Brevet FR2432623A1 — publié le 19800229

La présente invention concerne un diffuseur pour groupes hydro-électriques notamment du genre immergé - Elle vise également les groupes hydro-électriques munis d'un tel diffuseur. Le diffuseur selon l'invention est plus particulièrement destiné, bien que non limitativement, à équiper des centrales hydro-électriques de basse chute et de faible puissance, du genre de celles pouvant Btre installées sur des cours d'eau et rivières et qui présentent des dénivellations de quelques mètres. Pour les groupes hydro-électriques de ce genre il est connu de réaliser en amont de la turbine soit une chambre spirale soit un distributeur permettant la mise en pré-rotation de l'eau. I1 est également connu de réaliser en aval des pales de la turbine dans le prolongement du manteau cylindrique entourant ces pales, un conduit divergent appelé diffuseur.Ce diffuseur est en général de forme tronconique;; son demi-angle au sommet est de faible vale (par exemple de l'ordre de 6 à 8),mains sa longueur est d'environ 5 à 7 fois le diamètre du manteau Dans les réalisations connues1 le diffuseur est établi généralement en maçonnerie (béton armé par exemple), de sorte que sa mise en place représente des travaux de génie civil importants, longs et onéreux. L'un des buts de la présente invention est rabaisser le coa de réalisation et les frais d'installation des groupes hydro-élec triques de faible puissance,d'une manière telle qu'on puisse envisager l'équipement de nombreuses basses chutes, équipement jusqu'alors non rentable avec les techniques connues. La présente invention vise notamment un diffuseur perfection permettant la suppression de la chambre spirale ou du distributeu éléments dont le codt atteint souvent dans les réalisations connues 50% du prix du groupe hydro-électrique. Cette suppression élimine également les risques d'encrassement et les incidents mécaniques liés à l'utilisation des distributeurs connus. Un autre but de l'invention est de permettre une réalisatior beaucoup plus rapide et économique du diffuseur luiqmeme. L'invention vise encore un groupe hydro-électrique particulièrement adapté au diffuseur perfectionné visé plus haut, permet tant de limiter au maximum le coût et l'encombrement de ltensemb] et de faciliter sa mise en place. Suivant l'invention, le diffuseur pour groupe hydro-électris qui est destiné à etre monté en aval du manteau cylindrique entourant les pales de la turbine, et qui comporte une paroi tronconique s'évasant dans le sens de l'écoulement du courant d'eau, est caractérisé en ce qu'il comprend une seconde paroi sensiblement tronconique coaxiale à la première, placée dans le volume intérieur de celle-ci et s'étendant dans le prolongement du moyeu de la turbine. Le diffuseur qui comprend ainsi un volume annulaire tronconique de géométrie précise pour l'écoulement de l'eau peut présenter un encombrement axial très réduit et néanmoins assurer, comme on le verra, un excellent rendement hydrodynamique. Selon une réalisation préférée de l'invention, des conditions géométriques remarquables sont imparties au diffuseur. Ainsi, les parois tronconiques interne et externe du diffuseur sont parallèles sur une partie au moins de leur hauteur, le demi-angle au sommet de l'une au moins des parois tronconiques étant compris entre 100 et 200 et est de préférence égal à 16 , tandis que la hauteur est au plus égale à deux fois le diamètre du manteau cylindrique entourant les pales de la turbine. Selon une autre caractéristique intéressante de l'invention, la paroi tronconique externe comporte un manchon tronconique intermédiaire situé immédiatement en aval du manteau de la turbine, auquel fait suite une paroi tronconique de plus grande ouverture angulaire. De préférence, le demi-angle au sommet de l'élément tronconique intermédiaire est sensiblement égal à la moitié du demi-angle au sommet de la paroi tronconique qui lui fait suite, la hauteur de ce manchon tronconique intermédiaire étant sensiblement égale à 0,2 fois le diamètre du manteau de la turbine. De son cté, la paroi troncqnique interne est avantageusement raccordée au moyeu de la turbine par l'intermédiaire d'une jupe cylindrique prdlongeant