EP0538929B1 - Redresseur de flux - Google Patents

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EP0538929B1
EP0538929B1 EP92203062A EP92203062A EP0538929B1 EP 0538929 B1 EP0538929 B1 EP 0538929B1 EP 92203062 A EP92203062 A EP 92203062A EP 92203062 A EP92203062 A EP 92203062A EP 0538929 B1 EP0538929 B1 EP 0538929B1
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EP
European Patent Office
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series
fins
vortices
ring
creating
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EP92203062A
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German (de)
English (en)
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EP0538929A1 (fr
Inventor
Patrice Ligneul
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schlumberger SA
Original Assignee
Schlumberger SA
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Publication of EP0538929A1 publication Critical patent/EP0538929A1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15DFLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00Influencing flow of fluids
    • F15D1/02Influencing flow of fluids in pipes or conduits

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus known as a flow rectifier intended to be mounted on a pipe traversed by a fluid in order to obtain a flow having no vortex capable of disturbing possible flow or other measurements.
  • a first defect comes from the asymmetry in the distribution of the velocities of the fluid in a plane perpendicular to the direction of flow.
  • Such asymmetry is for example caused by a bend in the pipe or by the shutter of a semi-closed valve, for example a wedge valve.
  • Another defect consists in the existence of vortices coaxial with the pipe which can as well arise spontaneously during the flow of the fluid as after the crossing of a half-closed valve as previously.
  • honeycomb Another device, known as a honeycomb, comprising a large number of tubes arranged longitudinally, in a cylindrical chamber mounted on the pipe.
  • a honeycomb device In addition to the fact that the manufacture and assembly of such a structure are expensive, a honeycomb device has, as previously, a significant longitudinal extension.
  • star rectifier which comprises a cylindrical chamber mounted on the pipe and in which walls are regularly mounted so as to materialize, in section, four or more diameters.
  • This device operates in a manner substantially similar to the honeycomb device and has the same drawbacks.
  • fins are mounted on the inside of the pipe and parallel to its axis. They aim to transform the overall rotation into four marginal vortices. No device of fins creating vortices counter-rotating compared to the preceding ones is envisaged (leaving the possibility to the secondary marginal vortices to recompose to restore a flow of rotation in the opposite direction). The longitudinal extension of these fins is deemed to be of two pipe diameters.
  • each fin Downstream of this first series of fins are mounted four fins on the inner face of the pipe perpendicular to the axis of the pipe and making an angle of 30 ° with a meridian of the pipe.
  • Each fin covers a part of about 1/8 of the circumference of the pipe and the radial extension of its projection on the axis of the pipe is about 1/6 of the diameter.
  • this device creates a turbulent mixture dissipating energy taken from the axial component of the speed of the fluid resulting in a significant dynamic pressure drop.
  • This device has a longitudinal extension of about four times the diameter of the pipe, therefore significant.
  • Document FR-A-2 306 356 discloses a flow rectifier in accordance with the preamble of claim 1, intended to be mounted on a pipe with a circular section traversed by a highly viscous liquid and which comprises, for example two plates arranged transversely to the direction of flow, offset with respect to each other and each made up of annular bands of increasing diameters arranged at regular intervals on a grid.
  • the strips are provided with wall elements which project perpendicular to the direction of flow in the intervals between the various annular strips and which are turned outwards.
  • the annular bands are also provided, in a similar manner, with wall elements which, this time, all face inward.
  • Such a rectifier makes it possible to homogenize the flow by locally creating random disturbances but does not make it possible to destroy the structures vortices of longitudinal axis present in the flow over a very short longitudinal distance.
  • the subject of the invention is therefore a flow straightener intended to regulate the profile of the speeds of a flow of fluid in a pipe and this over a very short distance compared to the diameter of this pipe thus making it possible to reduce the size of a measuring set.
  • the invention makes it possible to regularize the speed profile without imposing a significant pressure drop coefficient.
