Brevet FR2562962A1 — publié le 19851018

La présente invention se rapporte aux machines hydrauliques à plusieurs étages ou "multi-étages" et concer- ne plus particulièrement les pompes hydrauliques, les tur- bines hydrauliques et les turbopompes., En général, une turbine hydraulique ou une tur- bopompe accouplée directement à une génératrice synchrone peut être appelée à opérer dans l'air, plutôt que dans l'eau, auquel cas l'eau doit être refoulée hors de la machine par de l'air comprimé. En outre, lorsque la turbine ou la turbo- pompe doit travailler dans des conditions normales,.'air de la machine doit être remplacé par de l'eau. Or, il est essentiel que la transition entre le régime o l'eau est refoulée et le fonctionnement en turbopompe se déroule sans a coup. Une machine hydraulique multi-étages comporte un étage de haute pression, un étage de basse pression et, éventuellement, un étage intermédiaire qui sont interconnec- tes par des canaux dits "de retour", chaque étage possédant une série d'aubes de guidage réglables situées à l'extérieur de la couronne mobile, dans les chambres des différents étages. Pour pouvoir évacuer l'air de la machine, des canaux d'échappement sont prévus, ceux-ci débouchant le plus près possible de la surface intérieure des canaux de circulation de l'eau, dans les couronnes. En se référant à la figure 1, on va décrire un exemple d'une turbopompe classique à deux étages. La référence 1 désigne son arbre principal qui porte deux cou- ronnes d'aubes, une couronne haute pression 2 et une cou- ronne basse pression 3. Une série d'aubes de guidage régla- bles 5 sont prévues dans le canal reliant la bâche en spi- rale 4 et la couronne 2. Un couvercle supérieur 7 est sé- paré par un intervalle 6 de l'arrière de la couronne 2. Des joints 9 et 10 sont prévus entre la couronne haute pres- sion 2 et les couvercles supérieur 7 et inférieur 8. Un dispositif d'étanchéité 11 est interposé entre la surface de l'arbre principal 1 et le couvercle supérieur afin d'em- pêcher l'eau sous pression de l'intervalle 6 de fuir vers la surface extérieure de l'arbre 1. Un canal 12 formé dans la couronne haute pression 2 fait communiquer le canal de circulation d'eau de la couronne 2 avec l'espace 6. Un tuyau d'évacuation 13 est prévu dans le couverle supérieur 7, l'une de ses extrémités débouchant dans l'espace 6 et l'autre à l'extérieur de la machine. Une valve de commande (non représentée) est prévue dans le tuyau d'évacuation 13, valve qui s'ouvre pendant le retour de régime de refoulement d'eau au régime normal afin d'évacuer l'air présent dans la chambre de la couronne haute pression. Les chambres des couronnes haute- et basse pression sont interconnectées par un canal de retour 14 et une série d'aubes de guidage réglables 15 est prévue dans ce canal 14, à l'extérieur de la couronne basse pres- sion 3. La couronne de l'étage basse pression est pourvue de joints semblables à ceux de l'étage haute pression. Un canal de liaison 16, formé dans l'arbre principal, s'étend du canal de circulation d'eau de la couronne basse pression 3 jusqu'à un point situé à l'extérieur de la machine. Une valve de commande (non représentée) est reliée au canal 16 et s'ouvre lors du retour du régime de refoulement d'eau au régime normal, formant ainsi un conduit par lequel l'air peut s'échapper de la chambre de l'étage basse pression. Un tube d'aspiration 17, disposé en aval de la couronne basse pression 3, s'étend à un chemin de refoulement arrière (non représenté). Dans cette machine hydraulique multi-étages clas- sique, lorsqu'on évacue l'air comprimé, afin de retenir du régime dans lequel l'eau est refoulée à un régime normal, le niveau de l'eau s'élève dans les couronnes des différents étages et, du fait que les couronnes tournent avec l'arbre principal, l'eau qui a atteint ces dernières est refoulée vers le côté extérieur des chambres. Les canaux d'échappement prévus dans les différents étages débouchent dans le côté circonférentie] intérieur des canaux de circulation d'eau des couronnes des étaqes de sorte que l'air comprimé ne reste pas dans les chambres, mais est évacué par les canaux d'échappement à l'extérieur de la machine, comme le montrent les flèches de la figure 1. Pendant le régime de marche normal, du fait que le canal de circulation d'eau de la couronne 2 et l'es- pace 6 sont reliés par le