Brevet FR2578914A1 — publié le 19860919

ROUE A AUBES POUR TURBINE HYDRAULIQUE A PALES ORIENTABLES La presente invention s'applique aux machines utilises pour la production d'énergie, notamment aux rotors ou roues a aubes des turbines hydrauliques a aubes ou pales orientables et plus particulièrement aux turbines hydrauliques a pales orientables du type sans croisillon ou cercle de vannage. La protection du milieu naturel à l'regard de la pollution est un problème important que l'on doit résoudre à l'heure actuelle. Les conditions auxquelles doit satisfaire la protection des bassins d'eau contre la pollution par les huiles des turbines hydrauliques sont très sévères. Pour cette raison, il est indîspensae de faire appel à une conception des rotors des turbines hydrauliques qui assure une parfaire protection des bassins d'eau envers les huiles susceptibles de seéchap per du corps du rotor vers l'aval de la turbine hydraulique. Les tentatives pour trouver une solution a ce problème de la protection des bassins d'eau aval contre leur pollution par pénétration d'huile ont abouti à la création d'une variante de roue ou rotor de turbine hydraulique a aubes orientables du type a croisillon (certificat d'auteur de 1'U.R.S.S. nO 931 936). Cette roue a aubes connue comporte un moyeu a voile ou manchon interieur et des aubes a tourillons logées dans le moyeu. La surface d'appui de chacune des aubes est logée dans le manchon et chacune des aubes est reliee mécaniquement a un organe d'entraînement qui la fait pivoter autour de l'axe longitudinal. On utilise comme organe de pivotement un servomoteur comportant un piston avec une tige dans laquelle est ménagé un canal d'évacuation.La liaison cinematique de chacune des aubes ou pales avec l'organe de pivotement est réalisée a l'aide d'un levier, dont une extrémité est reliée au tourillon de l'aube et l'autre extrémité est reliée a une extrémité d'une biellette, raccordée par son autre extrémité via un axe cylindrique à un élément mobile, réalise sous la forme d'un croisillon qui est monté avec la possibilité d'effectuer un mouvement de va-et-vient en suivant des guides soudés sur la paroi interieure du corps, et est relié a la tige du piston du servomoteur. Dans le but de prévenir les deplacements du croisillon dans la direction radiale, il est relie aux guides par au moins deux clavettes. Un guidage en un matériau autolubrifiant sous la forme d'un manchon entourant la tige de piston est monté dans le manchon intérieur de la roue a aubes coaxialement à l'axe de rotation de cette roue. Des gorges annulaires sont pratiquees dans la surfaces qui se sont face des guides et de la tige de piston pour le montage de garnitures d'étanchéité. Pour décharger l'huile qui pourrait traverser les garnitures d'étanchéité, l'enceinte qui est délimitée par la surface du manchon interieur, la surface des guides et la surface de la tige, est reliée par un canal menagé dans la tige de piston avec le canal d'évacuation prévu a l'intérieur de cette tige. Lorsque l'huile est refoulee sous pression dans l'une des chambres motrices du servomoteur, le piston se deplace conjointement avec sa tige et avec le croisillon ou le cercle de vannage raccordé a celle-ci. En se déplaçant, ce croisillon entralne les biellettes dans le plan parallèle a l'axe longitudinal de la roue a aubes. Pendant le deplacement des biellettes, les leviers tournent et les tourillons des aubes de la roue reliés a ce levier, tournent egalement. Les aubes se positionnent ainsi sous l'angle requis. L'organe d'étanchéité empeche la pénétration de l'huile depuis les chambres de pression du servomoteur dans l'enceinte du rotor de turbine. Toutefois, l'utilisation de ce mode de realisation pour la roue a aubes s'avère moins avantageuse que prévu: - par suite de l'augmentation de la masse de la roue de turbine et, par consequent, de l'accroissement de la quantité de métal neces- saire pour sa fabrication; - par suite de l'augmentation du rapport de moyeu qui conditionne l'augmentation du rétrécissement du circuit d'eau par les aubes, et par la même la puissance de la turbine hydraulique;; - par suite du deplacement du centre de gravite de la roue a aubes par rapport à l'appui de l'arbre le long de son axe dans la direction d'écoulement, ce qui augmente le porte-a-faux de la roue a aubes ainsi que les vibrations de torsion et les vibrations transversales de l'arbre, aboutit a la réduction de la