  • the invention relates to a flow straightener intended to be mounted on a pipe with circular section traversed by a fluid and comprising, in a ring, first means for creating a first series of transverse vortices all having a first direction of rotation, second means for creating a second series of transverse vortices all having a direction of rotation opposite to the first direction of rotation and paired with the vortices created by the first means, as defined in claim 1.
  • the device according to the invention therefore makes it possible to transform a main vortex present in the flow into a multitude of vortices of reduced dimensions.
  • Neighboring vortices moving in opposite directions tend to annihilate each other which increases efficiency and decreases the distance at the end of which the flow is regularized.
  • the vortices of the first and second series are substantially distributed in a peripheral ring of the ring.
  • the rotational speed of the vortex fluid increases from the center to the inner edge of the pipe.
  • the first means for creating a first series of vortices comprise a first series of fins oriented radially and regularly distributed over the internal surface of the ring.
  • the second means for creating a second series of vortices comprise a second series of radially oriented fins, arranged along a circumference centered on the center of the ring.
  • the second series of fins leaves an axial circular passage free.
  • the first means for creating a first series of vortices include a first series of fins oriented radially and regularly distributed over the internal surface of the ring, and the second means for creating a second series of vortices a circular support centered on the center of the ring the circular support delimiting an axial passage, a second series of fins oriented radially regularly distributed on the circular support and pointing towards the internal surface of the ring, the fins of the second series being angularly offset with respect to the fins of the first series.
  • the first series of fins is contained in a peripheral ring and the ends of the fins of the second series penetrate this peripheral ring.
  • the rectifier comprises internal fins fixed on the circular support and extending in the axial passage.
  • these internal fins are extensions of the fins of the second series.
  • the rectifier 1 comprises a ring 10 capable of being mounted on the pipe in which the flow to be regulated circulates.
  • a first series of fins 12 is regularly arranged, radially, on the internal face of the ring 10.
  • D corresponding to the diameter of the pipe (not shown) and in this embodiment to the inside diameter of the ring 10, the fins for example have a length of 0.15 D and a longitudinal extension of 0.2 D.
  • a second series of fins 14a is arranged regularly and radially on a circular support 16 centered on the center of the ring 10.
  • each fin 14a of the second series is arranged midway between two neighboring fins 12.
  • each fin 14a of the second series enters the crown delimited by the ends of the fins 12 of the first series.
  • the circular support 16 delimits an axial passage 18 of diameter equal for example to 0.6 D.
  • This passage 18 internal fins 14b, extensions of the fins 14a of the second series, point towards the center of the ring 10.
  • the fins 14a of the first series have for example a length of 0.075 D and a longitudinal extension of 0.2 D.
  • the internal fins 14b have in this configuration a length and a longitudinal extension identical to the previous ones.
  • the circular support 16 is fixed to the internal face of the ring by means of four fasteners 20.
  • the fasteners 20 regularly distributed over the circumference of the ring, take the place of a fin 14a.
  • the ring 10, the support 16, the fasteners 20, the fins 12, 14a, 14b are made of molded plastic or any other material capable of withstanding the stresses induced by the flow.
  • a marginal vortex of opposite direction of rotation is formed at the end of each fin 12 of the first series relative to that of the incident vortex.
  • each fin 14a of the second series It also forms at the end of each fin 14a of the second series, a marginal vortex of opposite direction of rotation relative to the direction of rotation of the vortices created by the first series of fins.
  • the number of fins is chosen to be sufficient to obtain the desired effect; in the realization represented in FIG. 1, there are twelve fins of the first series for eight fins 14a of the second series, four of the latter being replaced by fixings 20.
  • the device of the invention of extremely small longitudinal extension, approximately 0.2 D, and having a low pressure drop coefficient, of the order of 0.1, makes it possible to regulate a flow of fluid after a short distance traveled after the rectifier, about 1.5 D.

Description

  • La présente invention est relative à un appareil dit redresseur de flux destiné à être monté sur une conduite parcourue par un fluide en vue d'obtenir un écoulement ne présentant pas de tourbillon capable de perturber d'éventuelles mesures de débit ou autre.
