Brevet FR2327446A1 — publié le 19770506

La présente invention concerne un frein hydraulique pour groupes de pompage de centrales à eau destiné a empêcher l'emballement du rotor de la pompe et du rotor de son moteur d'entraînement en cas de fuite dans les tuyauteries reliant la pompe à la chaudière de la centrale. On sait que dans certaines centrales à eau on établit une circulation de l'eau de refroidissement entre le bas et le haut de la chaudière ou de la cuve. Une canalisation prélève liteau de refroidissement vers la base de la chaudière ou de la cuve où elle se trouve maintenue à une pression élevée, de l'ordre par exemple d'une centaine de bars. Cette canalisation dirige l'eau vers une pompe située à l'extérieur de la cuve ou de la chaudière. Cette pompe refoule liteau maintenue sous pression vers le haut de la cuve ou de la chaudière grâce à une canalisation reliant la pompe avec le haut de la cuve ou de la chaudière. Dans le haut de la cuve ou de la chaudière l'eau se trouve portée à une pression d'une dizaine de bars plus élevée. La pompe mise en oeuvre est en général du type centrifuge.Son rotor est mis en mouvement par le rotor du moteur électrique du groupe de pompage, de sorte que les deux rotors sont entraînés par deux arbres situés dans le prolongement l'un de l'autre, réunis par un dispositif d'accouplement. En raison de la pression élevée de liteau circulant dans les deux canalisations reliant la pompe et la cuve ou la chaudière, une rupture de canalisation est possible et peut entraîner des suites d'une extrême gravité. En cas de rupture de la canalisation de refoulement à la sortie de la pompe, cette dernière cesse d'exercer son rôle normal : l'eau provenant de la base de la cuve ou de la chaudière à pression élevée entraînera le rotor à vitesse plus élevée. La pompe se met à fonctionner en turbine et entraîne à son tour le rotor du moteur électrique en survitesse.Un éclatement des rotors est à craindre ; l'éclatement du rotor électrique est alors susceptible de provoquer une déchirure dans la cuve et dans son système de sécurité. Dans le cas d'une rupture de la canalisation d'aspiration, l'eau du haut de la cuve ou de la chaudière actuellement sous pression très élevée vient agir à contresens sur le rotor de la pompe. Celle-ci s'arrête puis repart en sens inverse entraînant encore une fois le rotor du moteur électrique en survitesse. De sorte que dans les deux cas, il est indispensable de mettre en oeuvre un dispositif de freinage de l'arbre commun afin d'empêcher l'éclatement des rotors. Le fonctionnement du groupe de pompage a été décrit ci-dessus en supposant que la pression qui doit régner dans le haut de la cuve (ou de la chaudière) doit être supérieure d'une dizaine de bars à celle qui existe à la base de la cuve (ou de la chaudière). Il va de soi que lorsque la pression la plus élevée doit être maintenue dans la partie inférieure de la cuve (ou de la chaudière), le fonc tionnement et le rôle de la pompe restent les mêmes, au sens de rotation près. tes risques d'éclatement des rotors demeurent les memes et les accidents qu'ils entra ment présentent la meme gravité. tes risques subsistent d'ailleurs quelle que soit la différence de pressions entre le haut et le bas de la chaudière ou de la cuve dès lors que la pression à l'intérieur de la chaudière ou de la cuve demeure très elevée. Le but de la présente invention a été de réaliser un dispositif de sécurité particulièrement fiable, assurant en cas d'emballement des rotors un freinage progressif exempt "d'à-coups" susceptib1es d'entratner une rupture d'arbre ou du dispositif d'accouplement. L'objet de l'invention est donc un frein hydraulique pour groupe de pompage de centrale à eau monté en bout d'arbre du moteur d'entratnement, caractérisé en ce qu'il est constitué par - une capacité cylindrique fixe dont l'arbre est confondu avec l'axe de l'arbre moteur, dotée d'ailettes radiales fixes réparties de façon régulière dans des plans parallèles à l'arbre autour de celui-ci, délimitant au centre de la capacité un volume cylindrique vide, - une roue à aubes solidaire de l'arbre de rotation tournant à l'intérieur