Brevet FR2765944A1 — publié le 19990115

L'invention se rapporte au domaine technique des turbines, pompes, compresseurs et autres machines équivalentes. Plus précisément, l'invention se rapporte à une structure matérielle étendue sur la face interne de la paroi d'un conduit tel qu'un tube, cette structure matérielle laissant une section libre au conduit. Par la suite, cette structure matérielle sera désignée par le terme "labyrinthe". Cette structure comporte une pluralité de plaquettes transversales par rapport à la direction générale d'écoulement du fluide dans le conduit, chaque plaquette étant attachée au moins à une paroi du conduit selon une incidence et une inclinaison déterminées, cette structure générant des mouvements en spirale ou tourbillons pour le fluide s'écoulant dans le conduit. L'angle d'incidence est compris entre 0 et 900. Dans un mode de réalisation, l'angle d'incidence est compris entre sensiblement 40 et sensiblement 900. L'inclinaison est comprise entre sensiblement 0 et sensiblement 200. Dans un mode de réalisation, les plaquettes sont des ailettes radiales fonctionnant comme des pales d'hélice, fixées au conduit. L'invention se rapporte, selon un deuxième aspect, à une machine tournante comportant au moins un conduit pourvu d'une structure telle que définie ci-dessus. Dans un mode de réalisation, la machine comporte un rotor formant avec un tube coaxial un interstice dans lequel s'étend la structure matérielle formant labyrinthe. La machine comprend un segment torique fermé par un obstacle aux extrémités desquelles se trouvent les orifices d'admission et d'évacuation du fluide en circulation. Dans un mode de réalisation, la machine fonctionne comme une pompe, le rotor entraînant le fluide en circulation d'une région à basse pression vers une région à pression supérieure. Dans un autre mode de réalisation, la machine fonctionne comme un moteur pneumatique, le fluide en circulation étant injecté sous pression dans l'interstice formé entre le rotor et le tube coaxial. La machine peut être de type rotative ou alternative. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation, description qui va être faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un conduit pourvu d'un labyrinthe selon un mode de réalisation de l'invention - les figures 2a et 2b sont des vues de conduits, en coupe longitudinale, pourvus de labyrinthe selon un second mode de réalisation de l'invention - la figure 3 est une vue en coupe d'une pompe ou d'une turbine comportant un labyrinthe mobile selon un mode de réalisation de l'invention - la figure 4 est une représentation de différentes implantations de plaquettes réalisées lors d'essais - la figure 5 représente, pour chaque implantation représentée en figure 4, l'évolution du facteur de qualité du labyrinthe en fonction du nombre de Reynolds. La présence d'un labyrinthe tend à freiner le mouvement du fluide s'écoulant par la section libre du conduit comportant ce labyrinthe. On définit la section libre par la partie maximum de la section droite du conduit qui, déplacée en mouvement de translation le long du tube, n'intercepte aucun élément du labyrinthe. Pour une même section libre du conduit, la résistance aérodynamique à l'écoulement du fluide dépend de la vitesse relative du fluide par rapport au labyrinthe, ainsi que de la "qualité" du labyrinthe. On définit un coefficient de "qualité" Q du labyrinthe par la formule suivante dp = r * OU2 dx 2 4Rh où dp est le gradient de pression le long du tube dx d'abscisse x, que provoque le labyrinthe dans l'écoulement du fluide r est la masse spécifique du fluide U la vitesse relative moyenne du fluide dans la section libre du conduit, par rapport au labyrinthe Rh le rayon hydraulique de la section libre. Les labyrinthes peuvent être utilisés pour réduire le débit perdu par des interstices formant communication entre deux domaines où règnent des pressions différentes. Dans la mesure où les forces de résistance aérodynamiques ont tendance à réduire la vitesse relative entre le fluide et le labyrinthe, ces labyrinthes peuvent être utilisés pour transporter le fluide d'une région de pression supérieure du conduit si l'on déplace le labyrinthe dans ce sens. L'on réalise ainsi ce qui sera désigné par