fréquence critique de rotation de l'arbre et finalement diminue la fiabilite de fonctionnement et conduit en genéral à la rupture de la turbine hydraulique et à la diminution de la durée de vie des paliers. Le déplacement du centre de gravité de la roue a aubes dans la direction d'écoulement de l'eau est particulièrement néfaste dans le cas du montage de cette roue dans une turbine horizontale encapsulée (groupe bulbe). Ces inconvénients sont supprimes dans le mode de réalisation d'une roue à aubes de turbine hydraulique à aubes orientables et du type sans croisillon (ou cercle de vannage). On connait une roue a aubes de turbine hydraulique à aubes orientables sans croisillon (cf. l'ouvrage "Guide du constructeur de turbines hydrauliques" par N.N. Kovalev Leningrad, "Mashinostroenie", 1971, page 168) qui comporte un moyeu avec un voile et des aubes a tourillons logées dans le moyeu, la surface d'appui de chacune des aubes etant placee dans le voile. Chacune des aubes est relie mecaniquement à un organe d'entrainement qui l'entraîne en rotation autour de son axe longitudinal. Comme organe d'entrainement, on utilise un servomoteur comportant un piston dont la tige est munie à l'intérieur d'un canal d'écoulement.La liaison cinématique de chacune des aubes avec l'organe d'entrainement est constituée par un levier relie par une extrémité au tourillon de l'aube et par l'autre à l'autre extrémité de la biellette, laquelle est raccordee par un axe a un élement mobile en forme de boîtier relié rigidement par un assemblage fileté aux pistons du servomoteur. L'axe longitudinal de chacun des boîtiers est parallèle a l'axe de rotation de la roue a aubes. Les boîtiers sont montés de maniere à pouvoir effectuer un mouvement de va-et-vient en suivant des guides en forme de douille. Du côté aval de la turbine, dans l'aspirateur, le moyeu de la roue à aubes est ferme par un couvercle. Dans ce mode de réalisation, le boîtier comporte deux orifices coaxiaux ménagés sur la surface latérale, disposés radialement et dans lesquels est engagé un axe reliant la biellette au boîtier. Lorsque de l'huile est refoulée sous pression dans l'une des chambres de commande du servomoteur, le piston se deplace conjointement avec sa tige et avec les boîtiers reliés à la tige. Pendant le déplacement de ces bottiers, chaque biellette se déplace dans le plan perpendiculaire à l'axe du tourillon de l'aube de la roue a aubes. En se deplaçant, les biellettes font pivoter le levier et, par conséquent, les tourillons des aubes de la roue à aubes reliés à ceux-ci, ce qui place ces aubes sous l'angle d'inclinaison requis. Dans ce mode de realisation de la roue à aubes, à cause des orifices pratiqués à la surface des bottiers, il est impossible de monter un organe d'étanchéité qui arrêterait les fuites d'huile en provenance des chambres de pression du servomoteur et leur interdirait d'atteindre l'aval de la turbine. I1 s'ensuit que l'huile s'écoule des chambres du servomoteur à travers le jeu qui existe entre le moyeu et le boîtier, jusque dans l'enceinte interne de la roue à aubes et traverse les éléments d'étanchéité de l'aube vers l'aval de la turbine hydraulique si ces éléments sont endommagés ou usés. Ainsi, dans cette roue a aube connue, on n'assure pas un fonctionnement fiable de la liaison mécanique de l'aube avec le boîtier car les axes ne sont pas fixes rigidement dans le boîtier, ce qui peut aboutir a la rupture de la biellette par suite des efforts qui agissent sur elle. On connaît encore une autre roue a aubes pour une turbine a aubes orientables du type sans croisillon (cf. l'ouvrage "Construction et calcul des turbines hydrauliques" par Granovsky S.A. 11MashinostroenieN, 1974, page 228), qui comporte un moyeu avec un voile de support des aubes a tourillons disposees dans le moyeu, la surface d'appui de chacune des aubes étant logée dans ce voile. Chacune des aubes est reliée mécaniquement a un organe d'entraînement qui peut l'entraîner en rotation autour de son axe longitudinal. Comme-organe d'entraînement pour le pivotement des aubes, on utilise un servomoteur comportant un piston dont la tige est traversee par un canal d'ecoulement.La liaison cinematique de chacune des aubes avec l'organe d'entraînement en rotation est constituée d'un levier relie par une extrémité au tourillon de l'aube et par l'autre a une extrémité de la biellette qui est reliée a l'autre extrémité par un axe avec un élément