Brevet FR2110162A1 — publié le 19720602

L'invention concerne une installation de production d'énergie électrique du type comportant une turbine unidirectionnelle, un moteur/générateur unidirectionnel et une pompe ou un compresseur. Une installation de pompage de ce genre 5 comporte une turbine hydraulique et une pompe et possède deux types principaux de fonctionnement, à savoir un fonctionnement en générateur pendant lequel le moteur/générateur fonctionnant en générateur est entrainé par la turbine hydraulique tandis que la pompe ne fonctionne pas, et un fonctionnement en pompe pendant 10 lequel la pompe est entrainée par le moteur/générateur fonctionnant en moteur tandis que la turbine hydraulique est à l'arrêt. Dans le cas du fonctionnement en pompe, la .rompe fait monter' l'eau jusqu'à un réservoir élevé alors que, dans le cas du fonctionnement en générateur, l'eau du réserve"r est utilisée pour 15 entrainer la turbine hydraulique. Une installation d'accumulation d'air comprimé du type indiqué comporte une turbine à gaz et un compresseur et possède également deux types principaux de fonctionnement, à savoir un fonctionnement en compresseur pendant lequel le compresseur est entrainé par le moteur/générateur fonctionnant 20 en moteur, tandis que la turbine a gaz est à l'arrêt, et un fonctionnement en générateur pendant lequel le moteur/générateur est entrainé par la turbine à gaz, tandis que le compresseur est à l'arrêt. Pendant le fonctionnement en compresseur, le compresseur envoie de l'air comprimé à un réservoir et, pendant les périodes 25 de charge maximum pendant lesquelles le fonctionnement en générateur est requis, l'air provenant du réservoir est mélangé au carburant, brûlé et détendu à travers la turbine à gaz qui entraine le moteur/générateur. L'invention a pour but de fournir une instal-30 lation du type mentionné plus haut qui présente l'avantage par rapport aux installations connues du type indiqué, de nécessiter des intervalles de temps plus réduits pour passer du fonctionnement en générateur au fonctionnement en pompe ou en compresseur et réciproquement. 35 Conformément à l'invention, le moteur/généra- teur est relié, de façon à pouvoir l'entraîner selon le cas, à la pompe ou au compresseur, par un embrayage synchrone automatique qui peut se trouver en position désaccouplée lorsque le moteur/générateur tourne dans son sens normal de rotation par rap-40 port à la pompe ou au compresseur et peut se placer dans la 2 71 35409 2110162 position accouplée lorsque le moteur/générateur tend à tourner en sens inverse de son sens de rotation normal par rapport à la pompe ou au compresseur et il-est prévu des moyens pouvant être actionnés, lorsque cela est nécessaire, pour provoquer la rotation rela-5 tive nécessaire du moteur/générateur et de la pompe ou du compresseur pour produire l'accouplement de l'embrayage. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé plusieurs formes de réalisation du dispositif suivant l'invention. 10 La figure 1 représente une élévation latérale schématique de l'installation de pompage conforme à l'invention. La figure 2 est une vue en coupe partielle à plus grande échelle d'un embrayage synchrone incorporé dans l'installation représentée en figure 1 et se trouvant dans la 15 position désaccouplée. La figure 3 est une vue semblable à celle de la figure 2, montrant l'embrayage dans sa position accouplée. La figure 4 est une élévation latérale schématique d'une installation d'accumulation d'air comprimé 20 conforme à l'invention. Comme représenté en figure 1, l'installation de pompage comporte une turbine hydraulique 1, un moteur/générateur 2 et une pompe 3. L'arbre de la turbine 1 est relié, de façon à pouvoir l'entraîner, à une extrémité de l'arbre du moteur/ 25 générateur 2 à l'aide d'un premier embrayage synchrone automatique 4, qui s'accouple automatiquement lorsque la- turbine 1 tend à tourner plus vite que