Brevet FR2804730A1 — publié le 20010810

La présente invention concerne de maniere générale des pompes et plus particulièrement la géométrie des pales d'amorceur d'une pompe pour améliorer la performance et emp- êcher une détérioration par cavitation. Comme cela est bien connu dans technique, la conception d'une pale d'amorceur est un compromis entre di- verses considérations concernant la performance, l'intégrité de la structure et la possibilité de fabrication. Par exem- ple, considérant les aspects d'un amorceur qui permettent de parvenir à une performance maximum, de manière idéale l'épaisseur d'une pale d'amorceur approche zéro. Malheureu- sement, une construction de ce type est extrêmement délicate et compromet sévèrement l'intégrité de la structure de l'amorceur. En prenant en compte l'intégrité de la struc- ture, une- grande épaisseur de pale d'amorcéur est préféra- ble. Cependant, une construction de ce type a pour résultat un amorceur ayant une performance extrêmement faible. En considerant les aspects qui affectent la facilité par la- quelle un amorceur peut être fabriqué, il est très souhaita- ble de simplifier la géométrie de la pale d'amorceur en uti- lisant un seul angle pour définir l'inclinaison de la pale. 'est un but de la présente- invention de fournir une conception de pale d'amorceur simplifiée qui peut être plus facilement fabriquée mais qui a un degré élevé d'intégrité de structure et qui fournit une performance améliorée. C'est un autre but de la présente invention de fournir un amorceur ayant plusieurs pales dont l'épaisseur ne dépasse pas la hauteur d'une cavité de cavitation. C'est un autre but de la présente invention de fournir un amorceur ayant un moyeu qui est en forme de rampe conformément à un polynôme du cinquième degré. C'est encore un but de la présente invention de four- nir un amorceur dont la surface du passage d'écoulement telle que prise perpendiculairement à l'écoulement du fluide varie conformément à un polynôme du cinquième degré. Dans une première forme, la présente invention fournit un amorceur ayant un moyeu et plusieurs pales, .'_ #@p.a.@.Ç seur des pales étant définie de telle sorte que pendant le fonc tionnement de l'amorceur, chacune des pales est positionnée en dessous d'une ligne de vapeur de cavitation de manière améliorer la performance de l'amorceur. Dans une autre forme, la présente invention fournit un amorceur ayant moyeu qui est profilé ou en forme de rampe conformément à un polynôme du cinquième degré pour fournir une performance éliorée. Dans encore une autre forme, la présente invention fournit un amorceur ayant une surface de passage découle ment, telle que prise perpendiculairement à l'écoulement fluide, qui varie conformément à un polynôme du cinquième degré pour fournir une performance améliorée. Des avantages et des caractéristiques supplémentaires de la présente invention vont apparaître à la lecture de description qui va suivre, et des revendications annexées faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - figure 1 est une vue en perspective d'un amorceur construit selon les enseignements de la présente invention, - figure 2 est un tracé de la pale de l'amorceur la figure 1, - figure 3 est un relevé de la hauteur de cavité cavitation et de l'épaisseur de pale le long d'une ligne d'écoulement adjacente du moyeu d'amorceur, - la figure 4 est un relevé de la hauteur de cavité de cavitation et de l'épaisseur de pale le long d'une ligne d'écoulement moyenne, - la figure 5 est un relevé de la hauteur de cavité de cavitation et de l'épaisseur de pale le long d'une ligne d'écoulement adjacente au bout de la pale, - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale de l'amorceur de la figure 1, représentant la variation du pro fil du moyeu, - la figure 7 est une vue en perspective similaire à celle de la figure 1 représentant les répartitions de sur face des passages d'écoulement, et - la figure 8 est un tracé donné en exemple de la répartition de la surface de passage d'écculement indiquant diverses relations par rapport aux emplacements de la cessa tion de la cavité. En se reportant à la figure 1 des dessins, un amorceur construit conformément aux enseignements de la présente in vention est indiqué de manière générale par la référence numérique 10. En se reportant brièvement à la figure 6, l'amorceur 10 est représenté comme coopérant avec