Brevet FR2570440A1 — publié le 19860321

Procédé et dispositif de limitation de la vitesse d'emballement d'un groupe hydroélectrique de basse chute La présente invention a pour objet un procédé destiné à limiter la vitesse d'emballement d'un groupe hydroélectrique de basse chute à dis- tributeur orientable et à pales de roue orientables, tel qu'un groupe "bulbe" à distributeur mobile et à pales mobiles destiné à fonctionner sous une hauteur de chute pouvant varier en marche normale entre 8 et 16 mètres par exemple. D'une manière générale, un groupe hydroélectrique de basse chute, tel qu'un groupe bulbe, comporte un ensemble turbine-alternateur, l'écoule- ment hydraulique étant axial. En marche normale, le groupe débite sur le ré- seau électrique et tourne à sa vitesse de synchronisme. Par contre en cas d'incident, en cas d'ouverture du disjoncteur principal par exemple, il y a disparition du couple résistant de sorte que, le couple moteur étant tou- jours appliqué sur la machine, le groupe part à l'emballement. Les vitesses d'emballement des groupes bulbe sont généralement élevées et peuvent être trois fois supérieures à leur vitesse de synchro- nisme, et même plus. Les efforts mécaniques sur les parties tournantes étant proportionnels au carré de la vitesse, ceux-ci se trouvent donc multi- pliés, à l'emballement, par un facteur pouvant atteindre 10, et même plus. Chaque emballement est donc dangereux quels que soient les turbines et al- ternateurs utilisés. Les groupes bulbe destinés aux aménagements de très basse chute à fort débit comportent des roues à pales orientables de grand diamètre tour- nant à basse vitesse. Des études récentes montrent que pour des vitesses de rotation de la turbine très lentes, inférieures à 70 tours par minute par exemple, il devient économiquement intéressant d'adapter un alternateur ra- pide entratné par un multiplicateur coaxial. Cette disposition peut permet- tre une réduction sensible du'diamètre de bulbe constitué par l'enceinte contenant l'alternateur et le multiplicateur. Pour profiter au maximum de cette possibilité, il apparait souvent nécessaire de rechercher la plus grande vitesse de rotation possible pour l'alternateur, afin d'élever le rapport de multiplication au-delà de 8,5 environ, ce qui autorise le choix d'un multiplicateur à deux étages, d'encombrement- réduit. Les vitesses d'em- ballement des groupes bulbe, généralement élevées, constituent un handicap important pour les constructeurs qui se heurtent à de grosses difficultés de réalisation des alternateurs rapides, voire même à des impossibilités de 2 2570440 réalisation lorsque le rapport de la vitesse d'emballement maximale à la vi- tesse nominale dépasse 3. Il apparatt donc indispensable de mettre au point un dispositif fiable limitant le rapport d'emballement à des valeurs infé- rieures à 3. L'invention concerne donc un procédê de limitation de la vitesse d'emballement d'un groupe hydroélectrique de basse chute, tel qu'un groupe axial du type bulbe par exemple, comportant une turbine hydraulique à dis- tributeur orientable et à pales de roue orientables, caractérisé en ce qu'il consiste à limiter l'ouverture du distributeur pour chaque ouverture des pales selon une loi de limitation confondue avec une loi déterminée de conjugaison en marche normale entre les ouvertures de distributeur et de pa- les de la turbine, ladite loi de conjugaison étant relative à une hauteur de chute déterminée et inférieure à la hauteur de chute minimale sous la- quelle est normalement amené à fonctionner le groupe hydroélectrique. Avantageusement, ladite loi de limitation est confondue avec une loi de conjugaison en marche normale qui serait située à quelques pour-cent en valeurs relatives au-delà de celle correspondant à ladite hauteur de chute minimale. L'invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre du procédé ci-dessus défini, caractérisé en ce qu'il comporte un limiteur d'ou- verture du distributeur pour chaque ouverture des pales, les prises d'ouver- ture du distributeur et d'ouverture des pales dans ledit limiteur étant cou- plées par un dispositif de conjugaison reproduisant ladite loi de limita- tion. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivan- te d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés dans les- quels: - la figure 1 est un diagramme comportant un faisceau de courbes correspon- dant à la colline d'emballement de la turbine, ainsi que les lois de conju- gaison de celle-ci et la loi de limitation de l'invention, - la figure 2 représente schématiquement un dispositif de mise en oeuvre du procédé de limitation de vitesse d'emballement de l'invention, - la figure 3 est un schéma de l'actionneur équipant le dispositif de la fi- gure 2. D'une manière générale, chaque constructeur fournit, pour une tur- bine hydraulique donnée, un diagramme topographique des courbes d'égal ren- dement, dite "colline de rendement" par analogie avec les lignes isohypses d'une colline sur une carte topographique. Ces courbes sont tracées en coor- données réduites donnant le débit dans la turbomachine ramené à une roue de un mètre de diamètre sous un mètre de chute en fonction de sa vitesse de ro- tation ramenée également à une roue de un mètre de diamètre sous un mètre de chute. Par ailleurs, pour que la machine fonctionne avec le rendement op- timal, il est nécessaire que les ouvertures de pales et de distributeur soient optimales pour un point de fonctionnement donné. Le constructeur fournit donc pour une machine donnée un réseau de courbes "de conjugaison" entre les angles d'ouverture des pales et du distributeur pour les diffé- rents débits et les différentes hauteurs de chute pour lesquels la machine est normalement amenée à fonctionner. A une certaine valeur de l'ouverture du distributeur, ou du "vannage" en terme de métier, est donc toujours asso- ciée, par la loi de conjugaison déduite de ce faisceau de courbes, une ou- verture donnée des pales. Un dispositif de conjugaison, soit autrefois méca- nique à came de conjugaison, soit généralement électronique actuellement, permet d'assurer en marche normale cette condition. En cas d'incident en- trainant entre autres l'emballement de la machine, cette conjugaison n'est plus assurée, de sorte que les pales et le vannage prennent des valeurs d'ouverture quelconques, qui peuvent correspondre à des vitesses d'emballe- ment élevées. De la colline de rendement de la machine et de ses courbes de conjugaison, on peut déduire le faisceau de courbes de la figure 1, que l'on appellera par la suite "colline d'emmballement",et qui comporte, avec le débit d'eau D en ordonnées et la vitesse de rotation v en abscisses: - les courbes 1, 2, '3,.'.. de correspondant à différentes ouvertures du vannage (distributeur), - les courbes Ci1, 2, O3,..... e correspondant à différentes ouvertures des pales, - les courbes C1,.... C2 de conjugaison entre le vannage et les pales en marche normale de la machine pour différentes hauteurs de chute, la courbe C1 étant la courbe de conjugaison pour la chute maximale Hmax, par exemple 16 mètres, et la courbe C2 étant la courbe de conjugaison pour la chute mi- nimale Hmin, par exemple 8 mètreso Sur la colline d'emballement de la figure I, la courbec i3 corres- pond à l'angle maximal d'ouverture des pales, et les autres courbes 2p i 1, i e correspondent à-des ouvertures inférieures à ce maximum et progres- sivement décroissantes à partir de i 3. De même, la courbeYe correspond à l'ouverture maximale possible du vannage, tandis que les autres courbesX3, 4 2570440 X2, Y! correspondent à des ouvertures inférieures à ce maximum et progres- sivement décroissantes par rapport à Yeo Enfin, sur le graphique, les cour- -bes de conjugaison C1, -...,C2 sont de plus en plus "hautes", c'est à dire de plus en plus à droite, comme on le voit sur le graphique, par rapport à C1 au fur et a mesure que la hauteur de chute H diminue. En marche normale, le point de fonctionnement se déplace, pour une hauteur de chute H donnée, sur la courbe de conjugaison C correspondante, en fonction des valeurs i,, conjuguées, des ouvertures des pales de vannage respectivement. Si, en cas d'incident, la conjugaison donnée par la loi C ne fonc- tionne plus, le vannage peut atteindre l'angle d'ouverture maximale Ye- Si, dans ce cas, les pales sont ouvertes de l'angle i e, le point de fonc- tionnement vient en Ae, à l'intersection des courbes Ye et Re, de sorte que la turbine tourne à la vitesse d'emballement ve, considérée comme trop élevée, et que la présente invention se propose de limiter à une valeur vM, considérée comme acceptable par les parties tournantes. On remarquera au passage qu'en marche normale, c'est à dire en conjugaison, et pour le cas le plus défavorable, c'est à dire pour la chute minimale Hmin, le point de fonctionnement pour ladite ouverture des pales : e, qui est d'ailleurs très faible, se situe en Ac, pour une ouverture conjuguée du vannage ic, ce qui correspond pour la turbine à la vitesse vc, sensiblement inférieure à la vitesse maximale d'emballement ve. Le tracé de ces courbes par les inventeurs et leur examen leur a permis d'effectuer les remarques suivantes: - la vitesse d'emballement maximale est obtenue pour un vannage extrèmement ouvert et pour des pales très peu ouvertes - si l'on obligeait la machine à rester en conjugaison quoiqu'il arrive, la vitesse d'emballement serait limitée à la valeur vc. Conformément à l'invention, on limite la vitesse d'emballement en limitant la déconjugaison accidentelle des pales et du vannage par adjonc- tion "en surveillance" d'une loi de limitation M (courbe C3), confondue avec une loi de conjugaison, déduite de la colline de rendement et des cour- bes de conjugaison de la machine, qui correspondrait à un fonctionnement hy- pothétique de la machine en marche normale et sous une hauteur de chute H inférieure, et de préférence légèrement inférieure, à la hauteur de chute minimale Hmin (courbe C2). La courbe de limitation C3 de l'invention est donc sur le graphique légèrement "au-dessus" de la courbe C2, la marge ha- churée m entre ces deux courbes correspondant à une valeur de quelques pour- 2570440 cent en valeurs relatives, par exemple 5%, par rapport aux données de la courbe 02. Dans la pratique, ce procédé revient d'une part à faire suivre à des prises d'ouverture des pales et du vannage respectivement la loi de conjugaison M (courbe C3), et d'autre part à faire agir cette loi en limiteur d'ouverture du vannage lorsque, pour une position des pales donnée, telle que considérée comme dangereuse pour la machine. On voit sur le graphique que, grace à l'invention, le point de fonctionnement à l'emballement pour l'ouverture de pales e vient en AM, le vannage étant ouvert de YM et ne pouvant s'ouvrir plus, de sorte que la machine tourne à la vitesse VM, très peu supérieure à la vitesse vc en mar- che normale, et en tous cas sensiblement inférieure à la vitesse d'emballe- ment ve précédemment définie. On remarquera que la marge m est nécessaire, sans quoi on bloque- rait toute possibilité de variation du dispositif en marche normale. Elle ne doit cependant pas être trop grande, sans quoi on limiterait insuffisam- ment la vitesse d'emballement. La figure 2 montre schématiquement un exemple non limitatif de ré- alisation pratique du procédé qui vient d'être décrit en référence à la fi- gure 1. Sur cette figure, la référence 1 désigne le bloc électronique de commande de la marche du groupe hydroélectrique, fournissant sur sa sortie 2 un signal de commande d'ouverture ou de fermeture du vannage, signal qui est appliqué positivement à un additionneur analogique 3. Le signal électrique en sortie de l'additionneur 3 est appliqué à un "actionneur" 4, c'est à dire un transducteur de niveau électrique en ni- veau de pression d'huile, détaillé sur la figure 3, qui reçoit sur une autre entrée 5 une pression d'huile fixe P0, dite pression de régulation, et fournit dans sa canalisation de sortie 6 une pression d'huile p modulée par son signal électrique d'entrée en provenance de l'additionneur 3. La référence 7 désigne une soupape de sécurité formant limiteur de pression règlé pour une pression de déclenchement légèrement supérieure à P0, et dont le rôle sera expliqué ultérieurement. La pression p est appliquée, par l'intermédiaire de la conduite 6, à la chambre inférieure 8 d'un relais-distributeur 9, o elle vient pous- ser vers le haut un piston 10 constituant le poussoir inférieur du distribu- teur 9. La chambre 8 a une section transversale définie de valeur S. De manière classique, le distributeur 9 comporte dans un carter 11: - un piston central 12, appelé tiroir du distributeur, muni d'épaulements 13, 14, comme représenté - une entrée médiane 15 recevant de l'huile à la pression constante PO, dite pression de régulation - une sortie supérieure d'évacuation 16 et une sortie inférieure d'évacua- tion 17 - une première sortie de pression d'huile 18 vers la chambre supérieure 20 du vérin à double-effet 22 commandant l'ouverture et la fermeture du vanna- ge - une deuxième sortie 19 de pression d'huile vers la chambre inférieure 21 dudit vérin 22 - un poussoir supérieur 23 tendant à pousser le tiroir 12 vers le bas sous l'action de la pression d'huile de régulation P0 appliquée par l'entrée 24 dans une chambre 25 de section transversale égale à S/2; de manière classi- que, la position du poussoir 23 est testée par la tige 26 d'un variomètre 27, c'est à dire d'un transducteur analogique de signal de position en si- - gnal électrique, dont la tension de sortie est appliquée négativement en 28 à une entrée de l'additionneur analogique 3. De manière classique, la tige 29 du vérin 22 commande l'ouverture O (tige se déplaçant vers le bas) et la fermeture