Brevet FR2361551A1 — publié le 19780310

L'invention concerne une turbine hydraulique à axe vertical, avec roue mobile, volant, génératrice et pompe à huile pour le réglage de la puissance. Il existe déjà des turbines hydrauliques de faible et de moyenne puissance pour la production de courant dans lesquelles, pour des raisons économiques, la turbine hydraulique et la génératrice de courant sont placées l'une au-dessus de l'autre sur un axe vertical. On connaît une turbine à axe vertical dont l'arbre est monté en deux points, la turbine et le volant étant montés sur le même arbre. Un régulateur pour la commande automatique de puissance est raccordé de la manière habituelle par des pignons coniques. Une génératrice en série est accouplée par l'intermédiaire d'un embrayage. Ce mode de construction est adopté habituellement jusqu'à des puissances de 100 ch. Par ailleurs, on connaît des turbines à axe vertical dans lesquelles la roue mobile est montée sur l'arbre prolongé de la génératrice.Ces modèles ne sont connus que pour des machines à courant continu, et notamment pour des machines de faible puissance à réglage manuel. Ces machines sont produites pour des -puissances de l'ordre de 10 kw. On connaît d'autre part un mode de réalisation dans lequel la roue mobile de la turbine, un volant et le rotor de la génératrice sont montés sur un unique arbre vertical. Certaines des machines connues n'offrent aucune possibilité de réglage et d'autres, où ces possibilités existent, prennent beaucoup de place, surtout par leur étendue en hauteur ou en direction latérale. Toutes les machines entrassent des frais de construction relativement élevés, car l'entrainement du système de régulation nécessite une prise de force particulière à partir de l'axe et il faut prévoir un mécanisme propre d'axeset de commandes avec ses propres paliers et les transmissions structurales néces salves à cet effet. Ces formes de construction ont été conçues principalement pour des installations auxiliaires ou intérieures et pour des installations à faible puissance, imposant donc de moindres exigences quant à la précision de la régulation.Il est à prévoir qu'on aura surtout besoin, dans l'avenir, de groupes à grande et à moyenne puissance, pour lesquels une large aptitude au réglage et une grande précision sont nécessaires, car on doit s'attendre, par exemple dans les installations pour l'alimentation de villages ou similaires, à ce que des variations appréciables de la puissance débitée surviennent à intervalles rapides, du fait par exemple d'émissions de télévision et d'évènements semblables à l'origine de mises en circuit et hors circuit multiples et simultanées. D'autre part, il est nécessaire que ces installations soient construites sous forme très compacte et à l'abri des pannes, et qu'elles soient faites dans toute la mesure du possible de peu d'éléments individuels et de peu de transmissions, afin que les réparations puissent être limitées au minimum.En cas de réparations nécessaires, un service doit pouvoir être exécuté rapidement et facilement. Or, dans les installations connues jusqu'ici, il existait une grande quantité de transmissions et d'accouplements qui, par construction, exigent des opérations fréquentes d'entretien et de réparation. La présente invention élimine ces inconvénients par le fait que la turbine, le volant, la génératrice et la pompe à huile pour lé réglage de la puissance, ainsi que l'indicateur de régulation sont montés sur un arbre rigide qui s'étend d'une extrémité à l'autre, Etant donné que tous les éléments entraînés seront raccordés directement à un arbre, il n'y a pas besoin de prise de force séparée pour le réglage. On évite les transmissions qui représentent des frais élevés de construction et qui sont surtout sujettes aux dérangements. Stant doriné qu'une prise de force séparée pour un système de réglage n'est pas nécessaire, non plus qu'une transmission, l'encombrement en hauteur du groupe peut être maintenu dans des limites réduites. D'après la proposition de l'invention, la régulation sera effectuée avec une pompe à huile. La pompe à huile a un faible encombrement et peut entre montée directement sur l'arbre de la turbine. En outre, une commande par huile peut être construite de manière à être facilement accessible et commodément entretenue. Il est proposé en particulier que la pompe à huile soit montée sur la surface supérieure de la génératrice. A cet endroit, elle est facilement accessible. De plus, il est proposé que le réservoir d'huile soit placé sur la- surface supérieure de la génératrice. La pompe à huile et le réservoir à huile constituent ainsi un ensemble placé sur la