Brevet FR2353775A1 — publié le 19771230

Les installations hydro-électriques de haute chute équipées de turbines-pompes mono ou multi-étages posent des problèmes difficiles à résoudre pour leur mise en service. En effet, pour de telles machines comprenant des distributeurs fixes, le démarrage, la mise en vitesse et la synchronisation se font lors de la marche en turbine, dans des conditions plus délicates que les machines équipées de distributeurs réglables. La régulation nécessaire est obtenue par action sur une vanne de garde qui n t est ouverte que partiellement ou sur un by-pass de cette vanne. Cette méthode présente l'inconvénient dtintroduire des dissymétries importantes et de ne permettre qu'un réglage très grossier. Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé d'utiliser des vannes spéciales de type sphérique. La présente invention concerne une telle vanne sphérique destinée à être placée à 11 amont d'une pompe-turbine hydro-électrique équipée d'au moins un distributeur fixe, vanne comprenant un obturateur tournant dans un corps et au moins deux joints mobiles agissant entre le corps et ltobturateur et permettant, lorsque itobturateur est en position de fermeture, le premier d'assurer la fermeture étanche de la vanne, le deuxième de régler la valeur de la pression d'eau régnant à l'aval de la vanne par action sur sa position, caractérisée en ce que la course du second joint est limitée dans le sens de fermeture par une butée de telle façon que ce joint n'appuie jamais contre l'organe opposé de la vanne et laisse entre eux un jeu suffisant autorisant la rotation de l'obturateur, même si le second joint occupe sa position la plus fermée. La course des joints qui assurent l'étanchéité d'une telle vanne peut être augmentée sensiblement, de telle façon que l'un d'eux fonctionne aussi comme organe de réglage du débit et remplace en quelque sorte le distributeur mobile qui manque sur ces machines. L'expérience montre que ce procédé est meilleur que celui consistant à ouvrir partiellement la vanne de garde, l'action du joint étant symétrique par rapport à l'axe de la conduite. Une fois le démarrage effectué, le réglage de la position du joint peut encore permettre de régler la vitesse et donc de faciliter la synchronisation de la machine sur le réseau électrique. Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution de la vanne de l'invention. La fig. i représente une installation hydraulique comprenant la vanne placée à l'amont d'une pompe-turbine. La fig. 2 est une coupe longitudinale de la vanne sphérique représentée à la fig. 1, à plus grande échelle. Plus précisément, l'installation selon la fig. i comprend une première conduite forcée 1 reliant le bassin d'accumulation à la vanne 11 objet de l'invention, une seconde conduite 30 reliant cette vanne au groupe hydroélectrique 31 dont la sortie 32 débouche dans le bassin aval. L'installation comprend en outre d'autres organes, non représentés au dessin, nécessaires lors du fonctionnement de l'installation en pompe. Pour le démarrage en turbine, on ouvre légèrement la vanne 11 de façon que le débit qui la traverse permette de démarrer la machine, puis de la maintenir en rotation à une vitesse voisine ou égale à celle de synchronisation. Cette vitesse obtenue, l'alternateur peut être synchronisé sur le réseau électrique. Dès cet instant, la vanne 11 peut être ouverte en grand, l'installation travaillant en turbine à pleine charge. Selon un procédé connu, l'ouverture partielle de la vanne 11 peut être réalisée par le joint lui-même dont l'effacement peut être réglé à volonté. La vanne représentée à la fig. 2 comprend les pièces principales suivantes : la conduite forcée amont 1, le corps de la vanne 11, la conduite forcée aval 30, l'obturateur 27 qui peut pivoter par rapport au corps autour d'un axe 29. Un premier joint amont 2 permet d'assurer l'étanchéité de la vanne et un second joint aval 12 peut être commandé pour réaliser l'ouverture partielle de la vanne. Mais pour éviter que ce joint ne perturbe le fonctionnement de sécurité de la vanne, son déplacement axial est limité dans le sens de la fermeture. Ainsi, même si ce joint reçoit, par l'intermédiaire de son dispositif de commande, un ordre, peut-être intempestif, tendant à le mettre dans sa position de fermeture, celle-ci ne gêne pas la rotation de l'obturateur et la mise en fermeture de la vanne fonctionnant alors comme organe de sécurité, l'étanchéité étant obtenue par le joint amont. I1 subsiste entre la surface 23 extrême du joint aval 12 et la surface correspondante 24 de l'obturateur, dont la forme générale est sphérique, un jeu suffisant lui permettant de tourner. Le fonctionnement de sécurité de la vanne exige que sa fermeture soit autoclave en ce sens que l'énergie nécessaire à cette manoeuvre provienne de la conduite amont elle-même, ceci aussi bien pour la rotation de l'obturateur que pour appliquer le joint d'étanchéité. Mais le fonctionnement de la vanne pour assurer les opérations de mise en service de la turbine ne peut être obtenu valablement qu'au moyen d'un circuit de commande à huile sous pression, puisqu'il comprend un tiroir de distribution et un servo-moteur. Or, de telles alimentations en huile sous pression peuvent être momentanément défaillantes. La vanne représentée à la fig. 2 permet d'assurer sans réserve la double mission de sécurité et de réglage. En position fermée, pour assurer l'étanchéité de la vanne, il suffit de manoeuvrer le robinet à trois voies 7 de façon à mettre par l'intermédiaire de la conduite de fermeture 6, la chambre 4 du joint 2 sous pression. Ce joint est alors déplacé de droite à gauche jusqu'à ce que sa surface active 26 appuie contre le siège du joint amont 25 porté par l'obturateur 27. La pression nécessaire à cette manoeuvre provient de la conduite elle-même par l'intermédiaire du conduit 9 et du filtre intermédiaire 8. De même, le moteur de commande 17 qui porte