Brevet FR2988784A1 — publié le 20131004

DISPOSITIF DE REDUCTION DE FUITES INTERNES DE POMPES A ROUE OUVERTE Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un système d'entrainement de fluide comprenant un carter et un rotor monté mobile en rotation dans une chambre installée dans le carter. L'invention concerne également les pompes, les compresseurs centrifuges ou ventilateurs à roue ouverte. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réduction de fuites de fluide aménagé dans un système d'entraînement de fluide centrifuge, le rotor étant composé d'un disque unique avec des aubes. Etat de la technique Le système dentrainement de fluide objet de l'invention peut être une pompe à fluide centrifuge (sur laquelle nous allons fonder notre description) ou un autre dispositif d'entrainement de fluide centrifuge tel qu'un compresseur centrifuge ou un ventilateur, ladite pompe comportant une roue à aubes dite ouverte avec un seul flasque. Les pompes à fluide centrifuges comprennent un moteur rotatif, un carter comprenant une chambre, un orifice d'entrée de fluide dans le prolongement de l'axe du moteur ainsi qu'une lumière de sortie de fluide, et une roue montée mobile en rotation dans la chambre dans le carter. Le moteur rotatif comporte un arbre dans le prolongement de l'axe de rotation du moteur qui traverse une paroi du carter. Le carter comprend une ouverture d'entrée de fluide sensiblement circulaire dont l'axe est confondu avec l'axe du moteur, une chambre sensiblement cylindrique et une lumière de sortie du fluide disposée radialement en périphérie de la chambre. Un premier type de pompe comprend une roue dite fermée composée de deux plaques circulaires ou flasques et des aubes ou ailettes radiales disposées entre lesdites plaques. Un deuxième type de pompe qui concerne notre invention comprend une roue dite ouverte. Ladite roue comporte un seul flasque et des aubes disposées sensiblement radiales sur le flasque. La roue est fixée à l'extrémité du bras du moteur rotatif de telle façon que les aubes sont en regard de l'ouverture d'entrée du fluide, l'axe de la roue étant confondu avec l'axe du moteur. Dans ce deuxième type de pompe, le fluide entre dans la chambre à l'intérieur du carter par l'orifice d'entrée et est dirigé vers la roue. Le fluide est ensuite entrainé dans le mouvement tournant par les aubes aménagées sur le flasque et ressort par la lumière de sortie, le fluide ayant acquis de la vitesse et par ce fait, la pression du fluide est augmentée. Dans ladite chambre, l'orifice d'entrée du fluide et la lumière de sortie du fluide sont reliées. Une partie du fluide peut éventuellement revenir vers l'orifice d'entrée, ce qui réduit l'efficacité de la pompe. Pour réduire les fuites de fluide par l'orifice d'entrée, il est nécessaire de réduire le jeu ou l'espace entre le bord de l'ouverture d'entrée de fluide dans le carter et les aubes fixées à la roue. Ladite roue, en fonctionnement avec les battements du moteur, a cependant un mouvement avec une composante radiale et éventuellement axiale ce qui entraine un frottement entre les aubes et le bord de l'ouverture d'entrée de fluide. Pour éviter ce contact, on peut : - augmenter la rigidité de l'arbre du moteur, ce qui accroit la masse et les coûts de fabrication, - augmenter la rigidité du guidage de l'arbre avec l'adoption de roulements plus sophistiqués et donc plus chers, - réduire le porte-à-faux ce qui n'est pas toujours possible, - utiliser des revêtements plus abordables, comme dans les équipements aéronautiques, ce qui élève le coût de fabrication. La publication FR2698666 qui décrit une telle pompe à fluide divulgue un système d'étanchéité comprenant une pièce intermédiaire sensiblement annulaire formant flasque disposée entre une partie avant extérieure du carter et la roue du dispositif de circulation de fluide. Une cavité est ménagée entre la partie avant extérieure du carter et la pièce intermédiaire pour recevoir une contrepression de valeur prédéterminée permettant de maintenir en fonctionnement un jeu réduit sans contact entre la pièce intermédiaire et les aubes de la roue. La pièce intermédiaire est susceptible de se déplacer axialement pour former un jeu réduit entre ladite pièce et les aubes. Ladite cavité est reliée avec l'ouverture d'entrée de fluide et avec la lumière de sortie de fluide par des conduits calibrés. Le montage du dispositif est assez