Brevet FR2805310A1 — publié le 20010824

L'invention a trait à une roue de turbine Kaplan et à une installation de conversion d'énergie incorporant une telle rbue. Dans le domaine de la conversion d'énergie, notamment dans le domaine de la production d'énergie électrique à partir d'une chute d'eau, il est connu d'utiliser des turbines dites "Kaplan" comprenant un moyeu apte à tourner autour d'un axe le plus souvent vertical et des pales montées sur ce moyeu et articulées chacune autour d'un axe essentiellement radial par rapport à ce moyeu. L'adaptation du rendement énergétique de la turbine par rapport à l'écoulement d'eau qui la traverse est généralement commandée pour obtenir une vitesse de rotation sensiblement constante de l'arbre du moyeu, ce qui permet de faire fonctionner un alternateur à vitesse et fréquence de sortie stabilisées. Cet asservissement du fonctionnement de la turbine est obtenu par réglage de l'orientation de volets d'admission de l'écoulement d'eau dans le distributeur de la turbine, ces volets étant le plus souvent dénommés "directrices", et par le réglage de l'orien- tation des pales autour de leurs axes d'articulation sur le moyeu. Le moyeu est à symétrie cylindrique autour de son axe de rotation, avec une génératrice convexe vue de l'extérieur. Dans certaines configurations d'utilisation, les pales doivent être orientées avec leurs surfaces principales sensiblement parallèles à la direction d'écoulement de l'eau afin de diminuer le décollement généré par cet écoulement sur leur bord d'attaque. Il importe donc que le bord radial interne de chaque pale soit configuré pour ne pas interférer avec le moyeu, en particulier dans sa partie supérieure, dont le diamètre est relativement important car il contient un mécanisme de manoeuvre des pales. Pour ce faire, on procède à un usinage de ce bord, parfois appelé "détalonnage"', qui revient à configurer le bord interne de la pale à la géométrie du moyeu lorsque la pale est dans cette position de puissance ou de débit maximum. Cependant, en cours de fonctionnement aux puissances intermédiaires, les pales sont orientées avec leurs surfaces principales faisant un angle moins important par rapport à l'horizontale. Ceci peut être obtenu en faisant tourner chaque pale autour de son axe d'articulation par rapport au moyeu. Lorsqu'une pale P tourne par rapport au moyeu M et comme représenté à la figure 6, son bord radial interne B ne jouxte plus ce moyeu M car les rayons de courbure verticaux et horizontaux du moyeu sont différents. Il en résulte la création d'un espace ou interstice I entre le bord B de la pale P et le moyeu M, notamment du côté du bord d'attaque de la pale, cet interstice I étant convergeant en direction de la zone Z d'attache de la pale sur le moyeu. Cet interstice crée une zone d'écoulement directe de l'eau vers l'aval de la turbine, cet écoulement direct ne générant aucun effort sur la turbine, d'o une diminution du rendement total de l'installation. En outre, et de façon déterminante, des corps présents dans l'eau transitant par la turbine sont suscepti- bles d'être coincés ou déchiquetés dans cet intervalle I. Ceci concerne en particulier les poissons et notamment les alevins, dont un nombre important est tué lors de leur passage dans une turbine Kaplan, alors que ceci pourrait être évité si les poissons suivaient l'écoulement normal de l'eau dans la turbine. De même des détritus ayant traversés des grilles de protection de la turbine sont susceptibles de se coincer dans la partie en coin de l'interstice I qui est relativement étroite. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une nouvelle structure de roue de turbines Kaplan qui permet de conserver un rendement énergétique satisfaisant de la turbine alors qu'elle est beaucoup plus favorable à la survie des poissons qui la traversent. Dans cet esprit, l'invention concerne une roue de turbine Kaplan, dans laquelle au moins une pale est équipée d'un élément mobile d'obturation d'un espace défini entre un bord radial interne de cette pale et le moyeu de la turbine. Cet élément mobile d'obturation permet de fermer l'espace ou interstice qui a tendance à se créer entre le bord radial interne de la turbine et le moyeu, ce qui permet de dévier l'écoulement d'eau et les poissons qu'il contient éventuelle- ment tangentiellement par rapport aux surfaces principales de la pale, c'est-à-dire suivant le trajet normal d'écoulement. Les poissons ne risquent donc plus d'être déchiquetés. Selon des aspects avantageux de l'invention, la roue de turbine incorpore une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - L'élément