un boîtier 11a pour former une pompe 11. En revenant à la figure 1, l'amorceur 10 est représenté comme comportant une partie de moyeu 12 et plusieurs pales 14 qui coopèrent pour définir plusieurs passages d'écoulement 16. Chacune des plusieurs pales 14 comporte un côté d.'aspiration 18 et un côté de mise sous pression 20. L'angle d'inclinaison du côté de mise sous pression 20 de la pale 14 est représenté comme étant cons- tant'pour rendre l'amorceur 10 plus facile fabriquer et pour réduire les coûts d'usinage. La figure 2 est un tracé polaire de quatre zones dis tinctes du côté d'aspiration 18 de l'amorceur 10. Chaque zone est définie par un angle d'inclinaison constant, ce qui améliore la facilité avec laquelle l'amorceur 10 peut être fabriqué. Le côté d'aspiration 18 comporte plusieurs lignes raccordement de carénages 22, 24, 26, situées entre cha cune des zones. Lors de la conception de la pale 14, l'epaisseur de la pale 14 dans la zone située entre le bord d'attaque 28 de la pale et la deuxième ligne de raccordement de carénages 24 est commandée de sorte que la pale 14 ne s'étende pas au-delà d'une ligne de vapeur de cavitation pour un angle d'incidence d'écoulement prédéterminé. La ligne de vapeur de cavitation définit l'épaisseur maximum de la pale pour l'an- d'incidence d'écoulement prédéterminé. Dans la zone située entre le bord d'attaque 28 de la pale 14 et la première ligne de raccordement de carénages 22, l'épaisseur de la pale est conçue pour contrer les char ges de contrainte produites par des pressions de fluide élevées existant au niveau du bord d'attaque 28 tout en res tant en dessous de la ligne: de vapeur de cavitation. Dans la zone située entre la deuxième et la troisième ligne de rac cordement de carénages 24 et 26, la répartition de l'épais seur de pale est commandée pour ne produire aucune diffusion et pour produire une vitesse relative constante. Sur les figures 3 à 5, l'épaisseur de la pale 14 et la cavité de cavitation sont représentées le long de diverses lignes d'écoulement. Comme mentionné ci-dessus, les valeurs théoriques de la ligne de vapeur de cavitation 32 sont uti lisées pour définir l'épaisseur maximum de pale permise pour un angle d'incidence d'écoulement donné au niveau du bord d'attaque 28 de la pale 14. La figure 3 représente la hau teur de la cavité de cavitation et l'épaisseur de la pale 14 le long la ligne d'écoulement la plus proche du moyeu 12. La figure 4 représente la hauteur de la cavité de cavitation 'et l'épaisseur de la pale 14 le long d'une ligne d'écoule ment moyenne. La figure 5 représente la hauteur de la cavité de cavitation et l'épaisseur de la pale 14 le long d'une li gne d'écoulement située au niveau du bout de la pale 14. I1 est à noter que dans tous les cas, l'épaisseur de la pale est commandée de telle sorte que la pale reste dans la ca vité de cavitation. En faisant ceci, le blocage du passage dé pale min ünisé; en permettant une performance d'aspi ration plus élevée. Les figures 6, 7 et 8 représentent un autre aspect de la présente invention, c'est-à-dire la commande de la varia tion angulaire des pales 14 et de la rampe du moyeu 12 pour maintenir un passage d'écoulement 16 ayant une surface cons tante avant la cessation de la cavité. Comme représenté sur la figure 7, la surface des passages d'écoulement 16 est prise perpendiculairement à l'écoulement de fluide à travers l'amorceur , comme indiqué par les surfaces A1, A2, A3, A4 et A5. La surface des passages d'écoulement 16, telle que prise perpendiculairement à l'écoulement de fluide à travers l'amorceur 10, varie de préférence d'une manière similaire à celle représentée sur la figure 8. Une construction de ce type minimise la longueur de 1a cavité de cavitation et am éliore la performance de l'amorceur 10. J La surface perpendiculaire à la pale au niveau la licqne d'inclinaison constante du côté de mise sous pression est de préférence commandée p l'équati n 1 X = 2 x n x rt x tanU x #qrt# + tan 2 #i. À+ sqrtkX + tan @X >@ ou AX est la surface perpendiculaire à la pale au niveau tout emplacement x prédéterminé, où x est la distance axiale depuis le bout du bord d'attaque, rt est le rayon de bout de l'amorceur, (3,X est l'angle du bout de pale au niveau d'un emplace ment x prédéterminé, où x est la distance axiale depuis le bout du bord d'attaque, sqrt est la racine carrée de la quantité indiquée tan est la