Coupleurs hydrodynamiquesà remplissage constant

Les coupleurs sont utilisés comme composants detransmission hydrodynamique, pour transmettre lescouples dans les systèmes d’entraînement en rotation.D'après la classification des coupleurs, les modèleshydrodynamiques font partie des turbomachines etdoivent être affectés aux coupleurs entraînés paradhérence. Le couple est transmis, entre l'entrée et lasortie, grâce à la transformation en énergie cinétiquedu fluide de fonctionnement mis en rotation entre lesdeux roues à aubages du coupleur. Les types, lesmodes de fonctionnement et les concepts liés auxcoupleurs hydrodynamiques sont définis dans ladirective VDI 2153 «Transmissions hydrodynamiques».En se basant sur les principes fondamentaux connus,des informations complémentaires d’ordre applicatifdoivent être fournies sur le fonctionnement des cou-pleurs à développer en fonction de spécifications pré-cises relatives à l’utilisation ainsi que les paramètresconcernant les modes de commande interne et exté-rieure au coupleur.

Le développement des trois machines hydrodynamiquesde base que sont le convertisseur de couple, le turbocou-pleur et le ralentisseur hydrodynamique, a été rendu pos-sible grâce aux travaux de recherche fondamentale réali-sés par Hermann Föttinger en 1905. La caractéristique deces trois machines est que l’énergie mécanique de l'arbreprimaire d'entraînement est entièrement convertie en éner-gie cinétique du fluide de fonctionnement mis en rotationpar une roue pompe (roue primaire). Les principes de ladynamique des fluides permettent de décrire la capacité detransmission des coupleurs hydrodynamiques.

La définition théorique de la transmission du couple dansles coupleurs hydrodynamiques est fournie à partir de la loifondamentale de Newton relative au moment cinétique dela masse de fluide en rotation et de l’équation d’Euler pourles turbines.

Dans la pratique, le comportement de transmission ducoupleur est généralement décrit par une modélisationdérivée de l’équation pour les turbines. Dans ce modèle,toutes les cotes du profilé sont rapportées au diamètre duprofilé de la pompe, et toutes les vitesses sont rapportéesà la vitesse angulaire de la pompe. Les facteurs résultantsde cette convention sont résumés dans le coefficient depuissance �.

Cette modélisation permet d’extrapoler aisément un cou-pleur défini dans sa forme et ses dimensions vers d’autresvitesses d'entraînement et fluides de fonctionnement; ainsid’autres tailles peuvent aussi être construites, avec descourbes caractéristiques de fonctionnement identiques.

Le coefficient de puissance comprend, outre les facteursgéométriques et le débit massique en fonction du différen-tiel de vitesses entre pompe et turbine, d’autres para-mètres.

Introduction

L’auteurHeinz Höller, né en 1941, est Ingénieur diplômé en constructionmécanique de l’école supérieure de Hagen. Depuis 1964,collaborateur de Voith Turbo à Crailsheim (R.F.A.) et depuis 1979,responsable du bureau d’études.

3

1. Introduction, historique

2. Données hydrauliques

2.1 Principes2.2 Modélisation2.3 Courbe et réseau de caractéristiques2.4 Classification2.5 Sens de rotation

3. Caractéristiques de construction

3.1 Types3.2 Diagramme caractéristique de puissance, choix de la

taille3.3 Matériaux, fluides de fonctionnement3.4 Critères de sélection

4. Exemples d'application

4.1 Amélioration des propriétés dynamiques4.2 Adaptation des oscillations de torsion des

entraînements auxiliaires de bateau4.3 Comparaison coupleur – démarreur électronique4.4 Type TVVS sur convoyeur à bande4.5 Type TVVF sur transporteur à chaîne

5. Résumé

Coupleurs hydro-dynamiques à remplissageconstant

4

1. Introduction,historique

Les coupleurs hydrodynamiques sont souvent affectés àun groupe qui leur est propre dans les recherches de clas-sification des accouplements. Ceci se justifie par le princi-pe de fonctionnement particulier de la transmission hydro-dynamique de puissance. La transformation entre la formed’énergie mécanique et hydraulique offre diverses possibi-lités de faire varier la transmission de puissance suivantdes lois précises. Les coupleurs hydrodynamiques peuventdonc être utilisés dans différentes applications de transmis-sion pour des installations fixes ou mobiles.

Le développement du coupleur hydrodynamique remonte àun brevet déposé par le jeune ingénieur électricien, Her-mann Föttinger, en 1905. Employé dans un chantier naval(Stettiner Vulkan), il a été confronté au problème d’adapta-tion et d’optimisation de la liaison entre la turbine à vapeurà vitesse rapide, employée dans la construction navale etl’hélice de propulsion à rotation lente. La transmission, laconversion et l’influence du flux de puissance constituentencore aujourd’hui les fonctions principales des compo-sants d’une chaîne cinématique.

La solution proposée par Föttinger en transmission hydro-dynamique de la puissance a conduit au développementde ce qu'il a lui-même appelé les trois "agrégats Föttinger",à savoir le convertisseur, le coupleur hydrodynamique et lefrein hydrodynamique.

Fig. 1 : Adaptation de la forme de puissance : source – besoin.

Le coupleur hydrodynamique représente, de même que lefrein hydrodynamique, un cas particulier du convertisseurde Föttinger. Les concepts, les désignations, les types deconstruction, les modes de fonctionnement et les bases decalcul sont regroupés dans la directive VDI 2153.

Fig. 2 : Les agrégats Föttinger

Aubages droits

Convertisseur Coupleur Frein

Car

acté

-ris

tique

s

Aubages courbés Aubages obliques

Rep

rése

ntat

ion

sché

mat

ique

Sym

bole

sV

DI 2

153

5

Dans les coupleurs hydrodynamiques, la puissance méca-nique engendrée est transmise à un fluide en rotation, quila transporte (sous forme d’énergie spécifique) entre ungénérateur (partie primaire) et un récepteur (partie secon-daire). Le générateur et le récepteur sont des machineshydrauliques (pompe centrifuge et turbine). En conséquen-ce, les principes de la dynamique des fluides permettentde décrire la capacité de transmission des coupleurshydrodynamiques.

2.1 Principes

Le principe de base de la transmission hydraulique de puis-sance peut être représenté par le schéma simplifié suivant.

Si l’on considère le débit du fluide en rotation de la pompevers la turbine, la puissance contenue se calcule à partirde la quantité en mouvement et de l’énergie spécifique Yqui lui est imprimée. Pour les machines hydrauliques, Y estdésignée aussi comme le travail spécifique. Pour l’écoule-ment tubulaire, les relations peuvent être dérivées desprincipes élaborés par Bernouilli.

La machine hydrostatique ou hydrodynamique, utilisée pourla conversion de puissance mécanique en hydraulique ducôté primaire sous forme de pompe ou de générateur,détermine la forme d’énergie dominante dans l’écoulementdu fluide. La composante d’énergie potentielle, toujoursprésente dans la transmission hydraulique de puissancepeut être négligée dans la technique d’entraînement.

