Brevet FR2845427A1 — publié le 20040409

L'invention a trait à une roue de type Francis et à une turbine 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 qui définissent entre elles des conduits d'écoulement d'eau. Dans le cas des turbines, la géométrie des aubes de ces roues est définie pour que l'écoulement de l'eau 10 induise un couple de rotation sur la roue. La puissance que peut délivrer une turbine équipée d'une telle roue dépend de sa géométrie, tout particulièrement de son diamètre, en liaison avec sa vitesse de rotation. Dans certaines configurations d'une machine hydraulique Francis, le diamètre de la roue est imposé, notamment en cas de réhabilitation d'une installation o le diamètre ne peut pas être modifié sans d'importants travaux de génie civil. Dans le cas d'une turbine Francis classique, 20 représentée partiellement en vue de dessus et avec arrachement partiel à la figure 1, la vitesse V d'injection de l'eau se décompose en une vitesse linéaire U du bord d'attaque B d'une aube A de turbine et une vitesse relative W du jet d'eau par rapport à l'aube A. Dans ces conditions, 25 il est habituel de concevoir une roue de turbine Francis pour que la fibre moyenne M de chaque aube soit orientée selon une droite A faisant un angle aL inférieur à 900 par rapport à la vitesse linéaire d'avance U de son bord d'attaque B. Cependant, notamment en cas de réhabilitation, les conditions d'utilisation de la turbine peuvent être modifiées, notamment par diminution de la vitesse de rotation et/ou augmentation de la hauteur de chute, auquel cas l'orientation du bord d'attaque des aubes n'est plus compatible avec l'angle d'incidence du jet d'eau. Dans ce cas, il se crée des tourbillons et/ou des phénomènes de cavitation à proximité des surfaces intrados et extrados des aubes, ce qui diminue le rendement de la machine hydraulique et favorise les phénomènes d'usure. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une nouvelle roue Francis pouvant fonctionner de façon satisfaisante dans les nouvelles conditions d'utilisation 10 définies. 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 15 liquide. Cette roue est caractérisée en ce que le rapport de l'épaisseur maximum de chaque aube sur la longueur développée moyenne de sa fibre moyenne est compris entre 0,1 et 0,2 alors que, au niveau du bord d'attaque de cette aube, la fibre moyenne est orientée, sur sensiblement toute 20 la hauteur du bord d'attaque, selon une droite faisant un angle (a) supérieur à 900 par rapport à la vitesse linéaire d'avance du bord d'attaque de l'aube. Grâce à l'invention, la combinaison de l'orientation particulière du bord d'attaque et de l'épaisseur maximum de 25 l'aube permet un fonctionnement sans création de tourbillons ou phénomènes de cavitation gênants. Selon d'autres aspects avantageux de l'invention, cette roue incorpore une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - Le rapport précité est supérieur à 0,13 et, de préférence, supérieur à 0,15. - L'angle moyen entre la vitesse linéaire de progression d'une aube au niveau de son bord d'attaque et la fibre moyenne de cette aube au niveau de ce bord est compris entre 1100 et 1400. - Chaque aube est formée d'une peau constituant ses faces latérales et définissant un volume interne creux 5 de l'aube. Une telle structure permet d'envisager la création d'aubes relativement épaisses sans que leur masse ne soit trop importante et sans que leur prix de revient en matière ne soit trop élevé. Dans ce cas, la peau peut être métallique ou réalisée en matière composite. On peut 10 également prévoir que la peau est formée par assemblage de deux plaques constituant respectivement l'intrados et l'extrados de l'aube. Selon un aspect avantageux, le volume interne de l'aube peut être garni d'un matériau de remplissage. L'invention concerne également une turbine hydraulique de type Francis qui comprend une roue telle que précédemment décrite. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la 20 description qui va suivre d'un mode de réalisation d'une roue de turbine Francis conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 2 est une vue, en perspective et avec 25 arrachement partiel, d'une roue de turbine Francis conforme à l'invention; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 pour la turbine de la figure 2 et - la figure 4 est une coupe transversale de 30 principe, à plus grande échelle, d'une aube de la roue des figures 2 et 3. La roue 1 représentée aux figures 2 à 4 comprend des aubes 2 identiques et réparties autour d'un axe central XXI de rotation de la roue 1. Un plafond 3 est prévu en partie supérieure de la roue 1, alors qu'une ceinture 4 borde la partie inférieure, radiale et externe des aubes 2. Un conduit d'écoulement 5 est ainsi défini entre chaque paire de deux aubes 2 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 définit la fibre moyenne 23 de l'aube 2 comme étant, dans chaque plan transversal de cette aube, une courbe située à égale distance de