fonction tangente trigonométrique la quantité indiquée, et h. est le rapport entre les rayons de moyeu et bout fonction de x, où x est la distance axiale depuis le bout bord d'attaque. La répartition de l'angle de tangence à une pale éten- à partir de toute ligne d'inclinaison constante au ni veau de tout x est de préférence commandée par l'équation r x tan ((3r) = rt x tan ((3X) r est un rayon quelconque le long de la ligne d'incli naison constante étendue à partir du bout, (3r est l'angle de tangence à une pale au niveau d'un rayon quelconque sur la ligne d'inclinaison constante, rt est le rayon de bout de l'amorceur, et (3X est l'angle du bout de pale au niveau d'un emplace ment prédéterminé x, où x est la distance axiale à partir du bout du bord d'attaque. La variation normalisée de la surface perpendiculaire passage de pale est de préférence commandée par les " - tions 3, 4 et 5 suivantes Equation (3) ARX = 1 Equation (4) ARX = 1 + (AR - 1) x (10 - 15 ; Le. moyeu 12 comporte une première partie 40, une deuxième partie 44 et une troisième partie 48. La première partie 40 a un rayon constant et se termine au niveau du point d'interception de ligne d'inclinaison constante du bord d'attaque de bout 52 représenté sur la figure 6. Le rayon de la deuxième partie 44 est défini par une fonction lisse commandant le degré d'augmentation à partir du point d'interception de ligne d'inclinaison de bord d'attaque 52 et du point d'interception de ligne d'inclinaison de bord de queue 56. La deuxième partie 44 se termine au niveau du point d'interception de ligne d'inclinaison de bord de queue 56. La troisième partie 48 commence au niveau du point d'in terception ligne d'inclinaison de bord de queue 56 et a un rayon constant. Le rayon de la deuxième partie 44 peut être produit conformément à un polygone du cinquième degré pour définir le profil moyeu, dont un exemple est fourni par les équa tions 6 et 7 qui. suivent Equation (6) rh = ri, + (rh2 - rhl) x (10 - 15 x z + 6 x z2) x z3 Equation (7) xh = x + (rt - rh) x tan ((3ant) où . .,est le rayon du moyeu au niveau d'un point prédéter miné de la deuxième partie 44, rhl le rayon du moyeu au niveau de première par tie 40, rhz le rayon du moyeu au niveau la troisième partie 48 z une variable intermédiaire égale à la quantité x/xt, x la distance axiale à partir bout du bord d'attaque xt la distance du bord de queue bout d'amorceur à partir du bord d'attaque de bout d'amorceur, xh est l'emplacement axial sur le moyeu rt est le rayon du bout de l'amorceur Pc,,t est l'angle d'inclinaison de mise sous pression. I1 est à noter que le polynôme du cinquième degré a une dérivée première et une dérivée seconde égales à zéro au ni veau du point d'interception de la ligne 'inclinaison de bord d'attaque 52 et du point d'interception de la ligne d'inclinaison de bord de queue 56. En utilisant les équa tions (6) et (7), les répartitions d'angle pale peuvent être définies par les équations (1) à (5). Le rayon de la deuxième partie 44 peut egalement être produit par un polynôme du cinquième degré pour définir l'angle de tangence à un bout de pale, tel que fourni par l'équation 8 Px (31 + (52 - (31) x (10 - 15 x z + 6 +z2) x z3 dans laquelle (3X est l' angle de tangence à un bout de pale au niveau d'un emplacement prédéterminé x, (31 est l'angle de tangence à un bout de pale au niveau du bord d'attaque, P2 est l' angle de tangence à un bout de pale au niveau du bord de queue, z est une variable intermédiaire égale x/xt, x est la distance axiale à partir du bout du bord d'attaque, et xt est la distance du bord de queue de bout d'amorceur à partir du bord d'attaque de bout d'amorceur. La construction de l'amorceur 10 d'une manière qui in corpore les équations ci-dessus fournit un angle de tangence d'évacuation en bout croissant graduellement qui amène la surface finale du passage d'écoulement 16 et la surface de la pale 14 à fournir le rapport de surface de pale voulu (AR). En concevant l'angle de pale d'évacuation d'amorceur plus proche du rapport de surface (AR) on aboutit à une sur- face d'évacuation qui fournit la tête d'amorceur de concep tion ou cible. Bien que la présente invention ait été décrite dans la description et représentée sur les dessins en référence à un mode préféré de réalisation, il sera compris par l'homme du métier que divers changements peuvent être effectués et que des équivalents