2. Données hydrauliques

Fig. 3 : Transmission hydraulique de puissance

Générateur / pompe Récepteur / turbine

Ecoulement tubulaire (Bernouilli) Ecoulement tourbillonnaire (Euler)

Energie spécifique

(Moment angulaire

La transformation de l'énergie contenue dans l’écoulement d’un fluidesans perte correspond dans les machines hydrauliques aux variationsdu moment cinétique, induit par les aubes en rotation.

avec

6

Les systèmes de transmission de puissance hydrodyna-mique sont caractérisés par le fait que l’énergie cinétiqueest la forme d’énergie dominante dans les quantités enmouvement. La conversion d’énergie dans la pompe et laturbine est induite par les alvéoles entre les aubes en rota-tion, qui sont parcourues dans le sens radial, axial ou dia-gonal par le flux de liquide. Les relations mathématiquespour les aubages en rotation ont été décrites pour la pre-mière fois par le mathématicien suisse Euler, à partir duprincipe du moment angulaire. Un couple hydrauliquerésulte de l’écoulement centrifuge du liquide, produit par laforce exercée sur la paroi des aubes.

Equation d’Euler pour les turbines

Mh = m (r1 · cu1 - r2 · cu2) = m · � (r · cu)Ph = � · Mh = m · � (u · cu)

2.2. Modélisation

L’étude mathématique d’Euler est trop complexe pourrépondre au développement pratique. On fait appel dansles bureaux d’études à des relations de similitude commec’est fréquemment le cas en hydraulique.

Les propriétés d’un fluide hydraulique sont déterminéespour les formes d’énergie prédominantes et les forcesexercées.

On constate que l’on peut avoir des phases de fonctionne-ment identiques pour des conditions et variables d’entréedifférentes avec des ratios entre les forces invariants. Desmodèles connus en génie hydraulique répondent aux prin-cipes de similitude de Froude, Euler, Mach et Reynolds.Pour les transmissions de puissance hydraulique, les loisd’Euler et de Reynolds jouent un rôle important.

Nombre d’Euler : Eu = �p

�· c2

Dans les systèmes hydrauliques pour lesquels les frotte-ments sont négligés, les points géométriques caractéris-tiques définis par les nombres d’Euler sont invariants (géo-métrie affine) c.a.d. qu’il existe entre pressions et forcescinématiques un rapport constant.

Nombre de Reynolds : Re = v · L

~� · D2

�FL �FL

L’écoulement de 2 fluides visqueux newtoniens présentedes états identiques pour des nombres de Reynoldsconstants, c’est-à-dire des rapports entre frottements etforces cinématiques constants.

Similitudes géométriques

Nombre d’Euler Eu = �p�· c2

Fig. 4 : Relation de similitude en mécanique des fluides Modélisation hydrodynamique.

Désignation Equation Modélisation hydrodynamique

Pression hydraulique Eu = const. p � � · D2 · �2

Force hydraulique F = �p · dA F � � · D4 · �2

Débit V = c · A V � D3 · �

Masse volumique m = � · V m � � · D3 · �

Couple hydraulique M = F · r M � � · D5 · �2

Puissance hydraulique P = M · � P � � · D5 · �3

Grandeurs Longueur r, l � DSurface A � D2

Vitesses u, w, c � D · �

Similitude hydraulique

Nombre de Reynolds Re = � · D2�

· ··

. .

. .

7

Les équations types hydrodynamiques peuvent être déve-loppées à partir de la loi d’Euler.

Si une roue pompe 2 est agrandie fidèlement au modèlepar rapport à la roue 1, les longueurs et les surfaces jouentdans les rapports suivants : Longueurs r, l ~ D

Surfaces A ~ D2

Pour les points de fonctionnement affines des deux roues,il en résulte des triangles de vitesses géométriquementsimilaires : Vitesses u, w, c ~ D · �

Les lois valables pour les éléments de transmission hydro-dynamique peuvent être établies à partir d’une modélisa-tion type Euler.

Concernant les paramètres proportionnels manquants,seul le coefficient de puissance �, en tant que caractéris-tique sans dimension, est obligatoirement fixé. Le coeffi-cient de puissance sans dimension � caractérise le type demachine choisie (convertisseur, coupleur, frein), l’architec-ture du profilé et l’aubage.

On peut ainsi écrire les relations types, utilisées couram-ment pour le couple et la puissance consommée

Mp = � · � · �P2 Dp

5 ; Pp = � · � · �P3 Dp

5

L’équation d’Euler pour les turbomachines décrit de maniè-re générale la conversion d’énergie dans les aubages enrotation. Les agrégats Föttinger, tels que le convertisseur,le coupleur ou le frein, possèdent cependant plusieurs(au moins deux) roues à aubages, qui sont disposées detelle sorte qu’elles sont parcourues l’une après l’autre parla masse liquide transportant l’énergie dans un circuitfermé.

Les agrégats Föttinger possèdent un type de fonctionne-ment qui leur est propre en fonction de l’architecture desroues à aubages.

Le masse volumique m, nécessaire pour le transportd’énergie entre la pompe et la turbine, ne peut s’écoulerdans des roues à aubages que si une différence de pres-sion existe, c’est-à-dire, pour des systèmes en rotation,une différence de synchronisme (glissement).

La masse liquide en rotation constitue un lien souple entrela pompe et la turbine de sorte que le rapport de vitesses(glissement) s’ajuste automatiquement en fonction de lacharge (caractéristique série). Le comportement d’un agré-gat Föttinger de type coupleur (2 roues à aubages) peutêtre décrit complètement par la modélisation hydrodyna-mique et la relation caractéristique � = f (�n · V).

Masse volumique m

Volume de remplissage V

Coefficient de puissance �

Rapport de vitesse �n

Angle de l’aubage �

Viscosité cinématique �FL

·Equation d’Euler

Similitude hydraulique

Fig. 5 : Bases hydrodynamiques

[Nombre d’Euler]

Similitude géométrique Equation type hydrodynamique

[Nombre d’Reynolds]

Relation caractéristique

8

Pour étudier plus en détail le fonctionnement de la pompeet de la turbine, il est nécessaire toutefois de faire appel àd’autres conventions complémentaires dérivées des lois dela mécanique.

2.3 Courbes et réseau de caractéristiques

Le comportement du coupleur peut être décrit par la repré-sentation graphique de la relation caractéristique � = f (�)sous forme d’une courbe caractéristique. Avec le remplis-sage V comme variable, on obtient un réseau de caracté-ristiques d’un coupleur.

Fig. 6 : Nombres caractéristiques (Technique d’entraînement) Fig. 7 : Coefficient de puissance – Grandeurs d’influence

Agrégat Föttinger avec deux roues à aubages(P et T en rotation Coupleur)

Entrée Sortie

Théorème des moments Principe de laconservation de l’énergie∑ E = constant

Le comportement des agrégats Föttinger à plusieurs roues àaubages n’est pas déterminé par une seule roue, mais parl’interaction de toutes les roues du circuit.

Courbe caractéristique

Rem-plissage maximal fF=1

Remplis-sage partiel

Rapport de vitesse �

Coe

ffici

ent

de p

uiss

ance

�

1-� = glissement (masse de liquide enrotation)

�p = facteur géométrique(forme du profil)

fs = Filet liquide (trajectoire)ff = Degré de remplissage

(intensité du filet)g� = Angle de l’aubage (choc)gv = Influence de la viscosité

(frottement du canal)

Diagrammes caractéristiques des réalisations

Coupleur de démarrage etde surcharge

Coupleur variateur àremplissage contrôlé

Remplissage max.

