Brevet FR2314378A1 — publié le 19770107

La presente invention est relative à une turbine-pompe à haute pression à deux étages comportant des aubes directrices réglables dans chaque étage. Les turbines-pompes sont des machines hydrauliques qui peuvent travailler aussi bien en pompe qu'en turbine. Elles sont utilisées dans les centrales à accumulation et leur utilisation permet d'éviter l'utilisation de deux machines séparées, à savoir l'utilisation d'une turbine hydraulique et d'une pompe d'accumulation. Les avantages procurés par l'abaissement du coût d'investissement, la reduction de l'encombrement, la simplification des réseaux de conduites d'eau et la réduction des frais sont frequemment suffisamment importants pour compenser l'incon vénient consistant dans la perte de rendement qui est inévitable, au moins dans l'un des deux modes de travail.A ce point de vue, les aubes directrices reglables jouent un rôle important, non seulement parce qu'elles servent pour la régulation de la puissance, mais qu'elles permettent en outre un amélioration du rendement. Les turbines-pompes à un seul étage sont devenues insuffisantes pour l'exploitation de grandes hauteurs de chute et de refoulement et, pour les hauteurs de chute et de refoulement d'environ 1000 mètres, il est nécessaire d'utiliser des turbinespompes à deux étages. Les turbines-pompes à deux étages qui étaient connues jusqu'à présent présentent, de la même façon qu'une pompe centrifuge à deux étages, deux roues montées l'une à la suite de l'autre sur un même arbre, ce qui implique non seulement une bâche de grande dimension, mais également des aubes directrices coûteuses en raison de leurs dispositions et de leur dispositif de commande, car les aubes directrices de chaque étage doivent être montées séparément et doivent pouvoir être réglées séparément et cependant elles doivent travailler de façon absolument synchrone.Les turbines-pompes à haute pression à deux étages de la technique antérieure sont donc compliquées, difficilement accessibles, encombrantes et également coûteuses, principalement en ce qui concerne le mécanisme de vannage et la bâche. Dans les turbines à deux étages travaillant uniquement en turbine, on connaît déjà des machines dans lesquelles les aubes des roues des deux étages sont disposées dos à dos et où les aubes directrices des deux étages sont réunies en paires d'aubes en tandem, qui sont équipées de mécanismes de commande communs. Toutefois, étant donné que, par suite de leurs conditions particulières de charge et de contrainte, qui résultent du fait qu'elles doivent pouvoir être utilisées aussi bien en pompe qu'en turbine, les turbines-pompes doivent satisfaire à des conditions très particulières, il n'est pas possible d'utiliser directement dans les pompes-turbines les aubes connues dans les turbines normales.Principalement, les aubes directrices des turbines-pompes prévues pour de grandes hauteurs de chute, c'est-àdire des machines à deux etages, sont exposées à de fortes vibrations qui, dans la technique connue jusqu'à présent, rendent impossible l'utilisation d'aubes directrices montées en tandem et, par conséquent, d'aubes directrices qu'on peut régler de façon réellement synchrone avec des moyens simples parce que, en raison de la transmission des vibrations d'une partie d'aube à l'autre, il se produirait des phénomènes vibratoires désagréables et dangereux dans les paires d'aubes. L'invention vise donc à éliminer ces inconvénients et à réaliser une turbine-pompe à haute pression à deux étages du genre défini au début du présent mémoire, mais dans laquelle les aubes directrices des deux étages puissent être réglées de façon exactement synchrone, dans laquelle il ne risque pas de se produire de phénomènes de vibrations excessifs et qui soit cependant d'une construction simple, peu encombrante et peu coûteuse. Suivant l'invention, le problème est résolu par le fait que les aubes de la roue d'un etage sont placées, d'une façon connue, dos à dos