d'obturation est apte à s'étendre plus ou moins à l'extérieur d'un logement ménagé dans l'épaisseur du bord radial interne de la pale. Ainsi, la position de l'élément d'obturation peut être adaptée aux dimensions transversales de l'espace ou interstice existant entre le moyeu et le bord radial interne de la pale. - L'élément d'obturation est articulé autour d'un axe globalement perpendiculaire au bord radial interne de la pale, ce qui lui permet de s'étendre plus ou moins à l'exté- rieur de ce bord par pivotement autour de son axe d'articula- tion. - La roue comprend des moyens de charge de l'élément d'obturation en direction du moyeu. Grâce à cet aspect de l'invention, le volet d'obturation repose par défaut contre la surface radiale externe du moyeu, la position du volet par rapport au bord de la pale étant en permanence adaptée aux dimensions transversales de l'interstice existant entre ce bord et ce moyeu. Cette charge élastique peut être obtenue par des moyens mécaniques, tels qu'un ressort, ou par des moyens hydrauliques, tels qu'une chambre de pression. - L'élément d'obturation est en forme de coin arti- culé dans un logement de réception ménagé dans l'épaisseur du bord radial interne de la pale. - L'élément d'obturation est disposé du côté du bord d'attaque de la pale par rapport à son axe d'articulation sur le moyeu. Cet aspect de l'invention tire parti du fait que le bord radial interne de la pale est relativement épais du côté du bord d'attaque de la pale, ce qui autorise le logement du volet d'obturation dans son épaisseur. En outre, c'est du côté du bord d'attaque de la pale qu'existent les plus grands risques d'écoulement parasites de l'eau et de déchiquetage des poissons. - Le moyeu comprend une section en forme de tronc de sphère, cette section s'étendant vers l'aval, à partir des zones d'articulation des pales sur le moyeu, au moins jusqu'au niveau du bord de fuite de chaque pale dans sa position la plus ouverte pour l'écoulement. Grâce à cet aspect de l'invention, le bord radial interne de la pale peut, du côté du bord de fuite, être conformé en arc de cercle de rayon sensiblement égal à celui de la sphère circonscrite au moyeu, de telle sorte que le bord radial interne de la pale demeure globalement parallèle à et proche de la surface externe du moyeu, indépendamment de l'orientation de la pale autour de son axe d'articulation sur le moyeu. - L'axe d'articulation de la pale sur le moyeu forme, du côté aval de la turbine, un angle aigu avec l'axe de rotation du moyeu. Cette caractéristique de l'invention revient à "amener" les axes d'articulation des pales sur le moyeu vers l'aval, de telle sorte que les bords radiaux internes des pales peuvent plus facilement être conformés par rapport à la géométrie des parties amont et aval du moyeu qui, dans sa partie aval, est avantageusement en forme de sphère selon ce qui précède. Dans ce cas, on peut prévoir que l'angle aigu précité a une valeur comprise entre 70 et 89 , de préfé- rence de l'ordre de 800. L'invention concerne également une installation de conversion d'énergie hydraulique en une autre énergie, notamment électrique, qui comprend une turbine Kaplan munie d'une roue telle que précédemment décrite. Une telle installa- tion peut être aisément réglée, en fonction des caractéristi- ques de débit et de hauteur de la chute utilisée, sans risque d'écoulement parasite, de coincement et/ou de destruction massive de la faune d'une rivière ou d'une retenue. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'une installation de conversion d'énergie et d'une roue de turbine Kaplan conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique de principe d'une installation de production d'énergie électrique incorporant une turbine Kaplan et conforme à l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique partielle en perspective de la turbine de l'installation de la figure 1 alors qu'une pale est en position d'ouverture maximum; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 alors que la pale est dans une position intermédiaire; - la figure 4 est une représentation partielle en perspective du bord radial interne de la pale visible aux figures 2 et 3, du côté de son bord d'attaque et, - la figure 5 est une coupe de principe, selon la ligne V-V à la figure 4 dans un plan perpendiculaire à l'axe d'articulation du volet, et - la figure 6 est une vue analogue à la figure 3 pour une turbine de l'état de la technique. L'installation représentée à la figure 1 comprend une turbine 1 de type Kaplan apte à tourner autour d'un axe Z-Z' globalement