du volume vide délimité par les ailettes, - un col de cygne alimentant axialement la capacité cylindrique en fluide de freinage, - un réservoir contenant le liquide de freinage relié par le col de cygne à la capacité fixe, - un organe de réglage du débit du fluide de freinage, - un réservoir de gaz sous pression, relié au réservoir du fluide de freinage par une canalisation dotée d'une vanne à ouverture rapide, - un dispositif de détection de survitesse agissant sur la vanne ouverte rapide. La vanne à ouverture rapide peut être une électrovanne à ouvertures par manque de tension. Ce peut être également une vanne à commande par explosif. En tout etat de cause, l1ouverture de la vanne doit être fiable et très rapide. Le caractèré avantageux de la présente invention sera mieux compris en se reportant à la description qui va suivre, en référence à - la figure I représentant un schéma de principe du dispositif selon 1 'inven- tion, - la figure 2 exposant schématiquement un exemple de realisation. Dans la figure 1 on a représenté en 1 la canalisation d'entrée de liteau sous pression provenant de la base de la cuve (ou de la chaudière). En 2 se trouve la pompe centrifuge entratnée par le moteur électrique 3 grâce à l'arbre 4 du rotor de la pompe, couplé à l'arbre du rotor 5 par l'intermédiaire d'un dispositif d'accouplement 6. L'eau entraînée par la force centrifuge sort par la canalisation 7 vers le-haut de la cuve ou de la chaudière (non représentée). Le dispositif faisant l'objet de l'invention est monté en bout de l'arbre 5, au-dessus du moteur 3. Il comprend une capacité cylindrique fixe 8 dont l'axe est confondu avec le prolongement 9 de l'arbre moteur 5. Cette capacité est reliée au réservoir à fluide de freinage 11 par l'intermédiaire d'une canalisation coude 12 formant un col de cygne entre le réservoir il et la capacité 8. Une canalisation 14 relie le réservoir il à un réservoir de gaz 15 maintenu sous pression élevée et fermé par une vanne 16 à ouverture très rapide commandée par un dispositif de detection 17 chargé de déceler une fuite de canalisation et qui peut être tres simplement un manomètre différentiel disposé dans la cuve du réacteur ou un tachymètre monté sur l'arbre tournant.La capacité 8 contient des ailettes 18 solidaires de la paroi 19 de la capacité 8t Ces ailettes sont disposées radialement autour de l'arbre dans des plans parallèles à l'axe de l'arbre. Elles délimitent intérieurement un volume cylindrique vide 21 au sein duquel est monté une roue à aubes 22 dont les aubes 23 sont susceptibles de touner en passant devant les ailettes 18. Un organe de réglage du débit du fluide de freinage 24 permet de cor mander directement le débit de ce fluide. Cet organe peut également être disposé sur le débit du gaz injecté dans le réservoir 11, il règle alors également le débit de ce fluide de freinage mais de manière indirecte en agissant sur la pression appliquée à l'intérieur du réservoir 11. Le fond de la capacité 8 est percé d'une ouverture 25 pour permettre le passage de l'arbre 9 doté d'un moyen d'étanchéité 26. Une canalisation 27 a éte prévue pour permettre l'évacuation du liquide de freinage éventuellement vaporisé par la chaleur dégagée par l'action de freinage. Cette canalisation peut également intervenir comme trop-plein. Le fonctionnement du dispositif se comprend aisément : lors d'une rupture de la canalisation 1 ou de la canalisation 7, le rotor de la pompe alimenté par un liquide sous pression élevée se met à fonctionner en turbine. Etant donné l'importance de la pression de l'eau contenue dans la cuve ou dans la chaudière, la vitesse de rotation du rotor de la pompe et du rotor du moteur électrique d'entraînement devient très rapidement prohibitive. L'eclatement des rotors est à craindre. L'éclatement du rotor du moteur électrique en particulier est susceptible de percer la cuve ou la chaudiere et de cisailler divers organes. Cette rupture de canalisation est détectée par le dispositif de détection 17 qui commande ltouverture de la vanne à ouverture rapide 16 qui peut être une électrovanne à ouverture par manque de tension. Le fluide de freinage