difficile et sophistiqué. Un inconvénient de ce système est donc que le fluide peut quand même revenir vers l'entrée du carter puisque l'ouverture d'entrée de fluide est connectée avec la lumière de sortie de fluide par l'intermédiaire de la cavité et de ce fait peut altérer le rendement du dispositif de circulation de fluide,. Un inconvénient récurrent est la présence d'un espace assez important entre les bords des aubes et les bords de l'ouverture d'entrée de fluide, ce qui diminue le rendement de l'appareil. Bref résumé de l'invention Un but de l'invention est de pallier ces inconvénients et l'invention a pour objet un dispositif de circulation de fluide comportant un système d'étanchéité amélioré pour diminuer les fuites de fluide simple, facile à mettre en oeuvre et résistant. Le principe de l'invention est basé sur un système d'étanchéité qui s'auto-adapte selon les différences de pression du fluide entre la sortie et l'entrée de fluide. Dans ce but, l'invention propose un système d'entraînement de fluide comprenant : - un carter comportant une chambre avec une ouverture d'entrée de fluide et une ouverture de sortie de fluide, - un rotor monté mobile en rotation dans ladite chambre comportant un flasque fixé à une extrémité d'un arbre de moteur rotatif et sur lequel sont fixées des aubes qui sont en regard avec l'ouverture d'entrée de fluide, - une pièce intermédiaire délimitant une cavité avec un élément de paroi du carter en périphérie de l'ouverture d'entrée de fluide, caractérisé en ce que la cavité est étanche audit fluide avec une fuite calibrée et en ce que la pièce intermédiaire de forme annulaire est montée mobile axialement en périphérie de l'ouverture d'entrée de fluide pour modifier la section de passage de fluide entre le rotor et le carter, ladite pièce comporte des orifices en regard avec les aubes du rotor. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - la pièce intermédiaire comprend deux parois cylindriques coaxiales reliées par une paroi annulaire, - les orifices sont réalisés sur la paroi annulaire, - les orifices sont réalisés sur un même diamètre compris entre le diamètre intérieur et le diamètre médian de la paroi annulaire, - les orifices sont au moins 3 et équidistants les uns des autres, - la pièce intermédiaire comprend au moins une rainure annulaire adaptée pour accueillir un joint torique sur chacune des parois latérales cylindriques, - le carter comporte au moins une paroi de guidage pour guider la pièce intermédiaire dans son déplacement axial, - la paroi cylindrique de la pièce intermédiaire est reliée à au moins une paroi de guidage par le joint torique pour assurer une étanchéité périphérique de la cavité, - la pièce intermédiaire est en alliage de matériau léger ou plastique. Brève description des figures D'autres détails et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, fournie à titre d'exemple de réalisation et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 est une vue de coupe transversale d'une pompe centrifuge avec une roue ouverte selon l'axe longitudinal du moteur. La figure 2 est une vue de coupe de la portion de pompe centrifuge avec roue ouverte ciblée sur le système de réduction de fuite de fluide. La figure 3 est une vue de coupe de la pièce intermédiaire. Description détaillée des figures Les descriptions qui suivent se réfèrent à l'axe longitudinal X du moteur rotatif du système dentrainement de fluide. Pour faciliter la compréhension, les mêmes objets apparaissant dans des figures différentes gardent les mêmes références. Selon la figure 1, une pompe à fluide comprend un moteur rotatif (non représenté) avec un bras 18 dans le prolongement de l'axe de rotation X, un rotor destiné à entrainer le fluide, solidaire du bras du moteur et monté mobile en rotation dans une chambre 14 sensiblement cylindrique dans un carter 10. Le carter 10 comporte un orifice aménagé dans une paroi latérale du carter pour le passage du bras 18 du moteur, un orifice d'entrée 11 du fluide aménagé dans la paroi opposée et une ouverture 13 aménagée transversalement à l'axe X et en périphérie de la chambre 14 pour la sortie du fluide. L'orifice d'entrée de fluide 11 est entouré par un alésage de guidage 25 qui peut comporter un évidement annulaire dans l'épaulement 26, tel que représenté en figure 2. Le rotor peut être une roue composée d'un flasque 12 fixé à une 20 extrémité du bras 18 du moteur