Brevet FR2309735A1 — publié le 19761126

La présente invention concerne un procédé de régulation de vitesse d'une turbine hydraulique et le dispositif pour sa mise en oeuvre. La constance de la vitesse de rotation d'une turbine résulte de 11 équilibre existant entre le couple moteur et le couple résistant. Le couple résistant étant fonction de la charge demandée à la turbine, le réglage est généralement fait au niveau du couple moteur. Parmi les dispositifs qui agissent sur le couple moteur, les plus répandus actuellement actionnent un ou plusieurs organes mobiles qui contrôlent l'admission d'eau ; d'autres, pratiquement abandonnés aujourd'hui, contre laient l'échappement. Compte tenu des effets hydro-dynamiques sur ces organes, l'appareil régulateur doit disposer d'une amplification d'efforts pour agir. Pour remédier à l'inconvénient constitué par cette amplification, la présente invention se propose de supprimer les organes mobiles de distribution et d'éviter l'amplificateur d'efforts en assurant la régulation de vitesse, par action non plus sur le débit hydraulique traversant la turbine, mais sur la densité du liquide en mouvement. Â cet effet, le procédé de régulation de vitesse consiste à agir sur la densité de l'eau en introduisant, à débit contrôlé, de l'air dans la veine liquide traversant la turbine. Cette disposition, qui consiste à régler le couple moteur de turbine1 par introduction contrôlée d'air dans la veine liquide, présente l'avantage d'éviter des organes complexes de régulation à l'admission. En effet, le réglage d'admission d'air n'exige que très peu d'efforts en comparaison de ceux nécessaires à l'admission d'eau, les effets de l'écoulement étant essentiellement liés à la masse spécifique du fluide en mouvement. De plus, l'introduction d'air à la pression atmosphérique est tout à fait possible, du fait de la dépression régnant dans la conduite, dépression due à l'écoulement Je l'eau dans un certain nombre d'installations. Dans les autres cas, il faudra disposer d'air sous pression. Selon une autre caractéristique, le dispositif de régulation de vitesse de turbine hydraulique pour la mise en oeuvre du procédé se compose d'un organe d'admission d'air, disposé dans la veine liquide, et d'une vanne de régulation du débit d'air asservie à la vitesse de rotation de la turbine. Ainsi, un dispositif tachymérique, actionné par exemple par la force centrifuge, règlera l'ouverture de vanne, la réduisant si la turbine tend à ralentir, l'augmentant Si la turbine tend à accélérer. Selon une autre caractéristique, l'organe d'admission d'air est disposé dans la branche aval du siphon lorsque ladite turbine est montée en syphon. Ainsi, la veine liquide traversant la roue de la turbine n'est pas modifiée dans sa nature et l'air atmosphérique peut pénétrer de lui-même. Selon une autre caractéristique, la vanne de contrôle de débit d'air est commandée directement par le signal issu du dispositif tachymétrique mesurant la vitesse de rotation de la turbine. Cette disposition résulte du faible effort nécessaire pour faire varier le débit d'air (limité d'ailleurs au couple d'ouverture de vanne) admis dans la veine fluide, qu'il s'agisse d'ailleurs d'y introduire l'air atmosphérique ou de l'air sous pression. Selon une autre caractéristique, l'organe d'admission d'air est constitué par l'arbre de la turbine formant conduit pour l'air et comportant, à l'intérieur de la veine liquide, au moins un orifice de distribution d'air et, à l'ex- térieur de la veine, au moins un organe d'introduction d'air à débit contrôlé. La façon dont l'air est admis à l'intérieur de la veine est réalisée en fonction de l'écoulement à l'aval de la roue afin d'assurer une bonne répartition de l'air dans ltensemble de la veine. Selon une autre caractéristique, l'organe d'introduction d'air à débit contrôlé est constitué par un manchon coulissant sur l'arbre de turbine formant conduit, ledit manchon étant couplé au-tachymètre et découvrant plus ou moins les orifices d'entrée d'air ménagés sur l'arbre. l'effort à exercer pour contr8ler l'ouverture de cette vanne est très faible et correspond uniquement au frottement du manchon sur l'arbre. De plus, un tel organe est facilement réalisable à l'aide d'un régulateur centrifuge commandant la translation du manchon. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé ci-après et à l'aide du mode de réalisation représenté Echématiquement sur les dessins, dans lesquels - la figure 1 est une vue en élévation schématique du dispositif installé sur une turbine, montée sur un siphon - la figure 2 est une coupe de détail du dispositif d'admission d'air dans l'arbre de turbine. La figure 1 représente une turbine basse chute. montée sur un siphon : la retenue d'eau est réalisée au moyen d'un barrage B assurant un niveau amont Ni, le niveau aval étant > N2. L'amont et l'aval sont mis en communication au moyen d'une canalisation C fonctionnant en siphon. A sa partie aval, cette canalisation est munie d'un diffuseur CA, immergé sous le niveau N2 pour que le siphon ne se désamorce pas. Les flèches 1 et 2 repr'- sentent le