Brevet FR2712942A1 — publié le 19950602

PERFECTIONNEMENT POUR PALIERS DE TURBINES HYDRAULIQUES La présente invention est relative au domaine des turbines hydrauliques et concerne un nouveau type de paliers particulièrement performant. Les turbines hydrauliques sont bien connues depuis fort longtemps et leur utilisation de nos jours est très largement répandue. Elles sont du type dit "Kaplan", "Francis" ou "Pelton" et sont constituées par une roue à pales disposée dans un écoulement d'eau la forçant à pivoter autour de son axe pour entraîner un alternateur ou une génératrice asynchrone et créer ainsi du courant électrique. Aussi, la roue proprement dite possède des pales s'étendant radialement et est reliée au rotor de l'alternateur par un arbre moteur. Le type de turbine utilisé dépend d'un certain nombre de facteurs, comme, par exemple, le débit ou la hauteur de la chute d'eau. Un type de turbine couramment utilisé est la turbine dite "Kaplan" dont l'arbre moteur est soit horizontal soit disposé verticalement et est retenu en général par un palier avec un joint de sortie d'arbre et les paliers de la génératrice. Généralement le palier de la turbine est assez éloigné du palier de la génératrice et la longeur de l'arbre entre ceux-ci est assez longue obligeant au surdimentionnement de l'arbre d'entraînement, car la rigidité et le nombre des appuis sont insuffisants pour éviter la déformation de l'arbre en mouvement qui vibre et peut entrer en résonnance. Les vibrations perpétuelles et les déformations de l'arbre par flexion provoquent une usure indésirable voire même une détérioration importante très rapide des paliers proprement dits qui battent dans leurs appuis. Il y a donc nécessité de remplacer très souvent les paliers pour assurer un bon fonctionnement de la turbine. On comprend que le démontage des paliers est une opération très coûteuse pour différentes raisons et notamment celle d'avoir à arrêter la turbine entrainant alors des pertes importantes d'exploitation et également d'avoir à remplacer les parties détériorées des paliers voire même remplacer l'arbre proprement dit ce qui nécessite aussi des frais d'entretien non négligeables. A ce jour, aucune solution de construction de palier n'est satisfaisante sur ce point. Les paliers conventionnels sont des paliers de guidage à frottement avec des jeux importants qui ne font qu'augmenter au fur et à mesure de l'usure. La rigidité de tels paliers est faible et ils ne maitiennent pas l'arbre de façon suffisante lors des vitesses critiques et il y a détérioration prématurée. Il existe bien entendu des paliers hydrostatiques utilisant de l'huile sous pression. Mais cette solution n'est pas idéale car l'huile est une liquide relativement cher et les pertes invévitables font que l'huile finit par poluer l'eau de la chute, ce qui, de nos jours, est fortement déconseillé. La présente invention veut donc résoudre les inconvénients des paliers actuels et propose un nouveau type de palier hydrostatique d'une rigidité importante de maintien de l'arbre. Ledit palier étant alimenté en eau propre sous pression et l'eau étant de préférence prise dans l'écoulement de la turbine et filtrée par un dispositif approprié. Ainsi selon l'invention, le palier pour arbre de turbine Hydraulique est caractérisé en ce que le corps de palier comprend une succession de pièces verticales de guidage latéral réalisées en matériau synthétique de haute densité, faisant saillie sur toute la hauteur du trou central dudit palier pour constituer entre les parties en saillie une succession de réserves d'eau longitudinales, chacune desdites réserves étant alimentée en eau propre sous pression par un trou radial calibré d'alimentation. Selon une caractéristique complémentaire, le corps de palier comprend un conduit périphérique d'alimentation alimenté en eau propre sous pression grâce à un tuyau amont d'alimentation, chacun des trous radiaux communiquant dans ledit conduit périphérique, et il comprend une bague de fuite supérieure et une bague de fuite inférieure, chacune des bagues comprenant une gorge circulaire, respectivement une gorge circulaire supérieure pour la bague supérieure