Brevet FR2484025A1 — publié le 19811211

La présente invention se rapporte aux pompes et turbinespompes multiétagesà diffuseur fixe utilisées dans les installations hydroélectriques, et concerne plus spécialement un dispositif permettant d'en faciliter le démarrage. Le démarrage des pompes ou des turbines-pompes en pompe, lorsque ces machines sont à plusieurs étages et à diffuseurs fixes, s'effectue actuellement toujours roues noyées, autant en raison des difficultes que rencontrerait dans l'autre cas l'implantation de e tuyauteries de vidange d'eau et d'amenee d'air comprime, qu'en raison des problèmes que créeraient les instabilités qui seraient dues à l'évacuation brutale de l'air sous la poussée de l'eau au moment du renoyage. La séquence classique de demarrage de telles pompes ou turbines-pompes consiste, le robinet de garde étant fermé, à démarrer la pompe soit à l'aide d'un moteurasynchrone auxiliaire, soit à l'aide de son moteur synchrone fonctionnant alors, grâce à des équipements speciaux ou à un surdimensionnement des bobinages du rotor, en moteur asynchrone. On augmente alors progressivement la vitesse jusqu'à parvenir à la vitesse de synchronisme. On couple alors le moteur synchrone et l'on ouvre progressivement le robinet de garde jusqu'à ce que l'on obtienne le débit nominal. La puissance fournie à débit nul au voisinage de la vitesse de synchronisme, appelée "puissance de barbotage" est souvent, dans le cas des pompes à diffuseurs fixes, une fraction non négligeable de la puissance nominale, et peut atteindre 90% de celle-ci.Il en resulte d'une part un échauffement de l'eau à débit nul qui risque d'entrainer, par une dilatation différentielle de certaines pièces de la turbine entre parties fixes et parties mobiles, l'endommagement de certaines de ces pièces, et d'autre part une nécessité de surdimensionnement du moteur utilise pour le démarrage, que celui-ci soit un moteur auxiliaire, le moteur principal de la turbinepompe, ou le moteur asynchrone principal de la pompe s'il s'agit d'une pompe classique. La pompe ou turbine-pompe multiétages à diffuseur fixe de l'invention présente l'avantage de pouvoir démarrer roues noyées avec une puissance de barbotage réduite par rapport à celle nécessitée pour les dispositifs connus actuellement. Elle est caractérisée en ce qu'au moins un étage est équipé d'un dispositif auxiliaire de création d'un rideau d'eau sous pression dans l'espace annulaire situé entre la sortie de la roue et le diffuseur. Avantageusement, ce rideau d'eau est constitué par une série de jets d'eau disposés en anneau et envoyés dans l'espace entre roue et diffuseur à l'aide d'une rampe auxiliaire percée de canaux d'injection d'eau sous pression, et avantageusement située, en particulier pour des questions de facilité d'implantation, sous ledit espace annulaire. t'écran d'eau ainsi créé limite alors au démarrage le frottement fluide sur le diffuseur fixe relatif à l'étage considéré, ainsi que les recirculations à travers les aubages dudit diffuseur, ce qui permet de diminuer de manière non négligeable le couple de barbotage. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un exemple de réalisation, applique au démarrage en pompe d'une turbine-pompe à trois étages et à diffuseurs fixes, en référence aux dessins annexes dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale de la turbine-pompe de l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique agrandie du dispositif d'injection de jets d'eau équipant la pompe de la figure 1, - la figure 3 est une vue développée de l'anneau d'injection de jets d'eau équipant le dispositif d'injection de la figure 2, - la figure 4 est une vue développée d'une variante d'anneau d'injection pouvant équiper le dispositif d'injection de la figure 2, - la figure 5 représente schématiquement une variante de dispositif d'injection de jets d'eau pouvant équiper la pompe de la figure 1, - la figure 6 est une vue