Brevet FR2844560A1 — publié le 20040319

L'invention a trait à une roue de type Francis et à une machine hydraulique équipée d'une telle roue. Les roues de type Francis peuvent équiper différentes sortes de machines hydrauliques, telles que des turbines, 5 des pompes ou des turbinespompes. Elles comprennent des aubes réparties autour d'un arbre central de rotation et définissent entre elles des conduits d'écoulement d'eau. La géométrie des aubes de ces roues est définie pour que l'écoulement de l'eau induise un couple de rotation sur la 10 roue, dans le cas d'une turbine, ou pour transmettre un mouvement au fluide, dans le cas d'une pompe. La puissance que peut délivrer une machine hydraulique équipée d'une telle roue dépend de sa géométrie et du type de chutes auquel elle est associée. Ainsi, la puissance que peut 15 délivrer une turbine peut être ramenée à une valeur de référence définie par la puissance équivalente délivrée par une turbine de même géométrie travaillant sous 1 mètre de chute et dont le diamètre de sortie de roue est de 1 mètre. Cette puissance Pl. dépend en particulier de la vitesse de 20 rotation Nll de la turbine dans les mêmes conditions. Comme il ressort de la figure 6, un point de fonctionnement optimal A peut être défini dans un système d'axes donnant la puissance P1l d'une turbine, dans les conditions sus-mentionnées, en fonction de la vitesse de 25 rotation N1l dans les mêmes conditions. On définit comme puissance sous forte charge PlLFC, la puissance de la turbine pour un rendement inférieur de 3,5% au rendement au point A. Dans le repère P1l sur N1l, on définit des courbes Ig9, I98, I97, etc... d'isovaleurs du rendement obtenu avec une 30 turbine. On définit par ailleurs un point remarquable B de même abscisse que le point A et pour lequel la puissance obtenue est égale à PIlFC- On définit comme la puissance équivalente sous forte charge P11FC la puissance obtenue dans les conditions du point B pour chaque turbine. Comme représenté à la figure 7, les turbines actuelles 5 ont des puissances équivalentes sous fortes charges PlIFC qui, dans une représentation en fonction de la vitesse N11 mentionnée ci-dessus, se trouvent dans une première zone Z1, ce qui montre que la puissance équivalente sous forte charge PîîFC augmente en fonction de la vitesse N11. Il est 10 parfois nécessaire d'obtenir des puissances équivalentes sous fortes charges relativement élevées. En particulier, en cas de réhabilitation d'une installation existante, la vitesse N1, est imposée, ce qui limite en pratique les valeurs de puissance PîîFC pouvant être obtenues avec une 15 turbine classique. Jusqu'à présent, des zones de puissance équivalentes sous fortes charges de valeurs relativement élevées par rapport à la vitesse N1I n'ont pas été réellement explorées par les concepteurs de machines hydrauliques, car on 20 s'attendait à des solutions dégradées sur le plan technicoéconomique. La présente invention prend le contre-pied de ce préjugé de l'homme du métier en explorant les plages de valeurs de débits, de puissances et de vitesses des 25 machines hydrauliques correspondant approximativement à la zone Z2 à la figure 7. Il s'est avéré qu'un choix judicieux de certaines caractéristiques de la roue de turbine permet d'obtenir des solutions offrant un meilleur niveau de rendement, ainsi que cela ressort des explications qui 30 suivent. Dans cet esprit, l'invention concerne une roue de type Francis qui comprend un plafond, une ceinture et des aubes s'étendant entre ce plafond et cette ceinture, ces aubes définissant entre elles des conduits d'écoulement de liquide. Cette roue est caractérisée en ce que l'angle entre la vitesse linéaire de progression d'une des aubes et la médiane de cette aube au niveau de son bord de fuite a, au voisinage du point d'attache de l'aube sur la ceinture, une valeur comprise entre 20 et 250. Grâce à l'invention, l'orientation du bord de fuite des aubes par rapport à leur direction de progression linéaire est suffisamment importante pour qu'un débit de liquide important puisse transiter par la roue, ce qui 10 permet d'atteindre des valeurs de puissance notablement plus élevées que celles connues des machines de l'état de la technique, sans dégrader le rendement de la machine. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, cette roue incorpore une ou plusieurs des 15 caractéristiques suivantes: - Sur la longueur du bord de fuite de l'aube, l'angle entre la vitesse linéaire et la médiane précitée a une valeur maximale inférieure à 340. - Sur la longueur du bord de fuite de l'aube, 20 l'angle entre la vitesse linéaire et la médiane précitée a une valeur moyenne comprise entre 20 et 300. - Sur la longueur du bord d'attaque de l'aube, l'angle moyen entre la vitesse linéaire et la médiane de cette aube au niveau du bord d'attaque a une valeur 25 comprise entre 70 et 1200. - L'angle entre la vitesse linéaire et la médiane précitée a, au voisinage du point d'attache de l'aube sur la ceinture, une valeur comprise entre 70 et 1200. - L'angle de recouvrement entre le bord d'attaque 30 et le bord de fuite de l'aube a, en vue selon une direction parallèle à l'axe de rotation de la roue: * au niveau de la ceinture, une valeur inférieure à 250 * au niveau du plafond, une valeur inférieure à 370 et en moyenne, sur la longueur des bords d'attaque et de fuite, une valeur inférieure à 310. La ceinture a une section méridienne telle que son diamètre minimal sur le tiers central de sa hauteur est inférieur d'au moins 2% par rapport au diamètre de la ceinture au niveau des points d'attache des bords de fuite 10 des aubes précitées. L'invention concerne également une machine hydraulique de type Francis qui comprend une roue telle que précédemment décrite. Une telle machine peut être constituée par une turbine apte à délivrer une puissance 15 équivalente sous fortes charges, sous 1 mètre de chute et avec un diamètre de sortie de roue de 1 mètre, exprimée en kilowatts, telle que son rapport avec la vitesse de rotation de la turbine dans les même conditions, exprimée en tours/minute, à une valeur comprise entre 0,16 et 0,175. 20 De façon surprenante, une telle machine a un rendement satisfaisant, aux plages de N1l habituellement utilisées. 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 25 turbine Francis conforme à l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'une roue de turbine Francis conforme à l'invention; - la figure 2 est une demi-coupe méridienne de la roue de la figure 1; - la figure 3 est une coupe développée du profil de l'aube représentée à la figure 2 le long de la ligne III; - la figure 4 est une coupe analogue à la figure 3 dans la zone de liaison entre l'aube et la ceinture, le long de la ligne IV à la figure 2; - la figure 5 est une vue de dessus de l'aube 5 représentée aux figures 2 à 4, le plafond et la ceinture étant omis pour la clarté des dessins; - la figure 6 est une représentation schématique de principe des courbes d'iso-rendement en fonction de la puissance équivalente d'une turbine et de la vitesse de 10 rotation dans les conditions mentionnées ci-dessus et - la figure 7 est une représentation de principe de la répartition des puissances équivalentes sous forte charge (P11Fc) de différentes turbines en fonction de leurs vitesses de rotation dans les conditions précitées. La roue 1 représentée aux figures 1 à 5 comprend des aubes 2 identiques et réparties autour d'un axe central XX' de rotation de la roue 1. Un plafond 3 est prévu en partie supérieure et radiale interne de la roue 1, alors qu'une ceinture 4 borde la partie inférieure, radiale et 20 externe des aubes 2. Un conduit d'écoulement 5 est ainsi défini entre chaque paire de deux aubes adjacentes, ce conduit étant bordé par le plafond 3 et la ceinture 4. On note 21 le bord d'attaque d'une aube 2. On note 22 son bord de fuite. On note 213 le point de jonction entre 25 le