celui-ci. Ces diverses dispositions assurent, comme on le verra, un régime optimal pour l'écoulement des filets d'eau. Dans une réalisation industrielle du diffuseur, les parois interne et externe sont constituées par des t8les préformées et pré-assemblées, constituant un ensemble préfabriqué, l'ensemble de la structure de ce diffuseur ne-comprenant que des surfaces déve loppables et les parois tronconiques interne et externe étant entretoisées à leur extrémité aval par un socle à claire-voie aménagé pour faciliter l'écoulement des filets d'eau. Le diffuseur ainsi constitué permet de monter un groupe hydroélectrique caractérisé en ce que la génératrice électrique, telle qu'un alternateur ou une génératrice asynchrone, éventuellement accouplée à la turbine par un multiplicateur de vitesse, est logée dans le volume intérieur à la paroi tronconique interne du diffuseur. I1 est de plus avantageusement prévu que la turbine comporte des pales montées à inclinaison réglable dans des logements du moyeu et des moyens de serrage pour caler ces pales avec une inclinaison prédéterminée. De préférence, le moyeu de la turbine porte aussi un nez profilé pouvant contenir un frein hydraulique à déclenchement centrifuge limitant l'emballement de la turbine. D'autres particularités et avantages de l'invention résulteront encore de la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, on a représenté divers modes de réalisation de l'invention. La figure 1 est une vue en élévation avec demi-coupe diamétrale dans la partie gauche d'un diffuseur conforme à l'invention représenté à l'état isolé; la figure 2 est une vue de dessus avec arrachement partiel du diffuseur de la figure 1; la figure 3 est une vue en élévation en coupe diamétrale montrant un diffuseur du genre considéré équipé d'un groupe hydroélectrique et mis en place; la figure 4 est une vue à plus grande echelle en coupe diamétraIe d'un dispositif anti-emballement monté sur le moyeu de la turbine; la figure 5 est la vue en plan correspondante après enlève~ ment du capot du dispositif de la figure 4. Aux figures 1 et 2 des dessins annexés, on a représenté un diffuseut monobloc préfabriqué pour groupe hydro-électrique conforme à l'invention. Ce diffuseur fait corps avec la turbine 1 dont on voit en 2 le moyeu portant un ensemble de pales 3 qui tournent à l'intérieur d'un manteau cylindrique 4 de diamètre D. Conformément à l'invention, le diffuseur comprend une première paroi tronconique externe 5 raccordée au manteau 4 par un manchon tronconique intermédiaire 6. Complémentairement, le diffuseur comprend une seconde paroi tronconique interne 7 placée dans le volume intérieur délimité par la paroi tronconique externe 5. La paroi interne 7 s'étend dans le prolongement du moyeu 2 de la turbine à laquelle elle est raccordée par un col cylindrique 8 de même diamètre. L'ensemble des parois-du diffuseur, qui comprend ainsi trois troncs de cône 5,6,7, est bien entendu fixe et ces parois vont en s'évasant dans le sens A de l'écoulement du courant d'ean. Des particularités géométriques remarquables sont prévues pour l'en- semble des parois du diffuseur. En premier lieu, les parois tronconiques externe 5 et interne 7 sont parallèles de manière à ménager entre elles un volume tronconique annulaire de section progressivement variable. Le demi-angle au sommet a des parois 5 et 7 est de préférence compris entre 100 et 200 et sa valeur optimale se situe aux environs de 160. La hauteur H de l'ensemble du diffuseur est avantageusement au plus égale à deux fois le diamètre intérieur D du manteau cylindrique 4 entourant les pales 3 de la turbine 1. Le manchon tronconique intermédiaire 6 ménagé entre le manteau 4 et la paroi tronconique externe 5 présente de préférence un demiangle au sommet b égal à la moitié de l'angle a, soit un angle compris entre 5 et 100 et de préférence égal à 80. La hauteur b du manchon 6 est sensiblement égale à 0,2 D. La jupe cylindrique qui prolonge le moyeu 2 et qui présente un diamètre égal à ce dernier, reçoit, de préférence, une hauteur telle que son arete 9 de raccordement avec la paroi tronconique interne 7 se situe sensiblement à mi-hauteur du manchon tronconique intermédiaire 6. On