génératrice, qui prend peu de place. Par ailleurs, il est proposé que le réservoir d'huile, monté sur la génératrice, comporte des ailettes extérieures et qu'une chemise à air soit prévue le long du réservoir à huile pour aspirer i'air de refroidissement.Par cette disposition du réservoir à huile,il est possible d'économiser de la place et, en même temps, d'acheminer l'air de refroidissement nécessaire pour la génératrice à travers l'enveloppe de la pompe à huile, ce qui permet d'obtenir un refroidissement constant de l'huile. Par ailleurs, il est proposé de monter, sur le carter de la génératrice, un pupitre de distribution avec commande automatique de réglage,les impulsions de réglage provenant d'un indicateur de régulation qui est monté directement sur l'axe.La pompe à huile entraînée directement offre, par rapport à un entrainement au moyen d'une transmission, l'avantage que, lors d'opérations de coupure et de disjonctions de sécurite, il existe encore, du fait du voltant, une force vive résiduelle qui est suffisante pour la commande automatique et l'arrêt d'urgence. Un servomoteur avec servo-soupape et une pompe manuelle pour le démarrage sont prévus opportunément dans la région des organes régulateurs de la turbine et du distributeur. Les connexions néclessaires entre pompe à huile et installation de réglage hydraulique, ou entre indicateur de régulation et organes de commutation, s'effectuent par des conduites hydrauliques et électriques qui ne sont guère sujettes aux dérangements. En tant que génératrice, on utilise le plus souvent une génératrice triphasée. Il va de soi que d'autres génératrices sont également possibles. On peut aussi utiliser une forme de construction spéciale d'une génératrice de série traditionnelle, dans laquelle sont seules nécessaires les modifications suivantes : arbre d'entraînement prolongé pour recevoir la roue mobile de la turbine, carter de la génératrice élargi pour loger le volant entre génératrice et turbine, renforcement du couvercle supérieur et installation d'un palier renforcé pour absorber les efforts qui proviennent de la turbine et du volant. Par ailleurs, une extrémité supérieure libre de 1' arbre est nécessaire pour le raccordement et l'accouplement de la pompe à huile et de l'indicateur de vitesse de rotation. Le réservoir à huile peut alors Outre monté autour de l'extrématé de l'arbre sur la couvercle supérieur de la génératrice. I1 est encore nécessaire d'installer le pupitre de distribution pour loger la commande électronique et le dispositif de réglage. En plus, des appareils électriques, nécessaires pour surveiller et régler la tension de la génératrice sont également logés dans ce pupitre de distribution. Dans les petites turbines connues jusqu'à ce jour les efforts de la turbine, comme le poids de la turbine, de l'axe du générateur, de la régulation etc., ainsi que les efforts du palier étaient détournés sur la volute d'entrée qui se situe dans la partie inférieure de la turbine. La solution est possible pour des turbines et des générateurs de petite puissance, dans lesquels le poids du bloc compact n'est pas trop élevé. Les turbines compactes de puissances supérieures ne peuvent pas être construites de cette manière en raison du danger, pour la volute d'entrée, d'être arrachée par les efforts extérieurs. La présente invention élimine ces inconvénients en prévoyant des pieds d'appui extérieurs entourant et soutenant la volute d'entrée, ces pieds recevant les efforts de l'axe et du palier et s'appuyant sur le socle. On peut ainsi faire en sorte que la volute d'entrée soit construite sans considération de statique. Cette volute représente une partie supportée par les pieds d'appui, cette partie ne devant pas supporter des efforts extérieurs supplémentaires et restant ainsi également indépendant du poids du générateur et de la turbine. I1 est ainsi possible de construire la volute d'entrée de manière qu'elle ne supporte que- les efforts causés par l'écoulement de liteau et apparalssant au fonctionnement.Par l'allègement de la construction, il est également possible de faire dériver une partie des efforts dans les pieds d'appui. Les pieds d'appui peuvent être constitués par des nervures dans des caissons coulés. I1 est avantageux, pour des volutes soudées, de réaliser les pieds d'appui sous forme de caissons obtenus par assemblage de plaques.En particulier, lorsque ces caissons sont bétonnés, on obtient des rigidités très élevées, et lton peut transmettre au socle des efforts élevés sans charger la volute d'entrée, En raison du bétonnage, auquel on procède sur place après l'installation de la turbine, le poids de transport de la turbine