mobile en forme de boitier fixé par un assemblage fileté au piston du servomoteur. L'axe longitudinal de chacun des boitiers est parallèle à l'axe de rotation de la roue à aubes. Les boitiers sont montés de façon qu'ils puissent effectuer un mouvement de va-et-vient en suivant des guides en forme de douille. Le moyeu de la roue a aubes est fermé par un couvercle du côté aval dans l'aspirateur de la turbine. Dans ce mode de réalisation de la roue à aubes ou rotor de turbine, chaque boitier forme avec l'axe de la biellette un assemblage du type à balonnette. Les extrémités de l'axe sont usinées sur un tour en correspondance à la surface du boîtier cylindrique sur deux côtés duquel sont menagés des méplats. L'axe est engagé dans une gorge annulaire pratiquée dans le boîtier a travers les rainures du boitier et est ensuite bloque après une rotation de 90" dans la direction longitudinale. Dans une telle roue à aubes, les boîtiers sont réalisés avec une surface latérale lisse mais l'enceinte du moyeu où sont logés les tourillons des aubes est remplie d'huile qui risque de pénétrer a travers la garniture d'étanchéité des aubes, a l'aval de la turbine. On s'est donc proposé de réaliser une roue à aubes pour une turbine hydraulique à aubes orientables du type sans croisillon et qui permette de monter un organe d'étanchéité entre le voile du moyeu et l'élément mobile et de réaliser ce voile de façon à supprimer pratiquement toute fuite d'huile depuis l'enceinte du servomoteur vers le circuit d'eau et notamment l'aval de la turbine et, par conséquent, de prevenir la pollution des bassins d'eau ou biefs dans lesquels sont installées des turbines hydrauliques. Ce problème est résolu à l'aide d'une roue à aubes ou rotor de turbine hydraulique a aubes orientables, dont les aubes ou pales sont montées dans un moyeu dans le voile ou manchon intérieur duquel sont disposées les surfaces d'appui des tourillons des aubes, reliés chacun mecaniquement à un élement de réglage susceptible d'effectuer un mouvement de va-et-vient dans la direction parallèle à l'axe de rotation de la roue à aubes dans un palier de guidage monté dans le moyeu de la roue à aubes, cet élément étant rendu solidaire d'un moyen d'actionnement de l'organe de pivotement des aubes dans lequel est ménage un canal d'aval cuation, caractérisé selon l'invention en ce qu'un deuxième palier de guidage est prévu dans le moyeu de la roue à aubes coaxialement au premier palier de guidage de manière à ménager entre les surfaces en bout qui se font face des paliers de guidage un espace annulaire dans lequel est disposé un organe d'étanchéité et en ce que le voile est muni d'un moyen de décharge qui isole la zone du canal d'évacuation de la zone dans laquelle évoluent les aubes ou pales (zone d'écoulement de l'eau). Cette conception de la roue à aubes du type sans croisillon ou cercle de vannage permet de supprimer pratiquement les fuites d'huile des chambres du servomoteur vers la zone d'écoulement de l'eau, notamment à l'aval de la turbine. I1 est avantageux que les paliers de guidage soient réalises en un materiau autolubrifiant. Comme materiau pour les paliers de guidage, on peut utiliser un matériau verre epoxy antifriction, ce qui permet d'éviter d'avoir à lubrifier continuellement les surfaces de frottement. L'organe d'etanchéite peut être réalisé sous la forme d'un empilement parallèle a l'axe de rotation de la roue à aubes de joints annulaires d'étanchéité et d'anneaux de separation alternes, des canaux radiaux traversant, dont l'un est relie au canal d'évacuation, étant menagés dans un anneau de séparation prévu derrière la deuxième rangée d'anneaux d'étanchéité. Gracie a ce mode de réalisation de l'organe d'étanchéité, la différence de pression agissant sur les anneaux d'etancheite dans le sens d'ecoulement de l'huile est diminuez. Une première chute de pression se produit apres la première rangee d'anneaux d'étanchéité, reali sés sous forme de manchettes, et ensuite l'huile qui s'echappe sous pression réduite parvient dans le canal d'évacuation a travers le canal radial traversant ménage dans l'anneau de séparation métallique. Les autres rangees d'anneaux d'étanchéité se trouvent ainsi déchargees de la pression d'huile de fuite. I1 est souhaitable que le canal radial ménagé dans l'anneau de séparation soit relie au canal d'évacuation au moyen d'un passage prevu dans le voile ou manchon interieur et relié par l'une de ses