Brevet FR2441740A1 — publié le 19800613

Des dispositifs de protection de turbines hydrauliques intervenant en cas de vitesse de rotation trop élevée de la machine et provoquant la fermeture des organes de réglage de la turbine, de la vanne de pied de la conduite forcée, etc., sont utilisés depuis plusieurs décennies. Ils sont couramment appelés "limi- teurs d'emballement". Des dispositifs fonctionnant de la même manière sont aussi montés sur les pompes turbines, soit les machines dont le fonctionnement est réversible. Mais, malgré la présence d'un tel dispositif qui est très efficace lors du fonctionnement en turbine, la machine est insuffisamment protégée lors du fonctionnement en pompe contre les eonséquences d'un déclenchement de la ligne électrique de transport de puissance alimentant le moteur entralnant la machine.En effet, dans ce cas, il se produit un brusque ralentissement de la machine qui, quelques secondes après le déclenchement, est arrêtée, tandis que la vanne de la conduite et le distributeur de la machine, s'il y en a un, sont restés ouverts. Aussi, l'eau qui montait par la conduite redescend, la machine redémarre en turbine dont la vitesse crolt jusqu'à la valeur correspondant au fonctionnement du dispositif "limiteur d'emballement qui intervient enfin pour provoquer la fermeture de la vanne et du distributeur. Ces variations brusques de régime, décélérations brutales en pompe, renversement du sens d'écoulement de l'eau, du sens de rotation de la machine, accélérations brutales de la roue motrice tournant en turbine, mise en survitesse du groupe sont préjudiciables à sa bonne conservation. La présente invention concerne un dispositif dont le degré de sécurité de fonctionnement est comparable à celui des dispositifs limiteurs d'emballement connus, mais qui intervient lors du fonctionnement en pompe dès l'instant où s'est produite une baisse de vitesse appréciable, baisse consécutive à un déclenchement de la ligne électrique alimentant le moteur de la pompe. Elle a pour objet une machine hydro-électrique réversible fonctionnant alternativement en pompe ou en turbine, reliée au bassin amont par l'intermédiaire d'une conduite forcée sur laquelle est montée une vanne de pied équipée des organes de commande nécessaires à sa manoeuvre, caractérisée en ce qu elle comprend au moins deux organes sensibles à sa vitesse de rotation, montés sur son arbre, dont le premier déclenche lorsque cette vitesse atteint et dépasse une certaine vitesse supérieure à la vitesse normale en turbine, dont le second déclenche lorsque cette vitesse tombe au-dessous d'une -valeur inférieure à la vitesse normale en pompe, chacun de ces déclenchements entraSnant par action mécanique, hydraulique, pneumatique ou électrique le déplacement d'un organe de commande de manoeuvre de la vanne de pied, provoquant sa fermeture en cas de trop forte survitesse après une période de fonctionnement en turbine ou en cas de trop grande baisse de vitesse après une période de fonctionnement en pompe. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de la machine selon l'invention. La figure 1 est une vue en élévation, partielle- ment en coupe, des organes de la machine; la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un organe sensible à la vitesse de rotation de la machine, fonctionnant en limiteur d'embal lement; la figure 3 est une vue en coupe d'un organe sensible à la vitesse de rotation de la machine, fonctionnant en déclencheur de sous-vitesse. Le fonctionnement des limiteurs d'emballement selon la figure 2 est bien connu. Ces organes comprennent principalement un déclencheur de survitesse 9 constitué par une masse centrifuge 11 articulée en 12 par rapport à l'arbre de la machine 13. Cette masse centrifuge est retenue contre l'arbre par l'effet d'un ressort de traction 21 agissant entre cette masse et l'arbre 13. Ce ressort est fixé à l'arbre par l'intermédiaire d'une vis de réglage 22 bloquée par un écrou de blocage 23. Le centre de gravité de la masse 11 est situé entre son axe d'articulation 12 et l'attache du ressort. Lors d'une survitesse, cette masse a tendance à sortir de l'arbre et à allonger le ressort 21, comme dessiné en traits mixtes. Lorsque la vitesse est normale, par contre, ce ressort appuie cette masse contre une butée intérieure, ainsi