Brevet FR2464382A1 — publié le 19810306

L'invention a trait à un procédé destiné à permettre le fonction- nement d'une turbine-pompe dans la zone des courbes caractéristiques si- tuée entre le fonctionnement sous charge partielle et le fonctionnement en pompe et en marche arrière, afin que les différentes conditions de marche s'obtiennent par la modification de l'ouverture des aubes direc- trices. Il est connu de faire démarrer des turbines-pompes, en vue de les faire fonctionner en tant que turbines, comme n'importe quelle autre tur- bine à réaction, par une ouverture uniforme des aubes directrices. On obtient ainsi l'accélération du rotor entre l'arrêt et la vitesse no- minale. Lorsqu'on fait fonctionner la machine à vide par l'ouverture correspondante des aubes directrices, on peut synchroniser le générateur moteur, et le commuter sur le réseau de distribution du courant. En ouvrant davantage les aubes directrices, la machine fontionne en tant que turbine et débite de la puissance. Les courbes caractéristiques de turbines-pompes, par exemple lorsqu'elles sont représentées par un dia- gramme nô - Q mAme devenir verticales ou prendre une inclinaison négative. Cela si- gnifie que la caractéristique de la machine, dans cette zone, peut de- venir instable. On a représenté sur la Figure 1 du dessin annexé une partie d'un diagramme de courbes caractéristiques sur quatre quarts de cercles, concernant une turbine-pompe de type connu. On y voit les courbes ca- ractéristiques obtenues pour plusieurs valeurs d'ouvertures du distri- buteur, désignées de a1 à a5, la plus grande ouverture, dé- signée ici en a5, étant encore utilisée pour la synchronisation. On a indiqué en L la courbe de marche à vide pour le fonctionnement de la turbine pour un moment de force M = O. Dans la zone B, au-dessous de la courbe de marche à vide L, les courbes d'ouverture a se prolongent tout d'abord dans le sens dit du freinage, ce qui absorbe de la puis- sance au rotor et freine davantage le courant d'eau dans le sens de l'écoulement de la turbine, jusqu'à ce que l'eau cesse totalement de circuler à travers la turbine. Ensuite, la machine passe au-dessous de l'axe des abscisses pour passer dans la zone R, pour fonctionner en tant que pompe dans le sens de rotation de la turbine, c'est-à-dire en adop- tant le mode de fonctionnement dit de marche arrière de la pompe, de façon que l'eau, malgré que le rotor tourne dans le sens de la turbine, soit refoulée dans le sens de circulation de la pompe (cf. également Fuji-Electric-Review, Vol. 24, no 2, page 42, Figure 8, et page 44, Fi- gure 12). Comme il ressort du diagramme de la Figure 1, les courbes caractéristiques pourraient présenter partiellement une allure en "S" pendant le fonctionnement en freinage et en marche arrière; cela conduit de m9me à un comportement indésirable et instable de la turbine-pompe. La con- séquence d'un tel comportement indésirable et instable pendant le fonc- tionnement est qu'il rend plus difficile, voire impossible, la synchroni- sation lors du démarrage pour assurer le fonctionnement en turbine, et qu'il n'est pas possible de fonctionner plus longtemps à vide, car, par exemple, les plus faibles et inévitables variations de pression risquent de produire un brusque "saut" ou déclenchement en un point déterminé du fonctionnement dynamique, avec absorption de puissanc De même, lors du passage entre le fonctionnement en compensateyur s'inchre./sens de rotation de la turbine, alors que le rotor tourne dans l'air, et le fonctionnement en turbine, quand celle-ci se remplit de nouveau,et si l'on ouvre alors la vanne spérique, l'ouverture du distributeur produit un accrois- sement temporaire et inévitable de l'absorption de puissance qui atteint une valeur indésirable pour ensuite faire de nouveau un brusque bond, si on augmente cette ouverture, pour produire une fourniture de puissance relativement élevé. L'invention vise à résoudre le problème qui consiste à trouver un procédé et à proposer une turbine-pompe pour la mise en oeuvre de ce procédé, grâce