Brevet FR2792723A1 — publié le 20001027

La présente invention concerne les turbines pour les débitmètres à turbine utilisés pour mesurer le débit ou la quantité de fluide, par exemple de liquide, qui les traverse. L'invention est destinée à améliorer la justesse et la fiabilité des débitmètres à turbine du type " axial " aussi bien que du type " tangentiel ". On connaît un premier type de débitmètre à turbine comportant un élément muni de pales, de forme quelconque, qui est libre en rotation et est mis en mouvement par l'action du fluide à mesurer sur les pales. Cet élément tournant est maintenu dans un corps de turbine par des paliers et des butées, éventuellement combinés, de telle sorte que son axe de rotation soit parallèle à l'écoulement du fluide. On connaît un second type qui diffère du premier en ce que l'axe de rotation de l'élément tournant est perpendiculaire ou incliné par rapport à l'écoulement de fluide. Ces débitmètres, largement utilisés, sont précis, simples, légers, de faible encombrement et peu coûteux. Cependant, leur précision, la reproductibilité des mesures, et leur fiabilité sont largement dépendants de la qualité des organes formant pivots pour l'élément tournant, appelés dans la technique " organes de pivotage ". Il est connu que les caractéristiques métrologiques des turbines dépendent, dans une certaine mesure, des forces de frottement exercées au niveau des paliers. Ces forces de frottement sont dues aux charges radiales et axiales appliquées par l'élément tournant, appelé rotor dans la suite du texte. Ces charges ont pour origines le poids du rotor ainsi que les efforts hydrodynamiques subis par celui-ci. Ces efforts sont, à titre d'exemples non limitatifs, les résultantes de la viscosité du fluide et les forces de traînées de profil; la compensation des effets hydrodynamiques est, de longue date, l'objet de nombreux brevets, et ne sera pas abordée ici. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients, et ainsi la diminution voire la suppression des charges dues au poids du rotor, et l'amélioration de la fiabilité des butées axiales; elle concerne de préférence, mais non exclusivement, les turbines de moyennes et grandes dimensions. 2 2792723 Dans le brevet français N 80 12 264 qui concerne l'allégement de turbines, la demande de protection porte sur la réalisation d'hélices de turbine axiale entièrement creuses; est également mentionnée dans ce brevet, la réalisation d'hélices en matière plastique chargée de microbilles elles-mêmes creuses. Ces solutions peuvent être adaptées aux très petites turbines construites de préférence en séries importantes ou non soumises à des contraintes économiques. Elles ne sauraient cependant convenir aux plus gros appareils pour plusieurs raisons, et notamment pour les deux raisons suivantes. D'une part l'emploi de matière plastique chargée de microbilles creuses ne convient pas à tous les types de fluide. En effet, les matières plastiques présentent un pouvoir d'absorption des liquides, ce qui ne permet généralement pas la conservation très précise des formes des pales donc de la précision de la turbine, et en outre elles ne présentent pas une tenue physico-chimique suffisante pour la mesure de fluides à hautes températures ou pour la mesure de liquides chimiquement agressifs. D'autre part, la fabrication de rotors à parois minces entièrement creux n'est, pour des raisons économiques et techniques, applicable ni aux turbines de dimensions moyennes ou grandes construites en faibles séries ni aux pressions relativement élevées souvent rencontrées dans les industries pétrolières et pétrochimiques par exemple. L'invention a donc pour but de remédier aux inconvénients mentionnés plus haut ainsi qu'à ceux de ces turbines allégées connues, et concerne à cette fin une turbine comportant un corps creux destiné à être parcouru par un courant de fluide, un rotor muni d'au moins une pale adapté pour tourner librement dans le corps à une vitesse proportionnelle au débit du courant de fluide, et au moins un moyen détecteur adapté pour créer au moins un signal électrique qui est fonction de la valeur d'une grandeur physique caractéristique de la rotation du rotor, turbine caractérisée en ce que le rotor comporte un moyeu présentant seul une cavité limitée par la paroi extérieure du moyeu et fermée de manière étanche afin que le moyeu forme flotteur dans le courant de liquide. 