Brevet FR2919442A1 — publié le 20090130

DEMANDE DE BREVET B07-0651 FR - JT/PG Société en Nom Collectif dite : GE ENERGY PRODUCTS FRANCE SNC Volant d'inertie à lancement progressif. Invention de : Daniel LIVERNAIS 2 Volant d'inertie à lancement progressif. La présente invention concerne le domaine des dispositifs aptes à assurer une continuité de l'entraînement en rotation d'un arbre de transmission lors d'une coupure momentanée de l'alimentation électrique d'un moteur d'entraînement dudit arbre. Une application particulièrement intéressante de l'invention concerne l'entraînement en rotation d'une pompe d'alimentation en fioul pour turbine à combustion. Généralement, dans une installation industrielle, les auxiliaires d'une turbine à combustion sont alimentés électriquement par deux sources électriques différentes pour ne pas présenter de cause commune de défaillance. Pour des raisons de fiabilité, ces deux sources n'alimentent pas simultanément les auxiliaires afin de ne pas transmettre d'éventuels défauts d'une source à l'autre source, par exemple une chute de tension due à une surcharge ou un court-circuit. Le passage d'une source d'alimentation à l'autre s'effectue donc avec une coupure momentanée de la tension d'alimentation. Ce passage d'une source d'alimentation à l'autre est réalisé de façon automatique lors de la détection d'un défaut sur la source en service, ou encore par décision de l'opérateur, par exemple pour des raisons d'exploitation ou d'entretien. De tels transferts effectués sans précautions particulières peuvent être particulièrement perturbants pour le fonctionnement des turbines à combustion. En effet, il est nécessaire d'assurer la continuité de l'alimentation en fioul haute pression pour ne pas risquer un déclenchement par perte de flammes et ne pas affecter la production d'énergie électrique. Dans certains pays, les conditions de 3 raccordement au réseau électrique ( Grid Code en langue anglaise) imposent que la turbine à combustion puisse être capable d'accepter une coupure de 1,5 secondes. Ceci est par exemple le cas aux Pays-Bas. Pour satisfaire à ces exigences, l'utilisation d'un accumulateur pneumatique comportant un ballon dont le volume est séparé par une membrane élastique avec d'un coté le fioul haute pression d'alimentation et de l'autre un gaz neutre sous pression peut être envisagée. Cette solution fonctionne bien pour l'alimentation fioul basse pression. Toutefois, l'accumulateur interfère d'une manière inacceptable avec la régulation combustible de la turbine du coté haute pression à cause de l'allongement des constantes de temps qu'il provoque. La turbine est alors incapable de faire face à des variations de charge rapides par exemple lors de l'ouverture d'un disjoncteur ou sur un réseau iloté, l'adaptation du débit de fioul ne pouvant pas suivre fidèlement les variations de puissance. Par ailleurs, le débit de remplissage du ballon lors du démarrage, ou lors de la reconstitution de l'accumulation après un transfert de sources ou un changement brutal du régime de charge de la turbine est prélevé sur la capacité de la pompe. Ceci affecte la faculté de la pompe à produire le débit nécessaire au bon fonctionnement de la turbine. I1 s'ensuit une prolongation dans le temps du régime transitoire lors d'un transfert ou autres perturbations. De façon similaire, il a déjà été envisagé le montage d'un accumulateur mécanique du type comportant un ensemble cylindre et piston qui délimite une première chambre à l'intérieur de laquelle se trouve le fioul haute pression d'alimentation de la turbine et une seconde chambre emplie d'un fluide de commande. 