bord 21 et le plafond 3. On note 214 le point de jonction entre le bord 21 et la ceinture 4. On note 223 le point de jonction entre le bord 22 et le plafond 3 et 224 le point de jonction entre le bord 22 et la ceinture 4. La ligne III à la figure 2 représente la trace 30 méridienne d'une nappe d'écoulement axisymétrique le long de l'aube 2. Les flèches E représentent cet écoulement. Dans la représentation de la figure 3, l'écoulement E est globalement perpendiculaire à la direction de la vitesse U de progression linéaire de l'aube 2 dont la valeur est égale au nombre de tours par minute effectués par la roue 1 multiplié par n et par le diamètre nominal de la roue. On note 23 la surface de jonction entre l'aube 2 et le 5 plafond 3, cette surface incluant les points 213 et 223. On note, par ailleurs, 24 la surface de jonction entre l'aube 2 et la ceinture 4, cette surface incluant les points 214 et 224. On note 25 une surface courbe imaginaire correspondant 10 à la médiane de l'aube 2, c'est-à-dire à une surface située à égale distance des faces latérales 26 et 27 de l'aube 2. La trace de la surface 25 dans le plan de la figure 3 est une courbe équidistante des faces latérales 26 et 27. On note A1 une droite passant par le bord d'attaque 21 15 et prolongeant la médiane 25 dans le plan de la figure 3. On note Pl l'angle entre cette droite A, et une droite Dl parallèle à la vitesse U et passant par le bord d'attaque 21. De la même façon on note A2 une droite prolongeant la 20 médiane 25 au niveau du bord de fuite 22 de l'aube 2 et D2 une droite parallèle à la vitesse U au niveau de ce bord de fuite. On note P2 l'angle entre les droites A2 et D2. On comprend que compte tenu du caractère essentiellement gauche des aubes 2, les valeurs des angles 25 Pl et P2 sont variables sur la longueur des bords d'attaque 21 et de fuite 22. Comme il ressort plus particulièrement de la figure 4, la valeur de l'angle P24 correspondant à l'angle P2 au niveau du point 224 est comprise entre 20 et 25 , en pratique 30 égale à 210 dans l'exemple représenté. L'angle 024 est l'angle entre une droite A224 prolongeant la médiane 25 au point 224 et une droite D224 parallèle à la vitesse U et passant par ce point. Un angle l,4,, correspondant à l'angle Pl au niveau du point 214, est défini entre une droite D214 parallèle à la vitesse U et passant par ce point et une droite A214 prolongeant la médiane 25 sur ce point. La valeur de cet 5 angle 114 est comprise entre 70 et 1200 et, de préférence, de l'ordre de 85 comme représenté sur la figure 4. En pratique, chaque aube 2 est conçue et réalisée de telle sorte que la valeur maximum de l'angle f2, sur la longueur du bord de fuite 22 est inférieure à 340. On peut 10 également définir une valeur moyenne de cet angle f2 prise sur vingt cinq filets d'écoulement équi-répartis entre le plafond 3 et la ceinture 4. Cette valeur moyenne est de préférence comprise entre 20 et 300 Grâce à ces valeurs de l'angle P2., l'écoulement au 15 niveau du bord de fuite 22 peut avoir lieu avec un débit relativement important, sans diminution du rendement de la roue 1. De la même façon, la valeur moyenne de l'angle Pl sur la longueur du bord d'attaque 21, prise dans les mêmes 20 conditions, est comprise entre 70 et 1200. En se reportant à la figure 5, on peut également définir l'angle de recouvrement 424 de l'aube 2 au niveau de la ceinture 4 comme étant l'angle entre un plan P224 passant par l'axe X-X' et par le point 224 et un plan P214 passant 25 par l'axe X-X' et par le point 214. De la même façon, on définit comme angle de recouvrement +23 de l'aube 2 au niveau du plafond 3 comme étant l'angle entre un plan P223 passant par l'axe X-X' et par le point 223 et un plan P213 passant par l'axe X-X' et 30 par le point 213. Pour optimiser l'écoulement de l'eau dans les conduits , la valeur de +24 est choisie inférieure à 250, alors que la valeur de 423 est choisie inférieure 37 . En outre, on peut définir