la face d'intrados 24 10 et de la face d'extrados 25 de l'aube 2. On note L la longueur moyenne de cette fibre 23, cette moyenne étant prise comme égale à la demi-somme de la longueur de la fibre moyenne d'une aube 2 au niveau du plafond 3 et au niveau de la ceinture 4. On note e l'épaisseur maximum de l'aube 2. La géométrie de l'aube 2 est choisie de telle sorte que le rapport e/L est compris entre 0,1 et 0,2, c'est-àdire que e représente entre 10 et 20% de L. Des essais concluants ont été conduits avec des 20 valeurs de e/L comprises entre 0,13 et 0,18. En particulier, une roue avec un rapport e/L égal à environ 0,16 fonctionne de façon très satisfaisante. En outre, la géométrie de l'aube 2 est telle que, au voisinage du bord d'attaque 21, la fibre neutre 23 s'étend 25 selon une droite A23 faisant un angle a supérieur à 900 par rapport à la vitesse linéaire d'avance U du bord d'attaque 21. L'angle a a une valeur moyenne sur la hauteur du bord 21 comprise entre 1100 et 1400, avec de préférence une 30 valeur maximum inférieure à 1500. La configuration représentée à la figure 2 est celle qui prévaut sur l'essentiel de la hauteur du bord d'attaque 21 entre son point d'attache sur le plafond 3 et son point d'attache 214 sur la ceinture 4. En d'autres termes, au niveau du bord d'attaque 21, la fibre moyenne 23 orientée du bord de fuite 22 vers le bord d'attaque 21 se prolonge dans la direction de la droite A23 qui, par rapport à un rayon R21 de la roue 1 passant par le 5 bord d'attaque 21, est opposée à la vitesse linéaire U de progression du bord 21. A la figure 3, on passe donc du rayon R21 à la droite A23 par une rotation R dans le sens trigonométrique inverse. Si la roue tourne en sens inverse, c'est-à-dire dans le sens trigonométrique inverse, la 10 répartition géométrique mentionnée ci-dessus est inversée. Ainsi, avec une vitesse incidente V du jet d'eau analogue à celle envisagée pour la turbine de l'art antérieur et alors que ce jet est orienté selon la même direction, on peut obtenir, avec une vitesse linéaire U du bord 21 15 relativement faible, une direction d'incidence du jet d'eau sur le bord d'attaque 21 alignée avec la droite A23, comme figuré par la flèche W qui représente, à la figure 3, la vitesse du jet incident dans le référentiel du bord d'attaque. L'épaisseur e relativement importante de l'aube 2 est telle que, sur sa face d'intrados 24, il existe peu de risque de création de tourbillons. Comme représenté à la figure 4, et compte tenu de son épaisseur e relativement importante, une aube 2 est 25 réalisée avec une peau 26 métallique entourant un volume creux V2, ce qui permet un gain de poids et de matière appréciable par rapport au cas o l'aube 2 serait prévue mono-bloc et pleine. La peau 26 est formée par soudage de deux plaques de tôle 26, et 262 au niveau de deux zones de 30 soudage 271 et 272En variante, des plaques de matière composite, comprenant une résine organique chargée en fibres de renfort, peuvent être utilisées pour constituer la peau 26. Afin de conférer une bonne stabilité dimensionnelle à l'aube 2, le volume V2 peut être rempli d'une masse 28 de matériau de remplissage, par exemple de mousse de matière plastique. 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 le rapport (e/L) de l'épaisseur maximum (e) de chaque aube sur la longueur développée moyenne (L) de sa fibre moyenne (23) 10 est compris entre 0,1 et 0,2 et en ce que, au niveau du bord d'attaque (21) de chaque aube, ladite fibre moyenne est orienté, sur sensiblement toute la hauteur dudit bord d'attaque, selon une droite (A23) faisant un angle (a) supérieur à 900 par rapport à la vitesse linéaire (U) d'avance dudit bord d'attaque. 2. Roue selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit rapport (e/L) est supérieur à 0,13, de préférence à 0,15. 3. Roue selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisée en ce que l'angle moyen (a) entre la vitesse linéaire (U) de progression d'une aube (2) au niveau de son bord d'attaque (21) et la fibre moyenne (23) de ladite aube au niveau dudit bord d'attaque est compris entre 1100 et 1400. 4. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque aube (2) est formée d'une peau (26) constituant les deux faces latérales (24, 25) de ladite aube et définissant un volume interne creux (V2) de ladite aube. 5. Roue selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite peau (26) est métallique. 6. Roue selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite peau (26) est réalisée en matière composite. 7. Roue selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que ladite peau (26) est formée par assemblage (271, 272) de deux plaques (261, 262) constituant respectivement l'intrados (24) et l'extrados (25) de ladite aube (2). 8. Roue selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que ledit volume (V2) est garni d'un matériau de remplissage (28). 9. Turbine hydraulique de type Francis équipée d'une 10 roue (1) selon l'une des revendications précédentes.