Brevet FR2839120A1 — publié le 20031031

place audit demarreur. L' invention a trait a un moyeu pour une machine hydraulique equipee de pales orientables. L' invention a egalement trait a une machine hydraulique comprenant un tel moyeu et a une installation de conversion d'energie incluant une telle machine. Dans le domaine de la conversion d'energie, notamment dans le domaine de la production d'energie electrique a partir d'une chute d'eau, il est connu d'utiliser une turbine a axe vertical ou horizontal dont les pales vent disposees sur le trajet d'ecoulement de l'eau pour entralner en rotation un appareil, tel qu'un alternateur. Une telle turbine, qui peut etre de type > ou > comprend une roue sur laquelle vent montees des pales qui peuvent etre orientables, autour d'un axe de rotation, afin d' adapter le rendement energetique de l' installation par rapport a l'ecoulement d'eau qui la traverse. Ceci permet de faire tourner le moyeu a une vitesse sensiblement constante, et de faire fonctionner un alternateur a vitesse et frequence de sortie stabilisees. Avec un moyeu classique, les differentes orientations possibles des pales par rapport au moyeu peuvent induire la creation d' interstices dans lesquels l'eau siecoule sans generer d'effort sur le moyeu, d'ou une diminution du rendement total de linstallation. En outre, des corps presents dans lieau et transitant autour de la turbine peuvent etre coinces ou dechiquetes dans de tels interstices. Pour combler ce type d' interstices crees par le phenomene dit de >, il est connu de WO-A ol/61185 d'equiper les pales d'une turbine Kaplan d'un voles dobturation dun tel interstice. Cependant, loreque le debit d'eau autour d'un tel moyeu atteint des valeurs relativement importantes, il se developpe des phenomenes de cavitation engendres par des accelerations locales du fluides et par des depressions localisees en aval dtinterstices ou d'irregularites de surface dans l'ecoulement d'eau. Ces phenomenes de cavitation tendent a diminuer le rendement et la puissance d'exploitation d'une turbine et ce, d'autant plus que le rayon du moyeu, qui a generalement une forme globalement spherique sur une partie de sa longueur, est petit. Des problemes analogues se posent avec d'autres types de machines hydrauliques et, notamment, des pompes de basse chute du type >. C'est a ces inconvenients quientend plus particulierement remedier l' invention en proposant un moyeu pour une machine hydraulique qui permet de diminuer sensiblement les phenomenes de cavitation, y compris sous fort debit, et sans augmentation notable des dimensions transversales de ce moyeu par rapport aux moyeux de l'etat de la technique. Dans cet esprit, l' invention concerne un moyeu pour une machine hydraul ique equipee de pal es orient abl es caracterise en ce que la surface externe de ce moyeu comporte des facettes, en nombre egal au nombre de pales, chaque facette etant generee par une rotation, sur 360 et autour de l'axe de rotation de la pale correspondante sur le moyeu, d'une courbe dont la concavite est tournee vers l'axe de rotation du moyeu, le centre de courbure de la facette, dans sa zone dintersection avec l'axe de rotation de la pale, etant situe, par rapport a cette facette, au- dela d'un axe de rotation du moyeu. Grace a l' invention, les differentes facettes prewes sur le moyeu ont des rayons de courbure suffisamment importants pour eviter ou limiter tres fortement les phenomenes de cavitation et de detalonnage. En particulier, les pales peuvent pivoter autour de leurs axes respectifs d' articulation sur le moyeu sans que ne soit crees d' interstices genants entre ces pales et le moyeu, ce qui evite, par exemple, le recours a des volets d'obturation. Ces differentes facettes peuvent etre integrees dans le moyeu sans augmenter de facon trop importante ses dimensions radiales, ce qui permet de conserver a la machine hydraulique comprenant un tel moyeu un encombrement satisfaisant, alors que le rayon de courbure de la surface externe du moyeu au voisinage des pales peut etre suffisamment important pour limiter fortement, voire supprimer, les phenomenes de cavitation. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de ['invention, ce moyeu incorpore une ou plusieurs des caracteristiques suivantes: - La courbe generant les facettes est un arc de cercle, les facettes etant ainsi formees par un troncon de sphere. - La courbe generant les facettes est un arc d'ellipse, de parabole ou d'hyperbole. - Le centre de courbure precise est situe radialement a l'exterieur du moyeu, a lioppose de la facette correspondante par rapport a l' axe de rotation du moyeu. - La surface externe du moyeu comporte des zones de transition dont les centres de courbure, selon des plans radiaux, vent situes sensiblement sur l' axe de rotation. - Les facettes vent globalement tangentes a une zone de revolution dans leurs parties les plus proches de cette zone. - La projection orthogonale, sur l'axe de rotation du moyeu du centre geometrique d'un troncon de sphere constituent une facette est situee en amont par rapport a la projection orthogonale, sur le meme axe, d'un point median de la facette pris a ml-distance entre son point extreme amont et son point extreme aval. Cet aspect de l' invention permet de disposer les facettes du moyeu de facon telle qu'elles convergent en direction de l'aval du moyeu. L'invention concerne egalement une machine hydraulique qui comprend une roue equipee d'un moyeu tel que precedemment decrit et sur lequel une pale est montee sensiblement au centre de chaque facette. Une telle machine a un rendement ameliore par rapport a celles de l'etat de la technique. Selon un aspect avantageux de ['invention, l'axe de rotation de chaque pale sur ce moyeu forme, du cote aval de la roue, un angle aigu avec l'axe de rotation de la roue. On peut en outre prevoir que le bord d'attaque de chaque pale est mobile dans un mouvement de pivotement angulaire d'amplitude superieure ou egale a 40 , autour de son axe d'articulation sur le moyeu, en regard de la facette sur laquelle est montee la pale. Ceci permet d'eviter l' apparition d'un interstice en fonction de langle d'inclinaison de la pale autour de son axe de rotation propre. L' invention concerne enfin une installation de conversion d'energie hydraulique en une energie mecanique ou electrique qui comprend une machine hydraulique telle que precedemment decrite. Une telle installation peut etre reglee de facon aisee, alors que les phenomenes de cavitation induits par liecoulement d'eau vent minimises ou supprimes. L' invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaltront plus clairement a la lumiere de la description qui va suivre d'un mode de realisation d'une installation de conversion denergie et d'une roue de turbine Kaplan conforme a son principe, donnee uniquement a titre d'exemple et faite en reference aux dessins annexes dans lesquels: i - La figure 1 est une representation schematique de principe d'une installation de production d'energie electrique incorporant une turbine Kaplan et conforme a l' invention; - La figure 2 est une representation schematique en perspective du moyeu de la turbine represente a la figure 1; - La figure 3 est une vue de c8te du moyeu de la figure 2; - La figure 4 est une coupe selon la ligne IV-IV a la figure 3, les elements internee du moyeu etant omis, et La figure 5 est une vue de cote de la turbine representee a la figure 1 dans differentes configurations. L' installation representee a la figure 1 comprend une turbine 1 de type Kaplan apte a tourner autour d'un axe Z Z' globalement vertical. La turbine 1 est disposee dans un conduit 2 d' ecoulement d' eau en provenance diune retenue amont. L'ecoulement est represente par les fleches E a la figure 1. Des directrices 3 vent prevues dans le conduit 2, en amont de la turbine 1 et permettent de regler en partie l'ecoulement E. La turbine 1 comprend un moyeu 4 et quatre pales 5, dont trots vent visibles a la figure 1. Le moyeu 4 est centre sur l'axe Z-Z' et contient des elements mecaniques de commande de l' orientation des pales autour de leurs axes respectifs de pivotement X5. On note 41 la surface externe du moyeu 4. Cette surface 41 comprend une partie 42 de revolution centree sur l'axe Z-Z. On note R42 le rayon de la partie 42. Cette partie 42 est en amont des pales 5. La partie 42 est reliee a une partie tronconique 43 a l'interieur de laquelle est dispose un arbre reliant la roue formee des elements 4 et 5 a un dispositif de conversion d'energie, tel qu'un alternateur. La surface 