Brevet FR3062159A1 — publié le 20180727

ROUE BIFACE, COMPRESSEUR, TURBINE, TURBOCOMPRESSEUR ET POMPE ASSOCIÉS 1. Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des machines tournantes pour un fluide gazeux ou liquide, telles qu'un compresseur centrifuge, une turbine centripète, ou une pompe centrifuge. Elle concerne plus particulièrement une roue de type biface d'une telle machine tournante. Elle concerne également un compresseur, une turbine et une pompe munis d'une telle roue ainsi qu'un turbocompresseur dont au moins l'une des roues est de ce type. 2. Art antérieur Les machines tournantes telles que des turbines de type centripète ou des compresseurs du type centrifuge sont largement utilisées dans l'industrie, en particulier dans le domaine des moteurs thermiques. Dans une application, on utilise une turbine accouplée sur le même arbre à un compresseur pour former un turbocompresseur. La turbine est alimentée par des gaz d'échappement d'un moteur et entraîne le compresseur qui comprime de l'air frais pour suralimenter le moteur. Certains compresseurs sont entraînés par un moteur électrique et certaines turbines sont employées comme génératrices d'énergie électrique. Il est connu une géométrie de roue biface permettant d'annuler la composante axiale des efforts appliqués sur la roue. Le document EP0153066A1 divulgue une roue de ce type dans le cadre d'un compresseur a double entrée. Dans le cas particulier des pompes ou des turbines entraînées par un liquide, cet équilibrage axial des efforts est particulièrement avantageux dans la mesure où ces dispositifs impliquent d'importants gradients de pression. 3062159 2 La figure 5 représente une roue 3 biface selon l'art antérieur. La roue 3 a un axe de roue A et comporte un moyeu 31 agencé pour monter la roue 3 en rotation autour de l'axe de roue A. La roue comporte également un flasque 32 fixé sur le 5 moyeu 31 et s'étendant sensiblement dans un plan radial par rapport à l'axe de roue A. Le flasque 32 comporte une face avant 322, l'avant correspondant à l'avant de la figure, et une face arrière 323, l'arrière correspondant à l'arrière de la figure, et des pales 324 faisant saillie de la face avant 10 322 et de la face arrière 323. Le flasque 32 présentant une géométrie de révolution par rapport à l'axe de roue A, les pales s'étendent entre un premier cercle situé sur le flasque 32 et dont le centre est situé sur l'axe de roue A et un second cercle dessinant le périmètre extérieur du flasque 32. Cette 15 géométrie présente l'inconvénient d'être inertielle dans la mesure où la masse n'est pas concentrée autour de l'axe de roue A. Or une faible inertie mécanique de roue permet de diminuer le temps de réponse de la machine tournante, ce qui constitue un critère de performance important. 20 En référence à la figure 6, il est connu, notamment par l'intermédiaire du brevet GB536238, une roue biface 4 dont la périphérie du flasque 42 est fortement évidée. La roue biface 4 comporte des pales 424 s'étendant dans une direction radiale de sorte que les directions radiales de deux pales 25 consécutives forment un angle. Entre chaque paire de pales 424 consécutives, un évidement 430 est aménagé symétriquement par rapport à une bissectrice X de l'angle. Cette géométrie symétrique présente l'inconvénient de ne pas prendre en compte le fait qu'une face intrados d'une pale 424 subit une 30 surpression par rapport à une face extrados de la pale 424. 3. Objectifs de l'invention La présente invention propose une solution visant à 3062159 3 pallier les inconvénients précités. Un objectif de l'invention est de diminuer l'inertie d'une roue de machine tournante tout en prévoyant des zones de renfort pour assurer la tenue mécanique aux efforts centrifuges dus au fonctionnement de la 5 machine tournante. 