Brevet FR2485111A1 — publié le 19811224

La présente invention se rapporte aux pompes et turbines- pompes multiétages à diffuseur fixe utilisées dans les installations hydroélectriques et concerne plus spécialement un dispositif permettant d'en faciliter le démarrage. L'exploitation des turbines-pompes multiétages à diffuseurs fixes se trouve grandement facilitée lorsque l'on peut effectuer les démarrages-roues noyées. La séquence classique de demarrage de telles pompes ou turbines-pompes- consiste, le robinet de garde étant fermé, à démarrer la pompe soit a l'aide d'un moteur asynchrone auxiliaire, quelquefois entrainé, dans le cas du démarrage dit "dos-a-dos", à partir d'une autre turbine, soit à l'aide de son moteur synchrone fonctionnant alors-, grace à des équipements spéciaux ou à un surdimensionnement des bobinages du rotor, en moteur asynchrone. On augmente alors progressivement la vitesse jusqu'à parvenir a 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 a 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 negli- geable de la puissance nominale, et peut atteindre 90% de celle-ci. I1 en résulte un échauffement de l'eau a débit nul qui risque d'entraîner, par une dilatation différentielle de certaines pièces de la turbine entre parties fixes et parties mobiles, l'endommagement de certaines pièces. Il en résulte par ailleurs une nécessité de surdimensionnement du moteur utilisé pour le démarrage, que celui-ci soit un moteur auxiliaire, le moteur principal de la turbine-pompe, ou le moteur asynchrone principal de la pompe s'il s'agit d'une pompe classique.Enfin, dans le cas du démarrage "dos-à-dos", on peut même se trouver dans l'impossibilité totale de démarrer roues noyées dans le cas ou la puissance fournie par la turbine se trouve etre insuffisante pour vaincre le couple de barbotage : il s'avère alors nécessaire de diminuer la puis-sance de barbotage et/ou de pouvoir effectuer sans problèmes un dénoyage partiel ou total. La pompe ou turbine-pompe multiétages de l'invention présente l'avantage de permettre une diminution substantielle de la puissance de barbotage ainsi que de faciliter les démarrages avec dénoyage partiel ou total. Elle est caractérisée en ce qu'au moins un de ses etages est équipé d'une vanne cylindrique située dans l'espace entre la roue et le diffuseur. De préférence, une telle vanne, dite "vanne-fourreau", sera placée sur l'étage inférieur et/ou sur l'étage supérieur. L'invention concerne également un procedé de démarrage d'une telle machine hydroelectrique., soit roues noyées-, soit avec dénoyage partiel ou total. L'invention sera explicitée plus en détails à l'aide de la description suivante d'un exemple de réalisation applique à une turbine-pompe à- trois étages, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une coupe schématique longitudinale de la turbinepompe de l'invention, - la figure- 2 est une coupe- schématique agrandie de la vanne-fourreau équipant, à titre d'exemple, l'étage inférieur de la turbine-pompe de la figure 1. On reconnait sur la représentation schématique de la figure 1 une turbine-pompe hydroélectrique à trois étages comportant, de l'amont vers l'aval loraque.la machine.fonctionne en pompe - un "aspirateur" 1 constituant le circuit d' arrivée d'eau, - un premier etage, ou étage inférieur, comportant une roue à aubes 2 suivie d'un diffuseur fixe 3, - un premier circuit de retour 4, garni d'ailettes fixes 14, 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, garni d'ailettes fixes 15, permettant d'amener l'eau jusqu'au troisième étage, - un troisïème étage, dit étage supérieur, comportant une roue à aubes 8 et un diffuseur fixe 9, - un circuit de sortie, ou "boche", comportant un avant-diffuseur 10 et une volute .11, - 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 révolution autour de l'arbre.16 de la machine. Conformément a l'invention, l'étage inférieur et l'étage supérieur de la machine sont chacun équipés d'une vanne cylindrique, ou "vanne-fourreau", respectivement 17 et 18, logées dans l'espace situé entre la roue, respectivement 2 et 8, et le diffuseur, respectivement 3 et 9. Ces vannes-fourreau (17, 18) sont de dimensions suffisantes pour pouvoir le cas échéant