par rapport à celles de la roue de l'autre etage et que, d'une façon connue, les aubes directrices d'un étage sont reunies respectivement aux aubes directrices correspondantes de l'autre étage pour former des paires d'aubes en tandem équipées chacune d'un mecanisme de réglage commun aux deux aubes, chaque paire d'aubes étant composée de deux ou plusieurs parties qui sont accouplées pour la transmission du mouvement par des moyens qui s'accouplent par un mouvement parallele à la hauteur des aubes.Grâce à la disposition dos à dos des aubes des roues et à l'assemblage par paires des aubes directrices homologues des deux étages, on obtient une construction simple et compacte et on peut se contenter d'un seul mécanisme de réglage pour chaque paire d'aubes directrices et il est indifférent de prevoir, par exemple, un servo-moteur distinct pour chaque paire d'aubes, ou une couronne de commande commune pour toutes les paires d'aubes. La division des paires d'aubes et le mode d'accouplement des deux parties de chaque paire d'aubes évitent la transmission directe des vibrations d'une aube à l'autre et assurent l'amortissement de ces vibrations, ce qui évite que les phénomènes vibratoires ne dépassent les limites admissibles. L'invention apporte donc la possibilité de commander les aubes directrices des deux étages d'une turbine-pompe à haute pression de façon absolument synchrone, sans qu'il subsiste un risque d'excitation indésirable de vibrations des aubes directrices. Par ailleurs, le fait que l'appareil de vannage, les aubes directrices, les paliers des aubes directrices et le mécanisme de réglage de ces aubes directrices puissent ainsi être d'une construction monobloc, permet de réaliser une économie de place et d'assurer une amélioration considérable de la sécurité de fonctionnement. Dans une forme avantageuse de réalisation de l'invention, chaque paire d'aubes en tandem est divisée dans la region de son tourillon central et les surfaces radiales de ces tourillon qui forment le plan de joint sont en prise mutuelle par des dents de crabot, les deux parties de la paire d'aubes étant appliquées l'une sur l'autre au moyen d'une vis de tension qui traverse un trou central d'une partie et est vissée dans l'autre partie. Cette division en deux parties permet de monter chaque partie séparément et de n'assembler les deux parties qu'après leur mise en place et, d'autre part,le mode d'accouplement garantit à la fois le synchronisme des rotations des deux parties et l'amortissement de l'excitation et de -la transmission des vibrations. Il est spécialement avantageux de muni-r la turbine-pompe suivant l'invention d'une bâche spirale connue en soi dont les deux parties respectivement associéesjaux deux étages sont déca 4 lees de 1800 l'une par rapport à l'autre, les deux éperons des deux parties de la bâche étant diamétralement opposés par rapport à l'axe de la turbine-pompe. Principalement aux petits angles d'ouverture des aubes directrices, on observe dans le fonctionnement des turbines-pompes des poussées radiales très importantes, qui se traduisent à leur tour par des phénomènes vibratoires considérables des aubes directrices.Grâce à la disposition décalée de 1800 des deux parties de la bâche spirale et à l'utilisation des éperons diamétralement opposés, on obtient une disposition symétrique qui assure non seulement une utilisation avantageuse du volume disponible, mais également la compensation mutuelle des poussées radiales. Suivant une autre caracteristique de l'invention, dans le cas d'une seule roue à double flux pour les deux étages, les joints formés entre le dos commun des aubes des deux parties de la roue et la bâche et entre les deux couronnes d'aubes et la bâche sont fermés par des labyrinthes. Par ailleurs, les joints formés entre la couronne d'aubes de l'étage à basse pression dans les régions de ses périphéries intérieure et extérieure sont fermés par des labyrinthes et l'intervalle annulaire ainsi forme entre la bâche et