Brevet FR2300909A1 — publié le 19760910

La présente invention concerne un dispositif destiné à éviter la formation de tourbillons dans le conduit d'aspiration des turbines Francis, qui se propagent depuis le rotor de la turbine jusque dans le conduit d'aspiration. Il est connu quten cas de charge partielle et en cas de très faible régime, ces tourbillons, même encas de surcharge, se propagent en forme d'hélice jusque dans le conduit d'aspiration. Etant donné qu'il s'établit dans le noyau du tourbillon un minimum d'énergie avec une pression plus faible que dans le courant environnant, la pointe du tourbillon produit des pulsations de pression sur la paroi du conduit d'aspiration.Ces pulsations compromettent le fonctionnement de la turbine, notamment lorsqutel- les produisent des vibrations par résonance dans le tube dtaspira- tion. L'énergie contenue dans les tourbillons, dont le noyau tourne à grande'vitesse angulaire à peu près constante est perdue, car ils ne parviennent pas au rotor de la turbine. La suppression de ces tourbillons qui permettrait de récupérer au moins une partie de l'énergie améliorerait le degré d'efficacité de la turbine. Il a bien éta fait des essais consistant â réaliser le moyeu de façons différentes, en coupant plus ou moins la pointe du moyeu ou en la prolongeant jusque dans le tube d'aspiration. L'influence de ces mesures sur la pointe des tourbillons est insignifiante. Par exemple, si l'on prolonge la pointe du moyeu dans le conduit d'aspiration, on reporte simplement vers l'aval la pointe prenant naissance a' la pointe du moyeu, sans pour cela la supprimer. On sait en outre que l'on peut envoyer de l'air dans le conduit d'aspiration soit par les vis d'accouplement du rotor, soit au moyen d'un axe d'aération central profilé. On peut ainsi réduire les variations de pression mais on ne peut pas les suppriner complètement. En outre, il existe un dispositif comportant un tube cylindrique concentré monté dans le conduit d'aspiration dans le sens du courant et en partant du rotor, dans lequel conduit les pointes des tourbillons sont captées et dont la force est diminuée par la fric tion. Mais, meme dans le cas de ce dispositif, on ne supprime toujours pas le tourbillon. Le but de l'invention est i supprimer la pointe du tourbillon ainsi que les inconvénients qui en résultent. L'invention sera décrite ci-après en regard du dessin schématique annexé, montrant, a titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation possible. La fig. 1 est une vue partiellement en coupe d'une turbine suivant l'invention. La fig. 2 est une vue de détail. Suivant l'invention, le problème posé est résolu en modifiant de façon appropriée la couronne intérieure 2 et en empêchant la formation des pointes de bourbillon au droit du moyeu 12. L'invention concerne une turbine Francis constituée essentiellement par une spirale avec palette d'appui, un distributeur réglable, le rotor de la turbine comportant plusieurs pales 4, par une couronne extérieure 6, par une couronne intérieure 2 et par le moyeu 12, ainsi que par le conduit d'aspiration 8, cette turbine étant caractérisée en ce que la couronne intérieure 2 et (ou) le moyeu 12 sont entourés avec un certain écartement par une bague 10 fermée ou fendue et (ou) munie d'alêsages servant à amener et à évacuer l'eau. Suivant un mode de réalisation préféré de l'objet de l'invention, la-bague 10, par exemple en forme de conduit tubulaire conique, est placée le plus près possible du bord de sortie 7 du rotor de telle sorte que la-génératrice de cette bague soit parallèle à la surface de la couronne intérieure 2 et du moyeu. Suivant le mode de réalisation de la turbine Francis, les tiges de fixation Il de la bague 10 peuvent être ménagées sur le moyeu 12 ou sur la couronne intérieure 2. La solidarisation des deux éléments peut être réalisée par vissage ou par soudage. La longueur optimale de l'enveloppe de la bague ou de l'anneau 10 et l'écartement le plus favorable entre l'anneau et la couronne intérieure 2 et (ou) le moyeu 12 dépendent des dimensions de la turbine.Afin d'obtenir une faible résistance au passage du liquide, l'épaisseur de la paroi de l'anneau 10 et le profil des supports 11 doivent être minces et en forme de filets fluides et les are tes doivent être arrondies. La cavité annulaire en forme de fente entre l'anneau 10 et la couronne intérieure 2 et (ou) le moyeu 12, par lequel passe le fluide va en se rétrécissant de 11 entrée vers la sortie et accélère ainsi Ia force du courant à la manière d'un ajutage. Suivant un autre mode de réalisation de l'objet de l'invention, la bague 10 est disposée de telle sorte que l'écartement entre les arêtes de la bague ou de l'anneau (a,b) et la couronne intérieure 2 et (ou) le moyeu 12 puisse être modifié afin de faire ainsi varier l'effet produit par l'ajutage. Il est possible d'agir sur la turbulence se produisant dans le rotor de la turbine en modifiant la forme des supports 11. Si ces supports 11 sont réalisés de telle sorte que la hauteur de leur section à mince paroi corresponde à la hauteur de l'enveloppe de l'anneau, on peut utiliser leur effet déviateur pour agir sur la turbulence. de réalisation Suivant un autre mode/de l'objet de l'invention, l'anneau co- nique 10 peut entre mobile. A cet effet, il est réalisé de telle sorte qulil puisse être monté, en cas de fonctionnement à charge partielle, comme représenté sur la fig,1, mais qu'S pleine charge, et en cas de surcharge, il soit reculé par rapport à la couronne intérieure 2 et au moyeu 12, afin dans ce dernier cas, de présenter le contour initial, et plus rationnel dans le cas présent, de la couronne intérieure 2 et du moyeu 12. I1 est nécessaire de diviser l'anneau 10 en au moins deux anneaux élémentaires, afin qu'il puisse être déplacé angulairement sur une périphérie plus ou moins grande.Le déplacement radial des support s 11 auxquels sont fixés les éléments de l'anneau peut steffectuer par voie magnétique ou mécanique. Etant donné que les forces hydrauliques agissant sur l'anneau 10 et sur les supports Il sont très peu importantes et ne peuvent être comparées à celles qui s1 appliquent sur les aubes des turbines Kaplan, les forces devant être transmises dans le mécanisme de réglage (qui, dans le cas des turbines Kaplan peut être monté à l'intérieur du moyeu 12 ou de la couronne intérieure 2) sont moins problématiques. L'action de l'anneau 10 divisé et par conséquent interrompu se manifeste encore pour cette raison, que les pointes des tourbillons se déplacent sur le fond du rotor à cause de leur mouvement gyroscopique. Suivant une autre variante, l'eau morte est aspirée en aval du rotor par plusieurs alésages ménagés dans la couronne intérieure 2 et répartis sur sa périphérie. Les alésages compensateurs usuels 5 qui réduisent la poussée axiale en faisant communiquer l'espace situé en aval du rotor avec l'espace situé au-dessus de la couronne intérieure 2 (ce dernier espace ne présentant pas d'alésages compensateur étant soumis à une pression plus élevée) agissent à l'en- contre de cette aspiration. C'est-à-dire que si l'on bouche les alésages compensateurs 5, admettant alors une poussée axiale plus forte et une charge plus élevée subie par le palier, on réduit la force dont les sommets des tourbillons sont le siège.Les alésages prévus dans la couronne intérieure 2 en vue de l'aspiration peuvent communiquer par le couvercle 1 de la turbine avec une pompe à vide. Les endroits de la couronne intérieure 2 où se produit l'aspiration peuvent être munis de fentes. L'inverse de la derniere variante prévue par l'invention consiste à amener de liteau plus riche en énergie à travers plusieurs étages ménagés dans la périphérie de la couronne intérieure 2, en aval du rotor, provoquant ainsi l'application du courant. A cet effet, les orifices des alésages sont orientés de telle sorte que les jets dteau sous pression arrivent le plus possible tangentiellement à la surface de la couronne intérieure 2, à peu près en direction de la pointe du moyeu et avec une composante plus faible dans le sens de rotation de la turbiné. L'cau sous pression peut être prélevée au droit de l'arête de pression 3 du rotor ou dans le serpentin. On admet que l'effet recherché par l'invention est ainsi atteint car les rapports d'écoulement au droit de la couronne intérieure et du moyeu dans le conduit d'aspiration sont responsables de la formation des pointes de tourbillons. Jusqu'à présent on se représentait les choses de la manière suivante : du fait des différences de circulation dans le rotor, des filets de tourbillon libres sortent des conduits ou canaux du rotor et sont responsables de la formation du tourbillon. Or cette théorie ne peut être confirmée. Les pointes du tourbillon ne sortent du rotor à aucun moment du fonctionnement. Leur origine se situe au contraire à l'extérieur du rotor, sur la couronne intérieure 2 ou sur le moyeu 12. En cas de surcharge, le courant méridien qui est déterminant pour le passage du liquide, prend naissance au droit de la couronne intérieure 2 et suit le contour du moyeu jusqu'a' son extrémité. Par suite de la théorie du maintien de la torsion c. r = constante, la composante de la vitesse absolue augmente en cas de surcharge dans le sens périphérique négatif (sens de rotation de la turbine) Cu augmente considérablement à la sortie du rotor de la couronne intérieure 2, tandis que le courant se propage jusque la pointe du moyeu.La rotation au droit de la pointe du moyeu est élevée que, selon la 2 baisse de pression lf .