4. Résumé de l'invention L'invention concerne une roue biface de machine tournante pour un fluide, la roue ayant un axe de roue et 10 comportant un moyeu agencé pour monter la roue en rotation autour de l'axe de roue, un flasque fixé sur le moyeu et s'étendant sensiblement dans un plan radial par rapport à l'axe de roue, le flasque comportant une portion centrale présentant sensiblement une géométrie de révolution, des nervures dans le 15 prolongement de la portion centrale, une face avant, une face arrière, des pales faisant saillie de la face avant et de la face arrière, chacune des pales s'étendant dans un cylindre périphérique situé dans le plan radial, au moins une pale s'étendant jusqu'à la périphérie du cylindre périphérique, 20 chacune des pales comportant une face intrados raccordée au flasque par au moins un congé intrados et une face extrados raccordée au flasque par au moins un congé extrados, caractérisée en ce qu'au moins un congé intrados a une étendue radiale comprise dans un cylindre caractéristique d'axe de 25 révolution l'axe de roue et de diamètre égal aux deux tiers du diamètre du cylindre périphérique. Le fluide présent dans une machine tournante en fonctionnement est soumis à des gradients de pression liés à la présence de pales en mouvement sur son passage. Dans la 30 présente demande, la face intrados d'une pale se définit comme étant la face subissant une surpression par rapport à la face extrados de la même pale. 3062159 4 On entend par congé un raccord entre deux surfaces sensiblement perpendiculaires, le raccord établissant une transition douce de forme arrondie et concave entre les deux surfaces. En variante, les congés peuvent être remplacés par 5 des raccords angulaires. L'avantage d'un congé intrados dont l'étendue radiale est comprise dans un cylindre caractéristique d'axe de révolution l'axe de roue et de diamètre égal aux deux tiers du diamètre du cylindre périphérique est d'augmenter une surface 10 utile de la face intrados en contact avec le fluide par rapport à une configuration dans laquelle l'étendue radiale du congé intrados s'étendrait sensiblement jusqu'à la périphérie du cylindre périphérique comme c'est le cas pour les congés extrados. Au-delà du congé, toute la face intrados est en 15 contact avec le fluide. Un évidement au niveau de la face intrados permet pour une même taille de roue d'augmenter la puissance nominale. Par ailleurs, l'évidement permet de diminuer l'inertie de la roue et donc de réduire son temps de réponse. 20 Selon un mode de réalisation particulier, le congé extrados raccorde au moins partiellement une nervure à la face extrados. La nervure permet de renforcer la pale pour prévenir une déformation en direction de la face extrados sous l'effet des efforts centrifuges. 25 Selon un mode de réalisation particulier, la nervure comporte une portion à l'extérieur d'un cylindre caractéristique d'axe de révolution l'axe de roue et de diamètre égal aux deux tiers du diamètre du cercle périphérique. Une répartition de la nervure sur toute l'étendue 30 de la face extrados permet de renforcer la pale sur toute sa longueur. Selon un mode de réalisation particulier, le congé intrados a un rayon de courbure inférieur à quatre fois une 3062159 5 épaisseur de pale adjacente, l'épaisseur étant définie comme la distance entre la face intrados et la face extrados. Plus un congé de raccordement est réduit, plus il a un poids faible et plus il contribue à réduire l'inertie de la roue. 5 Selon un mode de réalisation particulier, tous les congés intrados ont une étendue radiale comprise dans un cylindre caractéristique d'axe de révolution l'axe de roue et de diamètre égal aux deux tiers du diamètre du cercle périphérique. Dans ce mode de réalisation, chaque pale comporte 10 un évidement du côté de sa face intrados et une nervure du côté de sa face extrados, chaque pale contribue donc à réduire l'inertie de la roue et à augmenter la puissance nominale de la roue, tout en prévenant une éventuelle dégradation de cette dernière. 15 Dans une disposition particulière, la roue est d'un seul tenant ce qui permet d'obtenir une roue plus solide. L'invention concerne également un compresseur comportant une roue telle que décrite précédemment. L'invention concerne également une turbine comportant 20 une roue telle que décrite précédemment. L'invention concerne également un turbocompresseur comportant une roue telle que décrite précédemment. L'invention concerne également une pompe comportant une roue telle que décrite précédemment. 