Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
p3 r~
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La presente invention a trait à un diffuseur a
aSpiratiQn parietale symétrique de revolution autour d'un
axe A~' et à entree sensiblement axiale, utilise par exem-
ple dans une turbine ou dans une soufflerie, comportant une
paroi exterieure entourant le fluide s'ecoulant à l'inte-
rieur du diffuseur de l'entree vers la sortie, ladite paroi
etant munie d'une fente circulaire évacuant une fraction
du debit entrant et ayant un trace tel que le gradient de
pression mesure à sa surface dans le sens de l'écoulement
soit negatif en amont de ladite fente. Parietale veut dire
~<dans la paroi)~ qui a rapport à la paroi.
Un tel diffuseur est decrit dans le brevet britan-
nique n 1024328.
Dans le diffuseur connu, l'ecoulement du fluide
le long de la paroi en aval de la fente se fait dans le
sens inverse de l'ecoulement general, c'est-a-dire dans le
sens sortie vers entre.
Il se produit un decollement en aval de la fente.
l'invention a pour but d'eviter tout decollement.
L'existence d'une recompression en aval de la
fente s'oppose à l'etablissement d'un ecoulement à contre
courant le long de la paroi.
On connaît egalement des diffuseurs dans lesquels
le gradient de pression en amont et en aval de la fente
est nul.
De tels diffuseurs sont decrits par exemple dans
le brevet britannique n 1000767.
Dans de tels diffuseurs, les decollements de la
couche limite peuvent, en grande partie, être evites grace
à l'aspiratlon de celle-ci par la fente circulaire. Toute-
fois, des essais ont montre qu'il existe un large domaine
de taux d'aspiration (quantite de fluide aspiree par la
fente divisee par la quantite de fluide entrant dans le
diffuseur) pour lequel le fonctionnement n'est pas stable.
35~
2 --
-- 2
C'est pourquoi il est nécessaire d'utiliser des
taux d'aspiration assez eleves (10% ou plus), ce qui limite
considerablement l'interet industriel de tels diffuseurs.
Le diffuseur selon la presente invention permet
d'utiliser un taux d'aspiration plus faible.
Selon la presen-te invention, il est prévu un
diffuseur à aspi.ration parietale symetrique de revolution
autour d'un axe AA' et a entree sensiblement axiale, compor-
tant une paroi e~terieure entourant le fluide s'ecoulant à
l'interieur du diffuseur de l'entree vexs la sortie, ladite
paroi etant munie d'une fente circulaire evacuant une frac-
tion du debit entrant et a~ant un tracé tel que le gradient
de pression mesure à sa surface dans le sens de l'ecoulement
soit negatif en amont de ladite fente, caracterise en ce que
ladite paroi, en aval de ladite fente, a un trace tel que le
sens de l'ecoulement tout le long de ladite paroi en aval de
ladite fente soit dans le sens de l'entrée vers la sortie et
que le gradient de pression.mesure à sa surface dans le sens
de l'ecoulement soit positif.
L'angle d'entree du fluide dans la fente, mesure à
partir de l'axe de revolution oriente dans le sens d'entree
du fluide dans le diffuseur, est de preference compris entre
100 et 120.
Ainsi le taux d'aspiration pour lequel les decolle-
ments sont en grande partie evites peut etre diminue.
On peut choisir de preference, une largeur de fente
a l'entree voisine de
b = -
L R1 ~ ~ 2 2
Rl L
So Vo
avec L - X 2rrr Vl
- 3 ~
X étant le taux d'aspiration, rapport du débit asp.iré au
debit total entrant dans le diffuseur
So etant la section d'entree du diffuseur
Vo la vitesse moyenne dans la section d'entrée du diffuseur
r le rayon à partir de l'axe de l'entree de la fente
Vl etant la vitesse du fluide sur la paroi à l'entree de
la fente en amont de cette dernière
Rl etant le rayon de courbure de la paroi à l'entree de la
fente et en amont.
La largeur optimale de la fente est voisine de
cette valeur. En effet, si la fente a une largeur faible,
d'une part, cela réduit les possibilités de captation des
zones decollees eventuelles se produisant en amont de la
fente et, d'autre part, cela augmente les pertes dans la
fente, la vitesse de penétration dans la fente étant alors
trop élevée (à taux d'aspiration constant). Par contre, si
la largeur de la fente est trop importante, la vitesse de
pénétration dans la fente est trop faible (à taux d'aspira-
tion constant) et les décollements en amont de la ~ente se
trouvent facilités, et de plus il se produira une survitesse
sur le bord d'atta~ue en aval de la fente entralnant un
épaississement de la couche limite pouvant aller jusqu'au
décollement.