Remplissage min. Remplissage min.

Chiffres caractéristiques

(Technique d’entraînement)

Rapport de vitesse

� =nsortie =

nT =�T

nentrée np �p

Rapport de couple (conversion)

� =Msortie =

MT = 1Mentrée Mp

Rapport de puissance (rendement)

� =Psortie =

PT =MT · �T = � · �

Pentrée Pp Mp · �p

donc le rapport de vitesse pour les coupleurs devient � = �

Remplissage max.

9

Pour les coupleurs hydrodynamiques, les courbes fonda-mentales caractéristiques présentent, pour un rapport devitesse � croissant, à partir du point d’accrochage �A unebaisse constante du coefficient de puissance �.

La sélection des coupleurs se fait en fonction de leurcaractéristique série, de telle sorte que le couple nominal(�N) puisse être transmis avec un glissement nominal sN leplus faible possible. L’évolution du reste de la courbecaractéristique peut être adaptée en fonction de différentesréponses suivant les applications.

Pour les coupleurs de démarrage et de sécurité, une cour-be caractéristique la plus plate possible, avec un faiblesurcouple �max est souhaitable sur toute la plage dedémarrage.

Pour les coupleurs variateurs et à remplissage contrôlé enrevanche, des courbes caractéristiques plongeantesdepuis � = 0, avec une bonne dispersion de fluide, sontsouhaitables, pour pouvoir régler, lors de l’ajustement de lavitesse des différentes machines à entraîner, les points defonctionnement stables.

Le développement analytique d’une courbe caractéristiqued’un coupleur reste très difficile, malgré certaines relationsétablies en mathématique. Le coefficient de puissance �est en pratique calculé à partir des courbes caractéris-tiques de couple déterminées sur banc d’essais.

Pour décrire complètement le comportement de fonction-nement des entraînements avec des coupleurs hydrodyna-miques, il est nécessaire, notamment pour les coupleurs àremplissage constant, d’étudier la réponse en cas de varia-tions de la vitesse d’entraînement (Fig. 8).

Cette représentation, désignée de manière généralecomme parabole de glissement dans le réseau primaire,est la transposition de la formule du couple pour un coeffi-cient de puissance constant, et un glissement constant.Les points caractéristiques nécessaires peuvent êtredéduits de la courbe caractéristique ou du réseau decaractéristiques secondaire.

Les valeurs de sortie et les formules de calcul courantespour la réalisation pratique des coupleurs hydrodyna-miques sont indiquées à titre de complément.

Fig. 8 : Diagramme tridimensionnel caractéristique du coupleur en trois dimensions

Valeurs de sortieModèle de coupleur

DP = Diamètre du profilé� = Densité du fluide de fonctionnement� = f (�, v) Réseau de caractéristiques du coupleur déterminé

lors des essais

Diagramme

caractéristique primaire Diagramme

caractéristique secondaire

Courbe

caractéristique

Parabole de

glissement

Diagramme caractéristique secondaire (courbe caractéristique)M = f (� ou �T)Paramètres : remplissage, position de l’écope

Représentation des courbes caractéristiquesDiagramme caractéristique primaire (paraboles de glissement)M = f (�p)Paramètre � pour s = constant

Grandeurs de calculCouple MP = � · � · �P

2 · DP5

Puissance PP = � · � · �P3 · DP

5

PT = PP �T/�PRendement � = PT/PP = �T/�P = �Glissement s = (1 - �)

2.4 Classification

Les coupleurs hydrodynamiques sont classés en fonctionde leur architecture à l’aide de la terminologie VDI 2153.

Les coupleurs à remplissage constant sont contenusdans un carter étanche vers l’extérieur, et sont remplis,avant leur mise en service, avec du fluide de fonctionne-ment, selon les exigences d’utilisation. Le rapport entre levolume du fluide de fonctionnement et le volume total ducoupleur est désigné sous le nom de niveau de remplissa-ge. Le coupleur présente ainsi une courbe caractéristiquedéfinie par le niveau de remplissage. Le comportement audémarrage des coupleurs à remplissage constant peut êtreinfluencé par le remplissage contrôlé des chambres deretardement.

Les coupleurs de ce type sont utilisés pour le démarrage,la limitation du couple et pour amortir les oscillations detorsion.

Les coupleurs variateurs possèdent des dispositifs per-mettant de modifier en continu la vitesse de la transmis-sion. Ceci est induit essentiellement par le changement duniveau de remplissage. Ces coupleurs ont toujours une cir-culation du fluide externe, qui peut servir au changementde remplissage et au refroidissement.

Le niveau de remplissage peut se faire par l’intermédiaired’une écope se déplaçant dans le sens radial ou en faisantvarier le débit des fluides par l’intermédiaire de gicleurs.

Les coupleurs à remplissage contrôlé permettent de régler,pour une vitesse d’entraînement constante, pour les princi-pales courbes caractéristiques des machines, des pointsde fonctionnement stables dans une large plage devitesses, en dessous de la vitesse nominale du moteur.

Les coupleurs à remplissage contrôlé possèdent desdispositifs permettant de modifier le régime de transmis-sion pendant le fonctionnement entre deux valeurs limites(la plupart du temps maximum et minimum). Pour les cou-pleurs vidangeables, on utilise de préférence les principesde construction connus du coupleur variateur.

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Fig. 9 : Classification des coupleurs hydrodynamiques selon VDI 2153

Coupleur hydrodynamique

Coupleur à remplissage constant Coupleur variateur Coupleur à remplissage contrôlé

Niveau de remplissageréglé à l’arrêt

Intervention dans leflux du circuit

Remplissagevariable en service

Niveau de remplis-sage réglé à l’arrêt

Remplissagevariable en vitesse

H = organe principal pouvant être une pompe ou une turbine

Temporisation duremplissage

Réglage deremplissage

Réglage de fluxde pilotage

Réglage de fluxde pilotage

Aubages de réglage tiroir

Aubages de réglage tiroir

Chambre récep-trice intérieure

Chambre récep-trice ext. et int.

Ecope Carter fixe Carter rotatifpartiellementvidangeable

Soupapes sur la périphérie

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2.5 Sens de rotation

La construction symétrique des roues à aubages et le prin-cipe hydrodynamique impliquent que, pour de nombreuxtypes de coupleurs, le fonctionnement de l’entraînementest réversible.

Ces propriétés avantageuses des coupleurs hydrodyna-miques peuvent se limiter par construction, avec despompes, des écopes etc., à un seul sens de rotation.

Les roues à aubages symétriques ne sont pas utiliséesdans tous les modèles. Il en résulte des courbes caracté-ristiques différentes qui sont fonction du sens de rotation.Sur ce point, le coupleur avec des aubages obliques parrapport à l’axe (aubage de freinage) constitue une particu-larité. Ce coupleur présente un effet de roue libre marqué,qui est utilisé de manière avantageuse dans les propul-sions à une hélice – 2 entrées.

Fig. 10 : Courbes caractéristiques sur trois quadrants dans le plancouple/vitesse.