contenu dans le réservoir 11 est chassé par le gaz sous pression provenant du réservoir 15 vers la capacité 8 dans laquelle il pénètre axialement par le haut. L'arbre moteur 9 solidaire des deux rotors vient de se mettre à tourner en sur-régime, l'injection du liquide de freinage dans la capacité 8 a tendance à exercer un coup le résistant sur les aubes 23 qui viennent de se mettre à tourner en sur-régime a la vitesse des rotors.Le niveau du liquide de freinage augmente progressivement dans la capacité 8 et finalement les aubes 23 tournent entièrement dans le liquide de freinage. Le couple resistant exercé atteint alors son maximum et freine énergiquement la rotation des rotors. Le remplissage de la capacité s'effectue de façon progressive de sorte que le freinage augmente également de façon progressive sans faire apparattre les " -coups" qui prennent naissance dans un système à freinage mécanique ou dans un dispositif à embrayage à disques. I1 peut être avantageux de faire varier cette loi de progressivité en fonction de conditions extérieures. Dans ce but, un dispositif de réglage du débit 24 est interposé soit directement sur le passage du fluide de freinage soit sur la canalisation du gaz de pressurisation. Le dispositif de réglage de débit a été constitué notamment par un diaphragme à ouverture variable interposé sur le passage du gaz entre le réservoir à gaz 15 et le réservoir 11. Lorsque la quantité d'énergie à absorber par freinage est très importante, le fluide de freinage s'échauffe et ss'évaporepartiellement. La vapeur s'échappe par la canalisation 27. La roue à aubes 22 étant calée sur l'arbre moteur tourne en permanence même en fonctionnement normal en dehors de tout incident. Suivant la nature du fluide de freinage utilisé, l'intervalle entre les aubes 23 et les ailettes 18 peut être très faible. Dans ces conditions, le frottement permanent de l'air consomme en régime normal une énergie non négligeable. Pour éviter ces pertes, la capacité 8 est alors maintenue sous pression réduite par une pompe à vide exterieure reliée à une canalisation telle que 27. Le dispositif de réglage du débit 24 comprend alors une vanne d'étanchéité commandée en même temps que l'électrovanne 16. Le signal d'alerte provenant de l'appareil de détection 17 parvient en même temps à l'électrovanne 16 et à la vanne d'etanchéite disposée au sein du dispositif de réglage du débit 24.On obtient également un résultat avantageux en remplissant en régime normal la capacité 8 avec de I'hydrogène ou de l'hélium sous pression normale. L'avantage est qu'il n'est pas nécessaire de maintenir de vide dans la cavité et l'appareil de réglage du débit 24 ne contient plus de vanne d'étanchéité. L'hydrogène ou l'hélium peut être injecté par une canalisation telle que 27. La figure 2 correspond à un exemple de réalisation représenté schématiquement en coupe verticale. Les éléments remplissant les mêmes fonctions que dans la description précédente sont repérés par les mêmes numéros que dans la figure 1. On note d'abord que le dispositif se présente de façon plus compacte. Ainsi la capacité 8 possède un fond solidaire de la partie supérieure du moteur d'centrale nement. I1 en résulte que l'on peut éviter les joints d'étanchéité 26 du schéma de principe. La roue à aubes 22 est réalisée de façon très robuste. Elle présente donc une masse non négligeable et joue le rôle du volant à l'égard du moteur électrique d'entraînement 3. L'extrémité périphérique des aubes 23 est proche des ailettes 18. Le fluide de freinage utilisé dans les premières expériences était de l'eau ordinaire. Pour réduire l'inertie du système de sécurité, le réservoir 11 contenant l'eau est disposé immediatement au-dessus de la capacité 8. La corinunication entre ces deux chambres est assurée par le col de cygne 28. Le réservoir à gaz communique avec le réservoir 11 par l'intermédiaire d'une électrovanne 16 à ouverture rapide reliée elle-meme à un détecteur de vitesse 17. L'organe de commande 17 de la vanne à ouverture rapide 16 a été avantageusement constitué par un tachymètre branché sur l'arbre moteur 5 qui commande l'ouverture de la vanne lorsque la