25 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages innovants ressortiront de la description ci-après, fournie à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins 30 annexés, dans lesquels : - La figure 1 représente une vue en perspective d'une roue selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - La figure 2 représente une vue de profile de la 3062159 6 roue de la figure 1 ; - La figure 3 représente une vue partielle, de face, de la roue de la figure 1 ; - La figure 4 représente une vue en perspective d'une 5 roue selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 5 représente une première roue biface de l'art antérieur ; et - La figure 6 représente une seconde roue biface de l'art antérieur. 10 6. Description détaillée En référence aux figures 1 et 2, est représentée une roue 1, par exemple destinée à un compresseur, selon un premier mode de réalisation de l'invention. La roue 1 a un axe de roue A et comporte un moyeu 11 agencé pour monter la roue en rotation 15 autour d'un axe de roue A. Pour être montée en rotation, la roue 1 comporte au niveau du moyeu 11 un alésage 110 destiné à recevoir un arbre non représenté. La roue 1 comporte également un flasque 12 d'un seul tenant avec le moyeu 11 et s'étendant sensiblement dans un plan radial P par rapport à l'axe de roue 20 A. Tous les éléments de la roue 1 sont d'un seul tenant, la roue 1 étant réalisée par exemple par moulage d'un alliage métallique ou d'une matière synthétique, ou par usinage d'un bloc de telle matière. En référence plus particulièrement à la figure 2, le 25 flasque 12 comporte une face avant 122, l'avant correspondant au haut de la figure 2 et à l'avant de la figure 1, et une face arrière 123, l'arrière correspondant au bas de la figure 2 et à l'arrière de la figure 1. Le flasque 12 a une largeur plus importante à proximité du moyeu 11 qu'en périphérie pour des 30 raisons de résistance mécanique et afin de minimiser la déformation globale de la roue, la largeur du flasque étant définie comme la distance entre la face avant 122 et la face arrière 123. 3062159 7 Le flasque comporte aussi des pales 124 ou 124' faisant saillie de la face avant 122 et de la face arrière 123, conformément à une géométrie classique de roue biface. Les pales 124 ou 124' ont une forme de lame, d'épaisseur 5 sensiblement constante, et sensiblement perpendiculaire au plan radial P. Certaines pales longues 124 s'étendent depuis un bord d'attaque 1240 dont la base est localisée, sur un cercle D de la face avant 122 ou de la face arrière 123, proximité du moyeu 11, jusqu'à un bord de fuite 1243 situé en 10 périphérie de la roue se confondant avec un cylindre C. D'autres pales courtes 124' d'un sous-ensemble de fractionnement, intercalées entre celles du groupe précédent, ont un bord d'attaque 1244 situé sur un cercle E de la face avant 122, de diamètre intermédiaire, placé entre le cercle D 15 et la projection du cylindre C sur le plan radial P. La roue présente un plan de symétrie qui se confond avec le plan radial P. Selon un autre mode de réalisation, la face arrière s'obtient à partir de la face avant par une symétrie par rapport 20 au plan radial P suivie d'une rotation autour de l'axe de roue, par exemple d'un angle égal à l'angle formé par les directions radiales de deux pales 124 ou 124' consécutives, de sorte qu'une pale comporte une portion de pale longue 124 sur la face avant 122 se prolongeant en une portion de pale courte 124' 25 sur la face arrière 123. Dans un autre exemple, l'angle de rotation est égal à la moitié de l'angle formé par les directions radiales de deux pales 124 ou 124' consécutives de sorte que la roue s'obtient par une symétrie et une rotation analogues à celles de la roue 3 de la figure 5. 30 Les pales 124 ou 124' comportent une face intrados 1241 bombée et une face extrados 1242 incurvée. En fonctionnement, la face intrados 1241 subit une surpression tandis que la face extrados 1242 subit une dépression. 