Brevet FR2582736A1 — publié le 19861205

La présente invention est relative à une turbine hydraulique de basse chute du genre Kaplan à axe vertical. Dans le cas de basse chute, c'est-à-dire dont les hauteurs sont comprises de manière générale entre quelques mètres et quelques dizaines de mètres, on utilise des turbines Kaplan à axe vertical dont l'alimen- tation est réalisée au moyen d'une chambre d'eau, c'est-à-dire d'un canal d'amenée à l'air libre ou en charge. On utilise aussi de manière usuelle un distributeur tronconique convergent vers l'aval, c'est-à-dire dans ce cas vers le bas. Toutefois, les essais sur modèles réduits ont mis en évidence des phénomènes perturbateurs: C'est ainsi que dans une chambre d'eau, il existe des zones d'eau morte qui favorisent le développement des tourbillons apparaissant dans d'autres points de ladite chambre d'eau, mais ces zones d'eau morte peuvent elles-mêmes également donner naissance à des vortex. En outre, en aval de l'arbre de ladite turbine ou de son fourreau circulaire, il se produit un décollement de l'écoulement de l'eau avec apparition de vortex. Ceux-ci grossissent en entraînant de l'air en dessous de la surface libre de telle sorte que les vortex se transfor- ment en tourbillons aspirants. Les perfectionnements qui font l'objet de la présente invention visent à remédier aux deux inconvénients précités et à permettre la réalisation d'un canal d'alimentation d'une turbine Kaplan à axe verti- cal qui d'une part supprime les zones d'eau morte dudit canal, et d'autre part évite la formation de tourbillons aspirants. A cet effet, les parois latérales verticales du canal d'alimentation établi conformément à l'invention sont orientées de manière convergente, afin qu'au droit de la turbine, la largeur dudit canal soit un peu supérieure au diamètre du distributeur situé au-dessus de la turbine; en outre, des moyens sont prévus dans le canal et en aval de la turbine en vue d'empêcher le développement de tourbillons aspirants en aval de son arbre. Le dessin annexe, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer: Fig. 1 illustre en coupe verticale une turbine Kaplan à axe vertical, alimentée par une chambre d'eau comportant application des perfectionnements suivant l'invention. Fig. 2 en est une coupe suivant II-II (fig. 1). 2582?36 Fig. 3 est une vue semblable à celle de fig. 1, mais illus- trant une alimentation par un conduit en charge à la place d'une chambre d'eau. Fig. 1 illustre schématiquement une installation hydraulique pour une turbine Kaplan à axe vertical. On observe que la turbine 1 calée à l'extrémité inférieure d'un arbre vertical monté dans un fourreau 2 est placée en dessous d'un distributeur à paroi tronconique 3 comportant des ailettes directrices 4 reliant la paroi du distributeur au fourreau 2 de l'arbre de la turbine 1. L'alimentation en eau de la turbine 1 est réalisée au moyen d'un canal 5 à surface libre dont le dessus est fermé par des dalles 6. On observe que la surface libre amont référencée 7 du liquide dans le canal d'amenée se trouve bien en dessous des dalles 6. Conformément à l'invention et comme illustré en fig. 2, les parois latérales verticales 5a et 5b du canal 5 sont orientées de manière convergente en direction du plan vertical de symétrie dudit canal, de manière qu'elles viennent se raccorder avec la face extrême arrondie 5c de ce canal, laquelle comporte un diamètre un peu supérieur au diamètre extérieur D des ailettes directrices 4. Comme indiqué plus haut, les zones d'eau morte des chambres d'eau usuelles favorisent le développement de vortex ou sont susceptibles d'en crier elles-mêmes. Au contraire, grâce à leur forme convergente dans la zone de la turbine, les parois 5a, 5b du canal 5 permettent d'éliminer les zones d'eau morte et leurs inconvénients en ce qui concerne les vortex. Il va de soi que si le canal 5 est un conduit en charge 8 tel que celui illustré en fig. 3, on peut affecter à ses parois latérales verticales situées dans la zone de la turbine des orientations convergentes telles que celles illustrées en fig. 2. En cas de surface libre, en aval du fourreau 2 de l'arbre de la turbine 1, il se produit un décollement de l'écoulement avec apparition de vortex qui, en grossissant entrainent de l'air situé au-dessus de la surface libre 7 de l'eau du canal 5. Les vortex en question se transforment alors en tourbillons aspirants. Ces tourbillons sont sources de vibrations et d'instabilité de fonctionnement. Conformément à l'invention, on peut supprimer le décollement de l'écoulement par trois sortes de moyens. Tout d'abord, on peut profiler le fourreau 2 de l'arbre de ladite turbine de manière à lui conférer en section transversale une forme aérodynamique ovoIde. On pourrait aussi prévoir un radeau flottant dans le compartiment du canal à l'aval de la turbine. Ce radeau ferait écran entre l'air libre situé au-dessus de la surface 7 de l'eau et cette dernière, de manière à briser les vortex au moment of ils se développent. Toutefois, il est difficile de fixer ce radeau aux parois du canal, surtout lorsque la turbine est équipée d'une vanne de garde amont dont la fermeture peut mettre à sec le canal ou le conduit en question. Conformément à l'invention, le dispositif choisi pour éliminer les tourbillons aspirants en aval de la turbine est réalisé au moyen d'une paroi fixe ou masque 9 incliné vers le bas d'amont en aval et situé en aval du fourreau 2 de l'arbre de la turbine. Grace à l'invention, on peut ainsi diminuer très sensiblement la hauteur H de la surface libre de l'eau 7 dans le canal 5 qui peut être limitée à environ 1,4d (d = diamètre de la turbine 1), alors que sans les dispositifs suivant l'invention, la hauteur minimale doit être environ 2d. Ceci est particulièrement intéressant dans les deux cas soit qu'on utilise un canal à surface libre, soit qu'on utilise un conduit sous pression 8, puisqu'on peut ainsi réduire d'environ 30% la dimension de ce conduit d'amenée. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. R E V E N DI C A T I 0 N S 1. Canal (5) d'alimentation en eau d'une turbine Kaplan (1) à axe vertical, caractérisé en ce que ses parois latérales verticales (5a, 5b) sont orientées de manière convergente afin qu'au droit de la turbine (1) elles se raccordent avec une face extrême (5c) de forme arrondie ou à pans coupés dont le contour est un peu supérieur à la circonférence circonscrite aux ailettes directrices (4) situées au-dessus de la turbine (1), et en ce que des moyens (9) sont prévus dans le canal (5) en aval de la turbine (1) en vue d'empêcher le développement de tourbil- lons aspirants en aval de l'arbre ou de son fourreau. 2. Canal suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de contrecarrer la formation de tourbillons aspirants sont réalisés sous la forme d'un profilé de section transversale ovolde assujetti le long de la partie aval du fourreau (2) de l'arbre de la turbine (1). 3. Canal suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de contrecarrer la formation de tourbillons aspirant consistent en un 'masque', c'est-à-dire une paroi (9) inclinée vers le bas d'amont en aval, ménagée dans le canal d'alimentation (5) de la turbine et en aval de l'arbre de cette dernière.