que représenté au dessin. La figure 3 représente un déclencheur de sous-vitesse dont le fonctionnement est semblable à celui de la figure 2. Dans ce cas, la pièce de déclenchement a une autre forme, elle oscille autour de l'axe 19, comprend une queue 20 et une masse centrifuge 18 placée entre l'axe de pivotement du déclenchement et le point d'attache du ressort 21. Comme précédemment, le centre de gravité de l'ensemble est situé entre cet axe 19 et le point d'attache du ressort 21 malgré la présence de la queue 20. Lorsque la vitesse est très grande, la masse centrifuge a tendance à sortir, ce qui place le dispositif dans la position représentée au dessin. I1 bute alors contre une surface de l'arbre. Lorsque la vitesse baisse, la force centrifuge baisse aussi, le ressort 21 développe une force dont le moment sur l'axe 19 est plus grand que le moment de la force centrifuge des masses, le dispositif déclencheur bascule, l'extrémité située vers l'attache du ressort rentre dans l'arbre, tandis que la queue 20 sort ainsi que représenté en traits mixtes au dessin. Dans cette position de sous-vitesse, cette queue 20 provoque le déclenchement d'un organe 24 qui à son tour provoquera la fermeture de la vanne du distributeur. Cette figure 3 comprend en outre les organes commandés directement par le déclencheur centrifuge, à savoir un levier 24 oscillant autour d'un axe 25 et rappelé en position normale par un ressort 26. Ce levier 24 retient un piston 27 d'un tiroir de distribution 28 qui comprend deux chambres 35 et 36 reliées par des conduites d'huile, ainsi que représenté au schéma. Enfin, le piston 27 est appuyé contre une butée du levier 24 par l'effet d'un ressort 29. Les organes représentés au dessin se trouvent dans la position correspondant à la marche normale, soit lorsque la vitesse de la machine est supérieure à la sousvitesse à laquelle déclenche la masse centrifuge 18. Dans la position représentée au dessin, 1 organe déclencheur 20 est sans effet sur le levier 24. La soupape de déclenchement 28 comprend en outre un organe 30, représenté ici sous la forme d'un électroaimant qui, lorsqu'il est excité, s'oppose à l'effet du ressort 29. C'est le cas pendant les périodes de démarrage de la machine en turbine ou en pompe lorsque la vitesse de rotation est inférieure à la vitesse normale. Dès le régime normal atteint, soit dès la synchronisation de la machine sur le réseau, l'élec- tro-aimant 30 est mis hors tension, son effet est annulé. Il est évident qu'un moteur de réarmement commandé hydrauliquement, pneumatiquement ou électriquement pourrait avoir le même effet que l'électro-aimant 30 et le remplacer. Le dispositif d'emballement de la figure 2 agit sur un levier et une soupape de déclenchement 28 identiques à ceux de la figure 3, comprenant les organes 24 à 29. Dans ce cas, le dispositif de réarmement 30 n'est plus nécessaire, puisque ce déclencheur centrifuge ne fonctionne que pour des vitesses supérieures à la normale et ne saurait gêner le démarrage de la machine. La figure 1 représente les mêmes organes 27, 28, 29 commandés par les leviers oscillant autour de l'axe 25. Le déclencheur 9 est le déclencheur de survitesse, tandis que le déclencheur 10 est celui de sous-vitesse. Elle représente en outre les autres organes du groupe, à savoir la machine hydraulique qui est une pompe turbine. Cette machine est réversible en ce sens qu'elle peut fonctionner alternativement en pompe ou en turbine. La conduite forcée 2 amène l'eau de l'amont à la machine par l'intermédiaire d'une vanne de pied 3 représentée sous la forme d'une vanne papillon. Il va de soi qu'un autre type de vanne peut convenir, notamment une vanne à obturateur sphérique ou une vanne à obturateur central à déplacement axial. L'obturateur de la vanne 3 est lié par l'intermédiaire d'un levier4, d'une bielle 5 à un vérin de manoeuvre 6 dont les mouvements entrassent ceux de l'obturateur de la vanne, par conséquent son ouverture et sa fermeture, Dans le cas du schéma, il a été admis que ce vérin était alimenté par une pression d'eau prélevée sur la conduite amont, mais cette commande peut être faite par un circuit indépendant, par exemple par de l'huile sous pression. La commande de la vanne se fait par l'intermédiaire d'un tiroir de distribution 7 dont le