la couronne d'aubes est en liaison avec la conduite d'arrivée de l'étage à haute pression par une conduite de pression. Etant donné qu'une seule roue à aubes forme les deux étages, la cloison commune formant le dos des aubes separe les deux etages l'un de l'autre.Il est donc nécessaire de prévoir dans tous les cas une bonne étanchéité dans la région de ce dos des aubes. Pour atténuer la poussée hydraulique axiale, qui s'exerce dans la direction allant de l'étage à haute pression à l'étage à basse pression, la couronne d'aubes de l'étage à basse pression est chargee par la pression hydraulique qui règne dans l'étage à haute pression au moyen d'une conduite de liaison, l'intervalle annulaire compris entre le corps et la couronne d'aubes de la roue devant naturellement être à cet effet isolée de l'extérieur à joint étanche. Lorsqu'on utilise une roue élémentaire pour chacun des deux étages, le palier-guide de l'arbre de la turbine-pompe est prévu entre les deux roues élémentaires et est constitué par un palier lisse à revêtement de caoutchouc et lubrifié par l'eau, l'eau de fuite de la demi-roue côté haute pression étant utilisée pour couvrir les besoins en eau de la lubrification du palier. Du fait que le palier-guide est interposé entre les deux roues élémentaires, l'encombrement de la turbine-pompe reste faible, même lorsqu'on prevoit une roue distincte pour chacun des deux étages. Par ailleurs, cet arrangement apporte d'une façonsimple la possibilité d'utiliser simultanément l'eau de fuite de la roue élémentaire côté haute pression pour la lubrification du palier-guide qui est, comme dans la technique connue et éprouvée, muni d'un revêtement de caoutchouc et lubrifié par l'eau. On donnera ci-apres une description détaillee d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en se refe- rant aux dessins annexés sur lesquels Les figures 1 et 2 sont des coupes axiales d'une turbine-pompe à deux etages suivant l'invention et elles repré sentent respectivement le cas d'une roue unique à deux couronnes d'aubes et le cas de deux roues élémentaires. La figure 3 est une vue de dessus de la bâche spirale et de son profil hydraulique. La figure 4 est une coupe partielle à plus grande échelle représentant une paire d'aubes directrices composées de deux parties. Dans l'exemple d'exécution representé sur la figure 1, la turbine-pompe à haute pression à deux étages suivant l'inven tion comprend une roue unique 1 à double flux pour les deux étages, ces deux étages 2, 3 présentant des aubes de roues placées dos à dos. La roue 1 est précédée par des paires d'aubes directrices 4, dans chacune desquelles une aube directrice 5 ou 6 est associée à un étage 2 ou 3. Les paires d'aubes directrices 4, dans chacune desquelles les deux aubes forment un organe d'un seul tenant, sont commandées chacune par un servo-moteur 7 qui est commun aux deux aubes. Les paires d'aubes 4 tourillon nent dans une couronne de vannage 8, qui joue également le rôle d'élément porteur pour la bâche 9.Cette bâche est en deux parties, la partie 10 étant prévue pour l'arrivée de l'veau à l'étage 2 et l'autre partie 15 pour l'arrivée de l'eau à l'étage 3. La liaison entre les deux parties 10, Il de la bâche 9 est assurée par le diffuseur de raccordement 12 et le coude 13. Dans le cas où la machine travaille en turbine, l'eau ou autre fluide sous pression penètre comme indiqué par la flèche T, dans la tubulure d'entrée 14 et dans la partie 10 de la bâche 4, pour atteindre le premier étage 2, puis passe dans le diffuseur de raccordement 12 et le coude 13 pour atteindre la partie 11 de la bâche et le deuxième étage 3 d'où elle sort par le tube d'aspiration 15 pour atteindre le niveau inferieur. Lorsque la machine travaille en pompe, l'écoulement de l'eau se produit exactement dans le sens inverse, comme indiqué par la flèche P. Etant donné que, du fait de la forme de la bâche, n'existe pas de conditions régulières d'écoulement le long de la périphérie, l'écoulement de l'eau dans