canal 12, il règne dans l'espace 6 la même pression que dans l'étage haute pression 2, c'est à dire, une pression égale à la moitié de la pression totale. Ainsi, le dispositif d'étanchéité 11 de l'arbre principal, qui doit supporter cette pression élevée présente dans l'es- pace 6 est inévitablement exposé à des conditions extrême- ment dures. Il en résulte une usure rapide des garnitures qui constituent le dispositif d'étanchéité 11 de l'arbre principal et, dans le pire cas, celles-ci risquent de griller et d'endommager l'arbre principal, ce qui pose un grave problème. Afin de diminuer la pression exercée par l'eau sur le dispositif d'étanchéité 11 de l'arbre principal, il a été proposé antérieurement que la valve de commande du tuyau d'échappement de l'air 13, reste ouverte, même en régime normal, afin de purger l'eau sous pression de l'espace 6 par le tuyau 13. Il reste cependant un problème qui est que, pour atténuer la pression s'exerçant sur le dispositif d'étanchéité 11, une grande quantité d'eau doit être évacuée, ce qui diminue le rendement de la turbine et de la pompe. Ce problème devient plus grave à mesure que la pression total augmente. Le but de la présente invention est de fournir une machine hydraulique à plusieurs étages dans laquelle le retour d'un régime o l'eau est refoulée à un régime normal s'effectue d'une manière régulière et plus efficace- ment que dans les machines de la technique antérieure. Pour atteindre ces buts, la présente invention apporte une machine hydraulique multi-étages qui comprend un arbre principal; un certain nombre de couronnes allant de l'étage dont la pression est la plus haute à celui dont elle est la plus basse, qui sont montées sur ledit arbre principal; un couvercle supérieur séparé par un espace dé- terminé de l'arrière de la couronne de l'étage ayant la plus haute pression; des moyens d'étanchéité entre le cou- vercle supérieur et la couronne de l'étage ayant la plus haute pression; et un dispositif d'étanchéité entre la sur- face extérieure de l'arbre principal, près de la partie sur laquelle la couronne ayant la plus hautre pression est montée, et la surface intérieure du couvercle supérieur opposée à ladite surface extérieure de l'arbre principal, qui est caractérisée par la présence d'un dispositif d'étan- chéité intermédiaire entre les moyens d'étanchéité du côté de la couronne voisine dudit couvercle principal et ledit dispositif d'étanchéité de l'arbre principal afin de réa- liser l'étanchéité entre le couvercle supérieur et la couron- ne de l'étage ayant la pression la plus haute; un premier canal prévu dans la couronne de l'étage ayant la plus haute pression faisant communiquer un canal de circulation d'eau de ladite couronne avec un premier espace arrière situé entre lesdits moyens d'étanchéité du côté de la couronne voisin du couvercle supérieur et ledit dispositif d'étanché- ité intermédiare; un premier moyen d'évacuation d'air prévu avec ladite ouverture du couvercle supérieur dans ledit espace de la première partie arrière; un second canal faisant communiquer un canal de circulation d'eau de la couronne de l'étage ayant la plus basse pression avec un second es- pace arrière situé entre le dispositif d'étanchéité de l'ar- bre principal et ledit dispositif d'étanchéité intermédiaire; et des seconds moyens d'évacuation d'air débouchant dans ledit second canal. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront. de la description qui va suivre, de certains modes de réalisation de celle-ci donnés uniquement à titre d'exemples et qui n'ont, bien entendu aucun carac- tère limitatif. 2562962- Sur le dessin: la figure 1 est une coupe verticale d'une ma- chinehydraulique à deux étages classique; la figure 2 est une coupe verticale d'une turbo- pompe à deux étages conforme à un premier mode de réalisa- tion de l'invention; la figure 3 est une coupe verticale à plus grande échelle, d'une partie de la figure 2; la figure 4 est une coupe verticale d'une turbo- pompe à deux étages conforme à un second mode de réalisation de l'invention; la figure 5 est une coupe verticale à plus grande échel]e, d'une partie de la figure 4; la figure 6 est une coupe verticale d'une turbo- pompe conforme à un troisième mode d'exécution de la présente invaention; la figure 7 est une coupe verticale, à plus grande échelle, d'une partie de la figure 6; la