vertical. La turbine 1 est disposée dans un conduit 2 d'écoulement d'eau en provenance d'une retenue amont. L'écoulement est représenté par les flèches E à la figure 1. Des directrices 3 sont prévues dans le conduit 2, en amont de la turbine 1, et permettent de réguler en partie l'écoulement E. La turbine 1 comprend un moyeu 11 et quatre pales 12 dont trois sont visibles à la figure 1. Le moyeu 11 comprend une partie 13 en forme de tronc de sphère et une partie 14 formant arbre et permettant de transmettre à un alternateur non représenté le couple généré par l'écoulement E au niveau de la turbine 1. Chaque pale 12 est articulée autour d'un axe X12 s'éten- dant selon une direction radiale par rapport à la surface de la partie 13 et formant, avec l'axe Z-Z' et du côté aval de la turbine, un angle aigu a de valeur comprise entre 70 et 890. En pratique, cet angle est choisi de l'ordre de 80 . A l'intérieur du moyeu 11 est disposé un ensemble d'actionnement mécanique comprenant un servomoteur aptes à entraîner en rotation chacune des pales 12 autour de son axe X12 d'articulation respectif sur le moyeu 11. Chaque pale 12 est pourvue d'une bride 121 sensiblement circulaire et par le centre de laquelle passe l'axe X12 de la pale, la bride 121 assurant la liaison cinématique entre la pale et le servomoteur contenu dans le moyeu 11. Le servomoteur utilisé pour la mise en rotation des pales est connu dans le domaine technique considéré et n'est donc pas décrit en détail. Chaque pale 12 comprend un bord d'attaque 122, un bord de fuite 123, un bord radial externe 124 et un bord radial interne 125, ce bord 125 étant divisé par la bride 121 en un bord radial interne amont 125a, s'étendant entre la bride 121 et le bord d'attaque 122, et un bord radial interne aval 125b, s'étendant entre la bride 121 et le bord de fuite 123. Lorsque la pale 12 représentée partiellement aux figures 2 et 3 est en configuration relevée, c'est-à-dire avec ses surfaces principales 126 et 127 globalement verticales, les bords 125a et 125b suivent la géométrie externe du moyeu 11, le bord 125a épousant la surface externe des parties 13 et 14, alors que le bord 125b épouse la surface externe de la moitié inférieure de la partie 13, dans la configuration de la figure 1. Le bord 125b est ainsi configuré pour s'adapter à la géométrie en arc de cercle de la partie sphérique 13. Le bord amont 125a a, quant à lui, une forme plus complexe afin de suivre à la fois la géométrie de la partie 13 et celle de la partie 14. Pour ce faire, les bords 125a et 125b subissent une opération de détalonnage, c'est-à-dire un usinage de conforma- tion. Lorsque la pale 12 est rabattue vers une position plus horizontale comme représentée par la flèche F1 à la figure 3, un espace ou interstice I est créé entre la surface extérieure de la partie 13 du moyeu 11 et le bord radial interne amont a. Afin d'éviter un écoulement parasite à travers cet interstice I, un volet 15 est prévu au niveau de ce bord 125a dans l'épaisseur de la pale 12 qui est relativement massique entre l'axe X12 et le bord d'attaque 122 pour résister aux efforts qu'elle subit. Comme il ressort plus particulièrement de la figure 5, le volet 15 en forme de coin est articulé autour d'un axe 16 globalement perpendiculaire aux surfaces 126 et 127 de la pale 12 au bord 125a. En pratique, l'axe 16 traverse deux ailes 128 et 129 formant les surfaces 126 et 127 au niveau du bord 125a et définissant entre elles un logement 17 de réception du volet 15. Entre le volet 15 et la surface de fond 171 du logement 17 est prévu un ressort de compression 18 exerçant sur le volet 15 un effort, représenté par la flèche F2 et tendant à chasser la partie du volet 15 la plus éloignée de l'axe 16 vers l'extérieur du logement 17, en direction du moyeu 11, par pivotement autour de l'axe 16 dans le sens représenté par la flèche F3 à la flèche 5. Le volet 15 peut être plein ou creux, la constante de raideur du ressort 18 étant adaptée en conséquence. Avantageu- sement, un logement de réception de l'extrémité du ressort est prévu sur la face arrière 152 du volet lorsque celui-ci est plein. Grâce à l'effort élastique généré en permanence par le ressort 18, la face avant 151 du volet 15 qui prolonge le bord a est en permanence plaquée contre la surface externe de la partie 13 ou de la partie 14 du moyeu 11, de sorte que l'interstice I est obturé par le volet 15 dès le début de la rotation de la pale 12 autour de l'axe X12 dans le sens de la flèche F1 à la figure 3. On évite ainsi un écoulement parasite de l'eau à travers l'interstice I et les risques de