3 2792723 Grâce à ces caractéristiques, on diminue de façon notable, voire totalement, les frottements dus au poids du rotor exercés sur les organes de pivotage de celui-ci, par suite de la réduction voire l'annulation du poids apparent du rotor, c'est-à-dire du poids diminué de la poussée d'Archimède exercée par le fluide mesuré. L'invention permet également d'améliorer ainsi la justesse de la mesure, principalement aux faibles débits, et la fidélité et la fiabilité des turbines par suite de la diminution de la valeur du produit P x V de la charge du pivotage par sa vitesse, I'usure du pivotage étant fortement dépendante de ce produit P x V. Suivant le type de turbine concerné et suivant la position de montage, I'amélioration se fait sentir par la diminution des frottements sur les organes de pivotage du rotor tels que des paliers, des butées ou leurs combinaisons. L'invention telle qu'elle est définie plus haut est applicable à tous les types de pivotage. La turbine peut de plus, selon les formes de réalisation, présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - comporter au moins une pale dont l'épaisseur décroît, avec éventuellement des discontinuités dans sa décroissance, de la périphérie de la pale à l'emplanture de celle-ci; comporter, pour fermer la cavité, au moins un support de rotor dans lequel le rotor est supporté par un arbre et o est logée au moins une butée axiale pour l'arbre; - comporter, pour fermer la cavité, un support de rotor en une seule pièce avec le moyeu, o est logée au moins une butée axiale; - comporter deux butées axiales dans des régions d'extrémités opposées du moyeu; - comporter des paliers maintenus dans un porte-paliers monté tournant par rapport à un arbre fixe qui traverse le rotor suivant son axe longitudinal, maintenu dans le corps de la turbine à au moins l'une de ses extrémités; 4 2792723 - comporter un arbre ou au moins un demi-arbre maintenu d'une part dans le rotor et tournant d'autre part dans un palier fixe maintenu dans le corps de la turbine; - comporter des paliers maintenus dans des obturateurs formant supports de rotor, dont au moins l'un peut être solidaire du moyeu; - comporter des demi-arbres maintenus dans des obturateurs formant supports de rotor, dont au moins l'un peut être solidaire du moyeu; comporter au moins une pale s'étendant approximativement hélicoïdalement; - comporter des pales s'étendant selon des plans, ou des profils, inclinés par rapport à la direction de l'écoulement axial du fluide; - comporter des pales s'étendant selon des plans parallèles à l'axe de rotation du rotor, lui- même incliné ou perpendiculaire à l'écoulement du fluide; avoir un moyeu en un matériau de faible masse volumique tel qu'un matériau à base de carbone par exemple sous la forme de graphite; - comporter des moyens de refroidissement constitués par des canaux s'étendant dans au moins un support de rotor ou dans une ogive rapportée autour d'un support de rotor, o est logée une butée axiale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, de formes de réalisation de l'invention données à titre d'exemples non limitatifs, illustrées par les dessins joints dans lesquels: - la figure 1 montre une première forme de réalisation d'un rotor de turbine selon l'invention, - la figure 2 montre une deuxième forme de réalisation d'un rotor de turbine selon l'invention, - la figure 3 montre une troisième forme de réalisation d'un rotor de turbine selon l'invention, - la figure 4 est un diagramme montrant le pourcentage d'erreur en fonction du débit pour une turbine conventionnelle et une turbine allégée selon l'invention, et 2792723 - la figure 5 est un diagramme montrant le pourcentage d'erreur en fonction du débit dans une autre gamme de débits également pour une turbine allégée selon l'invention. Le rotor de turbine représenté sur la figure 1 est destiné à un débitmètre à turbine de type axial, cette turbine comportant un corps creux destiné à être parcouru par le courant de fluide à mesurer et dans lequel est logé le rotor qui est adapté pour y tourner librement à une vitesse proportionnelle au débit du courant de fluide; la turbine comporte également au moins un moyen détecteur associé au rotor pour créer au moins un signal électrique qui est fonction de la valeur d'une grandeur physique caractéristique du défilement d'au moins une pale du rotor ou plus généralement de la rotation du rotor. Ce rotor est réalisé sous la forme d'une hélice comportant un moyeu 1 présentant intérieurement une cavité 2 limitée par la paroi externe du moyeu formant ainsi flotteur dans le courant de liquide, et extérieurement, sur la plus grande partie de sa longueur, un tronçon de forme générale cylindrique dont le pourtour est muni d'une ou plusieurs pales 3 ici hélicoïdales, et ici coaxialement une région d'extrémité amont également de forme générale cylindrique de plus petit diamètre raccordée au premier 2 0 tronçon par un épaulement. Les pales 3 présentent une épaisseur qui ici décroît régulièrement entre leur périphérie et leur emplanture o elles prennent naissance sur le moyeu 1; cependant, les pales 3 peuvent éventuellement présenter une ou plusieurs discontinuités dans la décroissance de leur épaisseur. Ici, la région d'extrémité