Fig. 11: Coupleur avec effet de roue libre

Le régime stable de la courbe caractéristique dans ledeuxième quadrant permet, par exemple, dans la propul-sion d’un navire de décélérer et de faire tourner l’hélice.

La caractéristique horizontale du couple pour une vitessede rotation nulle offre un dispositif souple de bobinage ettension pour les câbles et les systèmes d’alimentation. Lepassage du premier au quatrième quadrant permet un pas-sage progressif du fonctionnement en mode moteur à celuien mode générateur (par exemple pour les convoyeurs àbande en pente).

Coupleur TP

Si le moteur 2 entraîne, par l’intermédiaire du réducteur, lecôté sortie du coupleur 1 à une vitesse n2 supérieure à n1,le moteur 1 ne participe plus à la propulsion, même si lecoupleur est entièrement rempli. La vidange du coupleurpermet de couper le moteur 1 sans perte.

Coupleurs T(frein)

�M = const. �A = var.

12

3.1 Modèles

Les coupleurs hydrodynamiques à remplissage constantsont livrés essentiellement sous forme de composantsprêts au montage, non remplis.

Dans le modèle le plus simple pour l’entraînement coaxialsans chambre de retardement, le coupleur ne se composeque de quelques pièces constitutives.

Par l’intermédiaire de profils de roues qui ont été dévelop-pées spécialement, notamment de roues, intérieures, descourbes caractéristiques suivant les exigences peuventêtre montrées.

La courbe caractéristique choisie pour l’application permetde déterminer la modélisation de la puissance et lemeilleur emplacement dans la ligne d’arbres. Un montageerroné est évité grâce à des instructions de montage

3. Caractéristiques deconstruction

Fig. 12 : Modèle de base Fig. 13 : Variantes de construction

pour entraînement à courroie

La roue extérieure à aubages, solidaire de l’enveloppe,forme une chambre de travail qui est positionnée par 2 rou-lements vis-à-vis du moyeu. Ces roulements travaillent enroulement relatif. Cette chambre de travail assure l’étan-chéité du coupleur. La partie intérieure se compose dumoyeu et de la roue intérieure qui lui est solidaire. La puissance transmise est déterminée par la constructiondu modèle, par exemple :(1) Entraînement roue extérieure et(2) Entraînement roue intérieure ;La forme des courbes caractéristiques peut différer forte-ment en fonction de la forme du profil.

claires. En cas de disposition coaxiale, un accouplementmécanique est nécessaire pour compenser les désaligne-ments légers.Différentes variantes peuvent être développées à partir dumodèle de base série T.Ici sont représentés les modèles pour les arbres coaxiauxet parallèles à l’axe, qui conviennent pour l’entraînementde la roue intérieure ou de la roue extérieure. Le coupleurà double circuit offre l’avantage de doubler la transmissionde puissance pour un diamètre extérieur identique. La construction modulaire permet d’offrir des variantes àpartir des modèles de base.

AccouplementPartie extérieure

roueextérieure

Partie intérieure

carter roueintérieure

moyeu

Chambre auxiliaire

(1) Entraînement roue extérieure(2) Entraînement roue intérieure

Chambre de retardement

Chambre de travail

Profil particulier de la roue intérieure

Type T Type TR

Type DT Type DTri

Circuit simple

Double circuit

Pour arbres coaxiaux

13

Etant donné sa conception on ne peut exploiter par cou-pleur qu’une seule courbe caractéristique dépendant duprofil des aubages et du type d’entraînement. La puissanceconsommée lors du démarrage dans un système d’entraî-nement avec un coupleur hydrodynamique est uniquementfonction de la courbe caractéristique du coupleur et non dela courbe caractéristique de la machine de travail entraî-née. A cet effet, seul le moteur lui-même et le côté primairedu coupleur sont effectifs comme moment d’inertie demasse.

La construction de la chambre intérieure définit le compor-tement du coupleur sur la distribution du flux liquide et surle glissement. La chambre de retardement joue le rôle dela temporisation qui peut être expliqué de la façon suivantepour 3 régimes de fonctionnement différents. A l’arrêt, lefluide de fonctionnement se trouve, du fait de la force degravité, dans la partie inférieure du coupleur. Au démarra-ge du moteur par exemple, la roue pompe est entraînée, laroue turbine est fixe (glissement 100 %). Le flux d’huile

Fig. 14 : Courbe caractéristique en fonction de l’application

Fig. 15 : Phases de fonctionnement

Coté primaire Coté secondaire Temps

Chambre auxiliaire

Chambre de retenue

Chambre de travail

La figure 14 représente le comportement d’un coupleur dutype de base T pour deux courbes caractéristiques demachines entraînées typiques (couple constant, coupleparabolique). La courbe caractéristique du coupleur (dia-gramme secondaire) permet de développer la représenta-tion primaire (charge du moteur) et de représenter sonévolution dans le temps, grâce aux données de la machineà entraîner. Cette courbe caractéristique du systèmemontre clairement une augmentation du couple pratique-ment parabolique, marquée par l’accélération du moteur etensuite, la courbe caractéristique du coupleur qui nedépend plus que du type de construction. Le couple trans-mis par le coupleur se distingue pour les deux machinesentraînées, différentes essentiellement par la hauteur despoints de passage Ü influencés par le couple de décolle-ment et le moment d’inertie des masses dans le diagram-me du coupleur.

centrifugé par la roue pompe est décéléré dans lesalvéoles de la roue turbine et est dirigé par un mouvementcentripète vers le moyeu et restent dans la chambre deretenue.

Après le décollage de la roue turbine le flux d’huile projetépériphériquement par la force centrifuge augmente et lamasse de liquide amorce un mouvement rotatif tourbillon-naire et la vitesse de la roue turbine augmente de façonconcomitante. Dans cette phase transitoire le glissementtend à se réduire. En marche normale le système fonction-ne avec son glissement nominal pour lequel tout le fluidese trouve dans la chambre de travail.

Outre l’architecture intérieure de la chambre de travail, leschambres de retardement en rotation offrent, selon leurdisposition, leur taille et le mode de commande, de nom-breuses possibilités de faire varier la courbe caractéris-tique du coupleur.

Couple résistantML ≈ const. (Transporteur à bandes)

Couple résistantML ≈ f (hL)2

(Ventilateur) Arrêt Glissement 100 %Remplissage du coupleur : 50 %

Glissementnominal

14

La figure 16 montre le bloc-élément qui a été développésuivant notre expérience pendant des dizaines d’années,avec différentes chambres supplémentaires pour la réparti-tion du remplissage et les variantes de commande pos-sibles en fonction de l’application.

A titre d’exemple de la fonction de chambres supplémen-taires nous revenons ici dans le détail sur le fonctionne-ment du type TVVS développé pour le démarrage en dou-ceur de convoyeurs à bande. Ce coupleur possède, outrela chambre de retardement connue une chambre annulaireextérieure. Ici, il faut considérer les phases de fonctionne-ment d’un coupleur rempli à 50 % pour les trois régimes :arrêt, glissement 100 % et service. A l’arrêt, le remplissagese répartit, du fait de la force de gravité, sur les troischambres, chambre de retardement, chambre de travail etchambre annulaire. Pendant le démarrage du moteur, etavec un glissement à 100 %, le volume de la chambre deretardement reste pratiquement constant, tandis que lachambre annulaire extérieure est remplie par la chambrede travail lors des premières rotations du moteur, sousl’effet de la force centrifuge. Le volume résiduel restantdans la chambre de travail établit un couple de démarragetrès faible. La chambre de travail est ensuite remplie, enfonction du temps (via les gicleurs), avec le volume de lachambre de retardement. Ainsi, on peut atteindre uncouple de démarrage faible lors de l’accélération dumoteur, avec ensuite une augmentation de couple en dou-ceur et un glissement faible en service nominal. Nousreviendrons en détail sur les systèmes de pilotage offerts,dans les exemples d’application.