4 En fonctionnement, le piston est complètement repoussé par la pression du fioul. En fonctionnement normal, ce dispositif est neutre car le piston est en butée lorsque le stockage est terminé, et ne présente donc pas d'interférence avec la régulation combustible comme les accumulateurs pneumatiques. Lors d'une coupure momentanée de la tension d'alimentation, le fluide de commande présent dans l'accumulateur provoque le déplacement du piston, ce qui permet de restituer à la turbine une quantité de fioul préalablement stockée et ainsi palier la perte de débit de la pompe. Cette solution a pour inconvénient majeur de ne pas être adaptée pour des installations industrielles pour lesquelles la pression du fioul varie en permanence pour s'adapter aux conditions d'exploitation. En effet, l'accumulateur mécanique ne restitue le fioul d'alimentation qu'à la pression à laquelle il a été stocké, ce qui ne correspond qu'à une condition particulière d'exploitation. Dès lors, quand intervient une coupure momentanée d'électricité, il se produit une variation de charge d'autant plus importante que les conditions d'exploitation au moment de l'interruption sont éloignées des conditions de fonctionnement lors du stockage. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités liés au stockage du fioul. Plus particulièrement, l'invention a pour but de prévoir un dispositif qui permet un entraînement en rotation d'une pompe d'alimentation afin d'assurer la continuité de l'alimentation en fluide haute pression d'une turbine à combustion, lors d'une interruption momentanée de courant électrique, et ce, de manière particulièrement rapide, efficace, économique et dans un encombrement réduit. La présente invention a également pour but de prévoir un dispositif n'augmentant pas le temps nécessaire au démarrage de l'ensemble moteur-pompe. Cette faculté est en effet nécessaire pour garantir une reprise en secours rapide et efficace par la pompe en réserve lors de la défaillance de l'une des pompes en service. La présente invention a encore pour but de prévoir un dispositif 5 n'interférant pas hydrauliquement avec les fluides destinés à l'alimentation de la turbine pour ne pas rallonger les constantes de temps des boucles de régulation. Selon un premier aspect, l'invention a pour objet un dispositif d'entraînement en rotation d'un moteur. Le dispositif comprend un volant d'inertie, une roue libre apte à assurer un embrayage unidirectionnel automatique sur inversion de couple entre le volant d'inertie et un arbre du moteur, et un moyen d'entraînement en rotation du volant d'inertie. Avec un tel dispositif, il devient dès lors possible d'obtenir l'entraînement en rotation de l'arbre de transmission du moteur de manière particulièrement simple, efficace et économique, lors de l'arrêt momentané dudit moteur en lui substituant l'énergie cinétique du volant d'inertie. En effet, lors d'une coupure momentanée de l'alimentation électrique du moteur, la roue libre permet de coupler temporairement le volant d'inertie et l'arbre du moteur, et ce de manière automatique, de façon à obtenir une continuité dans l'entraînement en rotation. Ensuite, lorsque le moteur d'entraînement est de nouveau alimenté électriquement, le volant d'inertie est désaccouplé de l'arbre de transmission, ce qui ne pénalise pas le temps de redémarrage du moteur. L'utilisation d'une roue libre montée entre le volant d'inertie et l'arbre de transmission permet ainsi d'obtenir, lors du passage d'une source d'alimentation à une autre, un état transitoire de 6 fonctionnement particulièrement court, ce qui assure la continuité de l'alimentation en fluide de la turbine à combustion. En outre, avec la roue libre et le moyen d'entraînement en rotation du volant d'inertie, il n'est pas nécessaire de surdimensionner le moteur pour permettre un entraînement en rotation de l'arbre et du volant d'inertie. L'inertie du volant est choisie pour ne produire qu'une faible variation de vitesse de l'arbre de transmission, par exemple de 10 à 15% lors du temps nécessaire au transfert de source. La faible variation de pression du fluide haute pression ne conduira pas à une variation de charge sensible, étant donné que cette variation est suffisamment faible et lente pour être pratiquement compensée par la réaction de la régulation combustible turbine. Avantageusement, le moyen d'entraînement en rotation est apte à transmettre un couple ajustable d'entraînement au volant d'inertie, assurant une mise en rotation progressive de celui-ci. Ainsi, on étale dans le temps l'accumulation d'énergie cinétique au sein du volant en vue d'une restitution ultérieure lors d'une coupure électrique. Le couple est fourni à partir de l'arbre de transmission du moteur et est ajusté pour ne pas surcharger le moteur de manière excessive. Le moyen d'entraînement ou de mise en vitesse du volant forme un moyen de couplage de l'arbre de transmission avec le volant d'inertie apte à transmettre un couple d'entraînement limité et ajustable pour assurer une mise en vitesse progressive. Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un arbre primaire creux pour le montage du dispositif sur l'arbre de transmission. L'arbre primaire creux forme ainsi un manchon d'adaptation du dispositif sur ledit arbre. 7 Avantageusement, le dispositif comprend encore un arbre secondaire entourant radialement l'arbre primaire creux et sur lequel est monté le volant d'inertie. La roue libre peut être montée radialement entre l'arbre primaire creux et l'arbre secondaire. Préférentiellement, le volant d'inertie comprend un moyeu, une jante, et un voile de raccordement reliant le moyeu à la jante. Avantageusement, le voile comprend des ailettes aptes à générer un flux d'air lors de la rotation du volant d'inertie pouvant assurer la ventilation du moteur lorsque le dispositif se monte à la place du ventilateur dudit moteur. Selon un second aspect, l'invention concerne également une pompe d'alimentation en fluide comprenant un moteur, un arbre de transmission et un dispositif d'entraînement en rotation dudit arbre pourvu d'un volant d'inertie, d'une roue libre apte à assurer un embrayage unidirectionnel entre le volant d'inertie et l'arbre de transmission, et d'un moyen d'entraînement en rotation du volant d'inertie. Selon un dernier aspect, l'invention concerne enfin un procédé d'entraînement en rotation d'un moteur d'entraînement. Dans le procédé selon l'invention, on assure un embrayage unidirectionnel automatique sur inversion de couple entre un volant d'inertie et le moteur, on entraîne progressivement le volant d'inertie lorsque la vitesse de rotation du moteur d'entraînement est supérieure à la vitesse du volant d'inertie, et on entraîne en rotation le moteur par l'intermédiaire du volant d'inertie lors d'une défaillance de celui-ci. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation particulier pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par le dessin annexé représentant schématiquement en coupe un dispositif d'entraînement selon la présente invention. 8 Sur la figure, on a représenté l'architecture générale d'un dispositif selon l'invention, désigné par la référence numérique générale 10, et prévu pour l'entraînement en rotation d'un arbre 12 de transmission, d'axe 14 supposé horizontal, d'un moteur 15. L'arbre 12 est en saillie axiale de part et d'autre du corps du moteur 15. Plus précisément, le dispositif 10 est prévu pour permettre l'entraînement de l'arbre 12 de transmission, lors d'une défaillance momentanée dans l'alimentation électrique du moteur 15. Le moteur 15 est destiné à l'entraînement d'une pompe d'alimentation en fluide (non représentée). L'accouplement de cette pompe s'effectue à une extrémité axiale de l'arbre 12 opposée à celle sur laquelle est monté le dispositif 10, en considérant le moteur 15. Le dispositif 10 est particulièrement adapté pour l'entraînement en rotation d'une pompe à alimentation en fioul d'une turbine à combustion destinée à la production d'énergie électrique, ou à l'entraînement mécanique de compresseurs. Toutefois, on conçoit aisément qu'il pourrait être également envisageable d'utiliser le dispositif 10 pour l'entraînement en rotation d'autres éléments mécaniques. Le dispositif 10 comprend principalement un volant d'inertie 16, une roue libre 18 disposée entre ledit volant et l'arbre 12, et un moyen d'entraînement 20 en rotation du volant d'inertie 16. Comme cela sera décrit plus en détail par la suite, la roue libre 18 permet d'assurer un embrayage unidirectionnel entre le volant d'inertie 16 et l'arbre de transmission 12. Pour permettre son montage sur l'arbre de transmission 12, le dispositif 10 comprend un arbre primaire 22 creux coaxial à l'axe 14. Cet arbre primaire 22 permet d'assurer la liaison entre l'arbre de transmission 12 et le moyen d'entraînement 20. A cet effet, l'arbre 9 primaire 22 s'adapte d'un côté au diamètre de l'arbre de transmission 12 par son alésage 24 intérieur, et de l'autre côté au moyen