ROUE POUR MACHINE HYDRAULIQUE, MACHINE HYDRAULIQUE

COMPRENANT UNE TELLE ROUE ET INSTALLATION DE CONVERSION

D'ENERGIE EQUIPEE D'UNE TELLE MACHINE HYDRAULIQUE

La présente invention concerne une roue de type Francis pour machine hydraulique destinée à être traversée par un écoulement forcé d'eau. Un tel écoulement a pour effet d'entraîner la roue en rotation, lorsque la machine est une turbine. Un tel écoulement résulte de cette rotation, lorsque la machine est une pompe. Par ailleurs, la présente invention concerne une machine hydraulique comprenant une telle roue. D'autre part, la présente invention se rapporte à une installation de conversion d'énergie équipée d'une telle machine hydraulique.

JP-A-2005 48608 décrit une roue, pour machine hydraulique de type turbine-pompe, qui comporte une couronne axisymétrique et une pluralité d'aubes incurvées et solidaires de la couronne et présentant chacune un bord d'attaque périphérique externe et un bord de fuite central interne. Le raccordement de la couronne avec le bord central interne d'une aube sur deux est situé sur un premier cercle de grand rayon, tandis que le raccordement de la couronne avec le bord central interne d'une aube adjacente est situé sur un deuxième cercle de plus petit rayon. Dans la région périphérique externe de la roue, les raccordements de la couronne avec les aubes dont le bord central interne se trouve sur le premier cercle sont situées sur la périphérie de la couronne, tandis que les raccordements de la couronne avec les aubes adjacentes, dont le bord central se trouve sur le deuxième cercle de petit rayon, sont situés en retrait de la périphérie de la couronne. Cette géométrie particulière de la roue de JP-A-2005 48 608 est destinée à réduire la cavitation survenant à l'entrée de la turbine, c'est- à-dire à la périphérie de la roue, lorsque la machine hydraulique fonctionne en régime permanent, de façon à augmenter son rendement hydraulique en régime permanent.

Dans les régimes transitoires qui suivent la mise en route ou qui précédent l'arrêt en mode turbine d'une machine hydraulique de l'art antérieur, la roue subit des efforts radiaux tournants et asynchrones qui tendent à la « désaxer ». Dans les régimes transitoires, ces efforts radiaux exercés sur la roue engendrent des niveaux de contrainte mécanique qui peuvent être très importants

et qui conditionnent donc le dimensionnement des composants de la machine hydraulique, tels que son arbre ou ses paliers. Le coût de ces composants est donc nécessairement augmenté du fait de tels efforts radiaux.

La présente invention vise notamment à remédier à cet inconvénient, en proposant une roue dont la géométrie atténue, voire évite, la génération d'efforts radiaux tournants lors des régimes transitoires.

A cet effet, l'invention a pour objet une roue de type Francis pour machine hydraulique destinée à être traversée par un écoulement forcé d'eau, comportant : - une couronne à symétrie de révolution autour de l'axe de rotation de la roue ;

- une pluralité d'aubes incurvées, solidaires de la couronne et présentant chacune un bord périphérique externe et un bord central interne ; caractérisée en ce que les points de raccordement de la couronne avec les bords centraux internes des aubes sont globalement situés sur un même cercle centré sur ledit axe et en ce que les points de raccordement de la couronne avec les bords périphériques externes des aubes sont situés sur au moins deux cercles distincts centrés sur ledit axe. Une telle géométrie de la roue introduit une dissymétrie azimutale, ce qui permet de réduire significativement les efforts radiaux subis par la roue en régime transitoire.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses mais facultatives de l'invention, prises isolément ou selon toute combinaison techniquement admissible :

- les points de raccordement de la couronne avec les bords périphériques externes des aubes sont situés sur deux cercles distincts centrés sur ledit axe, des aubes dites longues présentant des points de raccordement situés sur un premier cercle, des aubes dites courtes présentant des points de raccordement situés sur un deuxième cercle dont le diamètre est inférieur au diamètre du premier cercle ;