et une gorge circulaire inférieure pour la bague inférieure, les deux gorges circulaires communiquant l'une avec l'autre par des trous verticaux de communication. La bague de fuite supérieure comprenant un trou d'évacuation communiquant avec la gorge circulaire supérieure et reliée à un tuyau aval d'évacuation permettant le retour de l'eau propre au bac de filtration. Selon une autre caractéristique de l'invention, tous les éléments périphériques du palier, à l'exception des pièces verticales de retenue, sont constitués de deux demi éléments périphériques pour en permettre le démontage, et ce sans avoir à démonter ni l'arbre, ni la roue de la turbine. L'invention concerne aussi une turbine équipée, et qui comprend avantageusement un circuit d'eau auxilliaire destiné à l'alimentation des paliers, ledit circuit comprenant une prise d'eau autonettoyante disposée dans l'écoulement d'eau de la turbine, et des moyens de filtration ainsi qu'une pompe de mise en pression. L'installation comprenant deux paliers, un palier inférieur, et un palier supérieur remplaçant avantageusement le joint d'arbre habituel. Selon une caractéristique complémentaire, la turbine de l'invention comprend un conduit central étanche contenant l'arbre constitué d'un tube central supérieur et d'une première partie divergente reliant la bague de fuite supérieure du palier inférieur à la bague de fuite inférieure du palier supérieur. Ladite partie divergeante est démontable permettant l'accès au palier inférieur, le conduit d'écoulement comprenant quand à lui une trappe de visite amovible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la description qui va suivre en regard des dessins annexés qui ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 est un schéma d'ensemble illustrant un exemple d'installation hydraulique équipée des paliers selon l'invention. Les figures 2 à 5 illustrent un mode d'exécution du palier inférieur. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale passant par l'axe. La figure 3 est une vue de dessus. La figure 4 est une vue en coupe transversale selon IV-IV. La figure 5 est une vue partielle similaire à la figure 4 mais à plus grande échelle. Les figures 6 à 8 illustrent un mode d'exécution de palier inférieur. La figure 6 est une vue en coupe longitudinale. La figure 7 est une vue de dessus. La figure 8 est une vue en coupe transversale selon VIII-VIII, l'arbre moteur ayant été retiré. La figure 9 illustre un mode d'exécution préféré de dispositif de filtration de l'eau destinée aux paliers. La figure 10 illustre une variante de réalisation. La turbine donnée à titre d'exemple est une turbine de type Kaplan qui est connue en soit et qui ne sera pas décrite dans les détails. Notons toutefois qu'elle est constituée par une roue (1) pivotante disposée dans un écoulement d'eau (2), la forçant à pivoter autour d'un axe vertical (XX) pour entrainer une génératrice (3) et créer ainsi du courant électrique. Aussi la roue proprement dite (1) possède des pales (4) s'étendant radialement et est reliée au rotor de la génératrice (3) par un arbre moteur (5), d'axe vertical (XX). La roue (1) est retenue à la partie inférieure de l'arbre (5) dans la partie inférieure (6) de la portion centrale (7) du conduit d'écoulement (11) qui est par ailleurs relié à une portion amont (8) par l'intermédiaire d'une portion coudée (9), ainsi qu'a une portion aval (10). L'écoulement (2) de l'eau se faisant de la portion amont (8) vers la portion aval (10) en entraînant la roue (1) par l'intermédiaire de ses pales (4). L'arbre (5) est retenu dans le conduit d'écoulement (11) grâce a deux paliers, à savoir un palier inférieur (12) et un palier supérieur (13). Notons que le palier supérieur (13) est disposé hors du conduit d'écoulement (11) en lieu et place du joint de sortie d'arbre habituel tandis que le palier inférieur (12) est disposé juste au-dessus de la roue à l'intérieur dudit conduit d'écoulement (11). Ainsi l'arbre moteur (5) et le palier inférieur (12) sont logés dans un conduit central étanche (14) constitué par un tube central supérieur (14a) prolongé vers le bas par une première partie divergente (14b) constituée