41 comprend egalement une partie terminale tronconique 44, disposee en aval du moyeu 4 et convergente vers l'aval, en direction de l'axe Z-Z'. Entre les parties 42 et 44, la surface 41 est inscrite dans une surface d'enveloppe S centree sur un axe Z-Z' et de forme oblongue selon la direction de l'axe Z-Z'. La surface S est a symetrie de revolution autour de l'axe Z-Z' et lion note R son rayon dans le plan de la figure 4. Ce rayon R est du meme ordre de grandeur que le rayon R42. La partie intermediaire 45 de la surface 41, definie entre les parties 42 et 44, forme quatre facettes 46 qui vent constituees par des troncons de sphere dont le rayon R46 a une valeur superieure a la distance entre ces facettes et l'axe Z-Z'. Chaque troncon de sphere est genere par la rotation, sur 360 et autour de l'axe X5 de la pale 5 correspondante, d'un arc de cercle 461 dont la concavite est tournee vers l'axe Z-Z'. On note C46 le centre geometrique d'une facette 46 qui est. en fait, le centre de courbure de la facette 46 dans sa zone centrale ou elle coupe l'axe X5. Comme il ressort plus particulierement de la figure 3, le centre C46 de chaque facette 46 est situe de l'autre cOte de l'axe Z-Z' par rapport a la facette consideree, ce qui correspond au fait que la valeur de R46 est tres superieure a celle de R a la figure 4. Compte tenu de la distance relativement importante entre les centres C46 et les facettes 46, ctest-a-dire de la valeur relativement importante des rayons R46, notamment par rapport a la valeur de R. les facettes 46 vent sensiblement plus planes que la surface S. En pratique, les centres C46 i des facettes 46 vent situes radialement a ltexterieur du moyeu 4. On definit un point A1 comme etant le point d'une facette 46 le plus proche de la zone 42. On definit un point A2 comme et ant un point de cette facette 46 le plus eloigne de la partie 41. On peut alors definir un point median A3 comme et ant pris sur la facette 46 a mi-dlstance entre les points A1 et A2. On note A'3 la projection orthogonale du point A3 sur l'axe Z-Z'. On note par ailleurs C'46 la projection orthogonale du centre geometrique C46 de la facette 46 consideree sur l'axe Z-Z'. Le point C'46 est situe sur l'axe Z-Z' en amont du point A'3, ce qui correspond au fait que la facette 46 est globalement convergente vers l'axe Z-Z' en allant vers l'aval. Par ailleurs, la facette 41 est affleurante a la surface 42 au niveau du point A1. Entre deux facettes 46, il est prevue une zone de transition 47 dans laquelle la surface 41 suit la surface d'enveloppe S. c'est-a-dire est centree sur l'axe Z-Z'. Chaque facette 46 est ainsi delimitee par un bord 48 dont la geometric apparalt plus clairement aux figures 2 et 3 et qui constitue l'arete de jonction entre la facette 46 et les zones de transition adjacentes 47. En variante, le bord 48 peut etre remplace par un conge de raccordement entre la facette 46 et la zone 47 adjacente, l'utilisation d'un conge permettant d'adoucir la transition entre ces deux entites geometriques. Comme il res sort plus part icul ierement des figures 1 et 5, les axes X5 d'articulation des pales 5 sur le moyeu 4 peuvent former du cote aval du moyeu, un angle a aigu, de l'ordre de 80 , avec l'axe Z-Z'. Les axes X5 traversent les facettes 46 au niveau de ou a proximite de leurs points medians respectifs A3, de sorte que chaque pale 5 peut tourner avec une amplitude de 40 À environ, autour de son axe X5, alors que son bord d'attaque 51 reste en regard d'une facette 46. Dans sa zone d/intersection avec une facette 46, un axe X5 est globalement perpendiculaire a cette facette. On note 52 la bride de fixation de la pale 5 par rapport au moyeu 4, cette bride etant cinematiquement commandee par les elements loges dans le moyeu 4. On peut conformer le bord radial interne de la pale interne 5, qui depasse de la bride 52, avec un rayon de courbure identique ou voisin du rayon R46, de telle sorte que, independamment de l' orientation angulaire de la pale 5 representee respectivement en traits pleins et en traits mixtes a la figure 5, aucun interstice supplementaire n'est cree entre la pale 5 et la face 46, entre le bord d'attaque 51 et la bride 52. A la figure 5, deux positions de la pale 5 on ete representees avec des angles d'inclinaison p1, p par