développée du tronc de cône d'injection de jets d'eau équipant le dispositif a'injection de la figure 5. On reconnait sur la représentation schématique de la figure 1 une turbine-pompe hydroélectrique à trois: étages, comportant, dans le sens de l'écoulement lorsque la machine, comme c'est le cas pour l'invention, fonctionne en pompe - un aspirateur 1 d'arrivée d'eau, - un premier étage comportant une roue à aubes 2 suivie d'un diffuseur fixe 3, - un premier circuit de retour 4 servant à amener l'eau vers le second étage, - un second étage comportant une roue à aubes 5 et un diffuseur fixe 6 - un second circuit de retour 7 permettant d'amener l'eau jusqu'au troisième étage, - un troisième et dernier étage comportant une roue à aubes 8 et un diffuseur fixe 9, - un circuit de sortie, ou "bâche", comportant un avant-diffuseur 10 et une volute 1-1, - une conduite forcée de refoulement 12 munie d'un robinet de garde 13. L'ensemble de ces éléments, à l'exception de l'aspirateur et de la volute qui sont dissymétriques, est par ailleurs de révo- - lution autour de l'arbre 14 de la machine-. Conformément à l'invention, l'étage inférieur de la machine est muni d'un dispositif permettant d'injecter de bas- en haut et parallèlement à l'arbre 14, une centaine de jets d'eau sous pression 16 dans l'espace annulaire 15 séparant la roue 2 du diffuseur 3. Ce dispositif, qui sera décrit plus en détails en référence aux figures 2 et 3 est constitué essentiellement par un anneau distributeur d'eau 17, ou collecteur, muni d'une arrivée d'eau sous pression 18 et percé à sa partie supérieure d'un grand nombre de canaux 19 permettant l'éjec- tion des jets d'eau 16.Pour amener l'eau sous pression en 18, on utilise une canalisation de dérivation 2O, ou "by-pass", qui raccorde l'entrée 18 à la conduite d'évacuation 12, soit en 21 à l'amont du robinet de garde 13, soit en 22 à l'aval de celui-ci, selon que les robinets sphériques 23 et 24, placés sur les canalisations 25 et 26 sont respectivement le premier ouvert et le second fermé ou le premier fermé et le second ouvert. Dans le cas où l'on souhaitera effectuer le démarrage de la pompe à débit nul, c'est-a-dire avec le robinet de garde 13 totalement fermé, on prendra la dérivation de by-pass 20 en 22, donc en ouvrant le robinet 24, le robinet 23 étant fermé, la pression d'eau d'injection par les canaux 19 étant alors fonction de la hauteur de chute résiduelle par rapport au bassin supérieur. Par contre, pour un demarrage à débit partiel, avec le robinet de garde 13 légèrement ouvert, on prendra avantageusement la dérivation en 21, le robinet 23 etant ouvert et le robinet 24 fermé, ce qui évite en particulier la perte de charge dans le robinet de garde 13. La coupe schématique de la figure 2 montre plus en détails le dispositif auxiliaire d'injection de jets d'eau de la figure 1. Comme on le voit sur le dessin, le collecteur annulaire 17 est constitué de deux pièces 27 et 28. La pièce annulaire 27 s'appuie sur le corps de l'aspirateur 1 , l'étanchéité entre la partie fixe 27 et la roue 2 est assurée par un joint 29. Par ailleurs, la partie supe- rieure de la pièce 27 est usinée de manière à former une roue dentée 30 à dents axiales, dont la figure 3 en représente une vue développée, ce qui permet de définir par appui sur l'autre pièce 28 une série de canaux verticaux 19 de passage des jets 16. Comme mentionné précé- demment, les jets d'eau sous pression 16 permettent de former, dans l'espace 15, un ecran d'eau lisse permettant d'isoler la roue 2 du diffuseur 3 et de diminuer ainsi la puissance de barbotage. La figure 4 montre une variante avantageuse de la roue dentée 30 de la figure 2. Selon cette variante, les dents définissant les canaux 19 sont inclinées par rapport à l'horizontale d'un angle avantageusement situé aux alentours d'une trentaine de degrés, et en tous cas inférieur à 90 degrés, de manière à diriger les jets 16 dans le sens tendant à