Le décalage d'en-tre le plan perpendiculaire à
l'axe et tangent à la paroi convexe en amont de la fente et
le plan perpendiculaire à l'axe et passant par le centre du
cercle osculateur au bord d'atta~ue de la paroi en aval de la
fente est de préférence égal ou légèrement supérieur à
I r
L Rl V Rl2 L
avec L = X S2o V
,1~
3~L3
- 3a
X, So, r, Vl, Rl, etant definis comme ci-dessus.
Les avantages apportés par l'invention sont
particulièrement intéressants dans le cas où l'angle de
sortie du fluide est égal ou voisin de 90, c'est-à-dire où
le diffuseur est à sortie sensiblement radiale.
En effet, en raison de la déviation du fluide qui
s'ajoute à la recOmpressiQn du fluide, la tendance aux
décollements des couches li.mites est très importante.
La présente invention va maintenant être décrite
plus en detail en se referant à un mode de realisation parti-
culier cite à titre d'exemple non limitatif et represente
par des dessins annexes.
La figure 1 représente un premier type d'écoule-
ment dans un diffuseur à entree axiale et à aspiration
parietale,
La figure 2 represente un second type d'ecoulement
dans un diffuseur à entree axiale et à aspiration parietale,
La figure 3 represente un diffuseur selon l'inven-
tion,
La figure ~ represente un agrandissement de l'entree
de la fente
` 1
~'a~3~3
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d'aspiration du di~fuseur 3elon l'invention repérée IV sur la figure 3O
Le~ ~igures 5 à 8 représentent les courbes de variation du taux
d'aspiration en fonction de la largeur de la fente.
La figure 9 représente la variation de la vitesse du fluide le long
de la paroi extérieure du diffuseur.
Sur les ~igures 1 et 2 on a repré~enté un diffuseur à entrée axiale
comportant une paroi extérieure et une fente 1 séparant ladite paroi en
une partie amont 2 et une partie aval 3. Le diffuseur comporte également
une paroi interne 4. Le diffuseur est symétrique de révolution autour
d'un axe et la parol extérieure 2, 3 a un tracé tel que le gradient de
pression en amont et en aval de la fente soit nul.
Pour un même taux d'aspiration X (quantité de fluide aspirée par
la fente divisée par la quantité de fluide entrant dans le diffuseur) et
dans un domaine plus au moins étendu de X, on a pu constat~r que deux
types d'écoulement étaient possibles.
Sur la figure 1 on a représenté un écoulement normal qui est
recherché. La couche limite située en amont de la fente 1 le long de la
paroi exterieure 2 est aspirée par la ~ente 1.
Il s'ensuit que l'écoulement n'est pas décollé en aval de la ~ente.
Dans le cas de la figure 2 il se produit un écoulement à contre
courant le long de la paroi extérieure 3 en aval de la fente 2. Lorsqu'un
tel écoulement s'établit il n'est plus possible de recomprimer le fluide
dans le diffuseur.
Sur la Pigure 5 on a représente la variation du taux d'aspira-
tion X en fonction de la largeur b de la fente 1.
Une première courbe (I) en trait tireté représente les valeurs
de X minimales en fonction de b pour lesquelles il s'établit, à coup sûr,
le régime d'écoulement de la figure 1, et une seconde courbe (II) en
trait plein représente les valeurs de X maximales en fonction de b où il
s'établit, ~ coup sûr, le régime d'écoulement de la figure 2. Pour une
même valeur de b, bo nous obtenons une valeur de X, X1 sur la courbe I
et X2 sur la courbe II. Pour le~ valeurs de X inférieures ou égales à X2,
seul le régime d'écoulement de la figure 2 s'établit.
Pour les valeurs de X comprises entre X2 et X1, les deux régimes
d'écoulement peuvent s'établir et pour les valeurs de X supérieures ou
égales à X1, 9eul le régime de la figure 1 peut q'établir.
Il s'ensuit qu'il conviendra de prendre pour taux d'aspiration X
une valeur égale ou supérieure à celui défini par la courbe I.
Sur la figure 3 on a représenté le difPuseur selon l'invention
également symétrique par rapport à un axe de révolution ~A'. La paroi
extérieure e3t interrompue par une fente 1 qui la sépare en paroi amont 2
et paroi aval 3. La paroi extérieure a un tracé tel que le gradient de
pression mesuré à sa sur~ace dans le sens de l'écoulement soit négatif en
amont de ladite fente et positiP en aval.
La section d'ertrée du diffuseur est So et la vites3e moyenne dans
cette section est Vo.
La fente 1 circulaire e~t également symétrique de révolution
autour de l'axe AA' et a une largeur b à son entrée B C et la vitesse du
fluide sur la paroi 2 à l'entrée de la fente 1 au point C est V1. La
fente 1 va en s'éva~ant légèrement après son entrée.
Nous désignons par R1 le rayon de courbure de la paroi amont 2 à
l'entrée de la fente 1 et par r le rayon mesuré par rapport à l'axe AA'
de l'entrée de la fente.