(dpZdr)= cuIr, la pression de la vapeur d'eau est dépassée et le noyau du tourbillon est rempli de vapeur d'eau. Le courant symétrique axial autour vdu noyau produit le centrage du tourbillon, de sorte que celui-ci prend naissance exactement à la pointe du moyeu et se propage dans le conduit d'aspiration de façon rectiligne à la manière d'un tube. Si, en cas de surcharge, le régime tombe très au-dessous du régime normal et si, de ce fait, la torsion négative augmente dans le conduit d'aspiration, le tourbillon prenant naissance à la pointe du moyeu se développe vers l'aval. En cas de charge partielle, les conditions de 1'écoulement ne sont plus symétriques ni axiales. Le courant méridien ne suit plus la couronne intérieure 2. N'étant plus répartie localement sur toute la périphérie, l'eau morte s'accumule. Dans la couche limite, l'écoulement normal est interrompu dans ces zones. C'est précisément dans les zones d'eau sorte que se produisent les pointes du tourbillon. S'il y a deux blocs d'eau morte opposés ou se faisant face, deux pointes de tourbillon partent de ces endroits et pénètrent dans le conduit d'aspiration. Du fait de l'action du tourbillon commençant sur le coté de la paroi du moyeu et bloquant le passage du fluide, le noyau de ce tourbillon pouvant devenir très gros, le courant suit davantage la couronne intérieure dans les plans méridiens voisins.Selon le point de fonctionnement, l'origine des tourbillons partiels se déplace davantage en montant vers la couronne intérieure 2 ou en descendant vers la pointe du moyeu. Aussi bien la rotation très élevée du noyau du tourbillon, que sa rotation autour de l'axe imaginaire de la turbinaire, c'està-dire la précession ou- le mouvement gyroscopique, s'effectuent dans le sens de la rotation du mouvement de torsion se produisant dans le conduit d'aspiration c'est-à-dire en cas de charge partielle, dans le sens de rotation de la turbine et dans le sens opposé en cas de surcharge. Etant donné quten pratique il ne se produit normalement pas, dans les turbines à eau, de surcharge à aussi faible régime que dans une turbine modèle au point que la pointe du tourbillon resultant de la surcharge effectue un mouvement gyroscopique, les mesures adéquates se bornent ici à la récupération de l'énergie du tourbillon. Dans le cas de fonctionnement à charge partielle, ce qui est le casfréquent, on récupère l'énergie en affaiblissant ou en supprimant les pointes de tourbillon et on empêche l'influence nuisible des pulsations résultant de la pression agissant sur 11 installation. Si, en cas de charge partielle, on évite la formation d'eau morte, on empêche la formation des pointes de tourbillon. Les détails de réalisation peuvent être modifiés, sans s'écarter de l'invention, dans le domaine des équivalences techniques. REVENDICATIONS 1.- Turbine Francis constituée essentiellement par un serpentin muni de pales d'appui, par un distributeur réglable, par le rotor de la turbine y compris plusieurs pales de turbine, par une couronne extérieure, par une couronne intérieure et par un moyeu, ainsi que par un conduit d'aspiration, caractérisée en ce que la couronne intérieure et (ou) le moyeu sont entourés avec un certain écartement par un anneau fermé ou fendu monté en aval des arêtes de sortie du rotor de telle sorte qu'il accélère le courant partiel intérieur de la turbine. 2.- Turbine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'enveloppe de l'anneau est parallèle à la surface de la couronne intérieure et (ou) du moyeu. 3.- Turbine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'écartement entre les arêtes de l'anneau et la couronne intérieure et (ou) le moyeu est différent. 4.- Turbine suivant lkine quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'anneau est rigidement relié par des supports à la couronne intérieure et (ou) au moyeu, les supports étant réalisés de préférence de telle sorte qu'ils favorisent le courant turbulent se formant entre l'anneau et la couronne intérieure ou le moyeu. 5.- Turbine suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4, caractérisée en ce que l'anneau est divisé en au moins deux anneaux élémentaires et peut être déplacé entre la couronne intérieure et (ou) le moyeu, ltenvetppe intérieure de l'anneau reposant, éventuellement dans des dépressions correspondantes ménagées dans la couronne intérieure et (ou) dans le moyeu. 6.- Turbine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la couronne intérieure et (ou) le moyeu, en plus de l'anneau fermé ou brisé, sont munis d'orifices servant à l'admission ou à l'expulsion de l'eau. 7.- Turbine suivant la revendicatinn 6, caractérisée en ce que ces orifices sont en forme de fentes.