la bâche engendre normalement des composantes de forces radiales. Suivant l'invention, le-s deux parties 10, 11 de la bâche 9 sont décalées de 1800, de sorte que les deux éperons 16 de ces parties 10 et 11 sont opposés diamétralement par rapport à l'axe de la turbine-pompe et que les composantes de forces radiales qui se manifestent s'annulent mutuellement. -Etant donné que la machine ne comporte qu'une seule roue 1 qui forme les deux étages 2, 3, la cloison commune formant les dos des aubes doit former un joint étanche sur sa circonférence extérieure à sa jonction avec le corps ou la couronne 8 de portee des aubes, afin que les deux étages 2, 3 soient isolés l'un de l'autre. On prévoit donc des joints à labyrinthes 19, 20 et également un joint à labyrinthe 21 dans la région des deux couronnes d'aubes 17, 18 et egalement un joint à labyrinthe 21 dans la région de la cloison commune.Pour contrebalancer la poussée axiale hydraulique qui agit dans la direction allant de l'étage à haute pression 2 vers l'étage à basse pression 3, la couronne d'aubes 18 de l'étage à basse pression 3 forme un joint étanche à sa jonction avec le corps d'une part sur le côté des aubes directrices, au moyen du joint à labyrinthe 20 et, d'autre part sur le côté du tube d'aspiration, au moyen du joint à labyrinthe 22, de sorte qu'il existe un espace annulaire fermé 23 enferme entre le corps et la couronne 18. Cet espace annulaire 23 est relié par une conduite de liaison 24 à la tubulure d'entree 14, de sorte que la couronne d'aubes mobiles 18 est ainsi chargée par la pression de l'étage à haute pression 2. La contrainte axiale résultante qui s'exerce sur la roue 1 et, de cé fait, sur la pivoterie (non représentée) logée dans l'alternateur, est ainsi considerablement atténuée. Le diffuseur de raccordement 12 porte le palier guide radial 26 de l'arbre 25, ainsi que le presse-garniture 27 qui établit le joint sur cet arbre. Contrairement à l'exemple de réalisation représente sur la figure 1, la turbine-pompe de la figure 2 comprend deux roues élémentaires 28, 29 montées sur l'arbre 25, chaque roue élémentaire materialisant un étage. Ici également, les aubes des roues sont dos à dos et la machine comprend des paires d'aubes directrices montées en tandem dans chacune desquelles les deux aubes sont respectivement associées à un étage. Ici également, le réglage des paires d'aubes directrices est assuré par des servo-moteurs 7 respectivement et individuellement associés aux diverses paires d'aubes et, de même, la construction et le montage de la bâche spirale sont sensiblement les mêmes que dans le cas de la roue à double flux.La seule différence qui distingue cette machine de celle de la figure 1 consiste dans le fait qu'elle comporte une couronne inférieure 30 qui porte le palier-guide 31, reporté entre les deux roues élémen- taires, dans lequel tourillonne l'arbre 25 de la turbine-pompe. Le presse-garniture 32 de l'arbre est naturellement placé à l'extérieur des roues et se trouve dans la région du diffuseur de raccordement 12. Le palier-guide 31 est constitué par un palier lisse à revêtement de caoutchouc et lubrifié par l'eau et l'veau de fuite de l'étage à haute pression 2 sert en même temps à lubrifier ce palier. Des labyrinthes 33 et 34 ferment les joints formes entre les deux roues 28, 29 et la couronne interieure 30. Les paires d'aubes directrices en tandem 4 ne sont pas d'une seule piece, mais chacune est composée de deux ou plus de deux pièces et les différents éléments de chaque paire sont accouplés par des liaisons verticales qui transmettent les efforts d'entrainement. Pour des raisons de facilité de fabrication et de montage, il est avantageux, dans la plupart des cas, de réaliser les pairles d'aubes directrices en deux parties et, à cet effet, comme indique par exemple sur la figure 4, les deux aubes directrices 5 et 6 d'une même paire 4 sont séparées l'une de l'autre dans la région du tourillon central 35 et les surfaces radiales qui forment