par une paroi conique convergeant vers le haut et une deuxième partie convergente (14c) constituée par une paroi conique convergeant vers le bas. Ladite partie première divergente (14b) étant démontable pour accéder au palier inférieur (12) tandis que la paroi de la portion centrale du conduit d'écoulement (11) comprend une trappe de visite amovible (15) permettant d'accéder dans ledit conduit, après bien entendu avoir fermé la vanne d'arrivée d'eau située en amont. La deuxième partie convergente (14c) est fixée à la paroi du conduit (11) grâce à une succession de parois radiales fixes et inclinées (16) servant de directrices fixes pour l'écoulement de l'eau et comprend deux parois horizontales de retenue, une paroi diamétrale supérieure (25) et une paroi diamétrale inférieure (25a). Nous allons décrire ci-après la structure du palier inférieur (12) qui est constitué d'un ensemble d'éléments périphériques entourant l'arbre moteur (5). Selon une des caractéristiques de l'invention, les éléments périphériques du palier sont en deux parties et formés par l'association de deux demi-éléments périphériques sensiblement symétriques par rapport à l'axe vertical =. Ainsi la zone de l'arbre retenue par le palier inférieur (12) comprend une chemise extérieure (17) constituée par une paroi cylindrique périphérique formée par deux demi chemises (17a, 17b) retenues autour de l'arbre, à sa partie inférieure par une gorge réalisée dans le plateau d'accouplement de la turbine et à sa partie supérieure par une bague de retenue (60) formée de deux demi bagues (60a, 60b). Par ailleurs ledit palier est constitué d'un corps de palier (18) comprenant une succession de plusieurs pièces verticales de guidage latéral (19). Comme précédemment le corps de palier (18) est formé par deux demi corps (18a, 18b) fixés l'un à l'autre grâce à des vis de fixation (20). Notons que le corps de palier (18) est fixé par sa collerette supérieure (24) sur la paroi diamétrale supérieure (25) grâce à un ensemble de vis (26). Selon le mode d'éxécution donné à titre d'exemple le corps du palier (18) comprend sept pièces verticales de guidage latéral (19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g) réparties régulièrement entre ledit corps (18) et la chemise (17). Chacune des pièces de guidage est réalisée en matériau synthétique de haute densité et est constituée par un profil vertical d'axe (x1, x'1) comprenant une partie cylindrique (21) d'encastrement dans le corps de palier ayant un rayon r et une partie faisant saillie (29) à l'intérieur du trou central (22) comprenant une surface d'appui (23) cylindrique de diamètre "Dl" légèrement supérieur au diamètre extérieur "D" de la chemise (17). L'ensemble des surfaces d'appui (23a, 23b, 23c, 23d, 23e) formant ainsi un appui cylindrique de guidage pour la chemise et étant en saillie d'une valeur (e) par rapport à la surface périphérique interne (28) du corps de palier. Par ailleurs étant donné que chacune des pièces de retenue fait saillie à l'intérieur du trou (22) de passage de l'arbre, les parties en saillies successives (29) forment avec la surface inteme (28) dudit trou (22) une succession de sept réserves d'eau (30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f, 30g). Chacune de ces réserves s'étendant verticalement sur toute la hauteur (H) de la surface inteme (28) du trou (22) de passage d'arbre. Notons aussi qu'il se forme un film d'eau sous pression (f) entre la surface extérieure (170) de la chemise (17) et la surface d'appui (23) de chacune des pièces de retenue (19). Par ailleurs chaque réserve comprend un trou radial d'alimentation respectivement (31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f, 31g) avantageusement calibré et qui communique dans un conduit périphérique d'alimentation (32) en eau propre provenant d'un tuyau amont d'alimentation en eau sous pression (33) par l'intermédiaire d'un trou vertical d'arrivée d'eau sous pression (34). Notons aussi que la longueur de chacune des pièces de retenue (19) est égale à la hauteur (H) de la surface interne (28) du trou (22) de passage de l'arbre et que le palier comprend d'une part une bague de fuite supérieure (35) et une bague de fuite inférieure (36). Chacune des bagues de fuite comprenant une gorge circulaire, respectivement une gorge circulaire supérieure (37) pour la bague supérieure, qui communique grâce à une succession de trois trous verticaux de communication (38) avec la gorge circulaire inférieure (39). Notons par ailleurs que la gorge circulaire supérieure est reliée à un tuyau aval (40) de retour au bac de filtration par un trou d'évacuation (41). La bague de fuite supérieure comprenant une succession de mini gorges de décompression (42). Comme précédémment chacune des bagues est formée par deux demi bagues liées ensemble, respectivement (35a, 35b) pour la bague supérieure (35) et (36a, 36b) pour la bague inférieure sur laquelle est fixée une deuxième bague inférieure (43) elle aussi formée par deux demi bagues (43a, 43b) retenant trois bagues d'étanchéité (44, 45, 46) réalisées en matériau synthétique, alimentées en eau par deux fines rainures verticales dans la chemise (17) et formées chacune d'elles par deux demi bagues, respectivement (44a, 44b), (45a, 45b), (46a, 46b). Notons que la chemise (17) est réalisée avantageusement en acier inoxydable tandis que le corps de palier (18) est en acier. Les deux bagues de fuite (35, 36) étant avantageusement en bronze. Selon une caractéristique du palier, ce dernier est du type hydrostatique et est alimenté en eau, et selon une caractéristique complémentaire l'eau utilisée est de l'eau propre. L'eau utilisée est, par exemple, prélevée en amont de l'écoulement et est avantageusement filtrée avant d'être mise en pression dans le palier. Aussi l'installation comprend un circuit auxilliaire d'eau (47) pour alimenter les paliers (12, 13). Ledit circuit comprend une prise d'eau autonettoyante (48) disposée en amont dans la partie amont (8) au circuit d'écoulement. L'eau de la chute utilisée et comportant des impuretés est amenée au dessus d'un filtre (49) par un conduit (50) de prise d'eau, pour y être filtrée et constituer une eau propre (51) recueillie dans un bac (52). L'eau propre (51) étant ainsi filtrée est alors mise en pression par une pompe (53) monophasée de faible puissance pour être injectée dans les paliers par les tuyaux d'arrivée d'eau (33). Ladite pompe étant monophasée, peut être avantageusement alimentée électriquement par l'intermédiaire d'un onduleur en cas d'absence momentanée de courant. La pression de l'eau fournie au palier peut être comprise entre 3 et 6 bars et être, par exemple, de 5 bars. Par ailleurs, le conduit (50) comprend une électrovanne (54) tandis que le tuyau de sortie de la pompe comprend un pressostat différentiel (55) dont la fonction est de détecter la pression et de commander l'arrêt de la turbine si la pression de l'eau est insuffisante, par exemple au cas où il y aurait des fuites d'eau excessives dans les paliers. Il est à noter que ce type de palier peut fonctionner sans pression d'eau comme un palier conventionnel et c'est l'un de ses avantages. Il y a alors frottement sans grippage sur les guidages latéraux en matériau synthétique haute densité qui ont une très bonne résistance à l'usure. C'est pour éviter cette usure que le pressostat commande l'arrêt de la turbine si la pression baisse, pour assurer la longévité du palier. Notons aussi que le tuyau aval d'évacuation (40) est relié au bac (52) par un conduit aval représenté en traits interrompus à la figure 1, et ce, afin que l'eau propre retourne dans ledit bac par économie. Le palier supérieur (13) qui se trouve en lieu et place du joint de sortie d'arbre habituel est du même type que le palier inférieur (12). Aussi, dans sa description qui va suivre, les pièces et éléments similaires au palier inférieur porterons les mêmes références. Nous allons décrire ci-après la structure du palier supérieur (13) qui est constitué d'un ensemble d'éléments périphériques entourant l'arbre moteur (5). Selon une des caractéristiques de l'invention, les éléments périphériques du palier sont en deux parties et formés par l'association de deux demi-éléments périphériques sensiblement symétriques par rapport à l'axe vertical XX. Ainsi la zone de l'arbre retenue par le palier