- la roue comporte, en outre, un plafond à symétrie de révolution autour dudit axe et situé en regard de ladite couronne, les aubes étant

solidaires du plafond, les points de raccordement du plafond avec les bords centraux internes des aubes sont situés sur un même cercle centré sur l'axe et les points de raccordement du plafond avec les bords périphériques externes des aubes sont situés sur au moins deux cercles distincts centrés sur ledit axe ; - les points de raccordement du plafond avec les bords périphériques externes des aubes sont situés sur deux cercles distincts centrés sur l'axe ;

- les aubes courtes, d'une part, et les aubes longues, d'autre part, sont réparties régulièrement autour dudit axe ; - la roue comporte neuf aubes, dont six longues et trois courtes, les aubes courtes étant disposées sur la couronne avec un écart angulaire de 120° ;

- la roue présente un nombre d'aubes pair et une aube sur deux est une aube courte ; - chaque aube courte présente une longueur développée comprise entre 50% et 99% de la longueur développée d'une aube longue, de préférence entre 70% et 85%.

Par ailleurs, l'invention a pour objet une machine hydraulique, caractérisée en ce qu'elle comprend une roue telle qu'exposée ci-dessus. Les composants d'une machine hydraulique conforme à l'invention peuvent donc être dimensionnés pour des contraintes mécaniques, donc un coût, inférieurs, à performances égales pour la machine hydraulique.

D'autre part, l'invention a pour objet une installation de conversion d'énergie, qui est équipée d'au moins une machine hydraulique telle qu'exposée ci-dessus.

Une installation de conversion d'énergie conforme à l'invention est donc moins coûteuse, à performances égales, que les installations de l'art antérieur.

L'invention sera bien comprise et d'autres avantages de celle-ci ressortiront aussi à la lumière de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 est une coupe de principe d'une installation de conversion d'énergie conforme à l'invention, équipée d'une machine hydraulique conforme à l'invention comprenant une roue conforme à l'invention ;

- la figure 2 est une coupe schématique de la roue seule suivant la ligne brisée II à la figure 1 ;

- la figure 3 est une coupe schématique de la roue seule suivant la ligne brisée III à la figure 1 ; et - la figure 4 est une vue en perspective partielle de la roue de la figure

2.

L'installation i représentée à la figure 1 comprend une machine hydraulique réversible M, qui est une turbine-pompe de type Francis, dont la roue R est alimentée en eau à partir d'une bâche 3 dans laquelle débouche une conduite forcée 4. En service, la roue R tourne autour d'un axe de rotation Z vertical. Pour produire de l'électricité en mode turbine, la machine M est couplée à un alternateur 5 par un arbre 50 tournant autour de l'axe Z. Entre la bâche 3 et la roue R sont disposées des avant-directrices 6 statiques et des directrices 7 orientables, dont la fonction est de guider un écoulement et de réguler le débit d'eau E, provenant de la conduite 4 et destiné à traverser la roue R, en direction d'un conduit d'évacuation 8.

La figure 2 illustre une partie de la roue R qui comporte une couronne 1 à symétrie de révolution autour de l'axe Z. La couronne 1 présente un bord périphérique externe 10 de diamètre D ₁₀ . La figure 3 illustre une partie de la roue R qui comporte un plafond 12, lequel délimite un trou central 11. Le plafond 12 présente également une symétrie de révolution autour de l'axe Z et il est situé en regard de la couronne 1 . On note D ₁₂ le diamètre du bord périphérique externe du plafond 12. Le bord périphérique externe 10 et le trou central 11 sont centrés sur l'axe Z. Comme le montrent les figures 1 et 4, les surfaces de la couronne 1 et du plafond 12 présentent des formes gauches, engendrées par la rotation, autour et à distance de l'axe Z, d'un segment de courbe. Toute forme de couronne et de plafond d'une roue conventionnelle de type Francis est adaptée pour définir respectivement les surfaces de la couronne et du plafond d'une roue conforme à l'invention. La roue R comporte, en outre, neuf aubes 21 et 22 solidaires de la couronne 1 et du plafond 12 et qui s'étendent entre la couronne 1 et le plafond 12 autour de l'axe Z, comme le montrent les figures 4. Chaque aube 21 ou 22 présente une forme incurvée et globalement en forme de portion de spirale. Toute

courbure d'aube conventionnelle peut convenir pour définir la courbure d'une aube 21 ou 22. Chaque aube 21 ou 22 présente un bord périphérique, respectivement 212 et 222, situé en périphérie de la couronne 1 et un bord central, respectivement 21 1 et 221 , tourné vers l'axe Z. Un objet est ici qualifié de « central » lorsqu'il se trouve au voisinage de l'axe Z, par opposition à l'adjectif « périphérique » qui désigne un objet qui est éloigné de l'axe Z.