obstruer totalement l'espace entre roue et diffuseur, et sont actionnées par des moyens classiques, par exemple par des vérins hydrauliques, respectivement 19 et 20. La figure 2 montre schematiquement l'implantation de la vanne 17 sur l'étage inférieur, étant entendu que l'implantation de la vanne 18 s'effectue de maniere identique, mais de façon toutefois symétrique par rapport au plan médian radial de la machine. Comme on le voit sur le dessin, le vérin 19 est un vérin à double effet usiné dans le corps 21 de la machine et recevant de l'huile sous pression, soit dans une cavité inférieure 22 lorsqu'on veut provoquer la fermeture de la vanne 17, soit dans une cavité supérieure 23 lorsqu'on veut provoquer son ouverture.Lorsque la hauteur de chute est importante, on peut-très bien se passer d'envoyer de l'huile sous pression en 23, le vérin.19 devenant un verin â simple effet, car, en l'absence de pression d'huile en 22, la vanne 17 s'ouvre d'elle-meme sous l'effet de la pression d'eau et de son propre poids. Le démarrage en pompe de la turbine-pompe de la figure 1 peut s'effectuer, conformément à l'invention soit sous roues noyées, à débit partiel ou à débit nul, soit avec dénoyage partiel ou même total. Le démarrage roues noyées et à débit nul s'effectue, selon l'invention, en laissant les vannesfourreau 17 et 18 très légèrement ouvertes, de façon à juste compenser l'inévitable--débit de fuite de la machine. La demanderesse a pu constater ainsi, en raison én particulier de la diminution ainsi obtenue des pertes par recirculation dans les espaces entre diffuseurs et roues, une nette diminution de la puissance de barbotage. Le démarrage roues noyees et à débit partiel de la machine s'effectue, dans le cas où l'on dispose d'un robinet de garde 13 pouvant s'ouvrir partiellement ou equipé d'un robinet de dérivation ou "by-pass" 24, de manière déjà connue pour ce genre de machines (demande de brevet français NO 7829899), les vannes-fourreau (17, 18) étant toutefois, selon l'invention, ouvertes d'une quantité juste suffisante pour laisser passer le débit partiel souhaité.Dans le cas ou l'on ne dispose pas d'un robinet de garde pouvant s'ouvrir partiellement ou équipé d'un by-pass, on pourra effectuer, de manière connue également, le démarrage de la machine à débit partiel à l'aide d'une dérivation 26 placée immédiatement à la sortie de la volute 11 et en amont du robinet de garde 13, entre la conduite de refoulement 12 et l'aspirateur 1 ou un puisard non representé : dans ce cas également, et conformément à l'invention, on ouvrira les vannes-fourreau (17, 18) d'une quantité juste suffisante pour laisser passer le débit partiel. On utilisera cependant encore mieux le dispositif de l'invention en faisant jouer aux vannes-fourreau le réale de robinet à ouverture partielle de l'art antérieur : le robinet de garde étant fermé, on ouvrira la ou les vannes-fourreau d'une quantité juste suffisante pour pouvoir laisser passer le débit partiel souhaité et on mettra en route la machine alors isolée ; lorsque la hauteur de refoulement en amont du robinet de garde dépassera la chute statique en aval de celui-ci, on ouvrira totalement celui-ci, le débit partiel étant alors assuré par la ou les vannes-fourreau. Le démarrage de la machine de l'invention avec dénoyage partiel peut s'effectuer de diverses façons. I1 est tout d'abord possible, du fait que les vannes-fourreau 17 et 18 sont susceptibles de se fermer totalement en isolant alors l'étage correspondant, d'effectuer, de la même manière qu'on le fait sur les turbines monoétage, le dénoyage de l'étage considéré : on fermera totalement la vanne 18 pour effectuer le dénoyage de l'étage supérieur et la vanne 17 pour effectuer le dénoyage de l'étage inférieur. De manière classique, on munira alors l'étage supérieur et/ou inférieur d'une entrée d'air comprimé d'évacuation d'eau et l'étage supérieur d'une sortie d'eau évacuée. On peut aussi, conformément à l'invention, effectuer le dénoyage de l'étage supérieur et éventuellement en outre de l'étage médian de la façon suivante La vanne-fourreau supérieure 18 étant absente ou au moins partiellement ouverte, et la vanne-fourreau inférieure 17 totalement fermée, on