3062159 8 Le flasque comporte une partie centrale 120 pleine présentant sensiblement une géométrie de révolution de diamètre extérieur F compris entre le diamètre du cercle E et le diamètre du cylindre C. Le flasque comporte également des nervures 121 5 de forme sensiblement triangulaire, la base du triangle se trouvant dans le prolongement de la partie centrale 120, agencées de sorte à venir en renfort d'une pale 124 ou 124', l'épaulant sur sa face extrados 1242. La nervure permet de rigidifier la pale 124 ou 124' et de prévenir son éventuelle 10 déformation ou dégradation sous l'effet de la surpression sur la face intrados 1241. La nervure comporte un côté relié à la partie centrale 120, lequel s'étend entre deux pales 124 ou 124', un côté relié à une face extrados 1242 et un côté libre 1210. Le flasque présente un évidement 13 entre deux pales 124 15 ou 124' consécutives, plus précisément entre le côté libre 1210 d'une nervure 121 et une face intrados 1241. Cet évidement libère une surface d'appui sur la face intrados 1241 permettant d'augmenter la surpression sur la face intrados 1241 de sorte à favoriser un entraînement en rotation de la roue par un 20 fluide. Les nervures 121 raccordées à la face extrados s'étendent sensiblement jusqu'au bord de fuite 1243. Dans d'autres modes de réalisation, les nervures 121 s'étendent jusqu'à un cylindre de diamètre intermédiaire compris ente la partie centrale 120 et le cylindre C. 25 Les pales 124 ou 124' sont raccordées au flasque par des congés de raccordement, de section en arc de cercle perpendiculairement à la pale, qui assurent la transition entre deux surfaces sensiblement perpendiculaires. Avantageusement, le rayon de courbure des congés est inférieur à quatre fois 30 l'épaisseur moyenne d'une pale 124 ou 124'. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le rayon de courbure des congés est de l'ordre de l'épaisseur moyenne d'une pale 124 ou 124'. Plus précisément, les nervures 121 sont reliées aux faces 3062159 9 extrados 1242 par des congés extrados 1252 et la partie centrale 120 est reliée aux faces intrados 1241 par des congés intrados 1251. Les congés intrados 1251 ont une étendue radiale dans 5 un cylindre caractéristique B d'axe de révolution l'axe de roue A et de diamètre égal aux deux tiers du diamètre du cylindre périphérique C. Cette caractéristique implique que la face intrados 1241 des pales 124 ou 124' est dégagée sur une portion périphérique comprise entre le cylindre caractéristique B et 10 le cylindre C. Les pales 124 ou 124' sont reliées au flasque 12 par l'intermédiaire d'une nervure 121 raccordée à la face extrados 1242 de la pale. En revanche, la face intrados 1241 n'est pas raccordée à une nervure sur cette portion périphérique. 15 En référence à la figure 3, est représentée une portion de roue 1 selon le mode de réalisation des figures 1 et 2. Chaque jonction entre une extrémité d'une nervure 121 et un congé intrados 1251 adjacent est marquée par un point I ou J. Les points I se trouvent sur le périmètre d'un cylindre G d'axe 20 l'axe de roue A. Les points J, sensiblement intercalés entre les points I de l'ensemble précédent, se trouvent sur le périmètre d'un cylindre H d'axe l'axe de roue A et de rayon inférieur à celui du cylindre G. En particulier, un point I sur le cylindre H se traduit par un évidement plus important 25 entre l'extrémité libre de la nervure 121 et la face intrados 1251 correspondantes par rapport à un évidement dans le cas d'un point I sur le cylindre G. La taille d'un évidement est limitée par la taille de la nervure adjacente. La nervure est dimensionnée en fonction de la contrainte qu'elle doit 30 supporter, cette contrainte étant liée à la pression maximale qui est susceptible de s'exercer sur la pale 124 ou 124' renforcée par la nervure. Plus une pale est longue, plus la pression maximale est importante. Les évidements adjacents aux 3062159 10 nervures renforçant les pales longues 124 sont plus réduits que les évidements adjacents aux nervures renforçant les pales courtes 124'. Par conséquent, les points I se situent côté extrados d'une pale longue 124 et les points J se situent côté 5 extrados d'une pale courte 124'. En référence à la figure 4, est représentée une roue 2 d'axe de roue A', par exemple destinée à une