Fig. 16 : Famille modulaire de coupleurs à remplissage constant

à répartition du volume

Fig. 17 : Modèle pour coupleur convoyeur à bande = coupleur avecchambre annulaire extérieure

Exemple avec un remplissage de coupleur à 50%

variantes pilotables

Arrêt

Chambre deretardement

1. Alésage des gicleurs2. Alésage de la conduite de retour

Chambre de retenue

Chambre de travailChambre annulaire

Glissement nominalGlissement 100%

T_

TV_

TS

TVS TVF TVY

S F Y

TVV_

15

3.2 Abaque de sélection puissance/ vitesse, choix de la taille

Afin de réduire les coûts, le constructeur développe sonprogramme de coupleur en construction modulaire, afind’utiliser les mêmes organes principaux (pompe, turbine) etles décliner en différentes variantes de construction. Pourfaire une sélection du choix de la taille adéquate, on sebase sur un abaque de sélection puissance/vitesse.

La taille du coupleur est donnée par son diamètre expriméen mm. L’échelonnement de la taille a été choisi de tellesorte qu’avec un diamètre de profil, un "saut" de puissancede 2:1 soit possible avec des valeurs de glissement mini-males encore admissibles. Il en résulte un écart de :

1 : �2 = 1:1,1487

Les limites de vitesse représentées résultent, pour ce typede coupleur, de la résistance des matériaux des princi-pales pièces, pour lesquelles on utilise, de préférence, lesalliages d’aluminium. Après avoir fixé de façon sommairela taille du coupleur, à partir des données de puissance, letype et la variante sont déterminés en fonction des condi-tions d’utilisation.

En fonction de ce choix, il faut ensuite contrôler la chargethermique du coupleur. En général, le principe suivants’applique, pour chaque démarrage avec glissement, indé-pendamment du fait de savoir s’il s’agit d’un glissementhydraulique ou électrique : la moitié de l’énergie de démar-rage appliquée est transformée en chaleur. Pour la sélec-tion optimale du coupleur de démarrage, la capacité ther-mique et la possibilité de dissiper la chaleur sont doncdéterminantes.

3.3 Matériaux, fluides de fonctionnement

MatériauxDans la prise en compte des matériaux à sélectionner, ilfaut tenir compte des modélisations hydrodynamiques etdes paramètres suivants :

Fonctionnement : géométrie du profil, forme de l’aubage,canaux hydrauliques, étanchéité, poids

Contrainte : par rotation, pression du fluide, coupleet variation de température

Fabrication : prix de revient, processus de fabrica-tion, machines, prototypes

Adéquation au fonctionnement : maintenance, résistance àla corrosion, cavitation ou abrasion(en cas de contamination du milieu defonctionnement), formation d’étincelles(exécution antidéflagrante)

Lors du choix préliminaire des matériaux pour les piècesprincipales (roues à aubages, carter) des coupleurs hydro-dynamiques, il faut considérer les contraintes sur lespièces en rotation par la pression du fluide et le couple.

Fig. 18 : Caractéristique puissance/vitesse (fluide de service huile minérale)

Vitesse à l’entrée np (min-1)

5

Pui

ssan

ce n

omin

ale

à l’e

ntré

e P

p(k

W)

Taille

du

coup

leur

Siluminamélioré

Vitesses nominales pour des moteurs à rotor en court-circuit à 50 et 60 Hz

16

Pour les coupleurs de démarrage et coupleurs variateursdans une fabrication en moyenne série on utilise, de préfé-rence, pour les pièces principales, des pièces de fonderieen alliage d’aluminium qui offrent une très bonne résistan-ce mécanique aux contraintes centrifuges, un faible poidset une très bonne usinabilité.

Pour les fortes contraintes à des vitesses élevées, onemploie de l’acier moulé ou de l’acier traité avec chambresusinées par électrochimie.

Pour les contraintes moyennes, le processus de fabricationéconomique détermine plutôt le choix des matériaux. Pourles grandes séries, on peut utiliser une construction légèreautomatisée en tôle d’acier.

Les coupleurs utilisés dans la marine, réalisés en sérieplus petite, mais avec des tailles plus grandes la plupart dutemps, sont réalisés dans divers matériaux, en fonctiondes besoins :

Alliages de fonte d’aluminium (anti-magnétique)Fonte sphéroïdale (dilatation supérieure)Tôle d’acier (avec aubages soudés)Bronze (résistant à la corrosion)

Fluides de fonctionnementDans les coupleurs hydrodynamiques, la puissance esttransmise sous forme d’énergie cinétique spécifique, quiest liée au courant du fluide de travail en rotation. Pourcette fonction principale, les propriétés physiques – densitéet viscosité du fluide de fonctionnement – sont d’uneimportance capitale ; par ailleurs, la chaleur engendrée parla perte de puissance doit être absorbée et dissipée. Lespropriétés que doit remplir le fluide pour le fonctionnementpratique sont très diverses et dépendent du type de cou-pleur et de son intégration dans le système d’entraînement(Fig. 20).

Pour la fonction principale de la transmission de l’énergiel’eau offre, par comparaison aux fluides de travail à based’huile minérale ou les fluides synthétiques utilisables, debonnes propriétés. Même sur le plan de la sécurité et de ladisponibilité, l’eau est un excellent fluide de travail. L’eau etnotamment l’eau de mer présentent cependant des limitespour un fonctionnement durable en ce qui concerne la pro-tection contre l’usure, la lubrification des paliers, la corro-sion et la cavitation. Ces désavantages doivent alors êtreévités par des matériaux appropriés et des mesuresconstructives adéquates.

On emploie essentiellement des huiles minérales qui peu-vent être adaptées à l’installation d’entraînement. Outre lesbonnes propriétés en service continu, elles assurent la plu-part du temps des fonctions de commande et de lubrifica-tion. On utilise principalement des solvates à base deparaffine avec des additifs d’une meilleure résistance auvieillissement. Il est souhaitable d’avoir des huiles miné-rales de basse viscosité, étant donné que les pertes parfrottement gênent le flux massique en rotation dans lecanal de l’aubage et induisent une perte en charge. Encombinaison avec des réducteurs à engrenages et unréservoir d’huile commun, une adaptation correcte du sys-tème est ici nécessaire. Pour maintenir une centrale delubrification d’encombrement réduit, il faut veiller à unebonne ventilation.

Fig. 19 : Contrainte et matériaux des pièces en rotation

Pour les corps en rotation,sans charge supplémentaire

Densité = const.

= const.�adm�adm

�adm(�max)

�adm

�adm,GS

17

3.4 Critères de sélection

Les coupleurs hydrodynamiques non vidangeables influen-cent, de par leur principe d’action, la transmission de puis-sance dans la ligne d’arbres, de plusieurs manières. Lechoix d’un coupleur se fait donc selon différents critères desélection.

