Brevet FR2874241A1 — publié le 20060217

ROUE CENTRIFUGES A HAUT RENDEMENT A) DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne l'optimisation du dessin des roues centrifuges utilisées pour confectionner des pompes ou des ventilateurs centrifuges ayant un sens de 5. rotation unique. B) ÉTAT DE LA TECHNIQUE La majorité des roues centrifuges utilisent des profils à épaisseur constante cintrée ou des profils dit aérodynamiques ayant un bord de fuite unique effilée une épaisseur variable le long du squelette. Du fait de la géométrie radiale de ce type de machine on constate une diminution progressive de la vitesse radiale de l'écoulement et en général une inclinaison vers l'arrière du vecteur vitesse de sortieVsl (voir fig. 1) si bien que le produit d'EULER donnant l'énergie E= Wul *U est faible. On constate également sur nombre de roues un fort gradient de vitesse au droit de la sortie, lié au fait que le fluide a tendance à décoller de la pale coté sous le vent et à se ségréguer coté au vent. Ce phénomène peut aller jusqu'au décollement total du profil coté sous le vent. Ce phénomène induit un mauvais rendement et un niveau sonore important, dans le cas des pompes il induit de la cavitation. Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients. La présente invention a pour objet de définir une géométrie optimale de la roue centrifuge C) CONTENU DES FIGURES La figure 1 représente la vue de la composition des vecteurs vitesse au bord de fuite du profil: É Vs 1 est la vitesse de sortie du fluide tangente au profil 9 de sortie dans un design classique à action incliné vers l'arrière É Vs2 est la vitesse de sortie du fluide tangente au profil 9 de sortie à iso vitesse dans un design de sortie radial. É Vs3 est la vitesse de sortie du fluide tangente au profil au profil 9 de sortie dans un design à réaction incliné vers l'avant c'est à dire allant dans le même sens que U vitesse de rotation É Us est la vitesse de rotation tangente locale. É Wsl est la somme vectorielle de Vsl et de Us É Ws2 est la somme vectorielle de Vs2 et de Us É WUs l est la projection de Ws 1 sur Us É WUs2 est la projection de Ws2 sur Us La figure 2 représente la vue en coupe du profil 2 selon l'invention La figure 3 représente la vue de dessus de la roue équipée des profils 2, 2' etc. selon l'invention La figure 4 représente la vue en coupe en élévation le long de l'axe 0 configurée selon une variante de l'invention. lo 5. D) DESCRIPTION DES ELEMENTS DES FIGURES 0) Axe de symétrie et de rotation de la roue 1) Ouie d'admission du fluide 2) 2') etc. Pale 3) Anneau tournant 4) Moyeu 5) Coté sous le vent de la pale 6) Coté au vent de la pale 7) Bord d'attaque de la pale 8) Bord de fuite coté au vent de la pale 9) Bord de fuite coté sous le vent de la pale 10) Bord d'attaque des anneaux de recirculation 11) Zone de retournement des anneaux de recirculation 12) Cercle local d'implantation de bord d'attaque. Remarque ce cercle peut être différent suivent son abscisse par rapport à l'axe 0 13) Zone de sortie de fluide servant de diffuseur rotatif et s'étendant du rayon 14 au bords extrêmes des pièces 3 & 4 14) Rayon sous tendant le bord de fuite 9. Remarque ce rayon peut être différent suivent son abscisse par rapport à l'axe 0 14') Rayon sous tendant le bord de fuite 8. Remarque ce rayon peut être différent suivent son abscisse par rapport à l'axe 0 15)Rayon sous tendant le bord d'attaque. Remarque ce rayon peut être différent suivent son abscisse par rapport à l'axe 0 16) Arc de sortie défini par la distance curviligne de rayon 14 et s étendant du bord de fuite 8 d'une première pale 2 au bord de fuite 9 d'une seconde palle 2' immédiatement contiguë. Remarque cet arc peut être différent suivent son abscisse par rapport à l'axe 0 17) Canaux dans lequel s'écoule le fluide entre deux pales délimités latéralement par les coté 5 & 6 de deux pales consécutives et verticalement par une partie des éléments de fermeture constitues par la paroi intérieure de l'anneau tournant 3 et la partie supérieure du moyeu 4 18) Partie de surface du moyeu mouillée par les filets fluides comprise