extrémités au canal d'évacuation et par l'autre extrémité au canal radial. En mettant en communication le canal radial ménage dans l'anneau de séparation avec le canal d'evacuation, on assure l'évacuation des fuites d'huile arrivant sous pression depuis les chambres du servomoteur jusqu'a. la première rangée d'anneaux d'étanchéité en forme de manchettes et on decharge ainsi les autres rangées d'anneaux d'étancheité de toute pression d'huile. D'autre buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront a la lecture de la description d'un mode de réalisation faite a titre non limitatif et en regard du dessin annexé où: - la figure 1 représente schématiquement une moitié d'une roue a aubes ou rotor d'une turbine hydraulique a aubes orientables selon l'invention, en coupe suivant le plan vertical; - la figure 2 représente a plus grande échelle un organe d'etan chéité selon l'invention dispose entre des paliers de guidage. La roue à aubes ou rotor d'une turbine hydraulique à pales orientables comporte un moyeu ou enveloppe 1 en forme de douille (figure 1) avec un voile ou manchon intérieur 2 et des pales 3 avec des tourillons 4, les surfaces d'appui et de butée de chacune des pales étant logées dans le voile 2. Chacune des pales 3 est reliée mécaniquement a un élément en forme de boîtier 5, monte de maniere qu'il puisse effectuer un mouvement de va-et-vient dans un guidage se présentant comme un palier 6 en forme de douille dans la direction parallèle a l'axe de rotation de la roue a aubes. Le palier 6 est montée dans le voile 2 de manière concentrique au boîtier 5 dont l'axe longitudinal est parallèle a l'axe de la roue a aubes.Le boitier 5 comporte une queue 7 a l'aide de laquelle il est fixé par un écrou 8 sur un piston 9 faisant fonction de moyen d'actionnement de l'organe de pivotement des aubes, réalisé sous la forme d'un servomoteur 10. Une tige de piston 11 est reliée par un assemblage fileté au piston 9. Le servomoteur 10 est fermé par un couvercle 12 qui sert en même temps de couvercle de la roue a aubes. Un tube d'évacuation 13 est logé dans l'axe longitudinal de la roue a aubes a travers la tige 11 du piston 9 et le voile 2. L'extrémité inférieure du tube 13 est fixée à l'aide d'une bague 14 au voile 2. Un deuxième guidage, réalisé sous la forme d'un palier en forme de douille 15, est logé dans le moyeu 1 de la roue à aubes coaxialement au premier palier 6 de façon que les surfaces en bout qui se font face des deux paliers, forment un intervalle annulaire 16 (figure 2) dans lequel est logé un organe d'étanchéité 17 réalisé sous la forme d'un empilement parallèle à l'axe de rotation de la roue a aubes de joints d'étanchéité annulaires 18 et d'anneaux de séparation métalliques 19 alternés. Des canaux radiaux traversants 21 sont ménages dans l'anneau de séparation 20 se trouvant derrière la deuxième rangée de joints d'étanch & - té 18 en direction de la périphérie de l'anneau 20.L'un des canaux 21 est relié par l'une de ses extrémités au tube d'évacuation 13 (figure 1) par un passage 22 ménagé dans le voile 2 et par l'autre extrémité avec le tube d'évacuation 13-à travers une enceinte 23. Les paliers 15 et 6 sont réalisés en un matériau autolubrifiant tel que par exemple un matériau verre-époxy antifriction. Le voile 2 est muni d'une séparation, entre la zone du tube d'évacuation 13 et la zone où sont disposées les aubes 3, réalisée sous la forme d'un couvercle 24 muni d'une garniture d''étanchéité 25. Pour cela, le couvercle 24 est fixé par des boulons 26 sur un anneau métallique 27 soudé au voile 2 au-dessus de la zone des tourillons 4 des pales 3. La liaison mécanique de chacune des pales 3 avec le servomoteur 10 est réalisée à l'aide d'un levier 28 qui est relié d'un côté au tourillon 4 de la pale et de l'autre a une extrémité d'une biellette 29 articulée à l'autre extrémité à un axe 30 du boîtier 5 a l'aide d'un assemblage a baionnette. L'axe 30 est disposé dans un palier 31 en forme de douille monté dans la biellette 29. Par l'intermediaire d'un clavetage, le levier 28 transmet un couple de réglage a la pale 3. Le tourillon 4 est relié a la pale 3 par des boulons 33. A l'une de ses extrémités du côté de la pale 3, le tourillon 4 s'appuie sur un palier en forme de douille 34 monté dans le moyeu 1 de la roue a aubes et à l'autre extrémité par un palier en forme de douille 35 monté dans le voile 2.Le flasque de chaque pale 3 s'appuie sur une bague 36 