Lorsque la roue R fonctionne en mode turbine, le bord périphérique externe 212 ou 222 forme un bord d'attaque d'une aube 21 ou 22 et le bord central interne 211 ou 221 forme son bord de fuite. La description donnée ci- après pour le mode turbine reprend ces expressions « bord d'attaque » et « bord de fuite » ; elle peut être transposée au cas où la roue fonctionne en mode pompe en inversant ces expressions.

Parmi les neuf aubes 21 et 22 de la roue R, trois aubes 22 présentent une longueur développée inférieure à la longueur développée des six autres aubes 21. Les aubes 22 sont donc qualifiées de « courtes », tandis que les aubes 21 sont qualifiées de « longues ».

Dans une région centrale de la couronne 1 , on note respectivement B ₂₁ et

B ₂₂ les points de raccordement de la couronne 1 avec les bords de fuite 211 et

221 de chaque aube 21 ou 22. Les points B ₂₁ et B ₂₂ sont situés sur un même cercle central de diamètre D ₂₀ centré sur l'axe Z. Ainsi, toutes les aubes 21 et 22 s'étendent jusqu'au cercle central C ₂ o de diamètre D ₂₀ .

Dans une région périphérique de la couronne 1 , on note A ₂ i les points de raccordement de la couronne 1 avec les bords d'attaque 212 de chaque aube longue 21. Les points A ₂₁ sont situés sur un premier cercle C ₂ i de diamètre D ₂₁ centré sur l'axe Z. De même, on note A ₂₂ les points de raccordement de la couronne 1 avec les bords d'attaque 222 de chaque aube courte 22. Les points

A ₂₂ sont situés sur un deuxième cercle C ₂₂ centré sur l'axe Z de diamètre D ₂₂ inférieur au diamètre D ₂₁ du premier cercle. Les points A ₂₁ sont donc plus proches du bord 10 de la couronne 1 que les points A ₂₂ . Les diamètres D ₂₁ et D ₂₂ respectifs des premier et deuxième cercles C ₂₁ et C ₂₂ , ainsi que le diamètre D ₂₀ du cercle central C ₂₀ sont inférieurs au diamètre D ₁₀ du bord 10.

En d'autres termes, les aubes courtes 22 s'étendent moins loin vers le bord 10 de la couronne 1 que les aubes longues 21. C'est pourquoi la longueur

développée des aubes courtes 22 est inférieure à la longueur développée des aubes longues 21. Ainsi, les points A ₂₁ et A ₂₂ respectifs des aubes 21 et 22 sont situés sur deux cercles distincts C ₂ i et C ₂₂ centrés sur l'axe Z et de diamètres respectifs D ₂ i et D ₂₂ différents. Selon une variante non représentée de l'invention, les points de raccordement de la couronne avec les bords d'attaque peuvent être situés sur plus de deux cercles distincts, par exemple sur trois cercles.

La figure 3 montre l'implantation des aubes 21 et 22 sur le plafond 12 de la roue R. De façon analogue au raccordement de la couronne 1 avec les aubes 21 et 22, dans la région centrale du plafond 12, on note respectivement G ₂ i et G ₂₂ les points de raccordement du plafond 12 avec les bords de fuite 211 et 221 de chaque aube 21 ou 22. Les points G ₂ i et G ₂₂ sont situés sur un même cercle central C ₄ o de diamètre D ₄₀ centré sur l'axe Z. Ainsi, toutes les aubes 21 et 22 s'étendent jusqu'au même cercle central C ₄ o de diamètre D ₄₀ . Dans une région périphérique du plafond 12, on note F ₂₁ les points de raccordement du plafond 12 avec les bords d'attaque 212 de chaque aube longue 21. Les points F ₂₁ sont situés sur un troisième cercle C ₄₁ de diamètre D ₄₁ centré sur l'axe Z. De même, on note F ₂₂ les points de raccordement du plafond 12 avec les bords d'attaque 222 de chaque aube courte 22. Les points F ₂₂ sont situés sur un quatrième cercle C ₄₂ centré sur l'axe Z et de diamètre D ₄₂ inférieur au diamètre D ₄₁ du troisième cercle.

