Brevet FR2846056A1 — publié le 20040423

L'invention a trait à un injecteur d'alimentation pour une turbine Pelton et à une turbine Pelton équipée d'un tel injecteur. Les turbines Pelton sont classiquement utilisées pour 5 transformer l'énergie cinétique d'un fluide, telle que l'eau d'une chute, en énergie mécanique. Cette transformation s'effectue par la mise en rotation de la roue de la turbine sous l'effet d'un effort tangentiel *exercé sur des augets disposés à la périphérie d'une jante 10 par un jet d'eau sortant d'un ou plusieurs injecteurs répartis autour de la roue. Une telle turbine est connue, par exemple, de la demande internationale WO-A-99/49213. De façon générale, une turbine Pelton, équipée ou non de flasques conformes à l'enseignement technique de WO-A15 99/49213, est alimentée par des injecteurs I disposés autour de sa roue R, comme représenté à la figure 1 qui est un schéma d'implantation d'une turbine Pelton. On note J le jet issu de chaque injecteur et dirigé vers les augets A. On note par ailleurs D le diamètre de la roue R, c'est-à20 dire le diamètre nominal d'un cercle sur lequel vient tangenter l'axe du jet ou des jets lorsqu'il(s) impacte(nt) un auget dans sa partie médiane. Chaque jet J impacte successivement les augets A sur une zone Z globalement en forme de disque, ainsi que cela 25 ressort de la figure 2 qui est une coupe partielle à plus grande échelle selon la ligne II-II à la figure 1. Sur cette figure, on note X-X' l'axe de rotation de la roue R et d le diamètre de la zone Z sur l'auget A. On a pu déterminer que le rendement maximum i d'une 30 turbine Pelton en fonction du rapport d/D suit une courbe du type de celle représentée à la figure 3. En d'autres termes, plus le rapport d/D est élevé, moins le rendement obtenu est bon. Si l'on souhaite utiliser un débit d'injection suffisant pour transmettre un effort important à la roue R, il n'est pas possible de diminuer l'aire de la zone Z. Par ailleurs, une augmentation du diamètre D de la roue R 5 conduit à un renchérissement de la turbine et, éventuellement, à des problèmes de fabrication, de transport ou d'installation de la roue R. La présente invention vise donc à résoudre ces problèmes en permettant une optimisation du rendement d'une 10 turbine Pelton, sans augmentation trop importante du diamètre de la roue de cette turbine. Dans cet esprit, l'invention concerne un injecteur d'alimentation d'une turbine Pelton en eau sous pression, cet injecteur comprenant une aiguille mobile en translation 15 et une ouverture ménagée dans une paroi fixe d'un corps de cet injecteur, cette ouverture étant apte à être obturée par cette aiguille. Cet injecteur est caractérisé en ce que le bord amont de l'ouverture a, en projection axiale sur l'axe de translation de l'aiguille, une forme aplatie et 20 apte à conformer un jet d'eau issu de l'injecteur en un jet globalement aplati. Grâce à l'invention, la largeur, selon une direction radiale de la roue, du jet qui frappe un auget de turbine Pelton peut être réduit, alors que l'aire d'impact du jet 25 peut être conservée à une valeur sensiblement égale à l'aire de la zone Z considérée pour l'état de la technique, ce qui permet, à diamètre de roue constante, d'augmenter le rendement d'une turbine Pelton équipée d'un tel injecteur. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de 30 l'invention, cet injecteur incorpore une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - Le bord de l'ouverture peut conformer le jet en un jet globalement elliptique. Ceci permet d'obtenir un jet stable selon sa direction de propagation. En d'autres termes, la section du jet issue de l'ouverture de l'injecteur demeure sensiblement constante sur la longueur de son trajet jusqu'à un auget. - Le bord de l'ouverture a, en projection axiale, une 5 forme globalement elliptique. Une telle forme permet de conformer le jet avec une forme globalement elliptique. - L'ouverture peut être cylindrique, avec une base elliptique et une génératrice rectiligne globalement parallèle à l'axe de translation de l'aiguille. En 10 variante, l'ouverture