le moteur/générateur 2 dans le sens normal de rotation, et se désaccouple automatiquement lorsque le moteur/générateur 2 tourne plus vite que la turbine. L'autre 30 extrémité de l'arbre du moteur/générateur 2 est reliée avec possibilité d.'entraînement à l'arbre de la pompe 3 au moyen d'un second embrayage synchrone 5 qui se met en position désaccouplée lorsque le moteur/générateur 2 tourne dans son sens normal de rotation par rapport à la pompe 3 et se met en position accouplée 35 lorsque le moteur/ générateur tend a tourner dans le sens de rotation opposé par rapport à là pompe 3. L'embrayage 5 est représenté de façon détaillée sur les figures 2 et 3. L'embrayage 5 s'accouple chaque fois que la pompe 3 (figure l) tend à tourner plus vite que le moteur/géné-40 rateur 2 dans le sens normal de rotation et, lorsque 1'embrayage 7, 35409 '"O"2 se trouve dans cette position, il sert à transmettre.le couple du moteur/générateur 2 à la pompe 3, le sens de la transmission du couple étant inversé par rapport à l'embrayage 4„ L'embrayage 5 est représenté de façon détail-5 lée sur les figures 2 et 3. Il comporte un premier organe 30, muni d'une couronne dentée portant des dents intérieures 31 et portant une bague d'accouplement 32 qui est constituée par une couronne dentée portant des dents internes d'embrayage 33 et porte des cliquets 34 coopérant avec les dents 35 d'une roue à rochet 10 situées sur un organe intermédiaire 36. Celui-ci comporte une couronne dentée, portant des dents d'accouplement externes 37, et des cannelures hélicoïdales internes 38 v--n prise avec des cannelures hélicoïdales externes portées p-i ;• un second organe d'embrayage 40. Ce dernier supporte une bague 41 comportant des 15 cannelures droites 42 en prise avec des cannelures 43 que présente une partie 44 d'une douille de verrouillage 44, 45, 46, 47, 48, ladite partie 44 comportant une couronne de dents externes de blocage 49. La partie 48 de 1-a douille ce verrouillage est constituée par une couronne dentée portant des dents de blocage 20 internes 50 tandis que le second organe d'embrayage 40 porte, avec un faible jeu radial, une bague de blocage 57 qui comporte des dents de blocage-externes 51. La bague de blocage 57 possède également des dents internes 58 qui engrènent par coulissement avec des dents externes 59 portées par l'organe intermédiaire 36. 25 Les parties 44, 45 et 46 de la douille de verrouillage sont constituées de façon à former un cylindre hydraulique dans lequel un piston 52 porté par l'organe d'embrayage 40 peut se déplacer axialement, des conduits 53, 54 et 55 étant prévus pour l'alimentation en huile sous pression du cylindre comme représenté par 30 les flèches cependant que le cylindre et le piston jouent le rôle de vérin hydraulique pouvant être actionné lorsque cela est approprié pour provoquer 1'engrènement de la douille de verrouillage 44-48 avec le premier organe d'embrayage 30. L'huile est également envoyée à l'embrayage synchrone, comme indiqué par les flèches. 35 Un servomécanisme (non représenté) actionnant une fourche 56 est utilisé pour réaliser 1'engrènement initial des dents de verrouillage 31 et 49, le mouvement d'accouplement de l'embrayage étant complété par l'envoi de l'huile sous pression dans le vérin hydrau lique. 40 Le fonctionnement de l'embrayage est le suivant 71 35409 4 2110162 On suppose que l'embrayage 5 est dans la position désaccouplée représentée en figure 2, que le mécanisme est immobile, l'ac-tionnement du servomécanisme tendant à placer la douille de verrouillage 44-48 en position engrenée avec le premier organe d'em-5 brayage 30 provoque la venue en contact d'extrémité des dents de bloèage 50 et des dents de blocage 51. Le mouvement de la douille de verrouillage 44-48 est de ce fait empêché. Lorsque l'organe d'embrayage 30 tourne dans le sens opposé à son sens de rotation normal par rapport à l'organe d'embrayage 40, les cliquets 34 