inférieur (12) comprend une chemise extérieure (17) constituée par une paroi cylindrique périphérique formée par deux demi chemises (17a, 17b), retenue autour de l'arbre, à sa partie inférieure par une gorge réalisée dans une collerette solidaire de l'arbre et à sa partie supérieure par une bague de retenue (60) formée de deux demi bagues (60a, 60b). Par ailleurs ledit palier est constitué d'un corps de palier (18) comprenant une succession de plusieurs pièces verticales de guidage latéral (19). Comme précédemment le corps de palier (18) est formé par deux demi corps (18a, 18b) fixés l'un à l'autre grâce à des vis de fixation (20). Notons que le corps de palier (18) est fixé par sa collerette supérieure (24) sur la paroi diamétrale supérieure (250) du tube central (14a) grâce à un ensemble de vis (26). Selon le mode d'exécution donné à titre d'exemple le corps du palier (18) comprend sept pièces verticales de guidage latéral (19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g) réparties régulièrement entre ledit corps (18) et la chemise (17). Chacune des pièces de guidage est réalisée en matériau synthétique de haute densité et est constituée par un profil vertical d'axe (x1, x'1) comprenant une partie cylindrique (21) d'encastrement dans le corps de palier ayant un rayon "r" et une partie faisant saillie (29) à l'intérieur du trou central (22) comprenant une surface d'appui (23) cylindrique de diamètre "D1" légèrement supérieur au diamètre extérieur "D" de la chemise (17). L'ensemble des surfaces d'appui (23a, 23b, 23c, 23d, 23e) formant ainsi un appui cylindrique de guidage pour la chemise et étant en saillie d'une valeur (e) par rapport à la surface périphérique inteme (28) du corps de palier. Par ailleurs étant donné que chacune des pièces de retenue fait saillie à l'intérieur du trou (22) de passage de l'arbre, les parties en saillies successives (29) forment avec la surface interne (28) dudit trou (22) une succession de sept réserves d'eau (30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f, 30g). Chacune de ces réserves s'étendant verticalement sur toute la hauteur (H) de la surface interne (28) du trou (22) de passage d'arbre. Par ailleurs chaque réserve comprend un trou radial d'alimentation respectivement (31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f, 31g) avantageusement calibré et qui communique dans un conduit périphérique d'alimentation (32) en eau propre provenant d'un tuyau amont d'alimentation en eau sous pression (33) par l'intermédiaire d'un trou vertical d'arrivée d'eau sous pression (34). Notons aussi que la longueur de chacune des pièces de guidage (19) est égale à la hauteur (H) de la surface interne (28) du trou (22) de passage de l'arbre et que le palier comprend d'une part une bague de fuite supérieure (35) et une bague de fuite inférieure (36). Chacune des bagues de fuite comprenant une gorge circulaire, respectivement une gorge circulaire supérieure (37) pour la bague supérieure, qui communique grâce à une succession de trous verticaux de communication (38) avec la gorge circulaire inférieure (39). Notons par ailleurs que la gorge circulaire supérieure est reliée à un tuyau aval (40) de retour au bac de filtration par un trou d'évacuation (41). La bague de fuite inférieure comprenant une succession de mini gorges de décompression (42). Comme précédemment chacune des bagues est formée par deux demi bagues liées ensemble, respectivement (35a, 35b) pour la bague supérieure (35) et (36a, 36b) pour la bague inférieure. A la bague supérieure (35) est fixée une deuxième bague supérieure (430) elle aussi formée par deux demi bagues (43a, 43b) retenant une bague ou une tresse d'étanchéité (450), réalisée en matériau synthétique. Le dispositif de filtration (49) peut être de tout type, mais il peut être avantageusement constitué par un filtre déroulant, comme cela est illustré schématiquement à la figure 9. Le dispositif comprenant un filtre déroulant (49) dont l'entrainement est amené par un dispositif d'entrainement (E) commandé par un moteur (M). fi est prévu un capteur (60) destiné à déterminer quand doit être déplacé le filtre. La figure 10 illustre un