faire tourner en pompe les aubes de roue 2. De la sorte, les jets 16 de l'invention ont, outre leur fonction de creation d'un écran d'eau, une fonction d'aide au démarrage de la pompe. Les figures 5 et 6 montrent une variante du dispositif selon les figures 2 et 4, se différenciant de celles-ci par le fait que la roue dentée 30 est une roue tronc5nique, les canaux 19 étant alors non seulement inclines, comme on le voit sur la figure 6, d'environ 30degrés par rapport à l'horizontale, mais étant en outre inclinés d'approximativement la même valeur par rapport à la verticale et vers la gauche, c'est-à-dire vers la roue 2, les deux angles d'inclinaison étant en tous cas inférieurs à 90 degrés. La demanderesse a trouvé que cette disposition permettait aux jets 16 d'encore mieux assister le démarrage en pompe de la machine, tout en créant dans l'espace 15 un écran d'eau aussi efficace que celui crée par les configurations de roues dentée 30 selon les figures (2, 3) et (2, 4). Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux réalisations qui viennent d'être décrites à titre d'exemple. En particulier, ces réalisations ne comportent qu'un dispositif (17, -19) d'injection de jets d'eau vers le haut dans l'espace 15 placé à la partie inférieure de celui-ci. Il va de soi qu'on pourrait aussi bien placer un tel dispositif en outre ou uniquement à la partie supérieure de cet espace 15, injectant alors des jets 16 dirigés vers le bas. Toutefois, une telle disposition poserait des problèmes supplémentaires d'encombrement de sorte que la disposition décrite précédemment a été trouvée préférentielle et d'une efficacité suffisante. On pourrait aussi munir tout ou partie des autres étages d'un dispositif de création d'un rideau d'eau selon l'invention, mais leur efficacité serait toutefois moindre que sur l'étage inférieur en raison de la diminution de la puissance des jets 16 sur les étages suivants ; il serait dans ce cas souhaitable d'adjoindre sur chaque canal 20 une pompe auxiliaire permettant d'augmenter la puissance des jets 16. REVENDICATIONS 1. Pompe ou turbine-pompe multiétages à diffuseur fixe, caractérisée en ce qu'au moins son étage inférieur est équipé d'un dispositif auxiliaire (17, 19) de création d'un rideau d'eau sous pression dans l'espace annulaire (15) situé entre la sortie de la roue (2) et le diffuseur (3). 2. Pompe ou turbine-pompe multiétages selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit dispositif auxiliaire est équipé d'un dispositif (30) d'injection d'un grand nombre de jets d'eau (16). 3. Pompe ou turbine-pompe,,l,, la revendication 2, caractérisée en ce que ledit dispositif d'injection (30) est équipé de canaux (19) orientés verticalemet. 4. Pompe ou turbine-pompe s-elon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit dispositif d'injection (30) est équipé de canaux (19) situés dans le plan vertical et inclinés par rapport à l'horizontale dans le sens de rotation de la pompe d'un angle inférieur à 90 degrés. 5. Pompe ou turbine-pompe selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit angle d'inclinaison est d'une valeur d'environ 30 degrés. 6. Pompe ou turbine-pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit dispositif d'injection (30) est équipé de canaux (19) inclinés, d'une part par rapport à la verticale en direction de la roue (2), et d'autre part par rapport à l'horizontale dans le sens de rotation de la pompe, d'angles inférieurs à 90 degrés. 7. Pompe ou turbine-pompe selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits angles d'inclinaison ont tous deux une valeur a'environ trente degrés. 8. Pompe ou turbine-pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit rideau d'eau est crée à partir d'une dérivation (20) partant de la conduite de refoulement (12) soit en amont du robinet de garde (13) dans le cas du démarrage de la pompe à debit partiel, soit en aval de celui-ci dans le cas du démarrage à débit nul.