une valeur moyenne de l'angle de recouvrement entre les bords d'attaque et de fuite de l'aube 2 sur la longueur de ces bords, en formant la moyenne de 25 valeurs d'angles 4 entre des plans P22 passant par l'axe X-X' et des 5 points successifs équi-répartis sur le bord de fuite 22 et des plans P21 passant par l'axe X-X' et des points successifs équi-répartis sur le bord d'attaque 21. En pratique, la valeur moyenne dom de cet angle est choisie inférieure à 310. Comme il ressort plus particulièrement de la figure 2, on peut diviser la ceinture 4 en trois bandes 42, 43 et 44 dont la hauteur unitaire h42, h43 et h44 est égale à un tiers de la hauteur totale h4 de la ceinture 4. En considérant la bande intermédiaire 43 de la ceinture 3, on peut définir 15 son diamètre intérieur minimum Dmin qui est en fait le diamètre minimum de la surface 41. On peut également définir le diamètre D224 de la surface 41 au niveau du point 224. En pratique, le rapport de Dmin/D224 est inférieur à 20 0,98, ce qui correspond au fait que le diamètre minimum est inférieur d'au moins 2% au diamètre D224- REVENDICATIONS 1. Roue de type Francis comprenant un plafond, une 5 ceinture et des aubes s'étendant entre ledit plafond et ladite ceinture, lesdites aubes définissant entre elles des conduits d'écoulement de liquide, caractérisée en ce que l'angle (P24) entre la vitesse linéaire (U, D224) de progression d'une desdites aubes (2) et la médiane (25, 10 A224) de ladite aube au niveau de son bord de fuite (22) a, au voisinage du point (224) d'attache de ladite aube sur ladite ceinture (4), une valeur comprise entre 20 et 250. 2. Roue selon la revendications 1, caractérisée en ce que, sur la longueur du bord de fuite (22) de ladite aube 15 (2), l'angle (P2) entre ladite vitesse linéaire (U, D2) et ladite médiane (25, A2) a une valeur maximale inférieure à 340. 3. Roue selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que, sur la longueur du bord de fuite 20 (22) de ladite aube (2), l'angle (P2) entre ladite vitesse linéaire (U, D2) et ladite médiane (25, A2) a une valeur moyenne comprise entre 20 et 300. 4. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, sur la longueur du bord d'attaque 25 (21) de ladite aube (2), l'angle (Pil) entre ladite vitesse linéaire (U, Di) et ladite médiane (25, A1) a une valeur moyenne comprise entre 70 et 120 . 5. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'angle (P14) entre ladite vitesse 30 linéaire (U, D214) et ladite médiane (25, A214) a, au voisinage du point (214) d'attache de ladite aube (2) sur ladite ceinture (4), une valeur comprise entre 70 et 120 . 6. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'angle de recouvrement entre le bord d'attaque (21) et le bord de fuite (22) de ladite aube (2) a, en vue selon une direction parallèle à 1' axe (X-X') de rotation de la roue (1): - au niveau de la ceinture (4), une valeur (+24) inférieure à 250 - au niveau du plafond (3), une valeur (+23) inférieure à 370 et - en moyenne, sur la longueur desdits bords d'attaque et de fuite, une valeur (+m) inférieure à 310. 7. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite ceinture (4) a une section 15 méridienne telle que son diamètre minimal (Dmin) sur le tiers central (43) de sa hauteur (h4) est inférieur d'au moins 2% par rapport au diamètre (D224) de ladite ceinture au niveau des points d'attache (224) des bords de fuite (22) desdites aubes (2) sur ladite ceinture. 8. Machine hydraulique de type Francis équipée d'une roue (1) selon l'une des revendications précédentes. 9. Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine apte à délivrer une puissance équivalente sous forte charge (P11FC), sous un 25 mètre de chute et avec un diamètre de sortie de roue de un mètre, exprimée en kilowatts, telle que son rapport avec la vitesse de rotation (N11) de ladite turbine dans les mêmes conditions, exprimée en tours par minute, a une valeur comprise entre 0,16 et 0,175.