figure 8 est une coupe verticale d'une turbo- pempe à deux étages conforme à une quatrième forme de réali- sation de l'invention; la figure 9 est une coupe verticale, à plus grande échelle, d'une partie de la figure 8; et, les figures 10 à 13 sont des coupes vertcales, à plus grande échelle, montrant certaines parties d'un cin- quième mode de réalisation de l'invention. Sur les figures 10 à 13 les composants identiques à ceux représentés sur la figure 1 ont été désignés par les mêmes références numériques. Comme le montrent les figures 2 et 3, un dispo- sitié d'étanchéité 19, du type labyrinthe, est prévu dans l'espace 6. Ce dispositif d'étanchéité est placé entre une bordure 18 de l'arbre principal, qui est un organe tournant, et le couvercle supérieur 7, qui est fixe, -le dispositif d'étanchéité sépare l'espace 6 en une première partie arrière et une seconde partie arrière 21. Un premier canal de liaison 22 est prévu dans la couronne 2 de l'étage haute pression, canal dont les extrémités débouchent respective- ment dans le canal de circulation de la couronne et dans la partie 20 de l'espace 6. Un tuyau d'échappement ou d'éva- cuation 23 prévu au sommet du couvercle 7 communique avec la partie 20 de l'espace 6. Le tuyau d'évacuation 23 est pourvu d'une première valve de commande 24a qui s'ouvre, au moins, pendant le retour du régime de refoulement de l'eau au régime normal. Il en résulte un canal d'échappement s'étendant de la couronne 2 de l'étage haute pression jus- qu'à l'extérieur de la machine. Un second canal de liaison est prévu dans l'arbre principal 1, canal dont les extré- mités aboutissent dans le canal de circulation d'eau de la couronne 3 de l'étage basse pression et dans la partie 21 de l'espace 6. Un second canal d'évacuation, sous la forme d'un tuyau 31, est prévu dans le couvercle supérieur 7, reliant la partie 21 de l'espace 6 à l'extérieur de la machine. Ce tuyau d'évacuation 31 est pourvu d'une valve de commande 24b qui peut atre ouverte, au mcins, prendant le retour du régime de refoulement au régime normal, et qui forme ainsi un canal de circulation d'air entre la cou- ronne 3 de l'étage basse pression et l'extérieur de la ma- chine. Les valves 24a et 24b sont commandées soit ensemble, soit séparément au moyen de l'appareil de commande 26a. On conçoit qu'avec un tel arrangement, après le retour au régime normal, la pression dans la partie 21 de l'espace 6 est égale à la pression régnant dans la couron- ne basse pression. A tout moment, la valve 24b peut s'ou- vrir pour alléger la pression dans la partie 21 de l'espace 6. Dans le mode de réalisation de l'invention re- présenté sur les figures 4 et 5, la couronne basse pression 3 est reliée par un canal 32 à l'extérieur de la machine, de la manière représentée sur la figure 1. La couronne haute pression 2 est reliée, au moyen d'un canal 22, à la partie de l'espace 6 et, de là, à l'extérieur de la machine par le tuyau 23 et la valve 24a. La partie 21 de l'espace 6 est pourvue d'un tuyau 30 traversant le couvercle supé- rieur 7 et ce tuyau 30 s'étend autour de la machine vers le tube d'aspiration 17. Ce tuyau de liaison 30 est pourvu d'une valve de commande 24c qui s'ouvre pendant une partie, au moins, de la marche en régime normal. Le tuyau de liaison 32 pourrait aussi être pourvu d'une valve de commande (non représentée) servant à évacuer l'air comprimé de la couronne de l'étage basse pression. En se référant maintenant au mode de réalisation représenté sur les figures 6 et 7, on voit que celui-ci comprend, au sommet du couvercle 7 une tablette 28 qui s'avan- ce dans l'espace 6 pour former un espace 27 dont l'extrémité extérieure débouche dans la partie d'espace 20. Le dispositif d'étanchéité intermédiaire 19 assure l'étanchéité entre la tablette 28 et la bordure pincipale 18 qui fait partie de l'arbre. Le tuyau d'échappement 23 et le couvercle supé- rieur conduisent à l'espace 27. Quand on évacue l'air comprimé de la chambre de la couronne de l'étage haute pression à l'extérieur de la machine, il traverse le tuyau 22 pour gagner la partie d'espace 20, l'espace 27 et, de là, s'écoule par le tuyau d'échappement 23a et la valve 24a, comme l'indique la flè- che de la figure 7. Cet arrangement offre l'avantage sup- plémentaire suivant: En général, le dispositif d'étanchéité 11 de l'arbre principal est souillé par des corps