Brevet FR2830579A1 — publié le 20030411

ROUE DE COMPRESSION CENTRIFUGE ASSOCIANT UNE STRUCTURE EN MATERIAU COMPOSITE ET UNE STRUCTURE METALLIQUE ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention se rapporte au domaine technique des roues de soufflante ou roues de ventilation ou encore roues de compression centrifuge, destinées à équiper des appareils du type ventilateur ou compresseur centrifuge. La présente invention concerne une roue de compression centrifuge comprenant un moyeu métallique destiné à être relié à un arbre d'entraînement et sur lequel sont fixés un flasque d'entrée et un flasque de sortie entre lesquels sont fixées des aubes de ventilation, ainsi que son procédé de fabrication. Les roues de compression centrifuge destinées à équiper des ventilateurs ou compresseurs divers sont largement connues et se composent généralement d'une série d'aubes disposées autour d'un axe de rotation et reliées entre elles par des pièces de révolution qui peuvent avoir la forme d'un disque, d'un cône, ou d'un anneau ou qui peuvent être Ide toute forme toroïdale. Il a déjà été proposé de réaliser tout ou partie des roues de compression centrifuge à l'aide de matériaux composites, par exemple de faible densité, renforcés ou non par des fibres de renfort courtes ou longues. En effet, l'utilisation de matériaux composites intégrant des fibres de carbone, fibres de verre ou encore fibres de kevlar ou de tout autre matériau équivalent se révèle particulièrement intéressante pour les roues de compression centrifuge dans lesquelles les contraintes sont essentiellement dues aux efforts centrifuges. Bien qu'il soit connu d'avoir recours à des matériaux composites pour réaliser tout ou partie de roues de compression centrifuge, une telle utilisation reste limitée en raison du coût des matériaux composites en euxmêmes d'une part, et de la difficulté de réalisation des roues de ventilation à base de matériaux composites d'autre part. En effet, les techniques connues de réalisation de roues centrifuges composites font généralement intervenir une technique d'injection de résine dans un moule approprié, le moule contenant au préalable des fibres de renforts destinées à renforcer l'ensemble de la structure de la roue de compression. Or, il s'avère très délicat de maintenir les fibres de renfort dans une configuration désirée lors de l'opération d'injection, ce qui rend la technique de réalisation complexe et délicate, en multipliant les précautions de fabrication. Par ailleurs, ceci peut conduire à la réalisation de pièces dont la résistance est diminuée, notamment au niveau des aubes de ventilation. Un autre facteur limitant la généralisation de l'emploi des matériaux composites dans les roues de compression réside dans la nécessité de disposer d'un outillage spécifique et donc coûteux. Enfin, il s'avère que les pièces réalisées en matériaux composites, si elles peuvent être dotées d'une très grande résistance mécanique, possèdent néanmoins, à cause notamment de l'anisotropie de ces matériaux, une rigidité qui reste la plupart du temps inférieure à celle des pièces réalisées avec d'autres matériaux communément utilisés dans ce domaine, et notamment avec de l'acier. Dans le domaine des appareils de ventilation, ceci entraîne, à même vitesse de rotation, une déformation plus importante des roues composites en comparaison avec des roues similaires réalisées en acier. Il apparaît notamment dans les roues de compression centrifuge réalisées en matériau composite que la déformation obtenue peut être suffisamment importante pour entraîner le frottement du flasque avant de la roue sur le guide d'air d'entrée. Un tel phénomène est particulièrement accentué pour des roues de grande largeur (ratio largeur d'entrée des aubes 1 diamètre de roues supérieur à 0,2 ou même, pour des roues plus étroites tournant à haute vitesse périphérique, au-delà de 150 m/s). L'objet de l'invention vise en conséquence à porter remède aux différents inconvénients énumérés précédemment et à proposer une nouvelle roue de compression centrifuge réalisée en matériau composite et possédant une résistance améliorée aux déformations. Un autre objet de l'invention vise à proposer une nouvelle roue de compression centrifuge présentant une résistance améliorée à la déformation angulaire autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de rotation. Un autre objet de l'invention vise à proposer une nouvelle roue de compression centrifuge de conception simplifiée. Un autre objet de l'invention vise à proposer une nouvelle roue de compression centrifuge dont le montage et l'assemblage sont particulièrement simplifiés. Un autre objet de l'invention vise à proposer une nouvelle roue de compression centrifuge présentant une bonne résistance aux agressions extérieures. Un objet de l'invention vise également à proposer un nouveau