F (tige se déplaçant vers le haut) du vannage, et la position de cette tige 29 est testée par la tige 30 d'un second variomètre 31 dont le signal électrique analogique de sortie en 34 est appliqué d'une part négativement sur une entrée 32 de l'addition- neur 3 et d'autre part en 33 vers le dispositif électronique de conjugaison entre les angles d'ouverture du vannage et des pales, dispositif très clas- sique qui n'a pas été représenté sur le dessin. On remarquera que, dans cette conception de dispositif classique, ce sont les pales qui suivent le vannage via leur loi de conjugaison. Toute la partie du dispositif de la figure 2 qui vient d'être dé- crite est extrêmement classique, et son fonctionnement est le suivant: 7 25 70 44O Dans la position représentée sur le dessin, aucun signal de variation de po- sition du vannage n'est appliqué en 2 par le bloc de commande 1, de sorte que le distributeur 9 est à l'équilibre tel que représenté. Pour ce faire, l'actionneur 4 est règlé pour fournir alors une pression égale à P0/2 dans la conduite. La force de poussée vers le haut qui s'exerce sur le poussoir est égale à P0/2 x S et elle équilibre donc exactement celle s'exerçant vers le bas sur le poussoir 23 qui est égale à P0 x S/2. Si maintenant le bloc 1 applique en 2 une tension destinée à modi- fier la position du vannage, par exemple une tension positive +V, l'action- neur 4 applique immédiatement dans la chambre 8 une pression supérieure à PO/2, fonction de V, par exemple 3P0/4 pour fixer les idées. Le piston 10 part alors très vite vers le haut, entrainant dans son mouvement le tiroir 12 et le poussoir supérieur 23. Le variomètre 27 ap- plique alors en 28 une tension venant se soustraire à V, qui vient stopper la montée de l'ensemble lorsque cette tension devient égale à V en valeur absolue. Simultanément, les épaulements 13 et 14 ayant découvert les orifi- ces 18 et 19, la chambre supérieure 20 du vérin 22 est alimentée en pres- sion d'huile en provenance de l'entrée 15, tandis que la chambre inférieure 21 de ce vérin est reliée à l'évacuation par l'intermédiaire de l'orifice 19 et de la sortie 17. La tige 29 du vérin 22 se déplace donc vers le bas, entrainant l'ouverture du vannage, tandis que le variomètre 31 fournit en 34 une tension électrique progressivement croissante appliquée en soustrac- tion en 32 sur l'additionneur 3. Le même signal est appliqué en 33 vers le dispositif de conjugaison vannage-pales. Le tiroir 12 revient alors progressivement à sa position d'équili- bre représentée, la tension en 28 décroissant progressivement en valeur ab- solue de +V à 0, tandis que celle en 32 croit progressivement en valeur ab- solue de 0 à +V, et le système est à nouveau prêt à recevoir un ordre ulté- rieur en provenance du bloc de commande 1. Afin de permettre la mise en oeuvre de l'invention, le dispositif classique qui vient d'être décrit comporte en outre les éléments suivants: - Le poussoir supérieur 23 est équipé, dans sa partie centrale, d'un tiroir , assez semblable au tiroir 12, comportant une tige axiale 41 dépassant du niveau supérieur du carter du poussoir 23, un épaulement supérieur 42 de retenue d'huile, un épaulement médian- 43 permettant, s'il est suffisamment enfoncé, de découvrir des canaux latéraux 44 conduisant à une chambre de pression 45 de section transversale S, et enfin un épaulement inférieur 46 percé de canaux 47 permettant la mise à l'évacuation via une chambre 48, g des canaux 49 et la sortie 16. Un manostat 80 mesure par ailleurs la pres- sion d'huile dans la chambre 45. - Un levier flottant 50 est positionné sur le sommet de la tige 41 et vient par sa pointe 90 soit au contact de celle-ci, soit en position légèrement au-dessus de celle-ci. Une des extrémités du levier 50, situé à gauche sur le dessin, est reliée par une tringlerie 51 comportant huit bielles (52 à 59), six axes d'articulation (60 à 65), deux axes en rotation 66, 67, et un point fixe d'accrochage 68, à la tige 29 de commande de vannage de manière à conférer à ladite extrémité (60) le même mouvement O,F de bas en haut, et vice-versa, que celui de la tige 29. L'autre extrémité du levier flottant est équipée d'une roulette 70 qui ne peut se déplacer que dans une came 71, reproduisant la loi M de limitation de l'invention, la came 71 étant elle-même entratnée en rotation autour d'un axe 72 relié au dispositif qui commande l'ouverture et la fermeture des pales. Un ressort 73 permet de rap- peler le levier 50 vers le bas. Lorsque la came tourne dans un sens ou dans l'autre selon que les pales s'ouvrent ou se ferment, l'axe