n'est pas trop élevé et la masse des pieds d'appui après bétonnage est si élevée que les vibrations peuvent être correctement amorties et bien tolérées. Il est par ailleurs avantageux que les pieds d'appui soient rendus solidaires, par soudure, rivetage, boulonnage ou autre de la volute d'entrée, de manière à renforcer cette dernière et à la rendre plus rigide. La volute dtentrée est ainsi renforcée par les pieds d'appui et des efforts peuvent être transmis à ces derniers. La volute d'entrée peut en conséquence Outre construite assez légèrement et présenter toutefois une rigidité suffisante. On a pu montrer qu'il était particulièrement recommandé de prévoir quatre pieds d'appui. Le nombre de pieds peut toutefois étre égal à 3 ou supérieur à 4. Il est avantageux que les pieds d'appui soient reliés dans leur partie supérieure par une bride annulaire de soutien supportant les efforts de la turbine, du générateur et du palier. On obtient ainsi un bati complet pour le soutien du générateur et de la turbine et on évite une charge de la volute d'entrée. Il est en outre recommandé de faire en sorte que la région de moindre hauteur de la volute d'entrée soit prévue sans pied d'appui pour l'introduction d'un levier de réglage permettant le déplacement d'une bague pour le réglage des aubes de la roue de la turbine. Comme dans cette région la hauteur est plus petite que dans Ja région de hauteur maximale de la volute d'entrées un espace subsiste, dans lequel les leviers de réglage peuvent être engagés. I1 n'est donc pas nécessaire, pour l'introduction du levier de réglage, de prévoir des hauteurs de construction sup plémentaires Gracie à cette mesure, la compacité du générateur peut outre maintenue. il est en outre préférable de monter le mécanisme de régulation actionnant le levier de réglage, le vérin d réglage, ltengrenage de réglage etc... sur un pied d'appui supportant les efforts de réglage. La volute d'entrée reste ainsi à l'abri de la charge provenant des efforts de réglage. Un mode particulier de réalisation de l'invention est décrit ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel Les figures 1 et 2 sont des vues latérales et en coupe partielle, La figure 3 est une vue de dessus d'une turbine à spirale de Kaplan réalisée de façon compacte, La figure 4 est une vue de dessus d'une spirale moulée0 La figure 5 est une vue de coté correspondant à la figure 4, et la figure 6 est une vue d'une variante de cette spirale moulée. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, la roue mobile 2 de la turbine proprement dite 1, qui tourne dans le carter de turbine, le volant 7, la génératrice 3, la pompe à huile 11 et l'indicateur ve régulation 12 sont montés sur un arbre 4. La pompe à huile 11 se trouve au-dessus de la génératrice. Un réservoir à huile 9, qui comporte des ailettes extérieures 10, est posé sur la génératrice et placé autour de la pompe à huile. L'air de refroidissement de la génératrice est acheminé de la manière habituelle vers la génératrice par une chemise à air 8, de façon à refroidir en méme temps le réservoir de la pompe à huile. Un pupitre de distribution 13 est monté latéralement sur la génératrice. Dans ce pupitre de distribution se trouvent les éléments nécessaires pour le contrôle de la vitesse de rotation, les impulsions de commande provenant de l'indicateur de régulation 12 qui centrale la vitesse de rotation. L'indi- cateur de régulation a pour roule de modifier de façon connue en soi la position des aubes de la génératrice ou l'adduction d'eau de manière à établir le réglage voulu, l'entrainement 8 t effectuant par l'huile contenue dans le réservoir 9 de la pompe à huile et par des servomoteurs correspondant à la pompe à huile 11. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2 les aubes 15 de la roue 2 de la turbine, vers lesquelles l'eau s'dcoule en provenance de la volute d'entrée 1 sont réglables. L'arbre 4 est maintenu dans un palier de turbine supérieur 5 et un palier de turbine inférieur 6. Le réservoir à huile 9 pour la pompe à huile 11 est, pour des raisons d'économie de place, disposé autour du palier de turbine supérieur 6 de manière que l'air de refroidissement puisse circuler à travers les fentes 18,et sécouler ensuite autour du générateur 3, et ressortir à travers les fentes 19. Au dessous du générateur, le volant 7 est monté sur l'arbre 4. Le réglage, piloté à partir de la fréquence de rotation, est opéré dans un pupitre de distribution 13 disposé latéralement.A la sortie de la turbine, l1 eau parvient dans un collecteur de sortie 17. L'ensemble générateur, turbine, arbre, palier, et tous les autres organes, sont rendus solidaires de et