  • Il existe en fait deux types de défaut que peut présenter un écoulement et qui sont gênants pour effectuer des mesures, en particulier de débit.
  • Un premier défaut provient de la dissymétrie dans la distribution des vitesses du fluide dans un plan perpendiculaire à la direction de l'écoulement. Une telle dissymétrie est par exemple provoquée par un coude de la conduite ou par l'obturateur d'une vanne à demi-fermée, par exemple une vanne à coin.
  • Un autre défaut consiste dans l'existence de tourbillons coaxiaux à la conduite qui peuvent aussi bien prendre naissance spontanément au cours de l'écoulement du fluide qu'après la traversée d'une vanne à demi-fermée comme précédemment.
  • En fait, un type de défaut n'existe jamais isolément, mais les deux défauts sont toujours présents conjointement dans les turbulences qui agitent le fluide.
  • On connait plusieurs dispositifs qui permettent de régulariser le profil des vitesses d'un écoulement de fluide dans la conduite.
  • On a, par exemple, proposé de placer dans la conduite une chambre cylindrique comprenant des nervures longitudinales disposées régulièrement sur la surface interne de la chambre. Ces nervures possèdent une extension radiale croissante dans le sens de l'écoulement. Ce type de dispositif présente l'inconvénient majeur de posséder une extension longitudinale importante, de l'ordre de 4 à 5 fois le diamètre de la conduite d'arrivée. Cette extension longitudinale est nécessaire pour obtenir une bonne régularisation de l'écoulement. Mais on comprend qu'elle augmente de façon défavorable l'encombrement nécessaire à l'ensemble de mesure.
  • On connait un autre dispositif, dit à nid d'abeille comprenant un grand nombre de tubes disposés longitudinalement, dans une chambre cylindrique montée sur la conduite.
  • Outre le fait que la fabrication et le montage d'une telle structure sont onéreux, un dispositif à nid d'abeille possède, de même que précédemment, une extension longitudinale importante.
  • On connait aussi un dispositif, dit redresseur en étoile, qui comporte une chambre cylindrique montée sur la conduite et dans laquelle des parois sont montées régulièrement de manière à matérialiser, en coupe, quatre diamètres ou plus. Ce dispositif fonctionne de manière sensiblement similaire au dispositif à nid d'abeille et présente les mêmes inconvénients.
  • Ces différents dispositifs sont passés en revue dans l'ouvrage de R.W. Miller, "Flow measurement engineering handbook", Mc Graw Hill, New York, 1989.
  • L'article de K. Akaski et autres, "Development of a new flow rectifier for shortening upstream straight pipe length of flowmeters", IMEKO Tokyo, SIC, 12b-5, pp 279-284 (1979) décrit un dispositif beaucoup moins encombrant. Il s'agit d'une simple plaque percée de trous de diamètre constant et suivant une distribution spatiale donnée. Si ce dispositif est compact, il présente néanmoins l'inconvénient de posséder un coefficient de perte de charge élevé de l'ordre de 2. La chute de pression inévitable au passage de l'écoulement par la plaque entraîne une perte d'énergie importante.
  • L'article de C.R. SMITH et autres "Using passive vortex generation devices", 5th International IMEKO Conference on Flow Measurement - Düsseldorf 1989, décrit un dispositif comprenant deux séries d'ailettes destinées à régulariser l'écoulement.
  • Quatre ailettes sont montées sur la face intérieure de la conduite et parallèlement à son axe. Elles ont pour but de transformer la rotation d'ensemble en quatre tourbillons marginaux. Aucun dispositif d'ailettes créant des tourbillons contrarotatif par rapport aux précédents n'est envisagé (laissant la possibilité aux tourbillons marginaux secondaires de se recomposer pour rétablir un écoulement de rotation dans le sens inverse). L'extension longitudinale de ces ailettes est réputée être de deux diamètres de conduite.
  • A l'aval de cette première série d'ailettes sont montées quatre ailettes sur la face intérieure de la conduite perpendiculairement à l'axe de la conduite et faisant un angle de 30° avec une méridienne de la conduite. Chaque ailette couvre une partie d'environ 1/8 de la circonférence de la conduite et l'extension radiale de sa projection sur l'axe de la conduite est d'environ 1/6 du diamètre.