peut être divergente à partir de son bord amont, ce qui permet au jet de " décoller " franchement de la surface intérieure de cette ouverture, en aval de son bord amont. - La face amont de la paroi dans laquelle est ménagée 15 l'ouverture est une surface réglée dans laquelle le bord de l'ouverture est défini par l'intersection de cette surface réglée avec une surface tronconique imaginaire centrée sur un axe de translation, alors que l'aiguille est axisymétrique. Grâce à cet aspect de l'invention, un appui 20 étanche de l'aiguille sur le bord de l'ouverture peut avoir lieu, alors que cette ouverture est à section elliptique. On obtient donc une fermeture étanche de l'injecteur en cas de besoin, sans avoir à contrôler en rotation l'aiguille qui est pourvue d'une surface tronconique d'appui sur le 25 bord, ce bord formant un siège pour cette aiguille. De façon avantageuse, la surface réglée précitée a pour trace, dans un plan transversal, une partie d'ellipse ou d'hyperbole. L'aiguille est a section globalement elliptique, 30 alors que la face amont de la paroi est globalement plane, le bord amont de cette ouverture formant un siège pour l'aiguille. L'invention concerne également une turbine Pelton équipée d'au moins un injecteur tel que précédemment décrit. Une telle turbine a un meilleur rendement que les turbines de l'état de la technique, sans que sa roue ait un diamètre trop important. Selon un aspect avantageux de l'invention, l'injecteur 5 est orienté de telle sorte que la plus grande dimension du jet issu de cet injecteur est globalement parallèle à l'axe de rotation de la roue. Ceci permet d'optimiser l'effort transmis par le jet aux augets. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 10 de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de deux modes de réalisation d'un injecteur de turbine Pelton et d'une turbine Pelton conformes à l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans 15 lesquels: - La figure 4 est une vue analogue à la figure 2 pour une turbine Pelton conforme l'invention; - La figure 5 est une vue en perspective avec arrachement partiel d'un injecteur conforme à l'invention 20 utilisé avec la turbine de la figure 4; - La figure 6 est une coupe selon la ligne VIVI à la figure 5; - La figure 7 est une coupe selon la ligne VIIVII à la figure 6 l'aiguille de l'injecteur étant omise 25 pour la clarté du dessin; - La figure 8 est une vue en perspective, avec arrachement partiel et par l'aval, de l'injecteur des figures 5 à 7 - La figure 9 est une coupe analogue à la figure 30 6 pour un injecteur conforme à un second mode de réalisation de l'invention et - La figure 10 est une coupe selon la ligne X-X à la figure 9, l'aiguille de l'injecteur étant omise pour la clarté du dessin. L'auget 1 représenté à la figure 4 est monté sur une jante 2 d'une roue de turbine Pelton tournant autour d'un axe X-X' et dont on note D le diamètre. Des injecteurs sont répartis autour de la roue équipée 5 des augets 1 selon la configuration de la figure 1 et sont pourvus d'une ouverture permettant de conformer un jet d'eau sous pression issu de chacun de ces injecteurs avec une forme aplatie, de telle sorte que la zone Z d'impact primaire de chaque jet sur un auget 1 est aplatie avec une 10 dimension d' selon une direction radiale Y-Y' de la roue, sensiblement plus petite que le diamètre d d'un jet classique, tel que représenté à la figure 2. En pratique, la zone Z représentée à la figure 4 a une aire analogue à celle de la figure 2 mais une forme d'ellipse dont le plus 15 grand axe A- A' est globalement parallèle à l'axe de rotation X-X' de la roue comprenant la jante 2 et les augets 1. La géométrie de la zone Z est obtenue grâce à un injecteur 10 représenté aux figures 5 à 8. Cet injecteur 20 comprend un corps 11 de forme globalement cylindrique à section circulaire à l'intérieur duquel est logé une aiguille 12 dont l'extrémité 13 comprend une section 14 en forme de tronçon de sphère et une section 15 de forme tronconique, le diamètre maximum de la section 15 étant 25 égal au diamètre de la section 