turbine, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La roue 2 comporte des pales 224 identiques entre elles et s'étendant jusqu'à un 10 cylindre périphérique C'. Les pales 224 comportent une face intrados 2241 incurvée et une face extrados 2242 bombée, à l'inverse de ce qui était décrit pour la roue 1. La roue 2 comporte un flasque 22 comportant une partie centrale 220 présentant sensiblement une géométrie de révolution. Chaque 15 face intrados 2241 est raccordée à la partie centrale 220 par un congé 2251. Le flasque 22 comporte également des nervures 221 dans le prolongement de la portion centrale 220. Chaque nervure 221 est raccordée a une face extrados 2242 par l'intermédiaire d'un congé extrados 2252. Les congés intrados 20 2251 ont une étendue radiale comprise dans un cylindre caractéristique B' d'axe de révolution l'axe de roue A' et de diamètre égal aux deux tiers du diamètre du cylindre périphérique C'. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre 25 d'exemple. Il est entendu que la personne de l'art est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l'invention, en associant par exemple les différentes caractéristiques ci-dessus prises seules ou en combinaison, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Roue (1 ; 2) de machine tournante pour un fluide, la roue ayant un axe de roue (A ; A') et comportant un moyeu (11) agencé pour monter la roue en rotation autour de l'axe de roue (A ; A'), un flasque (12 ; 22) fixé sur le moyeu (11) et s'étendant sensiblement dans un plan radial (P) par rapport à l'axe de roue (A ; A'), le flasque (12 ; 22) comportant une portion centrale (120 ; 220) présentant une géométrie de révolution, des nervures (121 ; 221) dans le prolongement de la portion centrale (120 ; 220), une face avant (122), une face arrière (123), des pales (124 ; 224) faisant saillie de la face avant (122) et de la face arrière (123), chacune des pales (124 ; 224) s'étendant dans un cylindre périphérique (C ; C') situé dans le plan radial (P), au moins une pale s'étendant jusqu'à la périphérie du cylindre périphérique (C ; C'), chacune des pales (124 ; 224) comportant une face intrados (1241 ; 2241) raccordée au flasque (12 ; 22) par au moins un congé intrados (1251 ; 2251) et une face extrados (1242 ; 2242) raccordée au flasque (12 ; 22) par au moins un congé extrados (1252 ; 2252), caractérisée en ce qu'au moins un congé intrados (1251 ; 2251) a une étendue radiale comprise dans un cylindre caractéristique (B ; B') d'axe de révolution l'axe de roue (A ; A') et de diamètre égal aux deux tiers du diamètre du cylindre périphérique (C ; C'). 2. Roue (1 ; 2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le congé extrados (1252 ; 2252) raccorde au moins partiellement une nervure (121 ; 221) à la face extrados (1242 ; 2242). 3. Roue (1 ; 2) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ladite nervure (121 ; 221) comporte une portion à l'extérieur du cylindre caractéristique (B ; B') 3062159 12 d'axe de révolution l'axe de roue (A ; A') et de diamètre égal aux deux tiers du diamètre du cercle périphérique (C ; C'). 4. Roue (1 ; 2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le congé 5 intrados (1251 ; 2251) a un rayon de courbure inférieur à quatre fois une épaisseur de pale (124 ; 224) adjacente. 5. Roue (1 ; 2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que tous les congés intrados (1251 ; 2251) ont une étendue radiale comprise 10 dans un cylindre caractéristique (B ; B') d'axe de révolution l'axe de roue (A ; A') et de diamètre égal aux deux tiers du diamètre du cercle périphérique (C ; C'). 6. Roue (1 ; 2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la roue est 15 d'un seul tenant. 7. Compresseur caractérisé en ce qu'il comporte une roue (1 ; 2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Turbine caractérisée en ce qu'elle comporte une roue (1 ; 2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 20 9. Turbocompresseur caractérisé en ce qu'il comporte une roue (1 ; 2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 10. Pompe caractérisée en ce qu'elle comporte une roue (1 ; 2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.