ouvre, le robinet de garde 13 étant évidemment ferme, d'une part un robinet 25 reliant l'entrée du second étage à un puisard non représenté et d'autre part une vanne 27 placée sur une entrée 28 d'air comprimé juste. en amont du robinet de garde 13, comme représenté sur la figure 1. On peut ainsi effectuer aisément le dénoyage de l'étage supérieur ainsi que, si on le désire, de l'étage médian, avec une pression d'air comprimé juste suffisante pour permettre l'évacuation de l'eau vers le puisard, donc relativement faible.Dans ce dernier cas, on pourra alors, si on le désire, dénoyer totalement la machine en effectuant en outre le dénoyage de l'étage inférieur de manière indépendante pour cet étage comme explicité précédemment, ce qui présente l'avantage, par rapport à la méthode qui consisterait à dénoyer la machine avec les vannes-fourreau ouvertes, de nécessiter moins de puissance d'air comprimé, car seul l'étage inférieur nécessite une forte pression d'air. Enfin, dans le cas où il est nécessaire d'avoir sur la machine, pour des raïsons de sécurité, .r deux robinets de garde au lieu d'un seul-, on peut, grâce au dispositif de l'invention, faire l'eco- nomie d'un robinet de garde, la ou les vannes-fourreau servant alors de robinet de garde de sécurité ; on préfèrera alors, pour des raisons de sécurité supplémentaires, faire jouer ce rôle à une vanne fourreau placee sur l'étage supérieur. REVENDICATIONS 1. Pompe ou turbine-pompe multietages à diffuseur fixe, caractérisée en ce qu'au moins un de ses étages est équipé d'une vanne cylindrique (17, 18) située dans l'espace entre la roue (2, 8) et le diffuseur (3, 9). 2. Pompe ou turbine-pompe multiétages selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite ou lesdites vannes est/sont placée(s) sur l'étage inférieur et/ou sur l'étage supérieur. 3. Procédé de démarrage roues noyees et à débit nul d'une pompe ou turbine-pompe selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer ledit démarrage a débit nul avec ladite ou lesdites vannes très légèrement ouvertes, juste de façon à compenser le débit de fuite de la machine. 4. Procédé de démarrage roues noyées et à débit partiel d'une pompe ou turbine-pompe selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste a effectuer ledit démarrage à débit partiel avec ladite ou lesdites vannes ouverte(s) d'une quan tité juste suffisante pour pouvoir laisser passer le débit partiel souhaité. 5. Procédé de démarrage selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on obtient ledit débit partiel en ouvrant totalement le robinet de garde (13) lorsque la hauteur de refoulement dépasse la hauteur de chute. 6. Procede de démarrage selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on obtient ledit débit partiel en maintenant le robinet de garde (13) fermé et en faisant débiter la machine sur une dérivation (26) partant de la conduite de refpulement (12), en amont dudit robinet de garde. 7. Procedé de démarrage avec dénoyage partiel d'une pompe ou turbine-pompe selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à dénoyer de manière indépendante l'étage inférieur etZou l'étage supérieur apres avoir isolé celui-ci ou ceux-ci par fermeture totale de ladite ou desdites vanne(s) cylindrique(s) (17, 18) correspondante(s). 8. Procédé de démarrage avec dénoyage partiel d'une pompe ou turbine-pompe selon la revendication 2, du type comportant une vanne cylindrique sur l'étage inférieur, caractérisé en ce qu'il consiste à dénoyer l'étage superieur, ainsi qu'éventuellement les étages situés entre celui-ci et l'étage inférieure en maintenant la vanne cylindrique (17) équipant l'étage inférieur totalement fermée, en maintenant par ailleurs la vanne cylindrique équipant éventuellement l'étage supérieur au moins partiellement ouverte, et en évacuant l'eau par une conduite située à l'entrée du second etage. 9. Procédé de démarrage avec dénoyage total d'une pompe ou turbine-pompe selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à dénoyer l'étage inférieur de manière indépendante par isolement de celui-ci à l'aide ae la vanne cylindrique (17) correspondante, et à dénoyer les autres étages par lé procédé selon la partie caractérisante de la revendication 8.