remarque d'autre part que le diffuseur est réalisé de manière telle que les parois tronconiques et cylindriques sont raccordées entre elles par des arêtes intermédiaires telles que 9, 11 et 12 à angle vif, et que l'ensemble de la structure monobloc du diffuseur est développable. De préférence, cette structure est réalisée en tôles préformées, assemblées par soudage, de manière à constituer un ensemble préfabriqué. Le diffuseur peut ainsi être réalisé sans usinages spéciaux et de manière particulièrement économique. Pour assurer le raidissement de 1'ensemble des éléments du diffuseur préfabriqué prévu par lrinvention, il est encore prévu un ensemble de montants obliques 13 s'appuyant sur des parois 5,6 et sur le rebord 14 du manteau 4 de la turbine. D'autre part, les parois 5 et 7 sont soudées à leur base sur un socle à claire-voie 15 qui assure leur entretoisement. Le socle 15 (figure 2) est avantageusement constitué par un assemblage de barres telles que 16, 17 orthogonales entre elles et assujetties par soudage. Les points de rencontre tels que 18 de ces barres sont situés à proximité de la paroi tronconique interne 7 du diffuseur et à l'intérieur de cette dernière. De préférence, les barres 16 et 17 sont constituées par des fers plats inclinés par rapport à la verticale d'un angle correspondant sensiblement à l'inclinaison sur l'axe XX du diffuseur de l'ensemble des filets d'eau circulant dans le volume tronconique annulaire 10 ménagé entre les parois 5 et 7. De préférence, les extrémités des fers plats 16, 17 sont placées à l'aplomb des montants raidisseurs 13 comme on le voit sur la figure 2,de manière à assurer la meilleure rigidité à l'ensemble. En service, le moyeu 2 de la turbine est surmonté d'un nez profilé 19, dont le profil dépend des conditions de montage du groupe hydro-électrique, l'angle au sommet étant peu ouvert si le groupe est placé dans une conduite forcée dont on a schématisé en 21 (figure 1) les parois adductrices, ou au contraire dont l'angl est largement ouvert 19a (figure 3) si le groupe est placé dans u bief amont à simple débordement.Dans le premier cas, l'axe XX es généralement oblique alors que dans le second cet axe est vertica L'expérience a montré que le diffuseur répondant à la structure et aux conditions géométriques ci-dessus définies, présentai l'avantage d'un encombrement très réduit par rapport aux diffuseu connus ne comportant qu'une seule paroi tronconique externe, maiE aussi que le choix des angles et des proportions prévus par l'invention permettait d'obtenir sensiblement les mêmes performances hydrauliques qu'une pièce de forme correspondant au profil théorique idéal, puisque ce diffuseur permet de récupérer plus de 75% de l'énergie de rotation à la sortie de la turbine et plus de 60, de l'énergie axiale. La rotation de l'eau en aval de la turbine qui est une gêne dans les diffuseurs connus devient ici un élément essentiel du fonctionnement. Cette rotation permet en effet un équilibrage correct du champs des vitesses à la sortie du diffuseur perfectionné visé ci-dessus d'une part. D'autre part, la récupération d'une partie très importante de l'énergie résiduelle de rotation permet de supprimer la mise en pré-rotation de l'eau en amont de la turbine et donc d'éliminer les organes correspondants : chambre spirale ou distributeur. La disposition relative du manchon tronconique intermédiaire 6 et de l'ensemble des parois 7 et 8 de la surface interne du diffuseur, constituant un espace annulaire progressivement divergent au-delà du manteau 4, a pour effet de stabiliser les filets d'eau et de réduire les turbulences, notamment au niveau de l'arête 12. La structure non radiale du socle 15 placé au niveau des bords de fuite des parois 5 et 7 avec des fers plats dont l'obliquité par rapport à l'axe XX ne perturbe pas l'eau dans son mouvement hélicoldal, est également très favorable à l'obtention d'une bonne rigidité mécanique,notamment en ce qui concerne la transmission à l'enveloppe externe du couple de réaction supporté par la turbine et par l'ensemble mécanique lié au canne interne,sans qu'il puisse y avoir rotation de l'ensemble interne par rapport à l'enveloppe externe. Dans la pratique, le