de petit diamètre du moyeu 1 est logée dans un logement d'une ogive 4, et sa région d'extrémité opposée est fermée de manière étanche par un bouchon obturateur 5 présentant cependant un alésage central traversant, pour former support de porte-palier comme cela sera plus précisément exposé dans la suite; en variante, la cavité pourrait être fermée par le fait que le moyeu présenterait en une seule pièce une partie rétrécie formant elle-même support de porte- palier; dans le cas de la figure 1, la région d'extrémité amont de petit diamètre du moyeu 1 forme elle- 6 2792723 même support 5 de porte-palier, bien que n'étant pas fermée, comme on le verra dans la suite. A l'intérieur de la région d'extrémité de petit diamètre du moyeu 1 et de l'alésage central de l'obturateur 5, sont emmanchées les extrémités d'un porte-paliers d'étanchéité 6 tubulaire adapté pour tourner avec le moyeu 1 et entièrement logé dans celui-ci, traversant le moyeu de part en part, de cette région d'extrémité amont à l'alésage de l'obturateur; extérieurement, les régions d'extrémités de ce porte-palier 6 logées respectivement dans la région d'extrémité du moyeu 1 et dans l'alésage de l'obturateur 5 présentent un diamètre légèrement supérieur à celui de son tronçon central; il en est de même intérieurement, dans l'alésage traversant du porte-palier 6. Dans cet alésage traversant, dans les deux régions d'extrémités de plus grand diamètre intérieur du porte-palier 6, sont logés des paliers 7 respectifs sous la forme de bagues, constituant les organes de pivotage du rotor; ces paliers 7 sont en butée contre des épaulements reliant les régions d'extrémités de l'alésage de plus grand diamètre intérieur à la région centrale de celui-ci de plus petit diamètre intérieur. Le trou central traversant des paliers 7 est centré, dans le porte-palier 6, sur l'axe du moyeu 1. A l'intérieur des paliers 7 disposés dans les régions d'extrémités du porte-palier 6, est ajusté l'arbre central fixe 8 du rotor, qui traverse et maintient ce dernier en s'étendant le long de l'axe longitudinal du moyeu I; cet arbre 8 présente un tronçon de forme générale cylindrique sur la plus grande partie de sa longueur, prolongé au-delà du palier amont par une région d'extrémité d'abord cylindrique et de plus grand diamètre, se terminant tronconiquement presque en pointe à son extrémité libre; cette région d'extrémité est raccordée au tronçon de grande longueur par un épaulement en vis-à-vis de la face amont du palier amont, et est logée dans la région d'extrémité amont du porte- palier 6 elle-même logée dans la région d'extrémité amont du moyeu 1, à l'intérieur de l'ogive 4. L'extrémité amont du porte-palier 6 o est logée la région de grand diamètre de l'arbre 8 est fermée par une butée axiale 9 pour l'arbre, contre laquelle l'extrémité libre 7 2792723 tronconique de l'arbre 8 est en appui; la butée axiale 9 est elle-même en appui contre le fond de la région d'extrémité amont du moyeu 1. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, I'extrémité amont du moyeu 1, en revanche, n'est pas en appui contre le fond de son logement prévu dans l'ogive 4, et présente une ouverture, tandis que l'ogive présente des canaux 10 reliant ce logement et l'extérieur de l'ogive; ces canaux 10 permettent au fluide à mesurer entourant le rotor d'atteindre la butée axiale 9, et constituent des moyens de refroidissement de la butée. Dans le cas de la figure 1, le rotor est monté en porte-à-faux. 1 0 Dans certaines formes de réalisation, le rotor peut présenter des supports de palier de rotor contenant une butée et comportant également des canaux de refroidissement de cette butée. Au moyen des canaux 10 de l'ogive ou autre(s) support(s) d'extrémité(s), on crée une circulation de fluide balayant la face de la butée axiale qui n'est pas en contact direct avec une extrémité d'arbre ou de demi- arbre, assurant le refroidissement de la butée. Grâce au fait que l'on évite la montée en température des surfaces actives des butées axiales, on limite la diminution des caractéristiques mécaniques des matériaux, et ainsi on augmente la fiabilité du pivotage. Cette limitation de la température agit également sur l'augmentation du coefficient de frottement de la butée, donc réduit les forces de frottement correspondantes et améliore la précision de la mesure. Alors que la figure 1 montre une forme de réalisation dans laquelle l'arbre 8 du rotor est maintenu dans le corps de la turbine par seulement I'une de ses extrémités et s'étend donc en porte-à-faux, les figures 2 et 3 montrent des variantes de réalisation de rotor hélicoïdal dans lesquelles la turbine comporte deux demi-arbres d'extrémités. Les éléments représentés sur ces figures 2 et 3 et correspondant à des éléments de la figure 1 portent les mêmes repères numériques. Seront décrits dans