14. Une ouverture 16 est ménagée dans la paroi de fond 17 du corps 11, cette ouverture 16 pouvant être obturée par l'extrémité 13 de l'aiguille 12. On note respectivement 17a la face amont de la paroi 30 17 et 17b sa face aval. L'ouverture 16 s'étend entre les faces 17a et 17b et est cylindrique, la génératrice de son bord étant rectiligne et parallèle à un axe B-B' central et de translation de l'aiguille 12. La face 17a de la paroi 17 est une surface réglée dont la trace dans le plan de la figure 6 est une partie d'une hyperbole dont la concavité est tournée vers l'amont. La face aval 17b de la paroi 17 est plane et perpendiculaire à l'axe B-B'. En vue selon une direction parallèle à l'axe B-B', c'est-à-dire en projection selon cet axe, le bord intérieur ou amont 16a de l'ouverture 16 est de forme elliptique, alors que l'ouverture 16 est à section constante puisque sa 10 génératrice est rectiligne et parallèle à cet axe. Le bord aval 16b de l'ouverture 16a a, en projection sur l'axe BB', la même géométrie que le bord amont 16a. Le bord amont 16a de l'ouverture 16 peut être qualifié de " bord intérieur " car il est situé à l'intérieur du 15 volume défini par le corps 11. Compte tenu de la géométrie de la face 17a et de la section elliptique de l'ouverture 16, le bord amont 16a de cette ouverture a une géométrie telle qu'il peut venir en appui linéique sur la surface tronconique de la section 15, 20 ce qui permet un appui étanche de l'aiguille 12 sur ce bord 16a qui forme ainsi un siège pour cette aiguille. En effet, le bord 16a peut être considéré comme l'intersection de la surface réglée 17a et d'un tronc de cône imaginaire centré sur l'axe B-B'. En d'autres termes, un choix approprié de la géométrie de la face 17a et de la section 15 permet d'obtenir une coupure nette dans l'injecteur 10, indépendamment de l'orientation de l'aiguille 12 autour de son axe de translation B-B'. L'invention permet donc d'utiliser une aiguille axisymétrique avec une ouverture 16 à section aplatie, ce qui évite d'avoir à commander l'aiguille 12 en rotation autour de l'axe B-B'. On a pu déterminer que le fait que le bord 16a a, en projection axiale selon l'axe B-B', une forme elliptique est avantageux sur le plan de la dynamique du jet issu de cette ouverture, ce jet étant représenté uniquement aux 5 figures 6 et 8 avec la référence 19. En effet, compte tenu des accélérations subies par l'eau au niveau de l'injecteur 10, l'eau peut être modélisée comme un fluide parfait, de telle sorte que l'équation de Laplace peut être considérée comme respectée en sortie de l'injecteur 10. Selon cette 10 équation (A = 0), l'écoulement, c'est-à- dire le jet 19, a un caractère elliptique qui peut être considéré comme stable sur le plan dimensionnel selon sa direction de progression qui est globalement confondue avec l'axe B-B'. En d'autres termes, le caractère elliptique de l'ouverture 15 16 assure au jet 19 une section sensiblement uniforme selon sa direction de progression le long de l'axe B-B', cette progression étant représentée par la flèche F19 à la figure 8. En particulier, on n'obtient pas ou on obtient peu de 20 dispersion du jet 19 entre le corps 11 de l'injecteur 10 et l'auget 1 représenté à la figure 4. Dans le second mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 9, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références 25 identiques augmentées de 100. L'injecteur 110 de ce mode de réalisation comprend un corps 111 et une aiguille 112 mobile selon un axe B-B' et à symétrie de révolution autour de cet axe. Une ouverture 116 est ménagée dans la paroi de fond 30 117 du corps 111, cette paroi étant définie entre une face amont 117a et une face aval 117b. Le bord amont ou intérieur 116 de l'ouverture 116 a, en projection selon l'axe de déplacement B-B' de l'aiguille 112, une forme elliptique. La face amont 117a de la paroi 117 a pour trace dans le plan de la figure 9 une partie d'ellipse dont la concavité est tournée vers l'aval. L'ouverture 116 comprend, à partir de son bord amont, une section cylindrique 116c, à base elliptique et à 5 génératrice