montée dans le moyeu 1 de la roue à aubes. Le piston 9 comporte des joints annulaires d'étanchéité 37. Du côté de la sortie a l'aval des pales 3 de la roue a aubes dans le tube d'aspiration ou aspirateur de la turbine (non représente sur le dessin), le moyeu 1 est fermé par un fond 38. Une chambre 23 est délimitee par les surfaces du voile 2, de la bague 14, du couvercle 24 et de l'anneau 27. La roue a aubes faisant l'objet de l'invention pour une turbine hydraulique à aubes orientables, fonctionne de la manière suivante. Lorsque de l'huile est refoulee sous pression dans l'une des chambres motrices du servomoteur 10 (figure 1), le piston 9 se déplace avec sa tige 11 et avec les boîtiers 5 qui entraînent les biellettes 29 en deplacement dans le plan perpendiculaire aux axes des tourillons des pales 3. En se déplaçant, les biellettes 29 font tourner les leviers 28 et les tourillons des pales 3 de la roue à aubes car ces tourillons sont reliés aux leviers 28 par les boulons 33. Les pales 3 se positionnent ainsi sous l'angle prescrit et contre par le servomoteur 10. Lorsque de l'huile atteint a partir de la chambre du servomoteur 10 l'organe d'étanchéité 17 (figure 2), elle est arrêtée par ce dernier. Cette interception est réalisée par la premiere rangee de joints d'étanchéité 18 se trouvant soumis à la pression maximale de l'huile. Le deuxième joint d'étanchéité 18 se trouve alors soumis à une pression d'huile plus faible. Les fuites d'huile éventuelles sont évacuées a travers le canal radial 21 ménage dans l'anneau de séparation 20 et débouchant dans le passage 22 ménage dans le voile 2 et puis s'écoulen vers la chambre 23 (figure 1). Il s'ensuit que les rangees de joints suivantes 18 (figure 2) ne sont plus soumises la pression des fuites et on assure ainsi une separation fiable entre l'enceinte du servomoteur 10 (figure 1) et l'enceinte dans laquelle sont disposées les pales de la roue à aubes. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation decrits et représentes et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles a l'homme de l'art, sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Roue a aubes ou rotor d'une turbine hydraulique a pales ou aubes orientables, dont les pales sont montées dans un moyeu dans le voile ou manchon interieur duquel sont disposées les surfaces d'appui des tourillons des pales reliés chacun mécanique a un élément de réglage susceptible d'effectuer un mouvement de va-et-vient dans la direction parallèle a l'axe de rotation de la roue a aubes dans un palier de guidage monté dans le moyeu de la roue a aubes, ledit élement de réglage étant également susceptible d'être rendu solidaire d'un moyen d'action nement -de l'organe de pivotement des pales dans lequel est ménagé un canal d'évacuation, caractérisée en ce qu'un deuxième palier de guidage (15) est prévu dans le moyeu (1) de la roue à aubes coaxialement au premier palier de guidage (6) de manière que les surfaces extrêmes des paliers de guidage qui se font face menagent un espace annulaire (16) dans lequel est disposé un organe d'étanchéité (17) et en ce que le voile ou manchon intérieur (2) est muni d'un moyen de décharge (21) qui isole la zone du canal d'évacuation (13) de la zone dans laquelle évoluent les pales (3) (ou zone d'écoulement de l'eau). 2.- Roue a aubes d'une turbine hydraulique a aubes orientables selon la revendication 1, caractérisée en ce que les paliers due guidage (6, 15) sont realises en un matériau autolubrifiant. 3.- Roue à aubes d'une turbine hydraulique à aubes orientables selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'organe d'étanchéité (17) est realisé sous la forme d'un empilement de joints annulaires d'étanchéité (18) et d'anneaux de séparation (19) alternés parallèlement a l'axe de rotation de la roue a aubes et en ce que des canaux radiaux traversant (21) dont l'un est relié au canal d'evacuation (13) sont ménagés dans un anneau de séparation (19) prévu après la deuxième rangée d'anneaux d'étanchéité (18). 4.- Roue a aubes d'une turbine hydraulique à aubes orientables selon la revendication 3, caractérisée en ce que la mise en communication d'un canal radial (21) menage dans l'anneau de séparation (19) avec le canal d'évacuation (13) est realisée au moyen d'un passage (22) ménage dans le voile ou manchon interieur (2) et relié par l'une de ses extrémités au canal d'évacuation (13) et par l'autre extrémité au canal radial (21).