auxquels on parvient à modifier les courbes de caracté- ristiques de démarrage afin de leur conférer une allure stable, c'est-à- dire une allure dans laquelle il n'est attribué qu'une valeur unique de QI à chaque valeur de n; d'une courbe caractéristique d'un diagramme n;- 2;. Ce problème est résolu par le procédé suivant la présente in- vention, qui consiste à isoler au moins temporairement, au moins une aube directrice du système de CLSfribdEl9ynchrone pour en effectuer l'ou- verture préalable. On choisit donc une ou plusieurs aubes directrices actionnées en synchronisme soit rigidement par l'intermédiaire d'un- cercle de vannage., soit par des servo-moteurs individuels, à l'aide d'une commande synchone correspondante, ces aubes sélectionnées étant préalablement ouvertes, à la différence des aubes directrices restantes, afin d'exercer une influenece sur les courbes caractéristiques précitées. Autrement dit, lorsque ces aubes sélectionnées et individuelles sont ré- glées de manière à former une ouverture plus grande que celle des aubes qui restent dans la série, il suffit pour ces aubes directrices synchrones d'une faible ouverture pour obtenir le mzme écoulement d'eau et la même vitesse de rotation que dans le cas d'ouverture synchrone de la totalité des aubes directrices. Attendu que de faibles ouvertures se traduisent toujours par des lignes caractéristiques stables, ce pro- cédé permet de faire en sorte qu'une ligne caractéristique instable, dans le cas d'aubes directrices synchrones, se stabilise grâce à des aubes directrices individuelles à ouverture préalable. Suivant une variante préférée de réalisation du procédé de l'in- vention, lorsqu'on sélectionne plusieurs aubes directrices parmi la série d'aubes synchrones, on dispose ces aubes directrices sélectionnées dans cette série de manière à respecter une symétrie polaire. De pré- férence également, on choisit dans ce cas deux aubes directrices diamé- tralement opposées dans la série des aubes directrices synchrones. En se basant sur le procédé de l'invention, il est parfaitement possible, dans un temps de démarrage suffisamment court, de synchroniser la machine et de la faire fonctionner, lorsqu'elle est reliée au réseau électrique, d'une manière totalement stable tant à vide que sous charge partielle. On supprime ainsi le risque de faire fonctionner la machine en pompe et en marche arrière. Un autre avantage qui découle de cette invention est qu'au cours du passage entre le fonctionnement et ompensateur s%4icdRoet celui en turbine, il est possible de réduire sensiblement l'absorption de puissance qui se produit pendant un temps relativement court, cette absorpthn pouvant Même 9tre totalement éliminée par l'a- doption d'une commande appropriée. Une turbine-pompe à aubes directrices commandées par une cercle tb \an- mge commune, qui convient pour la mise en oeuvre du procédé suivant la présente invention, est caractérisée en ce que l'on utilise pour l'ou- verture préalable des aubes directrices sélectionnées dans la série synchrone un servo-moteur hydraulique disposé entre ce cercle de van- entre la position- du cercle-devannage, et celle des aubes directri- ces. Dans une variante préférée de réalisation de la turbine-pompe sui- vant l'invention, la biellette de l'aube sélectionnée parmi la série d'aubes synchrones est réalisée sous forme d'un dispositif à longueur variable. Conformément à une autre possibilité préférée de réalisation de l'invention, le cercle de vannage agit sur un levier qui s'articule librement sur l'axe de l'aube concernée et qui, par l'intermédiaire d'un servo-moteur hydraulique commandé d'une manière particulière, oscil- le solidairement avec l'axe de cette aube directrice. Dans le cas d'une turbine-pompe équipée d'un dispositif de ré- glage à servo-moteur unique, il est prévu de préférence un dispositif pour ajouter une valeur supplémentaire de pré-ouverture à la valeur théorique d'ouverture prévue pour le réglage de l'ouverture des aubes directrices synchrones. On décrira maintenant plus en détail l'invention en se