la suite les éléments de ces figures qui diffèrent des éléments correspondants de la figure 1. Dans la forme de réalisation de la figure 2, le moyeu 1 formant flotteur ne comporte pas de région d'extrémité amont de plus petit diamètre 8 2792723 et n'est pas traversé de part en part par un porte-palier. En revanche, la cavité 2 débouche par les deux régions d'extrémités du moyeu 1 qui sont donc fermées chacune par un obturateur 5 formant lui-même à la fois porte- palier et support de rotor, présentant un alésage central; cependant, cet alésage central de support de rotor n'est pas traversant et présente un fond du côté de la cavité 2. Contre ce fond, est disposée une butée axiale 9; les alésages de l'obturateur 5 présentent deux parties de diamètres différent, raccordées par un épaulement, la partie de plus grand diamètre étant située du côté proche de l'extérieur du moyeu 1. Les paliers 7 sous la forme de bagues dans lesquels sont destinés à être insérés les demi-arbres respectifs sont maintenus dans ces parties de plus grand diamètre, en butée contre ces épaulements. Comme on l'a vu, les butées axiales 9 pour les demi-arbres peuvent être refroidies par une circulation de fluide si les obturateurs 5 supports de rotor comportent des canaux. Dans la forme de réalisation de la figure 3, le moyeu 1 également ne comporte pas de région d'extrémité amont de plus petit diamètre et n'est pas traversé de part en part par un porte-palier. La cavité 2 débouche par les deux régions d'extrémités du moyeu 1 qui sont donc fermées chacune par un obturateur 5 présentant un alésage central; cet alésage central n'est pas traversant et présente un fond du côté de la cavité 2. C'est directement dans l'alésage central des obturateurs 5 que sont destinés à être insérés et maintenus les deux demi-arbres 81 respectifs. Ainsi, de manière générale, dans toutes les formes de réalisation, le moyeu 1, qui, seul, est creux, est réalisé de manière à constituer un flotteur soumis à la poussée d'Archimède dans le liquide à mesurer. A cette fin, ce moyeu creux est étanche, et ses parois sont aussi minces que possible compte tenu du mode de fabrication et des conditions d'utilisation du rotor. Egalement en vue de diminuer la masse apparente du rotor, I'épaisseur des pales, qui, elles, ne sont pas creuses, est réduite à son minimum, un moyen préférentiel mais non limitatif consistant à fabriquer les 9 2792723 pales de manière à ce que leur épaisseur, normale à la périphérie du rotor, diminue, progressivement ou non, en direction du moyeu. Toujours pour la même raison, le rotor est réalisé dans une matière dont la masse volumique est la plus faible possible tout en présentant des résistances, mécanique et chimique, adaptées à l'usage de la turbine. A titre d'exemple, pour mesurer des débits d'hydrocarbure et notamment de G.P.L., les rotors peuvent être réalisés à base de carbone par exemple sous la forme de graphite. l0 Il faut noter que les formes dé réalisation représentées ne sont pas limitatives, et notamment les pales peuvent s'étendre selon des plans, ou des profils, inclinés par rapport à la direction de l'écoulement axial du fluide, ou encore des plans parallèles à l'axe de rotation du rotor, lui-même incliné ou perpendiculaire à l'écoulement du fluide. Le rotor selon l'invention peut faire appel à tous les types de pivotages qu'il soient à paliers et/ou butées lisses, comme dans le cas des dessins, ou à roulements et/ou butées à billes ou à aiguilles, ou à paliers et/ou butées à film liquide, à pointes et cuvettes, ou à sphères, ou qu'ils comprennent des combinaisons quelconques de ces éléments ou d'éléments équivalents. Egalement, I'invention peut être appliquée à d'autres types de turbines et notamment des turbines tangentielles. Dans le cas du rotor représenté sur la figure 1, on a réalisé une hélice en alliage léger dont la masse sans flotteur est de 79 grammes. Sa masse apparente dans du gazole est de 56 grammes. Cette hélice munie du seul flotteur de moyeu mais sans allègement des pales ni amincissement des parois pèse 42 grammes et sa masse apparente dans du gazole est de 24 grammes. On notera que l'application complète des enseignements de I'invention apporte un gain supplémentaire par réduction des épaisseurs de paroi conformément à la représentation de la figure 1. Dans l'exemple précité, la réduction de l'épaisseur des pales, cette épaisseur variant de 2 i2792723 mm en périphérie à 1 mm à l'emplanture, conduit à une masse apparente de 6,3 grammes. Cette masse apparente qui est près de neuf fois plus faible que celle de l'hélice d'origine met en évidence l'avantage de l'invention. Les courbes de la figure 4 représentent des résultats expérimentaux obtenus sur deux hélices comparables, I'une de construction normale (courbe en trait interrompu), I'autre géométriquement