rapport a l ' axe Z-Z' qui vent respectivement d' environ 20 et 40 . En pratique, l' invention permet de faire pivoter la pale 5 jusquia une valeur d'angle d'inclinaison de l'ordre de 40 en conservant le bord d'attaque 51 de la pale 5 en regard de la facette 46. La construction du moyeu 4 permet done de limiter les phenomene de cavitation et de creation d' interstices a proximite du bord d'attaque d'une pale tout en conservant un caractere reglable a la turbine qu'il equipe. L' invention a ete representee avec des facettes en forme de troncon de sphere, generees par la rotation d'un arc de cercle 461 autour diun axe X5. Wile est cependant applicable avec des facettes de geometries differentes, par exemple generees par la rotation dans les memes conditions d'un arc d' ellipse, de parabole ou d'hyperbole dont la concavite est tournee vers l'axe de rotation du moyeu. i L' invention a ete represented lows de son utilization avec une turbine de type Kaplan. Wile est cependant applicable a d'autres types de turbines et a des pompes de basse chute notamment de type >. L'invention a ete representee avec une turbine equipee de quatre pales mais s'applique quel que soit le nombre de pales, le nombre de facettes etant adapte au nombre de pales. J REVENDICATIONS 1. Moyeu (4) pour machine hydraulique (1) equipee de pales orientables (5) , caracterise en ce que la surface externe audit moyeu comporte des facettes (46), en nombre egal au nombre de pales, chaque facette etant generee par une rotation, sur 360 et autour de l'axe (X5) de rotation de la pale correspondante (5) sur ledit moyeu (4), d'une courbe (461) dont la concavite est tournee vers l'axe de rotation (Z-Z') audit moyeu, le centre de courbure (C46) de ladite facette (46), dans sa zone d' intersection avec l'axe de rotation (X5) de la pale (5), etant situe, par rapport a ladite facette, au-dela audit axe de rotation (Z-Z') audit moyeu. 2. Moyeu selon la revendication 1, caracterise en ce que ladite courbe est un arc de cercle (461), ladite facette (46) etant ainsi formee par un troncon de sphere. 3. Moyeu selon la revendication 1, caracterise en ce que ladite courbe est un arc d'ellipse, de parabole ou d' hyperbole. 4. Moyeu selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que ledit centre de courbure (C46) est situe radialement a l'exterieur audit moyeu (4), a l' oppose de ladite facette (46) par rapport audit axe de rotation (Z-Z'). 5. Moyeu selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que ladite surface externe (41) audit moyeu (4) comporte des zones de transition (47) dont les centres de courbure (C), selon des plans radiaux (figure 4), vent situes sensiblement sur ledit axe de rotation (Z z'). 6. Moyeu selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que lesdites facettes (46) vent globalement tangentes a une zone de revolution (42) dans leurs parties (A1) les plus proches de ladite zone. 7. Moyeu selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que la projection orthogonale (C'46) sur ledit axe de rotation (Z-Z') du centre geometrique (C46) d'un troncon de sphere constituent une facette (46) est situe en amont par rapport a la proection orthogonale (A'3) sur ledit axe d'un point median (A3) de ladite facette pris a ml-distance entre son point extreme amont (A1) et son point extreme aval (A2). 8. Machine hydraulique (1) comprenant une roue equipee d'un moyeu (4) selon l'une des revendications precedentes et sur lequel une pale (5) est montee sensiblement au centre (A3) de chaque facette (46). 9. Machine selon la revendication 8, caracterisee en ce que l'axe de rotation (X5) de chaque pale (5) sur ledit moyeu (4) forme, du cote aval de ladite roue, un angle (a) aigu avec l'axe de rotation (z-Zi) de ladite roue. 10. Machine selon l'une des revendications 8 ou 9, caracterisee en ce que le bord d'attaque (51) de chaque pale (5) est mobile dans un mouvement de pivotement angulaire d'amplitude superieure ou egale a 40 , autour de l'axe de rotation (X5) de ladite pale sur ledit moyeu, uniquement en regard de la facette (46) sur laquelle est montee ladite pale. 11. Installation de conversion d'energie hydraulique en energie mecanique ou electrique, caracterisee en ce qu'elle comprend une machine (1) selon l'une des revendications 8 a 10.