10 s'engagent dans les dents 35 de la roue à rochet et la rotation ultérieure de l'organe d'embrayage 30 provoque le déplacement de l'organe intermédiaire 36 dans le sens de 1'engrènement des dents d'embrayage 33 et 37. Un jeu suffisant est prévu entre les dents 58 et les dents externes 59 pour empêcher une surcharge des 15 cliquets 34. Lorsque les dents 35 se dégagent axialement des cliquets 34 et que les dents d'embrayage 33 et 37 viennent en contact par leurs flancs, le jeu entre les dents 58 et 59 s'annule et un nouveau déplacement de l'organe intermédiaire 36 provoque donc la rotation de la bague de blocage 57 par rapport à 20 l'organe d'embrayage 40 de sorte que les dents de blocage 50 et 51 sont alignées pour engrèner ensemble et que les dents de verrouillage 31 et 49 sont également alignées pour engrèner ensemble. Le servomécanisme peut donc déplacer la douille de verrouillage 44-48 et provoquer le début de 1'engrènement des dents externes 49 25 avec les dents internes 31, ce mouvement étant suffisant pour amener le piston 52 contre l'extrémité du cylindre avec un jeu très faible. Le mouvement d'engrènement complet de l'organe intermédiaire 44-48 est réalisé en envoyant de l'huile sous pression au vérin hydraulique, au moyen duquel les dents de verrouillage 31 30 et 49 sont placées dans la position d'engrènement complet comme représenté en figure 3 tandis que les faces de glissement de la fourche 56 ne sont pas chargées. Si l'organe d'embrayage 30 tourne dans son sens normal de rotation par rapport à l'organe d'embrayage 40, 35 l'inversion du couple dans l'embrayage 5 provoque la venue en contact des dents de verrouillage 31 et des dents externes 49 par leurs flancs et fait également prendre aux dents d'embrayage 33 et 37 des positions angulaires relatives dans lesquelles les-dites dents ne sont pas chargées. Le couple est alors transmis de 40 l'organe d'embrayage 30 a l'organe d'embrayage 40 par l'intermé 7i 35409 21 10.162 diaire des dents de blocage 31 et 49 et des cannelures 42 et 43, tandis que l'embrayage synchrone n'entraîne aucune charge. Pour désaccoupler 1'embrayage-5, il est tout d'abord nécessaire de produire un inversion du couple afin 5 de décharger les dents de blocage 31 et 49 et de permettre à ces dernières d'être mises en position désengrenée par le servo-méca-nisme. Cette inversion du couple est obtenue par une réduction de la vitesse de rotation de l'organe principal d'embrayage 30 par rapport à la douille de verrouillage 44-48 dans le sens de 10 rotation normal ou par une rotation de l'orçane d'embrayage 30 en sens inverse par rapport à l'organe d ' e.rl raysge 40o L'alimentation du vérin hydraulique en huile sous cession est alors interrompue et le servomécanisme est actic-r é pour placer la douille de blocage 44 - 48 en position conletement désengrenée 15 représentée en figure 2. En se référant à nouveau a la figure 1, le fonctionnement de l'installation de pompage commence, comme indi que ci-après, à partir de l'état de repcs dans lequel les embrayages 4 et 5 sont désaccouplés. L'eau est admise dans la turbine 1 20 afin de l'entraîner dans le sens normal de rotation, la rotation de l'arbre de la turbine par rapport à l'arbre du moteur/générateur 2 provoquant l'accouplement de l'embrayage 4 de sorte que le moteur/générateur 2 est entraîné rapidement à la pleine vitesse par la puissance de la turbine dans le sens normal de rotation 25 pour là synchronisation et le branchement au réseau pour la fourniture de puissance électrique. Si à cet instant on désire passer au fonctionnement en compensateur synchrone par le moteur/générateur, on arrête la turbine 1, ce qui provoque le désaccouplement automatique de l'embrayage 4 de sorte que le moteur/générateur 2 30 continue à tourner. Pendant ces opérations, la pompe de stockage 3 reste au repos étant donné que l'embrayage non bloqué 5 est en position désaccouplée. Pour passer du