diffuseur ainsi agencé peut être équipé, comme le montre la figure 3 qui correspond à l'équipement d'une chute d'eau au moyen d'un déversoir, l'entrée de la turbine étant surmontée d'une chambre en cloche (non figurée). Dans cette forme d'exécution, le manteau 4 est muni d'un rebord annulaire 30 définissant le niveau d'entrée d'eau dans la turbine. Le manteau 4 porte d'autre part des oreilles de manutention 31 situées à l'aplomb des montants de renforcement obliques 13. Ceux-ci portent au voisinage de leur extrémité inférieure des goussets de fixation 32 permettant de monter le diffuseur sur le pourtour du conduit vertical d'évacuation 33 réalisé par exemple en maçonnerie. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la paroi tronconique interne 7 du diffuseur et le prolongement cylindrique du moyeu 2 de la turbine abritent un groupe générateur du type immergé. On voit en particulier en 34 la génératrice élec trique par exemple du type asynchrone avec son câble de raccordement 35. Cette génératrice est fixée par des pattes 36 sur des montants 37 attachés à la paroi 7. De son coté, le moyeu 2 entraîne un arbre primaire 38 qui est relié par un multiplicateur de vitesse du type planétaire 39 à l'arbre secondaire 41 de la génératrice 34. Les parties annulaires du groupe considéré représentées avec un semis de points sont remplies d'huile sous pression, le remplissage et le maintien sous pression s'effectuant au moyen d'une entretoise tubulaire 42, reliée à un réservoir en charge,et la vidange étant réalisée à partir d'un bouchon inférieur 44. Le raidissement entre les parties internes et externes du diffuseur est en outre complété par des entretoises radiales minces 45. On constate ainsi que la présence de la paroi tronconique interne 7 est mise à profit par l'inven- tion pour assurer le logement d'un groupe générateur à multiplicateur de vitesse. La mise en place -et l'étanchéité de ce groupe ne présentent ainsi aucune difficulté. Il va de soi toutefois que le diffuseur prévu par l'invention peut aussi être monté axialement relativement à une turbine,alors que la génératrice électrique et le multiplicateur sont situés en amont de la turbine. Dans tous les cas, l'invention permet de supprimer le distributeur ou chambre spirale assurant la pré-rotation de l'eau en amont de la turbine. Selon une autre particularité de l'invention, le groupe hydroélectrique associé à un diffuseur tel que celui défini plus haut est encore remarquable par les particularités suivantes : les pales 3 de la turbine sont montées de manière à présenter une inclinaison réglable sur l'axe XX. A-cet effet, le moyeu de la turbine présente des logements 47 de révolution qui comportent une portée tronconique, correspondant à une portée tronconique similaire 48 (figure 4) ménagée dans le-pied de pale 49. Les pales 3 peuvent ainsi tourner dans leur logement 47. Pour assurer leur calage angulaire, il est prévu des contreplaques 51 disposées à l'intérieur du moyeu 2 et qui sont fixées par des boulons 52 traversant le pied de pale 49. On comprend ainsi qu'on peut placer des pales 3 avec l'inclinaison voulue puis les bloquer dans cette -position en serrant les boulons 52, ce qui applique à force la portée tronconique 48 contre la portée correspondante du logement 47. Selon une autre particularité-du groupe hydro-électrique associé aux diffuseurs à double paroi tronconique considérés, le nez profilé 19 peut comporter un frein hydraulique à déclenchement centrifuge destiné à limiter tout emballement de la turbine. Ce frein hydraulique à déclenchement centrifuge comporte dans la réalisation visée aux figures 4 et 5 deux volets pivotants 54 qui, en position normale, sont logés à l'intérieur du nez profilé en ogive 19. Les volets 54 sont parallèles entre eux et parallèles à l'axe XX. Ils sont toutefois placés de part et d'autre de cet axe. Ils sont rappelés dans la position de repos représentée en traits pleins (figure 4) par des ressorts hélicoidaux 55 attachés sur une patte 56 du nez 19, et d'autre part accrochés dans des perçages 57 excentrés relativement aux axes d'articulation 58 desdits volets, lesquels comportent deux paliers espacés 59, 60 comme on le voit à la figure 5.Les