la suite par l'expression "pompe à labyrinthe mobile". Les labyrinthes mobiles peuvent être entraînés par le fluide qui s'écoule dans des conduits. L'on réalise ainsi ce qui sera désigné par la suite par l'expression "turbine à labyrinthe". La figure 1 montre une disposition de labyrinthe appliquée dans l'interstice entre deux plans A, B. Le repère 1 représente la couche occupée par le labyrinthe, et le repère 2 la partie libre de l'interstice. Les plaquettes 3 du labyrinthe sont placées d'une manière transversale, symétrique par rapport à la direction F du mouvement général du fluide. Ces plaquettes 3 sont inclinées d'un angle a par rapport à la direction générale F du courant de fluide. La référence 4 désigne la surface géométrique -en pointillés sur la figure 1- qui sépare la couche libre 2 de la couche occupée 1 pour le labyrinthe. Des expériences ont permis aux présents inventeurs d'évaluer le facteur de qualité Q de labyrinthes selon l'invention. Les modes expérimentaux mis en oeuvre par les présents inventeurs consistaient notamment en des tubes de section droite carrée ou circulaire, à l'intérieur desquels différents labyrinthes ont été mis en place. La figure 4 représente schématiquement différents labyrinthes testés. Neuf plaquettes 3 ont été placées dans un tube carré de 60 mm de côté, le labyrinthe occupant une moitié de la section du tube. Différents essais sont présentés en figure 4, pour différentes valeurs de l'angle d'incidence a, de l'angle de dérive ss et pour des valeurs des nombres de Reynolds comprises entre 45550 et 49000. L'angle de dérive ss est l'angle que fait l'intersection de la plaquette 3 (soit y) par rapport au mouvement général du fluide. Le nombre de Reynolds a été défini par V x 4 Rh Re = v ou V est la vitesse moyenne du fluide dans la partie libre du tube, v est la viscosité cinématique du fluide, Rh est le rayon hydraulique de la section fluide du tube. Les coefficients Q de qualité ont été déterminés en utilisant l'expression suivante r u2 Q P1 - P2 1 2 4 Rh ou V, r, Rh sont les valeurs définies auparavant, P1, P2 sont les pressions mesurées en amont et aval du labyrinthe, 1 est la longueur du labyrinthe. Le pas S entre deux plaquettes consécutives était de 30 mm. Les graphes présentés en figure 5 montrent une forte dépendance de Q en fonction du nombre de Reynolds, pour certaines valeurs de a et ss. Ainsi, les valeurs Q pour ss = 200 sont jusqu'à vingt fois plus grandes que celles obtenues pour ss = 00. La figure 2 représente un autre mode de réalisation dans lequel les plaquettes 3 ne sont pas montées parallèlement a la direction transversale, mais avec des inclinaisons changeant périodiquement de sens le long de la direction transversale, en zigzag. Sur la figure 2b, on a représenté en trait plein 5 les intersections des plaquettes 3 avec la paroi supérieure de l'interstice, les lignes 6 tracées en pointillés représentant les bords inférieurs des plaquettes 3. Les repères 7 et 8 sont des intersections entre deux plaquettes 3 consecutives. Les incidences des plaquettes a définies comme l'angle déterminé par l'intersection d'un plan longitudinal, parallèle à la direction générale de l'écoulement par l'interstice, et perpendiculaire aux parois de l'interstice d'un côté avec la plaquette avec le plan auquel la plaquette est attachée. Les incidences a et/ou les inclinaisons ss peuvent varier périodiquement dans le sens de la direction transversale y, la période spatiale étant de l'ordre de l'épaisseur de l'interstice. L'effet aérodynamique des inclinaisons ss est, notamment, de faire sortir le fluide de la sous-couche de l'interstice occupée par le labyrinthe, au voisinage des parties amont des plaquettes et l'y faire rentrer au voisinage des régions aval des plaquettes. L'effet aérodynamique des incidences a est, notamment, de faire entrer le fluide dans la sous-couche occupée, au voisinage des incidences inférieures et de le faire entrer dans la sous-couche libre au voisinage des incidences supérieures. Le mode de réalisation représenté en figure 2 entraîne, lorsqu'un fluide est mis en mouvement dans le labyrinthe, des tourbillons axiaux T changeant périodiquement de sens avec la même période spatiale, de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de