En général, le choix d’un coupleur se fait en fonction ducouple qui doit être transmis dans la ligne d’arbres et de ladynamique du système.

Pour les coupleurs hydrodynamiques à remplissageconstant, les critères suivants s’appliquent :

1. La puissance fournie par le moteur d’entraînement estuniquement déterminée par le coupleur et non par lamachine de travail.(délestage au démarrage, prix de revient favorable)

2. Le coupleur limite, en fonction de la vitesse, le couplemaximal de la ligne d’arbres (protection contre surchar-ge et blocage).

3. Entraînement sans usure de la machine de travail(séparation du système, entraînements progressif pourdes installations multimoteurs).

4. Les propriétés dynamiques de la ligne d’arbre sont amé-liorées (amortissement des oscillations de torsion et deschocs)

5. Possibilité de faire varier la transmission en jouant sur leremplissage (adaptation au fonctionnement, compensa-tion de la charge en cas d’entraînements à plusieursmoteurs).

Les propriétés de la transmission de puissance hydrodyna-mique permettent également de ménager les composantsd’entraînement électriques et mécaniques même en cas dedémarrages fréquents et de fonctionnement réversible.

Lors du choix d’un coupleur hydrodynamique, il faut considérer, selon le type et la taille :

1. Le type de la courbe caractéristique2. Le glissement nominal optimal3. Les conditions de montage4. La capacité thermique (fréquence des démarrages)5. La dissipation de la chaleur6. Les limites de température (exécution antidéflagrante)7. Le fluide de travail8. L’usure secondaire (palier, étanchéité)9. Le niveau sonore

Fluides de fonctionnement utilisés

Fonctions Propriétés souhaitées Huile Fluides synthétiques H2O

Transmission Densité élevée o o –> + (+)

d’énergie Faible viscosité o o –> + +

Indice de viscosité élevé o o –> + +

Chaleur spécifique élevée o o –> + +

Fonctionnement Pouvoir lubrifiant + – –> o –

Pas de corrosion, cavitation + o –> + –

Compatible avec les élastomères o – –> + +

Résistant au vieillissement o – –> + +

Sécurité Non toxique o – –> + +

Non polluant o – –> o +

Ininflammable (–) (– –> +) +

Disponibilité Disponible dans le monde entier o – –> o +

Coût intéressant o – –> o +

Application Coupleur à remplissage constant x x x

Coupleur variateur x x x

Coupleur à remplissage contrôlé x x

Freinage x x

Fig. 20 : Fluides de fonctionnement pour le coupleur et le frein : Fonctions, propriétés, applications

+ favorable; o conforme; – non conforme; () sous condition; x utilisé

18

4.1 Amélioration des propriétés dynamiques

Historiquement le développement des agrégats Föttinger acommencé pour la construction navale. Même si le marchéen nombre de pièces se trouve aujourd’hui dans la trans-mission d’installations stationnaires et en automobile,l’application navale présente toujours des solutionsd’entraînement intéressantes.

Le coupleur à remplissage constant permet au moteur àcombustion interne un démarrage hors charge, un amortis-sement des oscillations de torsion et une protection contreles chocs et le blocage. Celle-ci est particulièrement effica-ce pendant la mise en marche et la mise hors service dumoteur, en cas de blocage et lors de défaillances dumoteur. Le schéma montre le coupleur Voith livré à plus de1000 unités, pour l’entraînement des propulseurs Voith-Schneider sur les remorqueurs portuaires, les remorqueursde haute mer ou comme auxiliaire de manœuvre complé-mentaire.

4. Exemples d’application

Propulsion Voith-Schneider

Fig. 21 : Coupleur à remplissage constant, utilisé dans l’entraînement principal d’un remorqueur de port équipé d’une propulsion Voith-Schneider

Coupleur

19

4.2 Adaptation des oscillations de torsion des entraî-nements auxiliaires de bateau

Pour améliorer le rendement total, et donc pour économi-ser l’énergie, on emploie, pour les entraînements princi-paux des bateaux, des installations directement couplées àl’arbre principal pour l’alimentation en puissance PTI(Power Take In) ou la prise de force PTO (Power TakeOff).

En fonction de l’état de la technique, il est impératif austade du projet, d’examiner le comportement des oscilla-tions de torsion des systèmes d’entraînement complexes.Deux procédés se sont imposés dans le calcul des oscilla-tions de torsion, favorisés par l’introduction de calculateurspuissants :

� Calcul matriciel de transfert� Calcul différentiel

Le fabricant de coupleur doit alors mettre à la dispositionde l’utilisateur les caractéristiques nécessaires du cou-pleur, sous la forme utilisable par le type de calcul retenu.Ceci n’a été possible qu’après une étude théorique appro-fondie, confirmée par plusieurs séries de mesures au bancd’essais, qui a pu être achevée à la fin de 1987.

Pour la description de la capacité de transmission des cou-pleurs hydrodynamiques on a choisi, pour des raisons pra-tiques, par analogie aux accouplements élastiques, lemodèle de Kelvin avec rigidité dynamique de substitutionet amortissement.

Notamment pour les entraînements avec un moteur à com-bustion, il s’agit de systèmes à oscillations de torsion com-plexes dont les fréquences de résonance doivent être par-ticulièrement bien maîtrisées.

L’énergie résiduelle contenue dans les gaz d’échappementd’un moteur diesel est récupérée par une turbine utilisantles gaz d’échappement, et transmise au travers du systè-me de transmission PTI au vilebrequin. Le schéma équiva-lent pour le calcul des oscillations de torsion amorties estreprésenté ci-dessus.

L’excellent comportement envers les oscillations de torsiondes coupleurs hydrodynamiques a déjà été reconnu dès ledébut de leur mise au point, et, plus tard, a été confirmépar des mesures.

Cou

pleu

r VO

ITH

Acc

oupl

emen

tél

astiq

ue E

PK

Fig. 22 : Coupleur hydrodynamique dans l’entraînement d’uneturbomachine à récupération.Schéma de remplacement pour le calcul des oscillations de torsion

Point de travail stationnaireVitesse : 1200 tr/mnCouple : 70 NmGlissement : 3 %Fonction de transfert, phase

Fig. 23 : Comportement des oscillations de torsion descoupleurs hydrodynamiques

Moteur Diesel à marchelente SULZER

Volant

Ligne d’arbresHDW

HéliceOSTERMANN

RéducteurPTI SULZER

AccouplementGEISLINGER

Trai

n pl

anét

aire

HU

RTH

Turb

ine

à ga

z B

BC

Coupleur hydrodynamique

Modèle de Kelvin

Fonction de transfert, phase

déphasagedegré

déphasage

20

D’après le modèle de calcul hydrodynamique, utilisée pourcette étude, on peut déterminer à partir de la fonction detransfert H (f), mesurée pendant l’essai, et de la phase, larigidité et l’amortissement équivalents. L’interprétation desvaleurs caractéristiques du coupleur déterminées par lafréquence excitatrice a montré, par ailleurs, une intersec-tion avec la géométrie du coupleur (type de construction ducoupleur) et le point de travail fixe. L’extrapolation àd’autres types de construction, tailles et points de fonction-nement n’est donc possible que si on connaît ces loisgénérales.