rapportant à des exemples de réalisation que montre le dessin annexé, sur lequel: La FIGURE 1, ainsi qu'on l'a indiqué, représente une partie d'un diagramme de courbes caractéristiques réparties sur quatre quarts de cercle, ce diagramme étant relatif à une turbine-pompe suivant l'état actuel de la technique; La FIGURE 2 est une vue analogue à la Figure 1 montrant les cour- bes caractéristiques obtenues avec une turbine-pompe fonctionnant con- formément à l'invention; La FIGURE 3 est une vue schématique montrant un dispositif à Mnage aubes commandées par le cercle d e; commune dans une turbine-pompe avec un dispositif de réglage réalisé conformément à la présente invention; La FIGURE 4 représente schématiquement une variante de réalisa- tion d'un dispositif de commande dU cercle. de vannage, et La FIGURE 5 montre un schéma synoptique d'un dispositif suivant l'invention pour une machine à aubes directrices commandées par servo- moteurs individuels. Contrairement aux courbes caractéristiques de la Figure 1, qui, comme on l'a vu plus haut, ont trait à un d-istributeur dans le- quel la totalité des aubes directrices sont commandées en synchronisme, la Figure 2 montre des courbes caractéristiques obtenues au cours d'un essai-type d'un distrib.uteur correspondant mais dans lequel certaines aubes directrices ont été préalablement ouvertes par rapport aux aubes restantes. Cette Figure 2 montre également des courbes caracté- 2464382, ristiques a a a14 On constate aisément que ces courbes caractéris- il 14 tiques présentent un caractère d'absolue stabilité. Chaque valeur n' d'une courbe caractéristique n'est affectée qu'à une seule valeur Q. Sur la Figure 3 on a représenté schématiquement deux aubes di- rectrices 6 et 12 commandées par une cercle commune de vYnnalg, l'au- be 6 faisant partie de la série normale d'aubes qui sont synchrones avec le cercle devannage - 7. Cette aube 6 s'ouvre dans le sens de la f lè- che 10 grâce à la rotation du cercle de vannage -7, par l'intèrmé- diaire de la biellette 8 et du levier 9 de cette aube, alors que la fer- \annage meture de celle-ci s'effectue lorsque le cercle b se deplace dans le sens de la flèche 11. En revanche, l'aube directrice 12 peut Atre neutralisée par rapport à cette série d'aubes synchrones. La biellette 13 associée à cette aube 12 s'articule librement sur un bras d'un levier double 15 qui pivote sur un axe d'aube directrice 14, l'autre bras de ce levier double étant relié par son extrémité libre et par l'intermé- diaire d'un moteur hydraulique de réglage 16 à un levier d'aube directri- ce 17 distinct qui est solidaire de l'axe 14 de l'aube concernée. Grâ- ce à une conduite sous pression 18, une vanne à solénoïde 19 et un dis- tributeur-amplificateur 20, il est possible d'appliquer un signal su- perposé au signal de valeur instantanée attribué par l'intermédiaire du -cercle de vannage 7. Cela permet d'effectuer l'ouverture préa- lable de l'aube directrice 12 et d'autres aubes directrices reliées à la conduite sous pression 21 et pourvues d'un mécanisme de commande correspondant. Une autre valve-pilote 23 sert de dispositif de réglage de fin de course, afin d'empêcher un sur-réglage de l'aube directrice 12 à ouverture préalable, au-delà de l'ouverture maximale prévue, lorsqu'en position d'ouverture maximale il se produit une ouverture supplémentaire de la série d'aubes normales sous l'impulsion du cercle de vannage 7. En plus des butées normales 24 qui limitent l'angle maximal d'ouver- ture de toutes les aubes directrices, il est prévusur les aubes direc- trices à ouverture préalable, une autre butée 25 contre laquelle la tige de commande du distributeur à tiroir 20 vient buter lorsque, au cours de l'ouverture préalable des aubes directrices 12, l'effet de com-' mande transmis par lecercle de vannage 7 dépasse la valeur maximale d'ouverture prévue. Cette butée 25 rétablit alors le distributeur 20 dans sa position de fermeture. Une autre possibilité de sélection d'une aube directrice dans la série des aubes directrices commandées par 1 et cercle de