  • A l'embase de chacune des ailettes un tourbillon "en épingle à cheveux" d'axe longitudinal est crée quelque soit la rotation d'ensemble de l'écoulement, entraînant un intense brassage turbulent qui a pour objet de régulariser la distribution de vitesse axiale.
  • Pour redresser l'écoulement, ce dispositif crée un mélange turbulent dissipant une énergie prélevée sur la composante axiale de la vitesse du fluide entraînant une chute de pression dynamique non négligeable.
  • Ce dispositif possède une extension longitudinale d'environ quatre fois le diamètre de la conduite, donc importante.
  • On connaît, d'après le document FR-A-2 306 356, un redresseur de flux conforme au préambule de la revendication 1, destiné à être monté sur une conduite à section circulaire parcourue par un liquide fortement visqueux et qui comprend par exemple deux plaques disposées transversalement à la direction d'écoulement, décalées l'une par rapport à l'autre et constituées chacune de bandes annulaires de diamètres croissants disposées à intervalles réguliers sur une grille.
  • Sur la première plaque, les bandes sont munies d'éléments de paroi qui font saillie perpendiculairement à la direction d'écoulement dans les intervalles compris entre les diverses bandes annulaires et qui sont tournés vers l'extérieur.
  • Sur la deuxième plaque, les bandes annulaires sont également munies, de façon analogue, d'éléments de paroi qui, cette fois-ci, sont tous tournés vers l'intérieur.
  • Un tel redresseur permet d'homogénéiser l'écoulement en créant localement des perturbations aléatoires mais ne permet pas de détruire les structures tourbillonnaires d'axe longitudinal présentes dans l'écoulement sur une très courte distance longitudinale.
  • L'invention a donc pour objet un redresseur de flux destiné à régulariser le profil des vitesses d'un écoulement de fluide dans une conduite et ceci sur une très courte distance comparée au diamètre de cette conduite permettant ainsi de diminuer l'encombrement d'un ensemble de mesure.
  • En outre, l'invention permet de régulariser le profil des vitesses sans imposer un coefficient de perte de charge important.
  • De manière plus précise, l'invention concerne un redresseur de flux destiné à être monté sur une conduite à section circulaire parcourue par un fluide et comprenant, dans un anneau, des premiers moyens pour créer une première série de tourbillons transversaux ayant tous un premier sens de rotation, des seconds moyens pour créer une seconde série de tourbillons transversaux ayant tous un sens de rotation inverse du premier sens de rotation et appariés avec les tourbillons créés par les premiers moyens, tel que défini dans la revendication 1.
  • Le dispositif conforme à l'invention permet donc de transformer un tourbillon principal présent dans l'écoulement en une multitude de tourbillons de dimensions réduites.
  • Les tourbillons voisins évoluant en sens inverse l'un de l'autre ont tendance à s'annihiler ce qui augmente l'efficacité et diminue la distance au bout de laquelle l'écoulement est régularisé.
  • Conformément à l'invention, les tourbillons des première et seconde séries sont sensiblement répartis dans une couronne périphérique de l'anneau.
  • La vitesse rotationnelle du fluide tourbillonnaire croit du centre vers le bord intérieur de la conduite. En créant les tourbillons secondaires dans une couronne périphérique, on obtient le maximum d'efficacité.
  • Selon un mode de réalisation avantageux, les premiers moyens pour créer une première série de tourbillons comprennent une première série d'ailettes orientées radialement et régulièrement réparties sur la surface interne de l'anneau.
  • Avantageusement, les seconds moyens pour créer une seconde série de tourbillons comprennent une seconde série d'ailettes orientées radialement, disposées selon une circonférence centrée sur le centre de l'anneau.
  • Avantageusement, la seconde série d'ailettes laisse libre un passage circulaire axial.