procédé de fabrication d'une roue de compression centrifuge composite qui soit particulièrement simple à mettre en oeuvre et à réaliser. Les objets assignés à l'invention sont atteints à l'aide de roues de compression centrifuge comprenant un moyeu métallique destiné à être relié à un arbre d'entraînement, et sur lequel sont fixés un flasque d'entrée et un flasque de sortie entre lesquels sont fixés des aubes, caractérisées en ce qu'elles comportent un insert métallique annulaire qui est intégré dans la partie centrale de la roue à la périphérie du moyeu, et qui comprend des éléments métalliques formant l'amorce des aubes de la roue, le flasque d'entrée et le flasque de sortie ainsi que la partie restante et périphérique des aubes étant réalisés en matériau composite pour constituer la partie composite de la roue. Les objets assignés à l'invention sont également atteints à l'aide d'un procédé de fabrication d'une roue de compression centrifuge comprenant un moyeu métallique sur lequel sont fixés un flasque d'entrée et un flasque de sortie entre lesquels sont fixées des aubes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a) On réalise un insert métallique qui comprend des éléments métalliques formant l'amorce des aubes de la roue ; b) On assemble directement sur ledit insert une partie composite de la roue formée par le flasque d'entrée, le flasque de sortie et la partie restante et périphérique des aubes. D'autres avantages et objets de l'invention apparaîtront plus en détails à la lecture de la description qui suit, et à l'aide des dessins annexés fournis à titre purement explicatif et non limitatif, dans lesquels : - La figure 1 illustre, selon une vue en perspective, un exemple de réalisation d'une roue de compression centrifuge conforme à l'invention. - La figure 2 illustre, selon une vue en coupe transversale partielle, une première variante de réalisation conforme à l'invention. - La figure 3 illustre, selon une vue en coupe transversale partielle, une autre variante de réalisation de l'invention. - La figure 4 illustre, selon une vue en coupe transversale partielle, une variante supplémentaire de réalisation de l'invention. - La figure 5 illustre, selon une vue transversale d'une roue de compression conforme à l'invention, un détail de réalisation d'une roue de compression comportant des flasques parallèles. Tel qu'illustré aux figures 1 à 5, le dispositif conforme à l'invention est formé par une roue de compression centrifuge 1 comprenant un moyeu métallique 2 destiné à être relié, par tout moyen connu, à un arbre d'entraînement 3. La roue de compression centrifuge 1 est formée par deux flasques, par exemple circulaires 4,5, pourvus d'une ouverture centrale, et définissant respectivement un flasque d'entrée 4 et un flasque de sortie 5 du flux de fluide (en général de l'air) à véhiculer et à faire transiter. De manière classique, une série d'aubes 7 est interposée entre les flasques d'entrée 4 et de sortie 5, en formant une entretoise. Les aubes 7 sont disposées de manière le plus souvent inclinée et parfois purement radiale, ceci en fonction des spécificités et du domaine d'application de la roue de compression centrifuge 1. Les flasques d'entrée 4 et de sortie 5 peuvent être plans, ou de forme conique ou toute autre surface de révolution autour de l'axe de la roue, tel qu'illustré aux figures 2 à 5, et peuvent être associés deux à deux de manière indifférente pour former une paire de flasques parallèles (figure 5) ou pour former une paire de fiasques associant un flasque d'entrée 4 conique avec un flasque de sortie 5 plan (figures 2 à 4). Bien évidemment, les deux flasques 4,5 peuvent être tous les deux également coniques sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Selon une caractéristique importante de l'invention, la roue de compression centrifuge 1 comporte un insert métallique annulaire 8 qui est intégré dans la partie centrale de la roue de compression 1 à la périphérie du moyeu 2 et au voisinage de l'ouverture centrale des flasques 4,5, et qui comprend des éléments métalliques 7A formant l'amorce des aubes de la roue, le flasque d'entrée 4 et le flasque de sortie 5 ainsi que la partie restante et périphérique 7B des aubes étant réalisés en matériau composite pour constituer la partie composite de ladite roue. Les éléments métalliques 7A forment ainsi le bord d'attaque des aubes 7, lesquelles sont alors constituées par deux sections se prolongeant l'une dans l'autre pour constituer une aube complète, à savoir une section interne formée par des éléments métalliques 7A et une section périphérique en matériau composite 7B. Grâce à ce montage spécifique, on réduit fortement les déformations au niveau de la roue composite ce qui augmente la robustesse générale de la roue, en particulier pour des roues tournant à grande vitesse périphérique, tout en