coincement de poissons ou de déchets dans la zone de convergence entre le bord 125a et la surface externe de la partie 13, à proximité de la bride 121. La géométrie du volet 15 et du logement 17 est choisie de telle sorte que, en position sensiblement horizontale de la pâle 12 correspondant à une sortie maximale du volet 15, la distance d entre le bord 172 du logement 17 à l'opposé de l'axe 16 et la face arrière 152 du volet 15 demeure supérieure à une valeur prédéterminée, ce qui garantit que le volet est efficacement guidé dans son mouvement de pivotement et ne risque pas de se coincer en position dégagée par rapport au logement 17. Des bandes de frottement 153 sont prévues sur les côtés du volet 15 pour être en contact glissant avec les faces latérales internes des ailes 128 et 129. Ces bandes 153 peuvent être réalisées en bronze, en polytétrafluorethylène ou dans un autre matériau ayant un faible coefficient de frottement avec l'acier des ailes 128 et 129. Le fait que les axes X12 forment chacun un angle a aigu par rapport à l'axe Z-Z' du côté aval du moyeu, alors que le moyeu est sensiblement sphérique dans sa partie aval, permet de minimiser le détalonnage du bord aval 125b, de telle sorte qu'il existe peu de risques de fuite ou de danger de coince- ment entre le bord 125b et la surface externe de la partie 13. Selon une variante non représentée de l'invention, un volet d'obturation peut également être prévu au niveau du bord aval interne 125b de la pale 12, notamment dans le cas o les axes X12 sont globalement perpendiculaires à l'axe Z-Z' Selon une autre variante non représentée de l'invention, le ressort 18 peut être remplacé par un dispositif hydraulique d'appui du volet 15 en direction du moyeu 11. Par exemple, le logement 17 peut être mis en communication avec l'écoulement E au niveau de la surface d'intrados 126, ce qui a pour effet de mettre sous pression ce logement et d'exercer sur le volet un effort de charge en direction du moyeu 11, de telle sorte que le volet pivote autour de l'axe 16 dans le sens de la flèche F3. L'invention est applicable indépendamment du nombre de pales de la turbine, une turbine Kaplan ayant en général entre trois et sept pales. REVENDICATIONS 1. Roue de turbine Kaplan comprenant un moyeu, et plusieurs pales articulées chacune autour d'un axe défini par ledit moyeu, caractérisée en ce qu'au moins une pale (12) est équipée d'un élément mobile (15) d'obturation d'un espace (I) défini entre un bord radial interne (125) de ladite pale et ledit moyeu (11). 2. Roue de turbine Kaplan selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément d'obturation (15) est apte à s'étendre plus ou moins à l'extérieur d'un logement (17) ménagé dans l'épaisseur dudit bord (125). 3. Bord de turbine Kaplan selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit élément d'obturation (15) est articulé autour d'un axe (16) globalement perpendiculaire audit bord (125). 4. Roue de turbine Kaplan selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (18) de charge (F2) dudit élément d'obturation (15) en direction (F3) dudit moyeu (11). 5. Roue de turbine Kaplan selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit élément d'obturation (15) est en forme de coin articulé (en 16) dans un logement de réception (17) ménagé dans l'épaisseur dudit bord (125). 6. Roue de turbine Kaplan selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit élément d'obturation (15) est disposé du côté du bord d'attaque (122) de ladite pale (12) par rapport à son axe d'articulation (X12) sur ledit moyeu (11). 7. Roue de turbine Kaplan selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit moyeu (11) comprend une section (13) en forme de tronc de sphère, ladite section s'étendant vers l'aval à partir des zones (121) d'articulation desdites pales (12) sur ledit moyeu, au moins jusqu'au niveau du bord de fuite (123) de chaque pale dans sa position la plus ouverte pour l'écoulement (E). 8. Roue de turbine Kaplan selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'axe d'articulation (X12) de ladite pale (12) sur ledit moyeu (11) forme, du côté aval de ladite turbine (1), un angle aigu (a) avec l'axe de rotation (Z-Z') dudit moyeu (11). 9. Roue de turbine Kaplan, selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit angle aigu (a) a une valeur comprise entre 70 et 89 , de préférence de l'ordre de 80 . 10. Installation de conversion d'énergie hydraulique en une autre énergie, notamment électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine Kaplan (1) munie d'une roue selon l'une des revendications précédentes.