peuvent remplacer des éléments de celle-ci sans sortir de la portée de la présente invention telle que définie dans les revendications. De plus, de nombreuses mo difications peuvent être faites pour adapter une situation ou un matériel particulier aux enseignements de la présente invention sans sortir de la portée de celle-ci. Par cons équent, il est prévu que la présente invention ne soit pas limitée au mode particulier de réalisation représenté sur les dessins et décrit dans la description comme étant le meilleur mode actuellement envisagé pour mettre en oeuvre presente invention, mais que la présente invention comporte tout mode de réalisation tombant dans la description precède et dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Amorceur (10) de pompe, l'amorceur (10) comportant un moyeu (12) et plusieurs pales (14) reliées celui-ci, caractérisé en ce que l'épaisseur des pales (14) est définie de telle sorte que pendant un fonctionnement de la pompe (11), chacune des pales (14) est positionnée en dessous d'une ligne de vapeur de cavitation (32). 2. Amorceur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne de vapeur de cavitation (32) définit l'épaisseur maximum de pale pour un angle d'incidence d'écoulement prédéterminé au niveau du bord d'attaque (28) des pales (14). 3. Amorceur (10) selon la revendication 1 ou la reven dication 2, caractérisé en ce que chacune des pales (14) comporte`un côté- de mise sous pression (20) et un côté d'as piration (18), une partie de chacun des côtés d'aspiration étant définie par un angle d'inclinaison constant. 4. Amorceur (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque côté d'aspiration (18) comporte une pre- miere ligne de raccordement de carénages (22) formée entre un premier angle d'inclinaison et un deuxième angle d'incli naison, une deuxième ligne de raccordement de carénages (24) formée entre le deuxième angle d'inclinaison et un troisième angle d'inclinaison, et une troisième ligne de raccordement de carénages (26) formée entre le troisième angle d'incli naison et un quatrième angle d'inclinaison. 5. Amorceur (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'épaisseur d'une partie des pales (14) située en- le bord d'attaque (28) et la première ligne de raccorde ment de carénages (22) est conçue pour contrer les charges de contraintes produites par une pression de fluide au ni veau du bord d'attaque (28). 6. Amorceur (10) selon la revendication 4 ou la reven dication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur d'une partie des pales (14) située entre les deuxième et troisième lignes de raccordement de carénages (24, 26) est commandée pour ne pas avoir de diffusion et avoir une vitesse relative cons tante. 7. Amorceur (10) selon l'une quelconque des revendica tions 3 à 6, caractérisé en ce qu'au moins une partie de chacun des côtés de mise sous pression (20) est défini par un angle d'inclinaison constant. 8. Amorceur (10) selon l'une quelconque des revendica tions 1 7, caractérisé en ce que le profil d'au moins une partie du moyeu (12) est conforme à un polynome du cinquième degré. 9. Amorceur (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le polynôme du cinquième degré a des première et seconde dérivées égales à zéro au niveau d' premier point situé à une première distance prédéterminée à partir de l'intersection entre le bord d'attaque (28) de l'une des pa les (14) et le moyeu (12). 10. Amorceur (10) selon la revendication 9, caract érisé en ce que la première distance prédéterminée est égale au rayon d'un raccordement entre le moyeu (12) et la pale (14). 11. Amorceur (10) selon la revendication 9 ou la re vendication 10, caractérisé en ce que le polynôme du cin- quième degré a des première et seconde dérivées égales à zéro au niveau d'un second point situé à une seconde dis tance prédéterminée à partir de l'intersection entre le bord de queue de l'une des pales et le moyeu (12). 12. Amorceur (10) selon la revendication 11, caract érisé en ce que la seconde distance prédéterminée est égale au rayon d'un raccordement entre le moyeu (12) et la pale (14). 13. Amorceur (10) selon l'une quelconque des revendi cations 1 à 12, caractérisé en ce que le moyeu (12) et les plusieurs pales (14) coopèrent pour former plusieurs passa ges d'écoulement (16), chaque passage d'écoulement (16) ayant une surface d'écoulement perpendiculaire à l'écoule ment d'un fluide à travers l'amorceur (10), au moins une partie de chaque surface d'écoulement étant conforme un polynôme du cinquième degré. 