de la roulette monte ou descend, comme indiqué par les flèches sur le dessin, tandis que les deux extrémités du levier sont couplées en position selon la loi M imposée par la came 71. Le fonctionnement du dispositif de limitation de la figure 2 est le suivant: Tant que la machine est convenablement conjuguée, le levier flot- tant 50 n'appuie pas sur la tige 41, de sorte que le dispositif fonctionne classiquement comme décrit précédemment. Si par contre, pour une ouverture donnée des pales, le vannage commence à s'ouvrir d'une quantité supérieure à celle donnée par la loi de conjugaison Hmin (courbe C2 de la figure 1), le levier 50 commence à enfoncer le tiroir 40. Rien ne se passe tant que l'épaulement 43 ne découvre pas le canal 44, la courbe correspondante de cet épaulement reproduisant la marge m de quelques pour-cent de la figure 1. Lorsque, la marge m étant alors consommée, le vannage ouvre plus que ne le lui permet la loi de limitation M, reproduite par la came 71, le tiroir 40 s'est enfoncé suffisamment pour découvrir le canal 44, de sorte que la pres- sion P0 en 24 se trouve alors également appliquée à la chambre 45, de sec- tion S. La force de poussée vers le bas qui s'exerce sur le poussoir supé- rieur 23 devient alors égale à P0 x 3S/2, et devient donc quoi qu'il en soit supérieure à celle exercée vers le haut par le poussoir inférieur 10, qui ne peut-pas dépasser la valeur P0 x S. Le tiroir 12 repart donc vers le bas, interdisant toute augmentation d'ouverture du vannage. Le manostat 80 affiche sur sa sortie une tension d'alarme, tandis que la soupape de sureté 7 permet d'éviter une mise en supression dangereuse dans la conduite 6. En effet, en ce qui concerne ce dernier point, on se réfèrera à la figure 3 qui rappelle la constitution, classique, d'un actionneur tel que 4. Celui-ci comporte un carter étanche 82, une entrée d'huile 83 rece- vant la pression Po, une sortie d'évacuation 85, une sortie d'huile 84, con- nectée dans notre exemple à la conduite 6, et un tiroir 86, commandé en po- sition par le signal électrique analogique en sortie de l'additionneur 3, et comportant trois épaulements de distribution 87, 88, 89. Il existe pour l'épaulement central 88 des positions de celui-ci pour lesquelles le canal de sortie 84 est obturé, par exemple tel que représenté sur le dessin. Si, avec le dispositif de l'invention, le piston 10 est violemment poussé vers le bas par action du levier 50, la pression dans la chambre 8, et donc dans la conduite 6, peut monter à des valeurs dangereuses. La soupape de sûreté 7 déclenche alors, évitant une surpression dans la conduite 6. On remarquera enfin que le dispositif (50,40,23,71) de mise en oeuvre de l'invention est un dispositif entièrement mécanique, ne mettant en jeu que des dispositifs à came; bras de levier, pistons et pressions d'huile. Le dispositif de l'invention peut donc agir même en cas de panne électrique de l'installation. REVENDICATIONS 1. Procédé de limitation de la vitesse d'emballement d'un groupe hydroélectrique de basse chute comportant une turbine hydraulique à distributeur orientable et à pales de roue orientables, caractérisé en ce qu'il consiste à limiter l'ouverture (i) du distributeur pour chaque ouverture (() des pales selon une loi de limitation (M) confondue avec une loi déterminée (C3) de conjugaison en marche normale entre les ouvertures de distributeur et de pales de la turbine, ladite loi de conjugaison étant relative à une hauteur de chute déterminée et inférieure à la hauteur de chute minimale (Emin) sous laquelle est normalement amené à fonctionner le groupe hydroélectrique. 2. Procédé de limitation de vitesse d'emballement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite loi de limitation (M) est confondue avec une loi de conjugaison (C3) en marche normale qui serait située à quelques pour-cent en valeurs relatives au-delà de celle (C2) correspondant à ladite hauteur de chute minimale. 3. Dispositif de mise en oeuvre du procédé de limitation de vitesse d'emballement selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un limiteur d'ouverture du distributeur (50, 40, 23) pour chaque ouverture des pales, les prises d'ouverture du distributeur (60) et d'ouverture des pales (70) dans ledit limiteur étant couplées par un dispositif de conjugaison (71) reproduisant ladite loi de limitation. 4. Dispositif de limitation de vitesse d'emballement selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit limiteur d'ouverture (50, 40, 23) et ledit dispositif de conjugaison (71) sont des dispositifs à fonctionnement mécanique.