Ce modèle de calcul développé sur deux coupleurs d’essaide type différent a été pratiqué plusieurs fois sur des instal-lations en service depuis lors.

L’entraînement de la turbine Sulzer utilisant les gazd’échappement représenté avec une puissance de 400 kWest monté sur le "Norasia Princess" et a été testé par leLloyd allemand en collaboration avec Sulzer.

4.3 Comparaison coupleur – démarreur électronique

Pour choisir le meilleur concept d’entraînement dans unecimenterie équipée de concasseurs et de convoyeurs àbande, on a effectué un comparatif entre des technologiesdifférentes.

Pour le démarrage en toute sécurité d’une machine récep-trice, avec une puissance nécessaire ML · �L et un momentd’inertie JL, la transmission de puissance vers la machinedoit être contrôlée. Avec le coupleur, une progressivités’exerce immédiatement avant le démarrage de la machineelle-même, tandis que le démarreur électronique agit sur leréseau électrique avant le moteur.Le point où s’exerce cette régulation est directement déter-miné par le point où se situe la progressivité de la trans-mission de puissance.

La Fig. 24 indique les variables fondamentales qui doiventêtre prises en compte.

Fig. 24 : Comparaison coupleur – démarreur électronique

Démarreur électronique : réactionélectrique possible (blocage ?)

Valeur des couples M

Répartitions deséchauffements thermiquesau démarrage

Répartition des pertesnominales Pv ➝

Répartition des masses,système d’oscillations detorsion J_

Comportement en cas deblocage ML ➝

Coupleur VTKréaction mécanique possible (blocage, amortissement des oscillations ?)

(amortissement des oscillations ?)

Démarrage électronique SAL

21

Courbe couple vitesse et plage de tolérance autorisée selon DIN 57530 – VDE 0530

Couple de démarrage – 15 % + 25 %Courant de démarrage + 20 %Couple de renversement – 10 % (1)Couple minimal pendant le démarrage – 10 %Glissement nominal ± 20 % (2)

(1) Les moteurs à induction doivent pouvoir être surchargéspendant 15 secondes, à la tension et fréquence nominales,avec une charge représentant jusqu’à 1,6 fois le couplenominal (cas particulier, jusqu’à 1,5 fois).Cette condition doit être remplie même dans la plage detolérance du couple de renversement.

(2) En charge nominale, pendant le fonctionnement.

Le moteur électrique en tant que convertisseur d’énergiejoue un rôle central dans la chaîne du circuit de puissance(conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique).Les courbes caractéristiques de deux moteurs à inductionnormalisées basse tension jusqu’à 660 V et de puissancemoyenne avec classe de rotor KL 10 et KL 13 sont repré-sentées.

Il faut considérer :Les tolérances relativement grandes selon DIN / VDELes couples de démarrageLe glissement nominal + / - 20 %La capacité de surcharge : couple multiplié par 1.6 pendant 15 secondes uniquementComportement des moteurs en échange standard ?Comment se fait la compensation de charge en casd’entraînements multimoteurs sur le convoyeur àbande?

Fig. 25 : Caractéristiques des moteurs à induction > 1 kW

Il faut considérer également le rapport entre les classes derotor et le nombre de démarrages autorisés en fonction dela puissance du moteur.

Fig. 26 : Classes de rotor, démarrage des moteurs triphasés

Cla

sse

de r

otor

Puissance nominaledu moteur

Puissance nominaledu moteur

Vite

sse

de d

émar

rage

à 2 pôles à 4 pôles

Moteur à 4 pôles

Glisse-mentvitesse

Glisse-mentvitesse

jusqu’à 500 V

supérieur 500 V

machine à vide

protectioncharge

couple d’inertie

charge parabolique

22

A mesure que la puissance du moteur augmente (tensionnominale), la capacité de charge au démarrage (couple /température) devient toujours plus défavorable.

Si l’on interpose entre le moteur asynchrone et le réseauun convertisseur électronique, le fonctionnement du

moteur est modifié suivant son mode de travail (gradateur,convertisseur de fréquence).

Le convertisseur triphasé découpe la phase du réseau etfait varier la tension efficace appliquée au stator. Sur lapartie gauche est représentée l’influence de la baisse detension pour un moteur à induction normalisé KL 13.

Le couple diminue proportionnellement au carré de lachute de tension, tandis que le courant du moteur baisselinéairement.

La partie droite représente le rapport entre le courant et lecouple pour trois réglages de démarrage.

(a) La limitation de courant entraîne une réduction ducouple dans la plage inférieure de vitesses

(b) Couple de charge constant = couple nominal courant d’appel toujours élevé.

(c) Couple résistant paraboliqueCourant maxi au démarrage � 2 x courant nominalLimitation de courant nécessaire par exemple courbede couple d’un coupleur.

La surcharge thermique occasionnée par un service pro-longé et un glissement élevé doit être prise en considéra-tion. La diminution du courant de démarrage signifie tou-jours une réduction proportionnellement supérieure descouples d’accélération et donc l’augmentation du temps dedémarrage.

Ceci peut être expliqué à l’aide de l’entraînement d’unconvoyeur à bande.

Fig. 27 : Démarrage progressif avec convertisseurRéduction de la tension efficace appliquée au stator Us par découpede la phase

(a) Limitation du courant(b) (c) Variation des courbes caractéristiques

23

Dans un convoyeur à bande étudié pour le couple nominal,le courant de démarrage doit être contrôlé. En cas dedémarrage à pleine charge, on doit conserver une réserved’accélération représentant 10 % du couple nominal quipermet éventuellement une réduction du courant dedémarrage de 15 % environ.

Le facteur déterminant est la durée pendant laquelle lapointe de courant est appliquée. Si l’on considère l’interval-le de temps entre le démarrage et la vitesse de rotation nxau point x.du moteur, le moteur supporte une pointe decourant environ 5 fois supérieure au courant nominal. Lemoteur équipé d’un coupleur (VTK) ne doit accélérer danscette phase que son rotor et la partie extérieure du cou-pleur tandis que dans l’installation avec démarreur électro-nique (SAL), le moteur doit accélérer son rotor et la bandeen charge. Le couple d’accélération moyen MBx pour lemoteur avec coupleur hydrodynamique est 1,4 · MN, et

pour le moteur avec régulateur ou courant triphasé seule-ment 0,2 · MN.

On remarque qu’au point x le moteur équipé d’un coupleurdispose d’un couple d’accélération beaucoup plus impor-tant que dans la version sans coupleur. Le moteur est donctraversé par une pointe d’intensité beaucoup plus courte(dans notre exemple : 28 fois inférieure). La capacité decharge thermique des dispositifs de protection et dumoteur dépend directement de la durée d’application.

Le laboratoire des mines à Essen (RFA) a publié, dans lecahier „Glückauf 125“ (1989) n° 19/20, des mesures com-paratives, qui confirment, dans le principe, le comparatifdes systèmes représentés. Dans cet exemple d’applica-tion, le coupleur hydrodynamique répondait parfaitementaux spécifications du cahier des charges du client.