14. Amorceur (10) selon la revendication 13, caract érisé en ce qu'une seconde partie de chaque surface d'écou lement est constante. 15. Amorceur (10) selon la revendication 14, caract érisé en ce que la seconde partie de chaque surface d'écou lement se termine au niveau d'un emplacement de cessation de cavité de bout. 16. Pompe comportant un amorceur (10) ayant un moyeu (12) et plusieurs pales (14) reliées à celui-ci, caract érisée en ce que l'épaisseur des pales (14) est définie de telle sorte que pendant un fonctionnement de la pompe, cha cune des pales (14) est positionnée en dessous d'une ligne dé vapeur de cavitation (32), le moyeu (12) et les plusieurs pales (14) coopérant pour former plusieurs passages d'écou lement (16), chaque passage d'écoulement (16) ayant une sur face constante. 17. Pompe selon la revendication 16, caractérisée en ce que le profil d'au moins une partie de moyeu (12) est conforme un polynôme du cinquième degré, le polynôme du cinquième degré ayant des première et seconde dérivées éga les à zéro au niveau d'un premier point situé à une première distance prédéterminée à partir de l'intersection entre le bord d'attaque (28) de l'une des pales (14) et le moyeu (12), le polynôme du cinquième degré ayant aussi des pre mière et seconde dérivées égales à zéro au niveau d'un se cond point situé à une seconde distance prédéterminée à par tir de l'intersection entre le bord de queue de l'une des pales (14 et le moyeu (12). 18. Pompe selon la revendication 17, caractérisée en ce que les première et seconde distances sont égales au rayon d'un raccordement entre le moyeu (12) et la pale (14). 19. Pompe selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, caractérisée en ce que la ligne de vapeur de cavita- tion (32) définit l'épaisseur maximum de pale pour un angle d'incidence d'écoulement prédéterminé au niveau du bord d'attaque (28) des pales (14) . 20. Pompe selon l'une quelconque des revendications 16 19, caractérisée en ce que chacune des pales (14) comporte un côté de mise sous pression (20) et un côté d'aspiration (18), une partie de chacun des côtés d'aspiration étant définie par un angle d'inclinaison constant. 21. Pompe selon la revendication 20, caracterisée en ce que chaque côté d'aspiration (18) comporte une première ligne de raccordement de carénages (22) formée entre un pre- mi er angle d'inclinaison et un deuxième angle d'inclinaison, une deuxième ligne de raccordement de carénages (24) formée entre le deuxième angle d'inclinaison et un troisième angle d'inclinaison, et une troisième ligne de raccordement de carénages (26) formée entre le troisième angle d'inclinaison et un quatrième angle d'inclinaison. 22. Pompe selon la revendication 21, caracterisée en ce que l'épaisseur d'une partie des pales (14) située entre le bord d'attaque (28) et la première ligne de raccordement de carénages (22) est conçue pour contrer les charges de contraintes produites par une pression de fluide niveau du bord d'attaque (28). 23. Pompe selon la revendication 21 ou la revendica- tion 22, caractérisée en ce que l'épaisseur d'une partie des pales (14) située entre les deuxième et troisième lignes de raccordement de carénages (24, 26) est commandée pour ne pas avoir de diffusion et avoir une vitesse relative constante. 24. Pompe selon l'une quelconque des revendications 16 à 23, caractérisée en ce que le profil d'au moins une partie du moyeu (12) est conforme à un polynôme du cinquième degré qui définit un angle d'extrémité tangentielle de pale. 25. Pompe selon l'une quelconque des revendications 16 à 24, caractérisée en ce que le moyeu (12) et les plusieurs pales (14) coopèrent pour former plusieurs passages d'écou- lement (16), chaque passage d'écoulement (16) ayant une sur- face d'écoulement perpendiculaire à l'écoulement d'un fluide à travers l'amorceur (10), au moins une partie de chaque surface d'écoulement étant conforme à un polynôme du cin- quième degré. 26. Pompe selon la revendication 25, caractérisée en ce qu'une seconde partie de chaque surface d'écoulement est constante. 27. Pompe selon la revendication 26, caractérisée en ce que la seconde partie de chaque surface d'écoulement se termine au niveau d'un emplacement de cessation de cavité de bout.