bénéficiant de la bonne résistance du matériau métallique qui compose le bord d'attaque des aubes 7. C'est en effet principalement au niveau des bords d'attaque des aubes que l'agression des particules solides ou liquides véhiculée par le fluide aspiré est maximale. Tel qu'illustré aux figures 2 à 5, l'insert métallique 8 est monté entre les deux flasques 4,5 de manière à pouvoir supporter la partie composite sur toute sa largeur transversale. Grâce à un tel montage, on réduit de manière significative les déformations angulaires autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de rotation. Selon une première variante de réalisation illustrée à la figure 4, l'insert métallique 8 est formé par une pièce annulaire indépendante du moyeu 2 et rapportée sur ce dernier par tout moyen connu, et par exemple par soudage ou boulonnage. Selon cette variante, l'insert métallique 8 est formé par deux corps annulaires 8A, 8B ayant la forme de flasques et concentriques au moyeu 2, ces deux corps annulaires 8A, 8B étant espacés l'un de l'autre. Entre ces derniers sont disposés et interposés à intervalles réguliers les éléments métalliques 7A formant les amorces métalliques des aubes 7. Chaque corps annulaire 8A, 8B est rendu solidaire des flasques 4,5 par l'intermédiaire d'un moyen de fixation, et par exemple par un ensemble de boulons 10 assurant d'un côté le maintien et le support entre le moyeu 2 et le flasque de sortie 5, et de l'autre côté la solidarisation entre le corps annulaire 8A et le flasque d'entrée 4. Tel qu'illustré à la figure 4, le moyeu 2 peut avantageusement comporter dans sa partie périphérique externe un méplat annulaire 11, permettant de positionner radialement en considération de l'axe de l'arbre d'entraînement 3, le flasque de sortie 5. Tel qu'illustré à la figure 4, le méplat annulaire 11 est ménagé sur la face interne du moyeu 2 faisant face au flasque d'entrée 4. Selon une variante de réalisation, tel qu'illustré aux figures 2 et 3 par exemple, l'insert métallique 8 est une partie intégrante du moyeu 2 pour ne former qu'une seule pièce monobloc avec ce dernier. Un telle réalisation facilite bien évidemment la fabrication et le montage. Selon cette variante, le moyeu 2 comporte vers sa partie supérieure périphérique un méplat annulaire 11 ménagé sur la face externe du moyeu de manière à former un ressaut sur lequel vient reposer le flasque de sortie 5. Le flasque avant 4 est supporté par la partie avant et annulaire 12 du moyeu 2, qui comporte avantageusement, tel qu'illustré à la figure 2, un col circulaire 13 sur lequel vient reposer, de manière périphérique, le flasque d'entrée 4. De cette manière, la partie composite de la roue de compression centrifuge 1 est parfaitement supportée par le moyeu métallique 2 sur toute sa largeur. Comme dans les autres variantes, l'assemblage est effectué par un ensemble de boulons 10, ou par tout autre moyen équivalent bien connu de l'homme du métier. Tel qu'illustré à la figure 3, la roue composite selon l'invention peut comporter un renfort annulaire métallique 15 monté contre la face externe de l'un des flasques, en l'occurrence dans ce cas particulier, contre le flasque d'entrée 4. Le renfort annulaire métallique 15 est assemblé avec l'insert métallique 8, dans le cas présent, avec la partie annulaire 12 du moyeu 2, à travers le flasque 4 pour supporter la partie composite. Tel qu'illustré dans cette variante, le renfort annulaire métallique 15 est monté sur et contre l'extérieur du flasque d'entrée 4, étant entendu qu'à titre de variante, et pour renforcer encore la robustesse de l'ensemble, un second renfort annulaire métallique 15 pourrait être monté contre le flasque de sortie 5. Le montage de ce renfort annulaire métallique 15 est assuré de manière classique à l'aide des boulons 10. L'insert métallique 8 peut être réalisé à l'aide de techniques bien connues de l'homme du métier, et par exemple par usinage ou moulage, ou peut être composé de pièces distinctes et assemblées par soudage. La partie composite de la roue de compression selon l'invention peut être réalisée soit par moulage de matériaux composites, soit par des procédés classiques impliquant un assemblage de divers composants ou éléments composites reliés par des étapes successives d'un procédé mécanique ou d'un procédé faisant intervenir une série d'étapes de collage. Le matériau constituant la partie composite de la roue est déterminé en fonction du mode de fabrication retenu. Selon une caractéristique de l'invention, le procédé de fabrication d'une roue de compression centrifuge comprenant un moyeu métallique sur lequel est fixé un flasque d'entrée et un flasque de sortie entre lesquels sont fixées des aubes est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a) On réalise un insert métallique qui comprend des éléments métalliques formant l'amorce des aubes