autre mode d'exécution de la bague de fuite inférieure (36), cette variante portant la référence (36') et étant du même type que la bague supérieure (35) du palier inférieur (12). Ainsi la bague de fuite comprend une gorge circulaire (39) et une succession de gorges de décompression (42'a, 42'b, 42'c, 42'd). La dernière gorge (42'd) étant reliée à la gorge circulaire (39) par un ou plusieurs conduits de compression (420). Ainsi il est créé dans la partie basse de la bague de fuite un anneau d'eau sous pression suffisante pour faire obstacle aux remontées éventuelles d'eau sale (12). La dernière gorge (42d) étant à une distance (h2) de la face inférieure de la bague, ladite distance (h2) étant inférieure à la distance (hl) de la première gorge (42a) par rapport à la gorge circulaire (39) améliorant ainsi les performances et favorisant ainsi le passage de l'eau dans les conduits de compression (420). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés à titre d'exemples, mais elle comprend aussi tous les équivalents techniques ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS 1. Palier (12, 13) pour arbre (5) de turbine hydraulique caractérisé en ce que le corps de palier (18) comprend une succession de pièces verticales de retenue (19a, 19b,, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g) réalisées en matériau synthétique, faisant saillie (29) à l'intérieur du trou central (22) dudit palier pour constituer entre les parties en saillie (29) une succession de réserves d'eau longitudinales (30a, 30b,, 30c, 30d, 30e, 30f, 30g), chacune desdites réserves (30) étant alimentée en eau propre sous pression par un trou radial d'alimentation (31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f, 31g). 2. Palier de turbine hydraulique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le corps de palier (18) comprend un conduit périphérique d'alimentation (32) alimenté en eau propre sous pression (51) grâce à un tuyau amont d'alimentation (33), chacun des trous radiaux (31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f, 31g) communiquant dans ledit conduit périphérique. 3. Palier de turbine hydraulique selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comprend une bague de fuite supérieure (35) et une bague de fuite inférieure (36), chacune des bagues comprenant une gorge circulaire, respectivement une gorge circulaire supérieure (37) pour la bague supérieure et une gorge circulaire inférieure (39) pour la bague inférieure, les deux gorges circulaires communiquant l'une avec l'autre par des trous verticaux de communication (38). 4. Palier de turbine hydraulique selon la revendication 3 caractérisé en ce que la bague de fuite supérieure (35) comprend un trou d'évacuation (41) communiquant avec la gorge circulaire supérieure (37) et reliée à un tuyau aval d'évacuation (40). 5. Palier de turbine hydraulique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que tous les éléments périphériques du palier, à l'exception des pièces verticales de retenue (19), sont constitués de deux demi éléments périphériques pour en permettre le démontage, et ce sans avoir à démonter ni l'arbre, ni la roue de la turbine. 6. Turbine hydraulique équipée du palier selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit d'eau auxilliaire (47) destiné à l'alimentation des paliers (12, 13), ledit circuit comprenant une prise d'eau (48) disposée dans l'écoulement (2) d'eau de la turbine, et des moyens de filtration (49) ainsi qu'une pompe de mise en pression (53). 7. Turbine hydraulique selon la revendication 6 caractérisée en ce qu'entre la pompe (53) et les paliers, il est disposé sur le circuit auxilliaire (47) un pressostat différentiel (55) commandant l'arrêt de la turbine quand la pression est inférieure à un seuil prédéterminé. 8. Turbine hydraulique selon la revendication précédente caractérisée en ce qu'elle comprend un conduit central étanche (14, 14a, 14b, 14c) reliant les deux paliers, constitué d'un tube central supérieur (16a) et d'une première partie divergente (14b) démontable permettant l'accès au palier inférieur (12), le conduit d'écoulement comprenant une trappe de visite amovible (15).