étrangers, tels que le sable et la boue, et il est résulte une usure impor- tant des garnitures du dispositif 11. Pour y remédier, on dirige de l'eau propre vers la région de l'étanchéité de l'arbre, de sorte qu'une partie de l'eau pénètre dans la région de la couronne, tandis que le reste s'échappe à l'ex- térieur de la machine. Dans ces conditions, lorsque la quan- tité d'eau qui a fuit du dispositif d'étanchéité vers l'es- pace arrière 21 devient excessive, des problèmes peuvent se poser pendant le passage du régime à refoulement de l'eau au régime normal. C'est pourquoi, quand l'eau de fuite pé- nètre dans l'espace 21 et dans le dispositif d'étanchéité intermédiaire 19 de l'espace 20, un dispositif de détection (non représenté), prévu dans le tuyau d'évacuation 23, peut intervenir, malgré que l'évacuation de l'air n'est pas ache- vée, pour fermer, par erreur, la première valve de commande 24a. On risque ainsi que l'évacuation de l'air de la cham- bre de la couronne soit retardé. Par contre, avec l'arrange- ment représenté sur les figures 6 et 7, lorsqu'on revient du régime de refoulement au régime normal, même si de l'eau fuit du dispositif d'étanchéité 11 de l'arbre principal jusqu'à la première chambre arrière 20, la -force centrifuge développée par la rotation de l'arbre projettel'eau contre la surface de sa paroi extérieure et le tuyau d'évacuation de l'-air est protégé dans l'espace rempli d'air 27. Ceci évite un déclenchement erroné du dispositif de détection d'eau. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 8 et 9, on a prévu la tablette 28 sur le couvercle supérieur afin de former un espace 27. Pour le reste, la construction est la même que celle du mode de réalisation des figures 4 et 5. Dans les modes d'exécution des figures 10 à 13, la différence essentielle est qu'il y a un tuyau 29 pour drainer l'eau qui s'étend, d'une part, à l'intérieur du dispositif d'étanchéité intermédiaire 19 et, d'autre part, à l'extérieur de la machine à travers une valve 24d. A part ceci, la construction est la même que celle repré- sentée sur les figures 2 et 3. Les valves 24a, 24b et 24d sont commandées par un dispositif 26c. Dans le mode de réa- lisation de la figure 11, le tuyau de drainage 29 est pour- vu de la valve de commande 24d, mais autrement, la construc- tion est la même que celle du mode de réalisation des fi- gures 4 et 5. La figure 12 représente une forme de réalisa- tion très semblable à celle que montrent les figures- 6 et 7, avec, en plus, le tuyau de drainage 29 et la valve de commande 24d. Enfin, la construction de la machine représentée sur la figure 13 est semblable à celle représentée sur les fiaures 8 et 9, avec, en plus, le tuyau de drainage 29 et sa valve de commande 24c. Dans tous les exemples de réalisation représentés sur les figures 10 à 13, quand on fournit de l'eau à la région critique du dispositif d'étanchéité 11 de l'arbre principal et que l'eau de fuite tente de pénétrer dans le tuyau d'échappement d'air 23, cette eau est évacuée à l'ex- térieur de la mac-.ne.ar le tuyau de drainage 29 et, de cette façon l'eau est empêchée de pénétrer dans le tuyau d'échappement 23. Ainsi est évitée une interruption inopinée de l'évacuation de l'air de la chambre de la couronne due à un déclenchement incorrect du dispositif de détection 1.5 d'eau. Lorsque, pendant le fonctionnement, la pression de l'eau s'élève anormalement dans l'espace 21, la pression eyercée sur le disrosit'if d'étanchéité de- l'arbre principal peut être atténuée par le fait que le dispositif de commande 26d provoque l'ouverture de la valve de commande 24d- de façon à évacuer l'eau à l'extérieur de la machine. REVENDICATIONS 1 - Machine hydraulique à plusieurs étages qui comprend un arbre principal (1), un certain nombre de couron- nes d'aubes (2, 3) se situant entre un étage haute pression et un étage basse pression, qui sont montées sur ledit ar- bre principal (1), un couvercle supérieur (7) disposé dans un espace déterminé vers une partie arrière de la couronne haute pression 2, des moyens d'étanchéité (9) du côté du couvercle supérieur orienté du côté de la couronne, disposés entre le couvercle supérieur (7) et la couronne haute pres- sion (2), et, un dispositif d'étanchéité d'arbre principal (11) interposé entre la surface extérieure de l'arbre prin- ciral, près d'une partie sur laquelle est montes 