de la roue ; b) On assemble directement sur ledit insert, par un procédé adapté, une partie composite de la roue formée par le flasque d'entrée, le flasque de sortie et la partie restante et périphérique des aubes. L'assemblage, c'est-à-dire la solidarisation ou jonction entre l'insert métallique et la partie composite, peut être réalisé mécaniquement à l'aide de tous moyens de fixation classiques, la partie composite étant donc réalisée séparément au cours d'une étape précédente. Avantageusement, l'étape b) d'assemblage s'effectue en même temps que l'opération de fabrication de la partie composite, en moulant directement la partie composite de la roue sur l'insert métallique. L'opération de moulage s'effectue par surmoulage d'un (ou plusieurs) matériau composite. Un tel procédé simplifie bien évidemment la fabrication de la roue dans la mesure où l'étape de surmoulage directe du matériau composite sur l'insert métallique simplifie grandement la fabrication. La réalisation d'une roue composite associant une structure en matériau composite formant la partie périphérique de la roue à une structure métallique formant la partie centrale de la roue présente de nombreux avantages. Ainsi, la réduction des déformations, et en particulier de la déformation angulaire autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de rotation, est assurée par le dimensionnement relatif des pièces de révolution qui rend voisine leur dilatation radiale proche sous l'effet des efforts centrifuges subis. L'insert métallique constitue ainsi un support des efforts centrifuges appliqués à la roue propre à réduire les déformations. Dans le cas de roues de compression présentant des flasques avant et arrière plans et parallèles (figure 5), la roue de compression sera parfaitement symétrique, ce qui facilite sa fabrication, réduit le coût de l'outillage, et présente par ailleurs un avantage en matière de réduction des déformations. Enfin, l'intégration d'une structure métallique dans la zone d'entrée et d'aspiration de la roue composite constitue une excellente protection des parties composites de la roue contre les agents détériorant telles que les particules solides ou liquides véhiculées par le fluide aspiré. REVENDICATIONS 1-Roue de compression centrifuge (1) comprenant un moyeu métallique (2) destiné à être relié à un arbre d'entraînement (3), et sur lequel sont fixés un flasque d'entrée (4) et un flasque de sortie (5) entre lesquels sont fixés des aubes (7, 7A, 7B), caractérisée en ce qu'elle comporte un insert métallique (8) annulaire qui est intégré dans la partie centrale de la roue (1) à la périphérie du moyeu (2), et qui comprend des éléments métalliques (7A) formant l'amorce des aubes (7) de la roue (1), le flasque d'entrée (4) et le flasque de sortie (5) ainsi que la partie restante et périphérique (7B) des aubes (7) étant réalisés en matériau composite pour constituer la partie composite de la roue. 2 - Roue selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'insert métallique (8) est monté entre les deux flasques (4,5) et supporte la partie composite sur toute sa largeur. 3 - Roue selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisée en ce que l'insert métallique (8) est formé par une pièce annulaire indépendante du moyeu (2) et rapportée sur ce dernier. 4 - Roue selon la revendication 3 caractérisée en ce que l'insert métallique (8) est formé par deux corps annulaires (8A, 8B) espacés l'un de l'autre et entre lesquels sont disposés les éléments métalliques (7A) formant les amorces métalliques des aubes. 5 - Roue selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que l'insert métallique (8) est partie intégrante du moyeu (2) pour former une seule pièce avec ce dernier. 6 - Roue selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce qu'elle comporte un renfort annulaire métallique (15) monté contre la face externe de l'un des flasques (4,5) et assemblé avec l'insert métallique à travers le flasque (4,5) pour supporter la partie composite. 7 - Roue selon la revendication 6 caractérisée en ce que le renfort annulaire (15) est monté sur et contre l'extérieur du flasque d'entrée (4). 8-Procédé de fabrication d'une roue de compression centrifuge comprenant un moyeu métallique sur lequel sont fixés un flasque d'entrée et un flasque de sortie entre lesquels sont fixées des aubes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a) On réalise un insert métallique qui comprend des éléments métalliques formant l'amorce des aubes de la roue ; b) On assemble directement sur ledit insert une partie composite de la roue formée par le flasque d'entrée, le flasque de sortie et la partie restante et périphérique des aubes. 9 - Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'étape b) d'assemblage s'effectue en moulant directement la partie composite de la roue sur l'insert métallique.