et sur lequel sont fixées des aubes de façon sensiblement radiale en regard avec l'ouverture 11 d'entrée de fluide dans le carter 10. Selon la figure 2, une pièce intermédiaire 16 est montée en périphérie de l'ouverture 11 d'entrée de fluide, montée mobile axialement guidée par 25 l'alésage de guidage 25 du carter pour venir à proximité des aubes 15 et modifier la section du passage de retour de fluide entre les aubes 15 du rotor et la carter 10. Selon la figure 3, la pièce intermédiaire 16 comprend une première paroi cylindrique latérale 27 extérieure montée mobile axialement en 30 coulissement sur la paroi de guidage de l'alésage de guidage 25 du carter, une deuxième paroi cylindrique latérale 28 intérieure de diamètre moyen inférieur à celui de la première paroi latérale, coaxiale et montée mobile axialement en coulissement sur la paroi de guidage de l'ouverture d'entrée 11 de fluide, les deux parois latérales 27, 28 étant reliées par une paroi annulaire 29. Les parois latérales et la paroi annulaire de la pièce 16 délimitent avec la paroi de l'alésage de guidage 25 du carter et de l'épaulement 26 une cavité 17 de régulation. L'évidement annulaire creusé dans l'épaulement accroit le volume de ladite cavité 17. La paroi latérale intérieure 28 peut présenter une longueur de l'ordre du centimètre plus importante que celle de la paroi latérale extérieure 27 de l'ordre de quelques millimètres dans le cas d'une pompe à eau. Chacune desdites parois latérales 27, 28 présente au moins une rainure circulaire 23, 24 de préférence tournées vers les parois de l'alésage de guidage 25 et de l'ouverture d'entrée 11 de fluide, ces rainures sont destinées à accueillir des joints toriques 20, 21 pour assurer une étanchéité périphérique de la cavité 17. La pièce intermédiaire 16 comporte des orifices 22 sur la paroi annulaire 29, lesdits orifices sont destinés à relier la chambre 14 avec la cavité de régulation 17 une fois la pièce intermédiaire 16 mise en place autour de l'ouverture d'entrée 11. Les orifices 22 sont réalisés sensiblement sur un même diamètre légèrement supérieur au diamètre intérieur de la paroi annulaire 29 et équidistants les uns des autres. Le diamètre des orifices est de quelques dixièmes de millimètres et inférieur à 2 mm pour une pompe à eau. Le nombre préférentiel d'orifices est au minimum de trois. La pièce intermédiaire est de préférence en alliage métallique léger ou en plastique, obtenue par moulage. En fonctionnement, le moteur rotatif 10 entraine le rotor en mouvement. Le fluide entre dans le carter 10 par l'orifice d'entrée 11 et est dirigé vers la roue du rotor. Ladite roue tournant entraine grâce à ses ailettes le fluide qui acquiert de la vitesse avec un maximum de vitesse en périphérie de la roue. Le fluide est ensuite dirigé vers la ouverture de sortie 13. Les orifices 22 étant à proximité de l'ouverture d'entrée, la pression autour desdits orifices est légèrement supérieure à la pression du fluide en entrée. La pression du fluide en sortie ou pression de refoulement est supérieure à la pression du fluide à l'entrée. Une partie de fluide peut donc être ramenée vers l'orifice d'entrée 11. Ladite partie de fluide exerce alors une force sur la pièce intermédiaire 16 et pénètre dans la cavité 17 par les orifices 22. Une surpression est alors générée dans ladite cavité, qui a pour effet de pousser axialement la pièce intermédiaire 16 vers les aubes 15 du rotor jusqu'à une position d'équilibre proche des aubes, ladite position est obtenue par le simple équilibre entre la pression à l'intérieur de la cavité 17 et la pression de refoulement. Dans le cas inverse, si la pression dans la cavité est supérieure à celle dans la cavité 17, du fluide s'échappe de ladite cavité et la pièce intermédiaire est repoussée axialement jusqu'à une position d'équilibre obtenue par le simple équilibre entre la pression à l'intérieur de la cavité 17 et la pression de refoulement. En fonctionnement, la pièce intermédiaire est montée mobile axialement en coulissement selon les différences entre la pression de refoulement et la pression à l'entrée. Elle s'auto-adapte de façon dynamique. Les paramètres de fonctionnement sont d'une part le diamètre de positionnement des orifices et d'autre part, le diamètre desdits orifices et les dimensions de la cavité de régulation. Si le diamètre de positionnement des orifices est grand c'est-à-dire supérieur au diamètre