rectiligne, puis une section 116d tronconique, centrée sur l'axe B-B' et divergente en direction du bord aval 116b de l'ouverture 116. Comme il ressort de la figure 9, le jet d'eau 119 a tendance à se décoller de la surface des zones 116c et 10 116d. La conformation du jet 119 est donc essentiellement due à la géométrie du bord 116a. L'aiguille 112 peut être identique à l'aiguille 12 du premier mode de réalisation et ne doit pas être pilotée en rotation autour de son axe de déplacement B-B'. Selon un mode de réalisation non représenté de l'invention, on peut prévoir que la paroi de fond du corps d'un injecteur est définie entre deux faces globalement planes et parallèles, une ouverture à section elliptique étant alors définie entre ces faces. Cette ouverture est 20 alors prévue pour coopérer avec une aiguille présentant une surface de portée définissant une zone elliptique d'appui contre le bord amont également elliptique de l'ouverture. Un tel mode de réalisation nécessite de guider l'aiguille en rotation autour de son axe longitudinal équivalent à 25 l'axe B-B' des modes de réalisation représentés. Quel que soit le mode de réalisation considéré, la géométrie de l'auget A destiné à recevoir un jet aplati peut être adaptée en vue d'améliorer le rendement de la turbine. En particulier, la largeur de l'auget A 30 parallèlement à l'axe X-X' peut être augmentée par rapport à sa dimension radiale, perpendiculaire à cet axe. REVENDICATIONS 1. Injecteur d'alimentation d'une turbine Pelton en eau sous pression, ledit injecteur comprenant une aiguille 5 mobile en translation et une ouverture ménagée dans une paroi fixe d'un corps dudit injecteur et apte à être obturée par ladite aiguille, caractérisé en ce que le bord amont (16a, 116a) de ladite ouverture a, en projection axiale sur un axe de translation (B-B') de ladite aiguille 10 (12; 112), une forme aplatie et apte à conformer un jet d'eau (19; 119) issu dudit injecteur en un jet globalement aplati (Z, d'). 2. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bord (16a; 116a) est apte à conformer ledit 15 jet (19; 119) en un jet globalement elliptique. 3. Injecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bord (16a; 116a) a, en projection axiale, une forme globalement elliptique. 4. Injecteur selon l'une des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que ladite ouverture (16) est cylindrique, avec une base elliptique et une génératrice rectiligne globalement parallèle à un axe (BB') de translation de ladite aiguille (12). 5. Injecteur selon l'une des revendications 1 à 3, 25 caractérisé en ce que ladite ouverture (116) est globalement divergente à partir dudit bord amont (llGa). 6. Injecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face amont (17a; 117a) de ladite paroi est une surface réglée dans laquelle 30 le bord (16a) de ladite ouverture (16; 116) est défini par l'intersection de ladite surface avec une surface tronconique imaginaire centrée sur un axe (B-B') de translation de ladite aiguille (12; 112). 7. Injecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite aiguille (12; 112) est pourvue d'une surface tronconique (15) d'appui sur ledit bord (la) qui forme un siège pour ladite aiguille. 8. Injecteur selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que ladite surface réglée (17a; 117a) a pour trace, dans un plan transversal (figures 6 et 9), une partie d'ellipse ou d'hyperbole. 9. Injecteur selon l'une des revendications 1 à 5, 10 caractérisé en ce que ladite aiguille est à section globalement elliptique, alors que la face amont de ladite paroi est globalement plane, le bord amont de ladite ouverture formant un siège pour ladite aiguille. 10. Turbine Pelton, caractérisée en ce qu'elle 15 comprend au moins un injecteur (10; 110) selon l'une des revendications précédentes. 11. Turbine selon la revendication 10, caractérisée en ce que ledit injecteur (10; 110) est orienté de telle sorte que la plus grande dimension (A-A') dudit jet (19, 20 119; Z) est globalement parallèle à l'axe de rotation (XX') de la roue (1, 2) de ladite turbine.