Fig. 28 : Comparaison de système : Convoyeur à bande chargé

Limitation du couple – coupleur

J1 = moment d’inertie des piècesextérieures du coupleurLimitation du couple – moteur

J2 = moment d’inertie des piècesintérieures du coupleur

JM = moment d’inertie du rotor moteurExemple : Temps de démarrage

JL = moment d’inertie du convoyeur àbande

ex. temps de démarrage tx

Limitation du couple côtécoupleur

Limitation du couple côtémoteur

MBX

MBX

24

4.4 Type TVVS sur convoyeur à bande

Lors du calcul d’états de marche transitoires auxquels sontsoumis les convoyeurs à bande, on ne peut supposer unecontrainte quasi-statique que si le temps d’établissementdu couple TA, rapporté au couple nominal, est cinq foisplus grand que le temps de propagation des ondes dechoque TU dans le retour de bande. Le temps de propaga-tion des ondes de choque TU est calculé à partir de la lon-gueur de la bande L et de la vitesse de propagation c,dépendante du matériau de la bande, qui peut être compri-se entre 0,6 km/s et 2 km/s.

La courbe caractéristique d’un coupleur hydrodynamiqueest, comme nous l’avons décrit au point 3.1, influencée pardeux facteurs :

1. Evolution du couple pendant l’accélération du moteur2. Courbe caractéristique en fonction du remplissage et du

glissement

Pour les types T et TVVY, le couple après l’accélération dumoteur est suffisamment élevé pour permettre le démarra-ge du convoyeur à bande.

Ceci implique cependant un gradient du couple importantau cours de l’accélération du moteur et une surchargedynamique correspondante de la bande du convoyeur.

Le type TVVS, conçu spécialement pour les entraînementsdes convoyeurs à bande, avec chambre de retardement etchambre annulaire extérieure, permet d’obtenir une aug-mentation lente de couple. Le fonctionnement de ce cou-pleur a été décrit au paragraphe 3.1.

La chambre de retardement intérieure qui se vidange pardes alésages de gicleurs adaptables permet un entraîne-ment doux même après l’accélération à pleine vitesse dumoteur jusqu’au couple initial de décollement et pendant lelancement du transporteur à bande chargé.

Cette temporisation des convoyeurs à bande vide permetde démarrer une solution TVVS avec un couple inférieurau couple nominal.

L’augmentation en douceur du couple et l’ajustementdu couple à la charge pendant le démarrage ont pourconséquence de préserver le convoyeur à bande, etdonc de prolonger sa durée de service.

Fig. 29 : Coupleur de convoyeur à bande avec montée progressive du couple

Charge nominale du convoyeur / courbes caractéristiques du coupleur

Type TTA 0,4 - 0,6 s

Type TVVTA 0,5 - 1 s

Type TVVSTA 1,2 - 3 s

Charge nominalesans charge

MoteurConvoyeur à bande(statique)

TA rapporté à M

= 1MN

Convoyeur à bandesans charge

demandé

à

25

4.5 Type TVVF sur convoyeur à chaînes

L’entraînement d’un transporteur à chaînes dans un frontde taille peut être caractérisé par un réseau électrique rela-tivement faible et une surcharge importante du convoyeur.Le coupleur sans charge de démarrage doit permettre uneaccélération du moteur, puis une montée en couple dedécollage proche du couple maxi du moteur.

On utilise ici un coupleur avec chambre de retardementcommandée. La chambre de retardement et la chambre deretenue sont reliées par des soupapes actionnées par deforce centrifuge. Pendant l’accélération du moteur, cetteliaison est ouverte de sorte que la chambre de retardementpeut être remplie avec le volume provenant de la chambrede retenue : ainsi, le remplissage de la chambre de travailest réduit et le moteur est soulagé. Peu avant la vitessenominale du moteur, la soupape à effet centrifuge fermela liaison avec la chambre de retardement. Il existe uneliaison permanente avec la chambre de travail par des alé-sages de gicleurs.

Une fois la chambre de retenue fermée (à vitesse nominaledu moteur) la chambre de travail se remplit en 6 secondes

environ et le moteur peut être chargé jusqu’à son couplemaxi et peut donc démarrer le convoyeur qui est à l’arrêt.

Si en phase de démarrage se produit une chute de tensiondans le réseau, l’accélération du moteur reste possible. Amesure que le remplissage de la chambre de travail aug-mente, le moteur affaibli travaille au niveau de son couplemaxi, la vitesse baisse jusqu’à ce que les soupapess’ouvrent à nouveau et permettent une décharge dumoteur par remplissage en retour de la chambre de réser-ve. Ces processus de transfert de chambre (pompage ducouple) durent jusqu’à ce que le réseau se redresse ouque le blocage ait été éliminé ou que la sécurité du cou-pleur ait agit (interrupteur thermique, vis de sécurité àfusible).

Fig. 30 : Démarrage du moteur en décharge

SurchargeTension nominale du moteur

SurchargeChute de tension

Soupape à forcecentrifuge

Coté primaire Caractéristique secondaire Représentation dans le temps Chambre de retardement

pour

pour

26

Les coupleurs sont des composants de transmission depuissance caractérisés par des avantages dans la mise enœuvre et dans l’exploitation comme l’absence d’usure, larégulation autoadaptatrice des propriétés dynamiques et lasimplicité de réglage par le niveau de remplissage.

Afin de faire la meilleure sélection des coupleurs hydrody-namiques dans leur domaine d’application privilégiés, il estnécessaire de procéder à une étude comparative de leursréseaux de caractéristiques.

Pour une machine de travail avec la courbe caractéristiquede charge ML = constante, et un moment d’inertie JL entraî-née par un moteur asynchrone normalisé et un coupleur, ilen résulte différentes courbes caractéristiques de démarra-ge, en fonction du type de coupleur utilisé.

5. Résumé

Fig. 31 : Courbes caractéristiques de démarrage en fonction du type de coupleur (ML et JL = constantes)

T TVF TV TVVY TVVS

27

Les types T et TVF sont utilisés en priorité comme protec-tion du moteur d’entraînement. Le démarrage du moteurest facilité, étant donné qu’il lui faut seulement démarrersuivant une courbe de charge parabolique. Le temps dedémarrage du moteur est réduit, seule la partie primaire ducoupleur doit être accélérée en phase d’accélération dumoteur. Le coupleur absorbe l’énergie de glissement dansle cas de masses secondaires à entraîner importantes. Leglissement du coupleur permet d’empêcher le blocage dumoteur.

Avec ce type de coupleur, la machine réceptrice ne voitqu’une faible variation de couple étant donné que ces cou-pleurs sont le plus souvent conçus pour transmettre lecouple maxi du moteur.

Applications typiquesGrandes masses : Grandes souffleries radiales,

centrifugeuses, broyeurs àboulets

Lourde charge : Concasseurs, transporteursà chaîne, shredders

Protection contre le blocage : roue pelle

Les types TVVY et TVVS sont essentiellement utilisés pourla protection de la machine entraînée. Pour limiter lecouple de démarrage, le type TVVS offre par ailleursl’avantage d’une montée progressive du couple, qui pré-serve encore mieux la machine. La protection du moteurd’entraînement découle automatiquement des courbescaractéristiques.

Applications typiques: Convoyeurs à bande

Le type TV représente un bon compromis économiquepour protéger la machine motrice et la machine entraî-née.

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