L'angle de la fente par rapport à l'axe AA' est ~ .
Sur la figure 6 on a représenté les courbes I et II pour un diffu-
seur selon l'invention, dans lequel la paroi extérieure a un tracé tel
que le gradient de pression mesuré à sa surface dan~ le sens de l'écoule-
ment soit négatif en amont de la fente et positif en aval.
Les courbes I et II sont abaissées et il est donc possible d'ob~
tenir, avec une même largeur de fente (si nous comparons avec la
figure 5), un fonctionnement correct en utilisant un taux d'aspiration
nettement inférieur.
La pression sur la paroi 2 va diminuer progressivement de l'entrée
du diffuseur ~u5qu~ l'entrée de la fente 1~ 9i bien que le fluide va
être aocéléré et que l'état de la couche limite sera plus éloigné du
déoollement. Il faut toutefois éviter d'avoir des vitesses trop élevées
à l'entrée de la fente, ce qui conduirait à des pertes très importantes
dans cette fenSe et éventuellement des problème liés a la compressi-
bilité. On prendra en général une vitesse de 15~ a 40% supérieure a la
vitesse d'entrée dans le diffuseur, suivant les possibilités de tracé
dont on di3pose.
Le tracé de la paroi 3 va diminuer les risque~ de formation de
l'écoulement de la figure 2.
Sur la paroi concave interne 4 la loi de pression dépend de la
déviation que l'on désire obtenir avec le dif~useur considéré.
En choisissant un angle de direction de fente ~ compte à partir de
l'axe de révolution AA', compris entre 100 et 120, on diminue les taux
d'aspiration minimaux de la courbe I (voir ~igura 7).
La largeur de fente est un paramètre important. En effet, si elle
est trop faible, les poqsibilités de captation des zones décollées éven-
tuelle~ se produisant sur la paroi 2 sont réduites. De plus cela augmente
les pertes dans la fente (à taux d'aspiration constant). Si la largeur
est trop grande, le décollement sur la paroi 2 est facilité et en plus le
point d'arrët S (où la vitesse est nulle) pourra se trouver légèrement à
l'intérieur de la ~ente, d'où une survitesse importante de l'écoulement
au contournement du bord d'attaque faisant suite à S sur la paroi 3, ce
qui entraînera un épais~issement de la couche limite sur la paroi 3
pouvant aller jusqu'au décollement, donc des pertes plus importantes
pour ce diPfuseur.
La largeur bopt optimale sera voisine de
/~
L R1 ~ I R12 L2
2~ avec L = X 2 ~ Vo
Le rapport V1 peut facilement être mesuré en plaçant une prise de
pression statique à l'entrée de la fente (p1) et une autre dans le plan
d'entrée du dif~useur (po), puis en mesurant la pression d'arrêt (po)
dans ledit plan d'entrée à l'aide d'une ~onde pitot
1 i
Le rapport Vo est égal à ~1 P~
V P ~ P
On a représenté ~ur la figure 9 la variation du rapport Vo (V étant
la vitesqe au point M pris sur la paroi 2 ou 3) en fonction de l'abscisse
curviligne OM, 0 étant le point de la paroi 2 à l'entrée du diffuseur.
~`
~3'i~3
Quand M varie de O à C, le rapport Vo augmente régulièrement. Ln S la
vitesse V est nulle, puis augmente fortement avant de décroitre vers une
limite donnée.
La paroi 3 à l'aval de la fente est décalée dans l'écoulement tvoir
figure 4) ; ce décalage ~ est mesure par la distance de deux plan~
perpendiculaires à l'axe AA', l'un tangent à la paroi convexe amont 2,
l'autre passant par le centre du cercle osculateur au bord d'attaque de
la paroi aval 3O Ce décalage ~ est de préférence égal ou légèrement
supérieur à la valeur bopt signalée précédemment.
Lorsque le décalage est choisi égal ou légèrement supérieur à bopt
et que les conditions imposées pour les courbes de la figure 7 sont
remplies la courbe I est pratiquement confondue avec la courbe II (voir
figure 8), le minimum de ces courbes étant obtenu pour une largeur de
fente égale ou voi~ine de bopt.
On choisira de préférence le tracé du bord d'attaque de la paroi 3,
de façon que le rayon du cercle osculateur soit égal ou
b
supérieur à 4pt .
Comme il ressort des graphiques des diverses figures 5 à 8, le
choix judicieux de la largeur de la fente, de son orientation et de son
décalage permettra de minimiser le taux d'aspiration du diffuseur et
donc d'accroître le rendement.
Dans le cas d'un diffuseur à entrée axiale et à sortie axiale
utilisé par exemple dans le~ turbines à gaz , la paroi interne 4 sera,
bien entendu, supprimée.