identique à la première mais dont le moyeu forme flotteur suivant la description de la figure 1, sans optimisation des épaisseurs des parois et sans réduction de I'épaisseur des pales, c'est-à-dire avec un allégement relativement réduit (courbe en trait plein). Le graphique est limité aux faibles et très faibles débits pour mieux mettre en évidence l'amélioration de la précision apportée par l'invention. La plage d'utilisation normale de ce type de turbine est comprise entre 8 et 80 m3 par heure. Les différences des erreurs maximum et minimum de l'hélice normale et de l'hélice allégée dans cette plage de débits sont respectivement égales à 0,88% et 0,7%. L'erreur au débit minimum de la plage d'utilisation (8m3/h) est ramenée de -0,44% à -0,26%, ce qui est considérable. L'invention apporte ici une diminution de 20% des erreurs de la turbine. Cette diminution est encore plus importante en appliquant l'ensemble des dispositions de l'invention. La courbe de la figure 5 est une courbe d'erreur relevée à titre d'exemple sur une hélice dont le moyeu est un flotteur suivant l'objet de l'invention, mais dont les épaisseurs de parois sont réduites pour accroître l'allégement sans atteindre cependant le poids minimum possible, pour des valeurs de débit allant jusqu'à 100 m3 par heure. On notera que la mise en oeuvre de l'invention permet alors de maintenir les erreurs de la turbine dans l'intervalle -0,15% et +0,15%, valeurs particulièrement faibles et encore améliorables par des optimisations appropriées. 12. 12792723 REVENDICATIONS 1. Turbine comportant un corps creux destiné à être parcouru par un courant de fluide, un rotor muni d'au moins une pale (3) adapté pour tourner librement dans le corps à une vitesse proportionnelle au débit du courant de fluide, et au moins un moyen détecteur adapté pour créer au moins un signal électrique qui est fonction de la valeur d'une grandeur physique caractéristique de la rotation du rotor, turbine caractérisée en ce que le rotor comporte un moyeu (1) présentant seul une cavité (2) limitée par i0 la paroi extérieure du moyeu et fermée de manière étanche afin que le moyeu forme flotteur dans le courant de liquide. 2. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une pale (3) dont l'épaisseur décroît, avec éventuellement des discontinuités dans sa décroissance, de la périphérie de la pale à l'emplanture de celle-ci. 3. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comporte, pour fermer la cavité (2), au moins un support (5) de rotor dans lequel le rotor est supporté par un arbre (8) et o est logée au moins une butée axiale (9) pour l'arbre. 4. Turbine selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte, pour fermer la cavité (2), un support (5) de rotor en une seule pièce avec le moyeu (1), o est logée au moins une butée axiale (9). 5. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte deux butées axiales (9) dans des régions d'extrémités opposées du moyeu (1). 6. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte des paliers (7) maintenus dans un porte- paliers (6) monté tournant par rapport à un arbre (8) fixe qui traverse le rotor suivant son axe longitudinal, maintenu dans le corps de la turbine à au moins l'une de ses extrémités. 12 2792723 7. Turbine selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un arbre (8) ou au moins un demiarbre (81) maintenu d'une part dans le rotor et tournant d'autre part dans un palier fixe maintenu dans le corps de la turbine. 8. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte des paliers (7) maintenus dans des obturateurs (5) formant supports de rotor, dont au moins l'un peut être solidaire du moyeu (1). 9. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte des demi-arbres (81) maintenus dans des obturateurs (5) formant supports de rotor, dont au moins l'un peut être solidaire du moyeu (1). 10. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une pale (3) s'étendant approximativement hélicoïdalement. 11. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte des pales (3) s'étendant selon des plans, ou des profils, inclinés par rapport à la direction de l'écoulement axial du fluide. 12. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte des pales (3) s'étendant selon des plans parallèles à l'axe de rotation du rotor, lui-même incliné ou perpendiculaire à l'écoulement du fluide. 13. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que le moyeu (1) est en un matériau de faible masse volumique tel qu'un matériau à base de carbone par exemple sous la forme de graphite. 14. Turbine selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de refroidissement (10) constitués par des canaux s'étendant dans au moins un support (5) de rotor ou dans une ogive (4) rapportée autour d'un support (5) de rotor, o est logée une butée axiale (9).