1.. - haute pression (2), et la surface intérieure du couvercle supérieur opposée à ladite surface extérieure de l'arbre principal, caractérisée par la présence d'un dispositif d'étanchéité intermédiaire (19) disposé entre les moyens rieur, et ledit dispositif d'étanchéité (11) de l'arbre principal afin de produire une étanchéité entre le couver- cle supérieur (7) et la couronne (2) de l'étage haute pres- sion; d'un premier canal (22) situé dans la couronne haute pression (2), qui fait communiquer un canal de circulation d'eau de la couronne haute pression avec une première par- tie (20) d'un espace arrière situé entre les moyens d'étan- chéité (9) de la couronne du côté dudit couvercle supérieur et ledit dispositif d'étanchéité intermédiaire (11), d'un premier moyen d'évacuation d'air (23)- pourvu dudit couver- cle supérieur (7) et débouchant dans la première partie d'espace arrière 20; d'un second canal (25,30) qui fait communiquer un canal de circulation d'eau -de la couronne de l'étage basse pression (3) avec une seconde partie d'es- pace arrière (21) située entre ledit dispositif d'étanchéité de l'arbre principal et ledit dispositif d'étanchéité inter- méidiaire (19); et d'un second moyen d'évacuation d'air (31), (32) débouchant dans ledit second canal (25,30). 2 - Machine hydraulique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le seccnd moyen d'évacuation d'air (32) débouche dans le canal de circulation d'eau de la cou- ronne basse pression et est formé dans l'arbre principal (1). 3 - Machine hydraulique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le second canal (25) est formé dans l'arbre principal (1), tandis que le second moyen d'éva-. cuation d'air (31) pourvu dudit couvercle supérieur (7) débouche dans la seconde partie arrière (21). 4 - Machine hydraulique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par la présence d'une tablette d'évacuation d'air (28) prévue dans le couver- cle supérieur (7) afin de former un espace (27) dont la partie extérieure débouche dans ladite première partie-d'éspa- ce arrière (20), et en ce que ledit premier moyen d'évacuation d'air (23) débouche dans ledit espace 27. ! - Machine hydraulique selon- l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par la pré- sence d'un moyen de drainage d'eau (29) pourvu dudit cou- vercle supérieur (7) et qui débouche dans ledit dispositif d'étanchéité intermédiaire (17). 6a- Machine hydraulique selon l'une quelconque des revendications principales, caractérisée par la présen- ce d'une première et d'une seconde valves de commande (24a),. (24b) pourvues d'un premier et d'un second moyen d'évacua- tion d'air (23,31), qui s'ouvrent, au moins, lors du passage d'un régime de refoulement d'eau à un régime normal. 7 - Machine hydraulique selon la revendication 5, caractérisée en ce que la présence d'une troisième val- ve de commande (24c) pourvue dudit second canal (30), qui s'ouvre, au moins, pendant le fonctionnement en régime nor- mal. 8 - Machine hydraulique selon la-revendication 5, caractérisée par la présence d'une quatrième valve de commande (24d) pourvue dudit moyen de drainage d'eau (29) -12 qui s'ouvre, au moins, pendant le passage d'un régime à refoulement d'eau à un régime normal. 9 - Machine hydraulique selon la revendication 6, caractérisée par -la présence d'un premier dispositif de commande (26a) qui commande lesdites première et secon- de valves de commande (24-a), (24 11 de façon à s'ouvrir et à se fermer conformément aux régimes de fonctionnement. - Machine hydraulique selon la revendica- tion 7, caractérisée par la présence d'un second disposi- tif de commande (26b) qui commande la première et la troi- sième valves (24a,24c) de façon qu'elles s'ouvrent et se ferment conformément au régime de fonctionnement. 11 - Machine hydraulique selon la revendication 8, caractérisée par la présente d'un troisième dispositif de commande (26c) qui commande la première, la seconde et la quatrième valves (24a, 24b,24d) de façon qu'elles sou- vrent et se ferment conformément au régime de fonctionnement. 12 ' Machine hydraulique selon la revendication 7, caractérisée par la présence d'un quatrième dispositif de commande (26d) qui commande la première, la troisième et la quatrième valves de commande (24a, 24c, 24d) de façon à s'ouvrir et à se fermer conformément au régime de fonc- tionnement.