fonctionnement en générateur au fonctionnement en pompe, la turbine 1 (si elle se trouve en 35 fonctionnement) est arrêtée et le moteur/générateur 2 est débranché du réseau, le ralentissement des mécanismes tournants étant aidé par un système de freinage électrique dont la caractéristique consiste en ce que, lorsque le moteur/générateur 2 vient à s'arrêter, il.se produit une inversion immédiate de la rotation du 40 moteur/générateur par rapport à l'arbre immobile de la pompe 6 2110162 '71 35409 d'accumulation 3, en provoquant l'accouplement de l'embrayage synchrone 5, à la suite de quoi ce dernier est verrouillé pour relier le moteur/générateur 2 de façon bidirectionnelle à la 5 dans la turbine 1 et entraine cette dernière jusqu'à pleine vitesse de fonctionnement ainsi que le moteur/générateur 2 et la pompe d'accumulation 3. Le moteur/générateur est de ce fait syn-10 chronisé électriquement avec le réseau pour fonctionner en moteur. La turbine 1 est alors arrêtée et il s'ensuit que l'embrayage 4 est désaccouplé et le moteur/générateur 2 continue à tourner en entraînant la pompe d'accumulation 3 par l'intermédiaire de l'embrayage 5 engréné et verrouillé. 15 Pour passer du fonctionnement en pompe au fonctionnement en génératrice, le clapet de décharge de la pompe 3 est fermé et le moteur/générateur 2 est débranché du réseau, d'où il résulte un rapide ralentissement des mécanismes en rotation. Lorsque le couple entre le moteur/générateur 2 et la pompe 20 d'accumulation 3 s'inverse de sorte que la pompe tend à entraîner le moteur/générateur, le servomécanisme associé à l'embrayage 5 est actionné de façon à amener la douille de verrouillage 44-48 dans la position désaccouplée ; l'eau est alors admise dans la turbine 1, à la suite de quoi l'embrayage 4 est accouplé automa-25 tiquement au passage par le synchronisme, la turbine 1 entraine le moteur/générateur 2 et l'embrayage 5 se désaccouplé. La turbine 1 accélère alors le moteur/générateur jusqu'à la pleine vitesse pour la synchronisation électrique avec le réseau et pour la production de l'énergie électrique. Etant donné que l'embraya-30 ge 5 est désaccouplé, le moteur/générateur 2 tourne plus vite que la pompe de stockage 3 qui reste immobile. teur au fonctionnement en pompe, le freinage par eau produit par la turbine 1 peut être utilisé en sus de ou à la place du freina-35 ge électrique du moteur/générateur et pour inverser le sens de rotation de l'arbre du moteur/générateur 2 afin d'accoupler l'embrayage 5 qui est alors verrouillé pour relier le moteur/générateur à la pompe d'accumulation. Si on doit utiliser le freinage par eau, l'embrayage 4 doit être muni d'un dispositif de verrouil-40 lage connu en soi tel que, lorsque la turbine 1 tourne à pleine Lorsqu'on passe du fonctionnement en généra- 71 35409 2110162 vitesse en même temps que le moteur/générateur 2, elle puisse être embrayée de façon bidirectionnelle au moteur/générateur en verrouillant l'embrayage 4 en position engrenée. La turbine est alors arrêtée et le moteur/générateur 2 est débranché du réseau, 5 le taux de ralentissement de la turbine 1 et le moteur/générateur 2 étant réglés par l'admission contrôlée de l'eau de freinage de la turbine 1. A l'approche de l'état de repos, l'inversion du sens de rotation du moteur/générateur 2 nécessaire pour permettre l'accouplement de l'embrayage 5 est réalisée par l?inversion du 10 sens de rotation de la turbine et du moteur/qénérateur sous l'influence de l'eau de freinage qui est alors --frétée. Un autre moyen d'accoupler l'embrayage 5' pour verrouiller le moteur/générateur 2 de façon bidirectionnelle à la pompe d'accumulation 3 pour le fonctionnement en pompe est de 15 faire tourner l'arbre de la pompe d'accumulation 3 dans le sens normal de rotation en provoquant ainsi la venue en position d'engrènement de l'embrayage 5, puis son verrouillage. La rotation nécessaire de l'arbre de la pompe peut être