fonctionnement est bien connu. Normalement, les manoeuvres de la vanne 3 sont commandées par un organe de commande 8, représenté ici par un électro-aimant. Ce dispositif est surmonté d'un vérin auxiliaire constituant une soupape de déclenchement 38 composée d'un piston 40 se prolongeant vers la soupape 7 par une tige 41. Ce piston est poussé vers le bas par un ressort 39 et, s'il y a lieu, vers le haut par l'effet d'une pression d'un fluide arrivant par la canalisation 37. Lorsque cette pression de fluide disparaît, la force développée par le ressort devient suffisante et pousse le piston 40 vers le bas. Son extrémité 41 appuie contre l'organe mobile du tiroir de distribution 7 et provoque la fermeture de la vanne 3 quel que soit l'ordre de manoeuvre qui est donné à la commande normale soit l'électro-aimant 8. La canalisation 27 est reliée aux chambres 35 des soupapes 28 des organes de protection de sur- et de sousvitesse. Normalement, une pression de fluide fournie par la pompe 31, limitée par la soupape limitatrice de pression de fluide fournie par la pompe 31, limitée par la soupape limitatrice de pression 32, traverse le diaphragme 33 constituant une restriction de débit et alimente par la conduite 34 les chambres 35 et les canalisations 37. Lors du fonctionnement normal, à savoir dans l'état représenté à la figure 1, cette canalisation et ces chambres sont sous pression. Les chambres 36, elles, sont reliées par une canalisation allant vers un échappement d'huile.En cas de fonctionnement de l'un ou l'autre des déclencheurs 9 ou 10, un piston 27 se déplace de gauche à droite selon ce dessin, poussé par un ressort 29. I1 en résulte qu'une des chambres 35 est mise en communication avec l'une des chambres 36. La pression dans les chambres 35 tom be du fait de ce court-circuit et de la présence du diaphragme 33. Cette chute de pression entraîne celle du fluide de la conduite 37 et par conséquent le fonctionnement de la soupape de déclenchement 38 qui agit sur le tiroir de distribution 7 pour provoquer la fermeture de la vanne. Une même action pourrait intervenir dans les organes de réglage de la machine comprenant le distributeur 14, la bâche spirale 15, la roue motrice 16, le tuyau d'aspiration 17, et de la même manière provoquer la fermeture de son distributeur. La turbine représentée à la figure 1 est à un seul étage, mais elle pourrait être à plusieurs étages. La machine décrite comprend une commande de sécurité intervenant en cas de déclenchement du détecteur de survitesse ou de sous-vitesse uniquement par voie hydraulique. Dans ce cas, il suffit de faire tomber la pression d'huile de la conduite 37 pour entraîner la fermeture de la vanne. Cette commande est extrêmement sûre, elle intervient même en l'absence de source d'énergie auxiliaire. Elle pourrait se faire aussi par d'autres moyens, qu'ils soient électriques, pneumatiques ou mécaniques. Revendications de brevet 1. Machine hydro-électrique (1) réversible fonctionnant alternativement en pompe ou en turbine, reliée au bassin amont par l'intermédiaire d'une conduite forcée sur laquelle est montée une vanne de pied équipée des organes (4 - 7) de commande nécessaires à sa manoeuvre, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux organes (9; 10) sensibles à sa vitesse de rotation, montés sur son arbre (13), dont le premier (9) déclenche lorsque cette vitesse atteint et dépasse une certaine vitesse supérieure à la vitesse normale en turbine, dont le second (10) déclenche lorsque cette vitesse tombe au-dessous d'une valeur inférieure à la vitesse normale en pompe, chacun de ces déclenchements entraînant par action mécanique, hydraulique, pneumatique ou électrique le déplacement d'un organe (7) de commande de manoeuvre de la vanne de pied (3) provoquant sa fermeture en cas de trop forte survitesse après une période de fonctionnement en turbine ou en cas de trop grande baisse de vitesse après une période de fonctionnement en pompe. 2. Machine hydro -électrique selon la revendication 1, équipée d'un distributeur réglable commandé par au moins un servo-moteur, caractérisée en ce que le déclenchement d'au moins l'un des organes sensibles à la vitesse de rotation de la machine agit, en plus de son action sur la vanne de pied, sur le distributeur réglable pour provoquer sa fermeture.