entre le rayon 14 et le rayon 15 local 19) Partie de surface de l'anneau mouillée par les filets fluides comprise entre le rayon 14 et le rayon 15 local Remarque on désigne par: É Abscisse par rapport à l'axe 0 la position du plan de mesure choisie le long de l'axe O É Sur une même pale, on passe du coté au vent, au coté sous le vent en suivant le vecteur vitesse de rotation U H) Entrefer, distance locale entre anneau tournant et moyeux (envergure locale de la pale) U) Vitesse de rotation V) Vitesse d'avancement du fluide W) Vitesse résultante de la somme vectorielle de U et V WU) Vitesse W projetée sur le vecteur U local e) indice désignant l'entrée exemple Ue signifie vitesse locale de rotation à l'entrée s) indice désignant la sortie exemple Ue signifie vitesse locale de rotation à la sortie 15 20 30 La surface d'entrée Se de la roue est définie par le produit de son cercle d'entrée 12 et de son entrefer He la surface de sortie Ss de la roue est définie par le produit son arc sous tendu 16 par son entrefer Hs de sortie multiplié par le nombre d'entrefers ménagés dans la roue 5. ( égal au nombre de pales) REMARQUES: É Il est tout d'abord précisé que, sur les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments, quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent et quelle que soit la forme de représentation de ces éléments. De même, si des éléments ne sont pas spécifiquement référencés sur l'une des figures, leurs références peuvent être aisément retrouvées en se reportant à une autre figure. É Il est aussi précisé que les figures représentent plusieurs modes de réalisation de l'objet selon l'invention, mais qu'il peut exister d'autres modes de réalisation qui répondent à la définition de cette invention. É Il est en outre précisé que, lorsque, selon la définition de l'invention, l'objet de l'invention comporte "au moins un" élément ayant une fonction donnée, le mode de réalisation décrit peut comporter plusieurs de ces éléments. Réciproquement, si les modes de réalisation de l'objet selon l'invention tel qu'illustrés comportent plusieurs éléments de fonction identique et si, dans la description, il n'est pas spécifié que l'objet selon cette invention doit obligatoirement comporter un nombre particulier de ces éléments, l'objet de l'invention pourra être défini comme comportant "au moins un" de ces éléments. É Il est enfin précisé que lorsque, dans la présente description, une expression définit à elle seule, sans mention particulière spécifique la concernant, un ensemble de caractéristiques structurelles, [par exemple E _ E(p, 2, e, ...)] ces caractéristiques peuvent être prises, pour la définition de l'objet de la protection demandée, quand cela est techniquement possible, soit séparément, [par exemple e, et/ou r, et/ou p, .] soit en combinaison totale et/ou partielle[par exemple E( s, r, p), et/ou E( e, r), et/ou E( r, p), et/ou E( e, p)]. 5...DTD: E) PRINCIPE DE LA CIRCULATION DU FLUIDE DANS LA ROUE SELON L' INVENTION L'énergie E d'EULER produite par la roue est le produit Wu*Us = E. On constate que Wu2*Us = E2 est supérieur a WUs 1 *Us = El Une roue est dite adaptée lorsque la vitesse We du fluide qui pénètre la surface Se est égale a la vitesse Ws de sortie du fluide au bord de fuite des palles, situé à un rayon de sortie 14. Le but de l'invention est: É D'émettre un débit de sortie de roue à une vitesse Ws la plus grande possible pour maximiser l'énergie d' EULER c'est à dire que préférentiellement on vise à créer une vitesse Ws égale ou mieux supérieure à We. É D'émettre un débit de sortie de roue à une vitesse Ws la plus homogène possible orienté préférentiellement radialement ou vers l' avant. (réaction) É De créer des conditions d'homogénéité de l'écoulement a l'intérieur des canaux 17 É Et en particulier de créer des conditions de non-décollement a proximité de la paroi 5 qui est très largement décollée dans les design classique ce qui est source de perte de rendement et de bruit. Pour atteindre cet objectif il est préférable que la surface Se d'entrée soit égale ou supérieure a la surface de sortie Ss. l'égalité ou la supériorité est réalisée par exemple: 1. A entrefer constant (entrefer d'entrée égal à l'entrefer de sortie), en ayant recours à des pales dotées d'un double bord de fuite 8 & 9 dont on ajuste l'entraxe. 