  • Selon un mode de réalisation préféré, les premiers moyens pour créer une première série de tourbillons comprennent une première série d'ailettes orientées radialement et régulièrement réparties sur la surface interne de l'anneau, et les seconds moyens pour créer une seconde série de tourbillons comprennent un support circulaire centré sur le centre de l'anneau le support circulaire délimitant un passage axial, une seconde série d'ailettes orientées radialement régulièrement réparties sur le support circulaire et pointant vers la surface interne de l'anneau, les ailettes de la seconde série étant angulairement décalées par rapport aux ailettes de la première série.
  • Dans ce mode de réalisation, avantageusement, la première série d'ailettes est contenue dans une couronne périphérique et les extrêmités des ailettes de la seconde série pénétrent dans cette couronne périphérique.
  • Selon une variante de ce mode de réalisation, le redresseur comprend des ailettes internes fixées sur le support circulaire et s'étendant dans le passage axial.
  • De manière préférée, ces ailettes internes sont des extensions des ailettes de la seconde série.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit donnée à titre illustratif et non limitatif, et se rapportant aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation de l'invention vue de face, et
    • la figure 2 représente schématiquement ce mode de réalisation, vue de profil.
  • En référence aux figures 1 et 2, on décrit maintenant un mode de réalisation de l'invention. Le redresseur 1 comprend un anneau 10 apte à être monté sur la conduite dans laquelle circule l'écoulement à régulariser.
  • Une première série d'ailettes 12 est régulièrement disposée, radialement, sur la face interne de l'anneau 10. Avec D correspondant au diamètre de la conduite (non représentée) et dans cette réalisation au diamètre intérieur de l'anneau 10, les ailettes possèdent par exemple une longueur de 0.15 D et une extension longitudinale de 0.2 D.
  • Une seconde série d'ailettes 14a est disposée régulièrement et radialement sur un support circulaire 16 centré sur le centre de l'anneau 10.
  • Les ailettes 14a pointent vers la surface interne de l'anneau 10. Elles sont décalées angulairement par rapport aux ailettes 12 de la première série ; sur la figure 1, chaque ailette 14a de la seconde série est disposée à mi-distance entre deux ailettes 12 voisines.
  • L'extrémité de chaque ailette 14a de la seconde série pénètre dans la couronne délimitée par les extrémités des ailettes 12 de la première série.
  • Le support circulaire 16 délimite un passage axial 18 de diamètre égal par exemple à 0.6 D. Dans ce passage 18, des ailettes internes 14b, extensions des ailettes 14a de la seconde série, pointent vers le centre de l'anneau 10.
  • Les ailettes 14a de la première série possèdent par exemple une longueur de 0.075 D et une extension longitudinale de 0.2 D. Les ailettes internes 14b, possèdent dans cette configuration une longueur et une extension longitudinale identiques aux précédentes.
  • Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le support circulaire 16 est fixé à la face interne de l'anneau grâce à quatre fixations 20. Dans cet exemple, les fixations 20 régulièrement réparties sur la circonférence de l'anneau, prennent la place d'une ailette 14a.
  • L'anneau 10, le support 16, les fixations 20, les ailettes 12, 14a, 14b sont en matière plastique moulée ou tout autre matériau apte à supporter les contraintes induites par l'écoulement.
  • Si l'écoulement de fluide possède un mouvement tourbillonnaire principal, il se forme à hauteur de l'extrémité de chaque ailette 12 de la première série un tourbillon marginal de sens de rotation inverse par rapport à celui du tourbillon incident.
  • Il se forme aussi au niveau de l'extrémité de chaque ailette 14a de la seconde série, un tourbillon marginal de sens de rotation inverse par rapport au sens de rotation des tourbillons créés par la première série d'ailettes.
  • Ces tourbillons sont engendrés dans une couronne périphérique délimitée sensiblement par le support circulaire 16, c'est-à-dire dans la zone où la vitesse de rotation du fluide due au tourbillon principal est la plus importante. On obtient ainsi un effet maximum de régularisation du fluide par la transformation du tourbillon principal en une multitude de tourbillons marginaux de petites dimensions ; chaque tourbillon dû à une ailette 14a de la seconde série étant apparié à un tourbillon dû à une ailette 12 de la première série, l'effet global résultant est une régularisation du fluide au bout d'une distance d'environ 1.5 D.