obtenue par l'admission d'eau sous pression destinée à réagir sur l'impulseur de la 20 pompe pour faire tourner l'arbre de cette dernière dans la direction requise, après quoi l'embrayage 5 s'accouple et est alors verrouillé de sorte-que le moteur/générateur 2 est relié de façon bidirectionnelle à la pompe 3» Un autre moyen de mettre en rotation l'arbre 25 de la pompe d'accumulation 3 dans le sens de l'accouplement de " l'embrayage 5 est de prévoir un mécanisme d'entraînement en rotation de l'arbre qui peut être de façon appropriée du type de la roue à rochet connue, actionnée par un servomécanisme, agissant dans le sens de rotation qui est le sens normal de rotation de 30 la pompe d'accumulation 3 pendant le fonctionnement en pompe. En se rapportant à la figure 4, l'installation d'accumulation d'air comprimé illustrée comporte une turbine à gaz 1', un moteur/générateur 2' et un compresseur 3'. La turbine à gaz 1* est reliée de façon à pouvoir l'entraîner au moteur/ 35 générateur 2' par l'intermédiaire d'un embrayage synchrone automatique 4' qui possède la même constitution que l'embrayage 4 décrit plus haut. Le moteur/générateur 2' est relié au compresseur à air 3' par un embrayage 5' qui possède la même constitution que l'embrayage 5 décrit plus haut. L'installation comporte 40 également un moteur auxiliaire 56 qui est relié de façon à pouvoir 71 35409 8 2110162 l'entraîner à l'arbre du compresseur 3' par l'intermédiaire d'un embrayage synchrone automatique 57 qui est agencé de façon à s'accoupler automatiquement, lorsque le moteur auxiliaire 56 tend à tourner dans le sens normal de rotation par rapport au compres-5 seur, et à se désaccoupler automatiquement lorsque le compresseur 3' ^tourne plus vite que le moteur 56. Le fonctionnement de l'installation d'accumulation d'air comprimé, partant de l'état de repos de l'installation dans lequel les trois embrayages sont désaccouplés, est le 10 suivant : Le moteur auxiliaire est mis en marche et sa rotation provoque l'accouplement de l'embrayage 57 et par suite l'entraînement du compresseur par le moteur 56 dont la vitesse maximum est de 1 500 tours par minute. La rotation de l'arbre 15 du compresseur par rapport à l'arbre du moteur/générateur 2' provoque l'accouplement de l'embrayage 5', après quoi ce dernier est verrouillé pour relier le moteur/générateur 2' de façon bidirectionnelle au compresseur de sorte que le moteur/générateur 2' est entraîné par le moteur auxiliaire 56 et atteint une vites-20 se de 500 tr/mn. Lorsque l'installation doit continuer à fonctionner em compresseur, la turbine à gaz 1' est mise en marche en utilisant l'air qui. est alors délivré en quantité suffisante par le compresseur 3'. Lorsque la vitesse de la turbine 1' est telle 25 qu'elle tend à dépasser celle du moteur/générateur 2', l'embrayage synchrone 4' s'accouple, et lorsque la vitesse du moteur/générateur 2* et du compresseur qui lui est accouplé par l'embrayage 5', dépasse la vitesse du moteur auxiliaire 56, l'embrayage 57 se désaccouplé et le moteur auxiliaire peut être arrêté. La vitesse 30 de turbine continue à augmenter jusqu'à 3 000 t/mn et la vitesse du moteur/générateur 2* et du compresseur 3' augmente également jusqu'à cette valeur puisque les embrayages 4' et 5 sont accouplés. Lorsque cette vitesse est atteinte, le moteur/générateur 2' est relié au réseau afin de fonctionner en moteur et la turbine 35 à gaz 1' est arrêtée, à la suite de quoi l'embrayage 4' est désaccouplé et se trouve en marche à vide. Le moteur/générateur 2' continue à tourner à 3 000 tr/mn et entraine le compresseur 3' par l'intermédiaire de l'embrayage 5' accouplé, l'air fourni par le compresseur 3' étant utilisé pour charger complètement le ré-40 servoir. 