2. A entrefer variable (entrefer d'entrée préférentiellement supérieur à l'entrefer de sortie), en ayant préférentiellement recours à des pales dotées d'un double bord de fuite 8 & 9 dont on ajuste l'entraxe. Les pales sont considérées, dans le cadre de l'invention, comme le tronçon d'attaque d'un profil d'aile dit épais tronqué en 8 & 9 préférentiellement à son maximum d'épaisseur. Le tronçon de fermeture du profil d'aile est constitué de manière adaptative par les deux tourbillons fluide de recirculation que l'on stabilise avec les bords de fuite 8 & 9 et avec les pièces de culot 10 et 11. la coopération des tronçons de fermetures des différentes pales adjacentes dans la zone de diffuseur 13 assure l'homogénéité et la détente du fluide dans le diffuseur Préférentiellement, lorsque l'on se déplace dans le sens du fluide, pour obtenir une homogénéité optimale et une énergie d'EULER maximale, les différentes parois 5 & 6 ainsi que 18 & 19 doivent converger avec un angle optimum de 30 degrés entre elles. Ce traitement géométrique correspond à donner aux canaux 17 une géométrie voisine de celle d'un convergent de tuyère de LAVAL. On peut se contenter avantageusement de ne faire converger que deux surfaces. De manière à optimiser fouie d'admission et la conversion de l'écoulement axial en écoulement radial on a avantage à travailler surtout coté anneau tournant la convergence en maximisant le rayon de l'ellipse d'admission depuis fouie 1 jusqu'au rayon local de sortie 14 Remarques: É On peut avantageusement raccorder les surfaces verticales de type 5 & 6 appartenant aux pales et 18 & 19 appartenant à l'anneau tournant & au moyeu de façon qu'il n'y ai pas d'angle droit au raccordement mais un remplissage de forme elliptique. ( ce type de traitement, est appelé KARMAN et est connu de l'homme de l'art par exemple pour la zone de raccordement d'une aile avec le fuselage sur un avion) É La zone de troncature entre les bords de fuite 8 & 9 d'une même pale peu 25 avoir toute forme possible à commencer par une simple surface droite s'étendant de 8 à 9. É On peut réaliser une combinaison alternée de pales tronquées telle que revendiquées par l'invention et de pales classiques É L'anneau tournant peut être arrêté dés le rayon 14 local et poursuivit par un anneau fixe de forme équivalente on désigne désormais par anneau cette forme qu'elle soit tournante ou fixe dimensionnée pour permettre la fermeture du sillage et la détente du fluide É Le moyeu peut être arrêté dés le rayon 14 local et poursuivit par un moyeu fixe de forme équivalente on désigne désormais par moyeu cette forme qu'elle soit tournante ou fixe dimensionnée pour permettre la fermeture du sillage et la détente du fluide É Les rayons 14 & 14' peuvent être de dimensions différentes à abscisse identique É L'orientation des bords de fuite, préférentiellement radiale, peut être différente 40 et inclinée vers l'avant ou l'arrière. É L'orientation des bords de fuite 8 & 9 peuvent être différentes ou analogues i0 15 Io REVENDICATIONS 1. roue centrifuge à haut rendement comprenant un moyeu 4 un anneau 3 et des pales 2, caractérisée par l'usage de pales tronquées dotées de deux bords de fuite 8&9 2. roue centrifuge à haut rendement selon la revendication 1,caractérisée par l'usage de pales tronquées dotées de deux bords de fuite 8 & 9 en coopération (alternance) avec des pales classiques à simple bord de fuite 3. roue centrifuge à haut rendement selon les revendications 1 & 2, caractérisée par l'usage d'un anneau 3 dont le rayon de bord de fuite s'étant au delà des bords de fuite 14 & 14'des pales pour permettre la fermeture du sillage et la détente du fluide 4. roue centrifuge à haut rendement selon les revendications 1 & 2, caractérisée par l'usage d'un moyeu 4 dont le rayon de bord de fuite s'étant au delà des bords de fuite 14 & 14' des pales pour permettre la fermeture du sillage et la détente du fluide