l'interstice, le long de la direction transversale. Les trajectoires des particules fluides seront de forme spirales. On obtient ainsi un échange d'impulsions entre les deux sous-couches de l'interstice beaucoup plus actifs que ne le produit la turbulence naturelle. Lorsque le labyrinthe est appliqué à un tube, on peut, par exemple, placer comme élément du labyrinthe des petites pales d'hélices fixées au tube, fonctionnant donc comme des pales d'une turbine ou d'un compresseur axial. Ces petites pales seront alignées le long du tube avec un pas de translation convenable, d'un élément au suivant. La figure 3, qui représente une section perpendiculaire à l'axe d'un rotor 9 d'une machine tournante montre un exemple de labyrinthe mobile appliqué à la réalisation d'une pompe ou d'une turbine. Le rotor 9 sur lequel sont fixés les éléments 3 du labyrinthe, détermine un interstice avec le tube coaxial fixe 10. Lorsque le dispositif fonctionne comme une turbine, les flèches 11, en trait continu, indiquent le sens de rotation du labyrinthe dont les éléments 3 sont attachés au rotor 9, ainsi que le sens du courant. Les flèches en pointillés 12 indiquent en revanche le sens du mouvement des éléments mentionnés, lorsque le dispositif fonctionne comme compresseur. Les orifices M et N correspondent à l'admission et à l'évacuation, selon le fonctionnement respectif. Le repère 13 est un obstacle fixé au stator 10 et qui bouche la partie libre du conduit sur un segment compris entre les orifices M et N. La machine tournante représentée en coupe dans la figure 3 est limitée en envergure par deux plaques de base du tube fixe cylindrique 10, ces plaques servant également de support aux paliers de l'axe du rotor 9. La structure formant labyrinthe et générant des toubillons axiaux (LGTA) peut être appliquée aux machines tournantes comme aux machines alternatives. REVENDICATIONS 1. Structure matérielle étendue sur la face interne de la paroi d'un conduit tel qu'un tube, cette structure matérielle formant labyrinthe et laissant libre une partie de la section du conduit, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de plaquettes (3) transversales par rapport à la direction générale d'écoulement du fluide dans le conduit, chaque plaquette (3) étant attachée au moins à une paroi du conduit selon une incidence (a) et une inclinaison (ss) déterminées, le labyrinthe ainsi formé générant des mouvements en spirale (T) pour le fluide s'écoulant dans le conduit. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'angle d'incidence (a) est compris entre 0 et 900. 3. Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'angle d'incidence (a) est compris entre sensiblement 400 et sensiblement 900. 4. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'inclinaison (ss) est comprise entre sensiblement 0 et sensiblement 200. 5. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les plaquettes (3) sont des ailettes radiales fonctionnant comme des pales d'hélice, fixées au conduit. 6. Machine tournante caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un conduit pourvu d'une structure telle que définie dans l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Machine tournante selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor formant avec un tube coaxial un interstice dans lequel s'étend la structure matérielle formant labyrinthe. 8. Machine tournante selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un segment torique fermé par un obstacle aux extrémités desquelles se trouvent les orifices (M, N) d'admission et d'évacuation du fluide en circulation. 9. Machine tournante selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle fonctionne comme une pompe, le rotor entraînant le fluide en circulation d'une région à basse pression vers une région à pression supérieure. 10.Machine tournante selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle fonctionne comme un moteur pneumatique, le fluide en circulation étant injecté sous pression dans l'interstice formé entre le rotor et le tube coaxial. ll.Machine tournante selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle est de type rotative. 12.Machine tournante selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle est de type alternative.