. Cela est illustré par le profil de vitesse 3, qui est valable pour la section transversale caractérisée par sa ligne de base. La connaissance de l'écoulement dans le coude 1 permet de mettre en place le dispositif de guidage suivant l'invention d'une manière appropriée. On va le montrer à l'aide d'un mode de réalisation dans lequel le coude 1 est suivi d'un autre coude 5. La figure 2 est une vue de dessus depuis la direction de flux sortant du deuxième coude 5, tandis que sur la figure 3, une représentation en trois dimensions des coudes 1 et 5 est projetée sur le plan du dessin. 6 2767160 Le coude 1 des figures 2 et 3 correspond au coude 1 de la figure 1. Les conditions d'écoulement représentées sur la figure 1 sont également valables pour le coude 1 des figures 2 et 3. Une nervure de guidage 6 est disposée dans le conduit formé par les coudes 1 et 5, nervure qui commence dans la région de la zone de perturbation 4 dans le coude 1 et qui se termine dans le coude 5. Le bord d'attaque de la nervure de guidage 6 divise l'aire de la section transversale du coude 1, en tenant compte de la zone de perturbation 4, en deux surfaces partielles; le flux jusqu'alors commun est séparé en deux flux partiels. Les deux flux partiels sont respectivement dirigés 1 O entre la paroi du conduit formé par les coudes 1 et 5 et la face de la nervure de guidage 6 qui est tournée vers eux. Le tracé respectif de cette face est déterminant du fait que le flux partiel est soumis à l'influence d'un guidage de buse ou d'un guidage d'écoulement du genre diffuseur. La face de la pale directrice 6 qui est opposée en prolongement rectiligne au bord d'attaque débouche par une ligne courbe ascendante dans le rayon extérieur du coude 5. Le bord de sortie de la pale directrice 6 possède également ce tracé. La surface partielle située en haut, pour le flux partiel de vitesse d'entrée supérieure, est plus petite que la surface partielle située en bas, pour le flux partiel de vitesse d'entrée inférieure (la première citée pourra être au plus égale à la dernière). Une fois les flux partiels à nouveau réunis, en aval du bord de sortie de la nervure de guidage 6, on obtient à partir du tracé décrit de la nervure de guidage 6 un tourbillonnement qui s'oppose à la prérotation à éviter. Pour le coude d'aspiration 7 d'une pompe jumelée (non représenté) qui est visible sur la figure 4, on part de conditions d'écoulement qui sont pour l'essentiel comparables à celles de l'exemple de réalisation décrit ci-dessus. Une différence est constituée ici par le fait que le liquide entrant dans le coude d'aspiration 7 est dévié vers l'ouverture d'aspiration 8 ou 9 de la pompe respectivement active, donc avec une direction différente et un guidage d'écoulement différent. Mais cela ne modifie en rien le principe de disposition du dispositif de guidage suivant l'invention. Il est donc prévu ici deux nervures de guidage 10, 11, qui commencent avant la région respective à considérer comme deuxième coude et s'étendent dans cette région. Ici aussi, il s'effectue une division en deux surfaces partielles avec des flux partiels de débit 7 2767160 prédéfini, ce qui est symbolisé pour la nervure de guidage 11 par les flèches de grandeur désignées a et b. Pour la pompe jumelée de la figure 4, le dispositif de guidage suivant l'invention est utilisé de façon à garantir un flux entrant sans prérotation pour les deux pompes, une valeur particulière étant ici en outre accordée a des conditions d'écoulement similaires pour les deux pompes. 8 2767160 REVENDICATIONS 1.- Dispositif de guidage, qui se trouve conjointement avec un coude, ou avec deux coudes disposés l'un à la suite de l'autre, dans un conduit dans lequel passe un fluide, caractérisé par une ou plusieurs nervures (6, 10, 11) de guidage, qui sont disposées avant l'unique coude ou, selon le cas, avant le deuxième coude (5), qui s'étendent essentiellement parallèlement au plan de courbure de l'unique coude ou du deuxième coude (5) et dont le ou les bords d'attaque divisent l'aire de la section transversale du conduit de telle sorte qu'on obtient des surfaces partielles avec des écoulements partiels de débits prédéfinis, la ou les nervures (6, 10, 11) de guidage provoquant, dans leur autre tracé, une modification des sections transversales des surfaces partielles de telle sorte que l'écoulement quitte la sortie de l'unique coude ou du deuxième coude (5) sans intensité de tourbillon ou avec l'intensité de tourbillon que l'on veut. 2.- Dispositif de guidage suivant la revendication 1, caractérisé par une ou plusieurs nervures de guidage qui divisent l'aire de la section transversale du conduit de telle sorte qu'on obtient des surfaces partielles avec des écoulements partiels de débits identiques. 3.- Dispositif de guidage suivant la revendication 1 ou 2, qui est associé à deux coudes (1, 5) disposés l'un à la suite de l'autre, caractérisé en ce que le dispositif (6, 10, 11) de guidage s'étend dans le deuxième coude (5). 4.- Dispositif de guidage suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par des nervures de guidage qui possèdent un profilage favorisant l'écoulement en vue d'un effet recherché. 5.- Dispositif de guidage suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par son utilisation dans la région d'admission d'une turbomachine.