une vis est mis en rotation pour provoquer le mouvement de fermeture du joint aval 12. Cette commande agit par i'intermédiaire du balancier de commande 22 qui provoque le déplacement de l'axe du piston 18 du tiroir de distribution 16, La pression d'huile en provenance d'une alimentation 15 arrive, d'une part, dans la petite chambre de manoeuvre 14 du joint aval 12 agissant dans le sens d'ouverture, et à travers le tiroir de distribution 16 dans la grande chambre 15 de ce'joint agissant dans le sens de fermeture. Ce joint est déplacé de gauche à droite jusqu a ce qu'il bute contre un épaulement interne. Dans cette position, il subsiste entre les surfaces 25 et du joint 24 et de l'obturateur 27 un jeu suffisant lui permettant de pivoter autour de son axe 29. Pour provoquer le démarrage de la turbine, on agit d'abord sur le joint amont par l'intermédiaire du robinet à trois voies 7 en mettant à l'échappement la chambre 4; le joint 2 est retiré, ce qui entraîne la mise sous pression du corps de la vanne 11, l'eau s'écoule à travers celle-ci en contournant l'obturateur 27, passe par la lumière existant entre lui et la surface 23 du joint aval 12, arrive dans la turbine et tend à la faire démarrer. Ce démarrage se produit si la pression régnant dans la conduite 30 est suffisante. Pour augmenter cette pression, il convient de retirer d'une certaine quantité le joint 12, ce qui peut être fait par l'intermédiaire de sa commande. En effet, un déplacement du moteur 17 dans le sens voulu entrain un déplacement correspondant du piston du tiroir de distribution 16, ce qui provoque l'ouverture du joint 12 qui se déplace de droite à gauche. Par le jeu de l'asservissement constitué par la tige 19 de prise de mouvement de ce joint, du levier double 20, de la bielle intermédiaire 21 et du balancier de commande 22, il correspond à chaque position du moteur 17 une position du joint 12, l'ensemble constituant un système asservi. A chaque position du joint 12, compte tenu de la vitesse de rotation de la machine, correspond un état de pression régnant dans la conduite 30 et dans la turbine. Lorsque la pression est suffisante, la machine démarre et monte en vitesse, le débit est laminé par la lumière. En retirant de plus en plus le joint, la vitesse augmente. Il est donc possible, en agissant sur la position de. ce joint, de régler la vitesse de rotation du groupe pour le synchroniser. Cette opération terminée, les deux joints sont complètement retirés et l'obturateur est ouvert en grand. Il pivote alors de 900 autour de son axe 29, son cylindre de passage 28 se trouvant alors aligné avec les conduites forcées 1 et 30. La turbine travaille à pleine charge. De nombreuses variantes de la forme d'exécution décrite peuvent être envisagées. L'installation, au lieu de comprendre une seule vanne, pourrait en comprendre, par exemple, deux disposées en série, la vanne la plus à l'amont constituant alors un organe de sécurité et de réserve permettant, sans avoir à vidanger la conduite sous pression, l'entretien et le démontage de la vanne aval toujours utilisée et sujette à l'usure. Le dessin est très schématique et simplifié. Il est évident que les divers conduits représentés sont équipés de robinetteries diverses permettant le nettoyage du filtre et les démontages de certains organes. L'installation de commande du second joint a été dessinée sous la forme d'un dispositif hydro-mécanique. Il est évident qutil pourrait être remplacé par un autre dispositif de commande avec, par exemple, un asservissement électrique. De même, au lieu d'utiliser un moteur 17 entraînant une vis, on pourrait envisager l'utilisation d'autres organes, comme, par exemple, une bobine électromagnétique dont la position du noyau dépend de la valeur du courant électrique la traversant. Il va de soi que les manoeuvres de l'obturateur sont effectuées par des servo-moteurs hydrauliques selon des procédés habituels. La fermeture peut être assurée par un vérin à eau alimenté par la conduite amont ou encore par un contre-poids. Tous ces éléments bien connus ntont pas été représentés au dessin. La vanne sphérique peut comprendre plus de deux joints. En effet, il est possible de monter dans la bride amont deux joints dont l'un de réserve pourrait être commandé mécaniquement. Ehfin, un ou plusieurs des joints de la vanne pourraient être montés sur l'obturateur et assumer les mêmes fonctions. Revendications 1. Vanne sphérique destinée à être placée à l'amont d'une pom- pe-turbine hydroélectrique équipée d'au moins un distributeur fi xe, vanne comprenant un obturateur tournant dans un corps et au moins deux joints mobiles agissant entre le corps et l'sn'uratel~r et permettant, lorsque l'obturateur est en position de fermeture, le premier d'assurer la fermeture étanche de la vanne, le deuxi- me de régler la valeur de la pression d'eau régnant à l'aval de la vanne par action sur sa position, caractérisée en ce que la course du second joint est limitée dans le sens de fermeture par une butée, de telle façon que ce joint n'appuie jamais contre l'organe opposé de la vanne et laisse entre eux un jeu suffisant autorisant la rotation de l'obturateur même si le second joint occupe sa position la plus fermée. 2. Vanne sphérique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des circuits hydrauliques de commande des deux joints mobiles complètement séparés l'un de l'autre. 3. Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le premier joint est commandé par la pression d'eau régnant dans la conduite à l'amont de la vanne. 4. Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le second joint mobile est commandé par un circuit d'huile sous pression. 5. Vanne selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'installation de commande du second joint mobile comprend un élément qui mesure la vitesse de rotation de la turbine et agit sur la position de ce joint, de façon à régler automatiquement cette vitesse.