volets 54 sont également reliés par une bielle 61 destinée à synchroniser leur déplacement angle laird On remarque que les ressorts 55 sont montés d'une manière antagoniste à la force centrifuge. Le nez 19 est percé de fentes longitudinales 62 permettant la sortie des volets 54 par pivotement autour de leurs axes 58. La disposition des volets 54 relativement aux pales 3 de la turbine est telle qu'en position déployée des volets 54 (représentés en 54a en traits mixtes sur les figures 4 et 5), ces pales 3 soient situées dans la trainée hydraulique des volets 54a. On comprend que dans ces conditions, lorsque la vitesse de rotation du groupe dépasse une valeur prédéterminée, les volets 54 fassent saillie par les fentes 62 et entraînent ainsi automatiquement de manière très simple un ralentissement considérable de cette vitesse de rotation. Une fois ce ralentissement effectué, les ressorts antagonistes 55 rappellent les volets dans le nez 19 de sorte que leur effet cesse. Bien entendu, l'effet des volets 54 est progressif et dépend de la vitesse d'emballement atteinte. Ce dispositif anti-emballement simple et efficace trouve avantageusement sa place, compte tenu de l'utilisation prévue par l'invention de la paroi tronconique interne 7 pour loger la génératrice électrique, dégageant ainsi le nez de la turbine. Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux réalisations qui précèdent mais qu'on peut y apporter des variantes d'exécution. Ainsi, la jupe cylindrique 8 prolongeant le moyeu de la turbine pourrait être supprimée, si le corps de ce moyeu s'entendait jusqu'à l'arête 9. REVENDICATIONS 1. - Diffuseur pour groupe hydro-électrique, destine à etre monté en aval du manteau cylindrique entourant les pales de la turbine, ce diffuseur comportant deux parois tronconiques interne et externe s'évasant dans le sens de ltécoulement du courant d'eau et parallèles sur une partie au moins de leur hauteur, le demi-angle au somment de l'une au moins des parois tronconiques étant compris entre 10 et 200, et de préférence égal à 160 et la hauteur du diffuseur étant au plus égale à deux fois le diamètre du manteau cylindrique entourant les pales de la turbine, caractérisé en ce que la paroi tronconique externe comporte un manchon tronconique intermédiaire situé immédiatement en aval du manteau de la turbine, auquel fait suite une paroi tronconique de plus grande ouverture angulaire. 2. - Diffuseur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le demi-angle au sommet de ltélément tronconique intermédiaire est sensiblement egal à la moitié du demi-angle au sommet de la paroi tronconique qui lui fait suite. 3. - Diffuseur conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la hauteur du manchon tronconique inter médiaire est sensiblement égale à 0,2 fois le diamètre du manteau de la turbine. 4. - Diffuseur conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la paroi tronconique interne est raccordée au moyeu de la turbine par l'intermédiaire d'une jupe cylindrique de même diamètre que ce moyeu. 5. - Diffuseur conforme à la revendication 4 et dont la paroi tronconique externe présente un manchon tronconique interméd agre situé en aval dn manteau de la turbine, caractérisé en ce que l'arrête annulaire de raccordement entre la jupe cylindrique et la paroi tronconique interne est située sensiblement à mi-hauteur du manchon tronconique intermédiaire. 6. - Diffuseur conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'une au moins des parois tronconiques est raccordée à la surface tubulaire adjacente par une arête annulaire à angles vifs. 7. - Diffuseur conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les parois interne et externe sont constituées par des tôles préformées et pré-assemblées, constituant un ensemble préfabriqué. 8. - Diffuseur conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que ensemble de la structure de ce diffuseur ne comprend que des surfaces développables. 9. - Groupe hydro-électrique comportant un diffuseur conforme à l'une des revendications I à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un accès entièrement libre pour liteau entre la resserve dteau amont et les aubages mobiles de la turbine.