  • Le nombre des ailettes est choisi suffisant pour obtenir l'effet désiré ; dans la réalisation représentée sur la figure 1, on compte douze ailettes de la première série pour huit ailettes 14a de la seconde série, quatre de ces dernières étant remplacées par des fixations 20.
  • Grâce à cette double série d'ailettes, on obtient un profil transverse symétrique pour la vitesse d'écoulement du fluide mais présentant dans sa partie centrale une bosse correspondant à la traversée du passage axial 18. Cette bosse dans le profil de vitesse s'élimine d'elle-même au bout d'une distance de 2 à 3 D. Les ailettes internes 14b placées dans le passage axial 18, permettent de réduire cette distance par la création de tourbillons marginaux.
  • Dans la réalisation représentée sur la figure 1, on obtient une distribution transverse de vitesse sensiblement plane au bout d'une distance d'environ 1.5 D après le passage par le redresseur.
  • Le dispositif de l'invention, d'extension longitudinale extrêmement faible, environ 0.2 D, et présentant un coefficient de perte de charge bas, de l'ordre de 0.1, permet de régulariser un écoulement de fluide au bout d'une courte distance parcourue après le redresseur, environ 1.5 D.

Claims (9)

  1. Redresseur de flux (1) destiné à être monté sur une conduite à section circulaire parcourue par un fluide, comprenant :
    - des premiers moyens (12) pour créer une première série de tourbillons transversaux ayant tous un premier sens de rotation,
    - des seconds moyens (14a) pour créer une seconde série de tourbillons transversaux ayant tous un second sens de rotation inverse du premier sens de rotation,
    caractérisé en ce que lesdits premiers et seconds moyens sont compris dans un anneau (10) qui possède une face interne correspondant au diamètre de ladite conduite et sont coextensifs dans une direction correspondant à la direction d'extension longitudinale dudit anneau, les tourbillons desdites premières et secondes séries étant appariés de manière à s'annihiler l'un l'autre.
  2. Redresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tourbillons des première et seconde séries sont sensiblement répartis dans une couronne périphérique de l'anneau.
  3. Redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les premiers moyens pour créer une première série de tourbillons comprennent une première série d'ailettes (12) orientées radialement, et régulièrement réparties sur la surface interne de l'anneau (10).
  4. Redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les seconds moyens pour créer une seconde série de tourbillons comprennent une seconde série d'ailettes (14a) orientées radialement, disposées selon une circonférence centrée sur le centre de l'anneau (10) et pointant vers la surface interne dudit anneau.
  5. Redresseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la seconde série d'ailettes (14a) laisse libre un passage circulaire axial (18).
  6. Redresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que :
    - les premiers moyens pour créer une première série de tourbillons comprennent une première série d'ailettes (12) orientées radialement et régulièrement réparties sur la surface interne de l'anneau (10),
    - les seconds moyens pour créer une seconde série de tourbillons comprennent : un support circulaire (16) centré sur le centre de l'anneau (10), le support circulaire (16) délimitant un passage axial (18),
    une seconde série d'ailettes (14a) orientées radialement, régulièrement réparties sur le support circulaire (16) et pointant vers la surface interne de l'anneau (10), les ailettes (14a) de la seconde série étant angulairement décalées par rapport aux ailettes (12) de la première série.
  7. Redresseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première série d'ailettes (12) est contenue dans une couronne périphérique et en ce que les extrémités des ailettes (14a) de la seconde série pénètrent dans cette couronne périphérique.
  8. Redresseur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des ailettes internes (14b) fixées sur le support circulaire (16) et s'étendant dans le passage axial (18).
  9. Redresseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les ailettes internes (14b) sont des extensions des ailettes (14a) de la seconde série.
EP92203062A 1991-10-25 1992-10-06 Redresseur de flux Expired - Lifetime EP0538929B1 (fr)

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