le plan de joint sont en prise entre elles par une denture de crabot 36. L'aube 6 présente un perçage central 37 à travers lequel est enfilée une vis 38 formant tirant qui est vissée dans l'autre aube 5, et qui reunit les deux parties de la paire d'aubes en un organe d'un seul tenant en les serrant l'une contre l'autre. La division des paires d'aubes directrices en deux parties et le mode d'as-semblage adopté pour l'accouplement de ces deux parties ont pour avantage, non seulement d'éviter l'excitation et la transmission indésirables des vibrations, mais egalement de permettre de reporter l'opération d'assemblage de ces parties après leur montage dans la couronne de vannage, et de simplifier considérablement le montage et le démontage des aubes directrices. En depit de sa division en deux étages, la turbinepompe à haute pression suivant l'invention est extrêmement compacte, peu encombrante et accessible et par ailleurs capable de fournir d'excellentes performances et de supporter des charges extrêmes. REVENDICATIONS 1. Turbine-pompe à haute pression à deux étages équipée d'aubes directrices à chaque étage et caractérisée par le fait que, d'une façon connue en soi, les aubes (2 ou 3) de la roue d'un étage sont placées dos à dos par rapport aux aubes (3 ou 2) de la roue de l'autre etage, tandis que, également d'une façon connue en soi, les aubes directrices (5 ou 6) d'un étage sont réunies respectivement aux aubes directrices (6 ou 5) de l'autre étage de marnière à former des paires d'aubes (4) en tandem équipées chacune d'un mécanisme de réglage (7) commun aux deux aubes, chaque paire d'aubes étant composée de deux ou plus de deux parties qui sont accouplées pour la transmission des forces par des moyens qui s accouplent par un mouvement parallèle à la hauteur des aubes. 2. Turbine-pompe suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que chaque paire d'aubes (4) en tandem est divisée en deux parties dans la region de son tourillon central et par le fait que les surfaces radiales de ce tourillon qui forment le plan de joint sont en prise entre elles par une denture de crabot (36), les deux parties de la paire d'aubes étant serrées l'une contre l'autre par une vis (38) formant tirant, qui est enfilée dans un perçage central (37) de l'une des parties et visse dans l'autre partie. 3. Turbine-pompe suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait qu'elle comprend une bâche spirale (9) connue en soi, dont les deux parties respectivement affectées aux deux étages (2 et 3) sont décalées de 1800 l'une par rapport a l'autre, les deux éperons (16, 16) des parties de la bâche étant diamétralement opposés par rapport à l'axe (18) de la turbine-pompe. 4. Turbine-pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que, dans le cas ou elle comporte une seule roue à double flux (1) pour les deux étages (2, 3), les joints formés entre le dos commun des aubes des deux parties de lá roue et la bâche et entre les deux couronnes d'aubes (17, 18) et la bâche sont fermés par des labyrinthes (19, 20, 21). 5. Turbine-pompe suivant la revendication 4, carac terse par le fait que les joints formés entre la couronne d'aubes (18) de l'étage à basse pression (3) dans les régions de ses périphéries intérieure et exterieure sont fermés par des labyrinthes (20, 22) et par le fait que l'intervalle annulaire (23), ainsi formé entre la bâche et la couronne d'aubes, est en communication avec la conduite (14) d'arrive de l'étage à haute pression (2) par une conduite de pression (24). 6. Turbine-pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que, dans le cas où elle comporte une roue élémentaire (28, 29) pour chacun des deux étages (2, 3), le palier-guide (31) de l'arbre (25) de la turbine-pompe est prévu entre les deux roues elementaires et constitué par un palier lisse à revêtement de caoutchouc et lubrifié par l'eau dont les besoins en eau de lubrification sont couverts par l'eau de fuite de la roue élémentaire (28) de haute pression.