vitesse de rotation du moteur dépasse un certain seuil. L'organe. de réglage 24 du débit de fluide de freinage agit dans le cas présent sur le débit du gaz mettant le réservoir 11 sous pression. Il est constitué par un diaphragme à ouverture variable. A la place de l'eau qui se vaporise assez facilement, divers autres fluides de freinage ont été utilisés. Plus particulièrement des résultats très avantageux ont été obtenus avec une huile à forte viscosité (viscosité Engler 38), comme par exemple l'huile de commerce BP Energal GR 500. Pour obtenir un effet plus progressif de freinage on a également utilisé une huile à coefficient de viscosité négatif dont la viscosité Engler double lorsque la température de l'huile monte de 50 à 1000C. On obtient ainsi un effet de stabilisation très marqué du freinage avec l'huile de commerce Kalor HGA 8 MP de Grevaert et Matthys. Bien que le dispositif qui vient d'être décrit paraisse le plus avantageux pour la mise en oeuvre de l'invention dans une situation technique particulière, on comprendra que diverses modifications puissent lui être apportées en fonction notamment de la viscosité des huiles utilisables dans le dispositif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1/ Frein hydraulique pour groupe de pompage de cantrale à eau, monte en bout d'arbre du moteur d'entratnement dudit groupe de pompage, caractérisé en ce qu'il est constitué par : - une capacité cylindrique fixe (8) dont l'axe est confondu avec l'axe de l'arbre moteur (5), dotée d'ailettes radiales fixes (18) réparties de façon régulière dans des plans parallèles à l'arbre autour de celui-ci, délimitant au centre de la capacité un volume cylindrique vide (21), - une roue à aubes (22) solidaire de l'arbre de rotation tournant à l'intérieur du volume vide (21) délimité par les ailettes (18), - un col de cygne (12) alimentant axialement la capacité cylindrique (8) en fluide de freinage, - un réservoir (11) contenant le liquide de freinage relié par le col de cygne (12) à la capacité fixe (8), - un organe de réglage du débit (24) du fluide de freinage, - un réservoir de gaz (15) sous pression, relié au réservoir du fluide de freinage (11) par une canalisation (14) dotée d'une vanne à ouverture rapide (16), un dispositif de detection de survitesse (17) agissant sur la vanne à ouverture rapide (16). 2/ Frein hydraulique pour groupe de pompage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de freinage mis en oeuvre est une huile à coefficient thermique de viscosité négatif dont la viscosité augmente avec la température de l'huile. 3/ Frein hydraulique pour groupe de pompage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité (8) est remplie de gaz léger pendant le fonctionnement normal du groupe de pompage. 4/ Frein hydraulique pour groupe de pompage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité (8) est reliée a un organe à vide pendant le fonctionnement normal du groupe de pompage. 5/ Frein hydraulique pour groupe de pompage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir (11) est placé immédiatement au-dessus de la capacite (8), la paroi supérieure de la capacité (8) faisant corps avec la paroi inférieure du réservoir (11). 6/ Frein hydraulique pour groupe de pompage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le col de cygne (28) est immergé partiellement dans le fluide de freinage. 7/ Frein hydraulique pour groupe de pompage selon la revendication 6, carac térisé en ce que l'organe de réglage du débit de fluide de freinage est un diaphragme réglable disposé entre le réservoir de gaz (15) et le réservoir de fluide de freinage (11). 8/ Prein hydraulique pour groupe de pompage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la vanne (16) à ouverture rapide est une électrovanne à ouverture par manque de tension. 9/ Frein hydraulique pour groupe de pompage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la vanne (16) à ouverture rapide est une vanne à commande par explosif. 10/ Frein hydraulique pour groupe de pompage selon la revendication 5, carac térisé en ce que la roue à aubes (22) joue le rôle de volant à l'égard du groupe de pompage.