médian de la paroi annulaire, la pièce intermédiaire réagit plus vite puisqu'elle est soumise à une zone de pression qui monte plus rapidement. Si le diamètre des orifices est important, la cavité de régulation 17 se remplit et se désemplit plus rapidement et on peut avoir un fonctionnement trop fluctuant. De manière préférentielle, le diamètre de positionnement des orifices est compris entre le diamètre intérieur et le diamètre médian de la paroi annulaire 29 de la pièce intermédiaire 16. De manière préférentielle, le diamètre des orifices est compris entre 0,5mm et 1,5 mm pour une pompe à eau. La pièce intermédiaire 16 est en matériau d'alliage métallique léger est permet des positionnements rapides entre les aubes du rotor et la paroi du carter jusqu'à une position d'équilibre correspondant à l'espace optimal entre le rotor, pièce mobile, et le carter. L'objet de l'invention est atteint : lors du fonctionnement de la pompe, lorsque la pression du fluide à l'intérieur de la cavité de régulation est supérieure à la pression du fluide en entrée dans le carter, le fluide pénètre dans la cavité de régulation 17 et tend à pousser ladite pièce intermédiaire 16 vers les aubes du rotor jusqu'à une position d'équilibre. Dans le cas inverse, lorsque la pression dans la cavité est supérieure à la pression dans la chambre 14, le fluide tend à s'échapper de la cavité et la pièce intermédiaire est repoussée axialement jusqu'à une position d'équilibre. Les positions d'équilibre correspondent à des espaces optimaux entre les aubes du rotor et la paroi de la chambre 14 contenue dans le carter, la pièce intermédiaire 16 n'étant pas en contact avec les aubes du rotor et suffisamment proche réduisant de ce fait les fuites de fluide par l'ouverture d'entrée et augmentant le rendement de la pompe. REVENDICATIONS1) Système d'entrainement de fluide comprenant - un carter comportant une chambre (14) avec une ouverture d'entrée (11) de fluide et une ouverture (13) de sortie de fluide, - un rotor monté mobile en rotation dans ladite chambre comportant un flasque (12) fixé à une extrémité d'un arbre de moteur rotatif et sur lequel sont fixées des aubes (15) qui sont en regard avec l'ouverture d'entrée (11) de fluide, - une pièce intermédiaire (16) délimitant une cavité (17) avec un élément de paroi du carter en périphérie de l'ouverture d'entrée de fluide, caractérisé en ce que la cavité (17) est étanche audit fluide avec une fuite calibrée et en ce que la pièce intermédiaire (16) de forme annulaire est montée mobile axialement en périphérie de l'ouverture d'entrée de fluide pour modifier la section de passage de fluide entre le rotor et le carter, ladite pièce comporte des orifices (22) en regard avec les aubes (15) du rotor. 2) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (16) comprend deux parois cylindriques latérales coaxiales (27, 28) reliées par une paroi annulaire (29). 3) Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les orifices (22) sont réalisés sur la paroi annulaire (29). 4) Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les orifices (22) sont réalisés sur un même diamètre compris entre le diamètre intérieur et le diamètre médian de la paroi annulaire (29). 5) Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les orifices sont au moins 3 et équidistants les uns des autres. 6) Système selon l'une quelconque des revendications 2 - 5, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (16) comprend au moins une rainure annulaire (23,24) adaptée pour accueillir un joint torique (20,21) sur chacune des parois cylindriques latérales (27,28). 7) Système selon l'une quelconque des revendications 2 - 6, caractérisé en ce que le carter (10) comporte au moins une paroi de guidage pour guider la pièce intermédiaire (16) dans son déplacement axial. 8) Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la paroi cylindrique latérale (27,28) de la pièce intermédiaire (16) est reliée à au moins une paroi de guidage du carter (10) par le joint torique (20, 21) pour assurer une étanchéité périphérique de la cavité (17). 9) Système selon l'une quelconque des revendications 1 - 8, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (16) est en alliage de matériau léger ou plastique. 10)Système selon l'une quelconque des revendications 1 - 9 caractérisé en ce qu'il est appliqué à une pompe à eau de faible puissance pour moteur de véhicule automobile.