supportés par une bride de maintien annulaire 20 qui relie quatre pieds d'appui 21; ces pieds, entourant et soutenant la volute dtentrée 1 dans une excavation 22, transmettent les efforts au socle 23 de la turbine. La transmission des efforts par les pieds d'appui est obtenue sans charge de la volute d'entrée 1, qui est même au contraire soutenue et déchargée par les pieds d'appui 21. Ces pieds d'appui sont constitués chacun, comme le montrent les figures 2 et 3, par un caisson construit par plaques, rempli de et renforcé par du béton 24, chacun de ces pieds renforçant la volute d'entrée par soudure sur cette dernière.Un levier de réglage 25 permettant l'actionnement d'une bagué de réglage 26 par laquelle les aubes 15 sont réglées en vue d'une variation de puissance, est introduit par dessus la volute 1 dans sa région de moindré diamètre entre les pieds d'appui 21 et la bride annulaire d'appui 20, ce levier étant actionné, par l'intermédiaire d'une tige 28, par un vérin de réglage 27 prenant appui girectement sur un pied 21, de manière que les efforts de réglage soient également transmis directement au pied d'appui 21. La variante selon les figures 4 et 5 correspond à une volute moulée 1 pourvue de pieds d'appui coulés 21 et d'un anneau d'appui 22 présentant deux nervures 29; la figure 6 correspond au cas où une seule nervure 30 est prévues notamment pour des générateurs légers. REVENDICATIONS- I.- Turbine hydraulique à axe vertical, avec roue mobile de turbine, volant, génératrice, pompe à huile et indicateur du nombre de tours pour le réglage de la puissance ou de la vitesse de rotation de la turbine, caractérisée en ce que la roue mobile deturbine 2, le volant 7, la génératrice 3, la pompe à huile 11 et l'indicateur de régulation 12 sont montés sur un arbre rigide 4 qui s'étend d'une txtrémite à l'autre. 2.- Turbine hydraulique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pompe à huile 11 est posée sur la sarface supérieure de la génératrice 3. 3.- Turbine hydraulique selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réservoir à huile 9 est posé sur la surface supérieure de la génératrice 9. 4.- Turbine hydraulique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le réservoir à huile 9 posé sur la génératrice 3 est muni extérieurement d'ailettes de refroidissement par air 10 et en ce qu'une chemise d'air 8 est prévue le long du réservoir à huile pour l'aspiration de l'air de refroidissement. 5.- Turbine hydraulique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'il est prévu, sur le carter de la génératrice, un pupitre de distribution 13 avec la commande du système de régulation. 6,- Turbine hydraulique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le logement de réglage est disposé annulairement autour du logement du palier. 7.- Turbine hydraulique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que deux pieds d'appui 21 recevant les efforts de l'axe et des paliers, et les transmettant au socle de la turbine, sont prévus autour de la volute d'entrée 1 pour enserrer et soutenir cette dernière. 8.- Turbine hydraulique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pieds d'appui sont construits sous forme de nervure coulée. 9.- Turbine hydraulique selon l'une quelconque des re vendications précedentes, caractérisée en ce que les pieds d'appui 21 sont construits sous forme de caisson. 10.- Turbine hydraulique suivant la revendication pré cédente, caractérisée en ce que les caissons sont bétonnés. 11.- Turbine hydraulique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pieds d'appui sont rendus solidaires de la volute d'entrée pour augmenter la résistance et la rigidité de cette dernière. 12.- Turbine hydraulique suivant l'une quelconque des revendications précédente, caractérisée en ce qu'au moins trois pieds, et de préférence quatre, sont prévus. 13.- Turbine hydraulique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pieds d'appui 21 sont reliés àleur partie supérieure par une bride annulaire de soutien 20 à laquelle les efforts de la turbine, du générateur, et des paliers sont transmis. 14.- Turbine hydraulique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la région de moindre hauteur de la volute d'entrée 1 est prévue sans pied pour-le passage d'un levier de réglage 25 permettant l'actionnement d'une bague 26 pour le réglage des aubes 15 de la roue 2 de la turbine. 15.- Turbine hydraulique suivant la revendication 14; caractérisée en ce que le mécanisme de régulation 27 actionnant le levier 25, ainsi que le vérin de réglage 28 et tout le mécanisme de réglage sont logés sur un pied d'appui pour transmettre à ce dernier les efforts de réglage.