sens d'écoulement de l'eau à l'entrée et à la sortie de la canalisation C. Dans sa partie médiahe, et de façon préférentielle en partie haute, située hors d'eau, se situe la roue motrice R de turbine assurant la transformation de l'énergie hydraulique en énergie mécanique.Cette roue R transmet sa rotation à un engrenage E par l'intermédiaire d'un arbre A portant sur au moins un palier P au niveau de la traversée de la canalisation C. La partie Ai de l'arbre se trouve donc à l'intérieur de la veine fluide (c'est-à-dire à l'intérieur de la canalisation C) la partie A2 de cet arbre se trouvant à l'extérieur de la veine liquide. La puissance recueiilie sur la roue motrice R est fonction de la dénivelée existant entre les niveaux amont N1 et aval Tut2, du débit traversant la roue R et de la densité du liquide s'écoulant dans la canalisation C. La régulation de la vitesse de la roue motrice peut donc s'effectuer en agissant sur chacun de ces facteurs : le présent procédé consiste à agir sur la densité du liquide parcourant la canalisation C. Pour ce faire, l'arbre A de la turbine est percé selon son diamètre sur une partie de sa longueur et comport à l'extérieur de la veine fluide, un ensemble d'orifices 3 des tinés à l'introduction d'air dans le conduit à l'intérieur de l'arbre ; l'arbre comporte également un ensemble de perforations 4, pouvant être complété par un dispositif de diffusion adapté à l'écoulement propre à la roue motrice employée, côté veine liquide destinées à la répartition de l'air ; cette introduction d'air modifie la densité du fluide s'écoulant entre les niveaux Ni et N2, ce qui modifice l'énergie disponible au niveau de la roue R et assure la régulation de vitesse de cette dernière.Bien entendu, pour qu'il y ait régulation de la vitesse de la roue, il convient d'admettre, à l'intérieur de la veine liquide, un débit d'air contrôlé et fonction du paramètre que l'on désire réguler ; pour ce faire, un tachymètre T est disposé en bout d'arbre et commande, par l'intermediaire d'une vanne, décrite à la figure 2, le débit d'air introduit à l'intérieur de l'arbre par les orifices 3. La figure 2 montre, plus en détail, le dispositif d'admission d'air dans l'arbre : l'arbre étant repéré A, et le conduit de circulation d'air à l'intérieur de l'arbre étant repéré 0, l'air atmosphérique est admis dans le conduit par les orifices oblongs 3. Ces orifices 3 sont susceptibles d'être obturés par un manchon M coulissant sur l'arbre A ; le mouvement de ce manchon M est commandé par les biellettes R, solidaires du tachymètre T. Le tachymètre, disposé en bout d'arbre, assurepar l'intermédiaire de ces biellettes B, la translation du manchon coulissant M en découvrant plus ou moins les orifices 3 d'entrée d'air dans le conduit de l'arbre de turbine. Ce dispositif de régulation est mis en oeuvre dans les deux figures décrites ci-dessus, sur un arbre horizontal de turbine, montée sur un siphon, mais il peut également titre installé sur une turbine immergée ou sur une trubine à axe vertical ou incliné ; l'admission d'air peut également s'effectuer à travers la paroi du conduit hydraulique. D'autre part, le tachymètre peut revêtir diverses formes de réalisation(électrique ou à pression d'huile, ou électronique) sans pour cela sortir du cadre de l'invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10) Procédé de régulation de vitesse d'une turbine hyraulique, caractérisé en ce qu'on agit sur la densité le l'eau en introduisant, à débit contrôlé, de l'air dans la veine liquide traversant la turbine. 20) Dispositif de régulation de vitesse de turbine hydraulique pour la mise en oeuvre du procédé décrit à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se compose d'un organe d'admission d'air, disposé dans la veine liquide et d'une vanne de régulation du débit d'air, asservie à la vitesse de rotation de la turbine. 30) Dispositif de régulation de vitesse de turbine hydraulique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe d'admission d'air est disposé dans la branche aval du siphon sur lequel est montée ladite turbine. 40) Dispositif de régulation de vitesse de turbine hydraulique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vanne de contrôle de débit d'air est commandé directement par le signal issu du dispositif tachymétrique mesurant la vitesse de rotation de la turbine. 50) Dispositif de régulation de vitesse de turbine hydraulique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe d'admission d'air est constitué par l'arbre de la turbine formant conduit pour l'air sous pression et comportant, à l'intérieur de la veine liquide, au moins un orifice de distribution d'air et, à l'extérieur de la veine, au moins un organe d'introduction d'air à débit contralé. 60) Dispositif de régulation de vitesse d'une turbine hydraulique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'organe d'introduction d'air à débit contrôlé est constitué par un manchon coulissant sur l'arbre de turbine formant conduit, ledit manchon étant couplé au tachymètre et dévourant plus ou moins les orifices d'entrée d'air ménagés sur l'arbre.