En pratique, selon la puissance souhaitée pour la machine hydraulique équipée de la roue R, le diamètre D ₁₀ du bord 10 de la couronne 1 peut être compris entre 0,4 m et 10 m. Selon les dimensions sélectionnées pour la couronne 1 , le diamètre D ₂₁ du premier cercle peut représenter entre 90% et 100% du diamètre D ₁₀ et le diamètre D ₂₂ du deuxième cercle peut représenter entre 70% et 99%, de préférence entre 80% et 95% du diamètre D ₂₁ . Selon les dimensions sélectionnées pour le plafond 12, le diamètre D ₄₁ du troisième cercle peut représenter entre 90% et 100% du diamètre D ₁₂ et le diamètre D ₄₂ du quatrième cercle peut représenter entre 70% et 99%, de préférence entre 80% et 95% du diamètre D ₄₁ .

Selon les caractéristiques de la roue R, notamment ses dimensions et la fréquence de rotation à laquelle elle est destinée à tourner en régime permanent,

chaque aube courte 22 peut présenter une longueur développée comprise entre 50% et 99% de la longueur développée d'une aube longue 21. La longueur développée d'une aube longue 21 peut se mesurer entre les points A ₂₁ et B ₂₁ ou entre les points F ₂ i et G ₂ i . De même, la longueur développée d'une aube courte 22 peut se mesurer entre les points A ₂₂ et B ₂₂ ou entre les points F ₂₂ et G ₂₂ . De préférence, la longueur développée d'une aube courte 22 est comprise entre 70% et 85% de la longueur développée d'une aube longue 21. Ainsi, si une aube longue 21 présente une longueur développée de 1 m, une aube courte 22 peut présenter par exemple une longueur développée de 0,8 m. Pour assurer un bon équilibrage dynamique de la roue R, les aubes courtes 22, d'une part, et les aubes longues 21 , d'autre part, sont réparties régulièrement autour de l'axe de rotation Z de la roue R. En l'occurrence, les trois aubes courtes 22 sont disposées sur la couronne 1 avec un écart angulaire α ₂₂ de 120° entre elles. Deux aubes longues 21 sont dis posées à intervalles réguliers entre deux aubes courtes 22 consécutives, avec un écart angulaire de 40° pour deux aubes longues 21 adjacentes et de 80° pour deu x aubes longues 21 entre lesquelles est disposée une aube courte 22.

D'autres répartitions des aubes courtes et longues sont possibles. On peut ainsi prévoir un nombre pair d'aubes, par exemple dix, dont une sur deux est une aube courte et l'autre une aube longue, les aubes courtes et longues étant réparties régulièrement autour de l'axe de rotation de la roue.

Une roue conforme à l'invention permet d'atténuer voire d'éviter les efforts radiaux engendrés sur les roues à aubage conventionnel, notamment lors des régimes transitoires de mise en route ou d'arrêt en mode turbine. Il a été constaté que, de façon surprenante, une roue conforme à l'invention permet de réduire l'intensité des efforts radiaux subis par la roue en régime transitoire. L'optimisation de la géométrie des aubes de la roue en fonction de son application permet de réduire encore davantage cette intensité.

Une machine hydraulique conforme à l'invention présente donc une déflexion radiale de sa roue et de son arbre réduite, voire nulle. Cela réduit donc le coût de la machine hydraulique, car elle peut être dimensionnée de manière réduite.

L'invention a été décrite ici en relation avec une machine hydraulique réversible de type turbine-pompe. Cependant, l'invention s'applique aussi à des machines hydrauliques « simples » de type turbine.