71 35409 o 2110162 Pour passer du fonctionnement en compresseur au fonctionnement en générateur le moteur/générateur 2' est débranché du réseau et le moteur auxiliaire 56 est mis en marche avec une accélération rapide jusqu'à 1 500 tr/mn. Lorsque la vi-5 tesse du moteur/générateur 2' et du compresseur 3' tend à tomber au-dessous de 1 500 tr/mn, l'embrayage 5' s'accouple et le moteur auxiliaire 56 commence à entraîner le compresseur 3' et le moteur/ générateur 2'. Le verrouillage de l'embrayage 5* est de ce fait non chargé et est débloqué, mais l'embrayage 5' reste accouplé 10 étant donné que le compresseur 3' entraine le moteur générateur. La turbine à gaz 1' est alors mise en marchi en utilisant l'air provenant du réservoir et, lorsque la vite;:e de la turbine dépasse celle du moteur/générateur, c'est-à-cure 1 500 tr/mn, l'embrayage 4' s'accouple de sorte que le motet /générateur 2' est 15 entrainé par la turbine à gaz 1' alors que l'enbrayage 5' se désaccouplé. Le moteur auxiliaire 56 est alcrs débranché et tend à s'arrêter ainsi qu'alors le compresseur 3 '. Lorsque la turbine 1' a atteint la vitesse de 3 000 tr/mn, le moteur/générateur 2' est branché à nouveau au réseau de façon à fonctionner en 20 générateur lorsqu'il est entraîné par la turbine à gaz 1'. Pour passer du fonctionnement en générateur au fonctionnement en compresseur, le moteur auxiliaire 56 est branché et accélère le compresseur jusqu'à 1 500 tr/mn. Le moteur.générateur 2' est alors débranché du réseau et la puissance de la tur-25 bine à gaz est réduite de sorte que la vitesse du moteur/génératëir 2' et de la turbine à gaz 1' décroissent. Lorsque la vitesse du moteur/générateur tombe au-dessous de 1 500 tr/mn, l'embrayage 5' s'accouple et est alors verrouillé. La puissance de la turbine à gaz 1' est alors augmentée pour accélérer le moteur/générateur 2' 30 jusqu'à 3 000 tr/mn pour la reconnexion au réseau. La turbine à gaz 1' est arrêtée et l'embrayage 4' se désaccouplé. Le moteur/ générateur 2' continue à entraîner le compresseur 3'. 71 35409 10 2110162 REVENDICATIONS 1 - Installation de production d'énergie électrique du type comportant une turbine, un moteur/générateur et une pompe ou un compresseur, caractérisée par le fait que le moteur/généra- 5 teur est relié de façon à pouvoir l'entraîner, selon le cas, à la pompe ou au compresseur, par un embrayage synchrone automatique qui peut se trouver en position désaccouplée lorsque le moteur/ générateur tourne dans son sens normal de rotation par rapport à la pompe ou au compresseur et peut se placer dans la position ac-10 couplée lorsque le moteur générateur tend à tourner en sens inverse de son sens de rotation normal par rapport à la pompe ou au compresseur, et il est prévu des moyens pouvant être actionnés, lorsque cela est nécessaire, pour provoquer la rotation relative nécessaire du moteur/générateur et de la pompe ou du compresseur 15 pour produire l'accouplement de l'embrayage. 2 - Installation suivant la revendication 1, caracté riséepar le fait qu'elle comporte des dispositifs de freinage pouvant être actionnés afin d'opérer un freinage électrique de l'arbre du moteur/générateur et tels que le sens de rotation de cet 20 arbre, lorsqu'il est arrêté par lesdits dispositifs de freinage, est alors inversé suffisamment pour réaliser l'accouplement de l'embrayage. 3 - Installation suivant l'une des revendications 1 ou 2, comportant une turbine hydraulique et un embrayage pouvant 25 être verrouillé entre la turbine et le moteur/générateur, caracté-riséepar le Êit qu'il comporte des moyens pour réaliser le freinage par eau de la turbine hydraulique au lieu ou en plus du freinage électrique du moteur/générateur et pour réaliser ou aider à une inversion du sens de rotation de l'arbre du moteur/générateur 30 pour accoupler l'embrayge entre le moteur/générateur et la pompe ou le compresseur. 4 - Installation suivant la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte des moyens pour entraîner en rotation l'arbre de la pompe ou du compresseur dans son sens nor- 35 mal de rotation par rapport à l'arbre du moteur/générateur.