vannage 7 fait l'objet d'une représentation schématique sur la Figure 4, o les mêmes éléments que ceux correspondants représentés Figure 3 sont désignés par les m9mes chiffres de référence. La biellette 27 qui attaque le levier 26 associé à l'aube dierctrice 12 sélectionnée parmi les aubes de la série synchrone est constituée par un vérin hydraulique à longueur variable. La commande de ce vérin hydraulique peut être assurée de la méme façon que celle adoptée pour le mode de réalisation de l'invention que montre la Figure 3. Enfin, la Figure 5 montre un autre mode de commande des aubes à ouverture préalable dans un tel d i s'tribut eur ou stator, le régla- ge des aubes directrices individuelles s'effectuant ici à l'aide d'un dispositif électrique principal ou primaire de réglage, par exemple conformément à la demande de brevet DE-PS no 22 04 804 de la Demande- resse. La valeur prescrite d'ouverture des aubes que contient l'élément 28 sera appliquée par l'entremise de la conduite 29 aux aubes directrices qui sont solidaires de la série normale précitée. La valeur de l'ouver- ture préalable des aubes à ouverture préalable sera appliquée par l'en- tremise de l'élément de circuit 30, et l'on y ajoute dans l'élément d'addition 31 la valeur que contient l'élément 28, le total étant trans- mis, en tant que valeur nominale, par l'élément 32 aux aubes directrices à ouverture préalable. REVENDICATIONS 1. Procédé pour faire fonctionner une turbine-pompe dans la zone des courbes caractéristiques qui se situe entre le fonctionnement sous charge partielle et le fonctionnement en pompe en marche arrière, de manière que les différentes conditions de fonctionnement s'obtiennent par modification de l'ouverture des aubes directrices, caractérisé en ce que l'on effectue l'ouverture préalable ou anticipée, au moins tem- poraire, d'au moins une aube directrice (12) choisie parmi la série d'aubes synchrones (6). 2. Procédé selon la Revendication 1, dans lequel plusieurs au- bes directrices (12) sont choisies parmi la série d'aubes synchrones, caractérisé en ce que l'on choisit des aubes directrices (12) disposées suivant une symétrie polaire parmi la série d'aubes directrices (6) de l'appareil. 3. Procédé selon la Revendication 2, caractérisé en ce que l'on sélectionne dans la série dewu aubes directrices (12) disposées en des points diamétralement opposés. 4. Turbine-pompe pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des Revendications 1 à 3, avec des aubes directrices dont le réglage de l'ouverture s'effectue par l'intermédiaire d'une cercle de commune de vamage, caractérisée en ce que l'on prévoit, pour l'ouver- ture préalable, des aubes directrices (12) sélectionnées parmi celles (6) formant la série synchrone, un servo-moteur hydraulique (16, 27) disposé entre l e cercle de vannage (7) et les aubes directrices sé- lectionnées (12), et.destiné à modifier la cnjUgismentre la position de 1 cercle de WMannae et celle des aubes directrices. 5. Turbine-pompe selon la Revendication 4, caractérisée en ce que la biellette (27) de l'aube directrice (12) sélectionnée parmi la série d'aubes synchrones (6) est réalisée sous forme d'un dispositif à longueur variable. 6. Turbine-pompe selon la Revendication 4, caractérisée en ce que 1-e cercle de vannc3e(7) agit sur un levier double pivotant li- brement autour de l'axe (14) de l'aube directrice (12), ce levier dou- ble agissant, par l'intermédiaire d'un servo-moteur hydraulique (16) soumis à une commande particulière, sur un levier (17) rigidement so- lidaire de l'axe (14) de l'aube directrice (12). 7. Turbine-pompe pour la mise en ouvre du procédé suivant l'une quelconque des Revendications 1 à 3, comportant un réglage par servo- moteur individuel pour chacune des aubes directrices à ouverture préa- lable, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif (31) pour addi- tionner une valeur de consigne complémentaire d'ouverture (30) à la valeur de consigne d'ouverture (28) pour la totalité des dispositifs de réglage d'ouverture des aubes directrices individuelles.