d'entraînement 20 par une portion 26 de diamètre réduit. L'arbre primaire 22 creux peut être couplé à l'arbre de transmission 12, par tout moyen approprié, par exemple une clavette. Le dispositif 10 comprend également un arbre secondaire 30 pour le montage du volant d'inertie 16. L'arbre secondaire 30 se présente sous la forme d'un arbre creux coaxial à l'axe 14 entourant radialement l'arbre primaire 22. L'arbre secondaire 30 est relié d'un côté au moyen d'entraînement 20. Pour permettre une rotation unidirectionnelle de l'arbre secondaire 30 et de l'arbre primaire 22, le dispositif 10 comprend un roulement 38, coaxial avec l'axe 14, et la roue libre 18 disposés radialement entre l'arbre primaire 22 et l'arbre secondaire 30. Le roulement 38, ici représenté schématiquement, est du type conventionnel et monté axialement entre la roue libre 18 et le moteur 15. La roue libre 18 est montée axialement au voisinage du roulement 38. La roue libre 18 est représentée de manière schématique sur la figure. Elle comprend une pluralité d'éléments de coincement ou cames disposées entre les arbres 22 et 30, et une cage annulaire pour le maintien des cames. Les cames sont conformées pour avoir tendance à se coucher dans un sens du couple transmis et à s'arc-bouter entre les arbres 22 et 30 dans l'autre sens. En d'autres termes, les cames sont configurées pour permettre, lors de la rotation de la roue libre 18, un fonctionnement dans un mode débrayé dans lequel aucun couple n'est transmis entre le volant d'inertie 16 et l'arbre de transmission 12. Dans ces conditions de 10 fonctionnement, les arbres 22 et 30 forment des chemins de roulement pour les cames de la roue libre 18. Un anneau de retenue axiale 40 de type circlips est monté dans l'alésage 32 de l'arbre creux 30 de manière à assurer la retenue axiale de la roue libre 18 et du roulement 38 à l'intérieur de l'espace radial ménagé entre l'arbre primaire 22 et l'arbre secondaire 30. Le volant d'inertie 16 comporte quant à lui un moyeu 42, une jante 44 périphérique annulaire, et un voile de raccordement 46 reliant le moyeu à la jante. Le moyeu 42 est couplé sur la surface extérieure de l'arbre primaire 30, par tout moyen approprié, ici une clavette 48. Le moyeu 42 présente une forme annulaire centrée sur l'axe 14. Le voile de raccordement 46 entre le moyeu 42 et la jante 44 permet d'assurer la transmission d'un couple d'entraînement en rotation du volant dans un sens, et d'un couple d'inertie transmis par la jante 44 dans un sens opposé, ladite jante fournissant la majorité de l'inertie du volant 16. Le voile de raccordement 46 comprend des ailettes 50 représentées schématiquement ou est constitué par ces ailettes, pour créer un flux d'air se dirigeant en direction du moteur 15 et assurer sa ventilation. Le volant d'inertie 16, et plus particulièrement le voile de raccordement 46 forme ainsi moyen de génération d'un flux d'air illustré par les flèches 52 et 54 qui permet au volant d'inertie 16 de se substituer au ventilateur d'origine du moteur 15, le dispositif 10 s'installant à sa place. Le moyen d'entraînement 20 du volant d'inertie est monté en porte à faux sur les arbres primaire et secondaire 22, 30. Le moyen d'entraînement 20 est adapté pour transmettre un couple d'entraînement limité au volant d'inertie 16 afin d'assurer sa mise en vitesse progressive, à partir d'un couple moteur prélevé sur l'arbre de 11 transmission 12. Cette transmission de couple s'effectue par l'intermédiaire de l'arbre primaire 22 puis de l'arbre secondaire 30 qui sont reliés au moyen d'entraînement 20. Ledit moyen d'entraînement 20 (représenté ici schématiquement) peut par exemple être un coupleur à huile, ou encore un embrayage glissant du type mécanique ou électrique. Le mode de fonctionnement du dispositif 10 est le suivant. Lors d'un démarrage du moteur 15 d'entraînement, l'arbre de transmission 12 et l'arbre primaire 22 sont entraînés en rotation. L'arbre secondaire 30 reste quant à lui à l'arrêt grâce à la présence de la roue libre 18 fonctionnant en mode débrayé. Une fois que l'arbre de transmission 12 a atteint sa vitesse de rotation, le moyen d'entraînement 20 transmet alors un couple limité prélevé sur le moteur 15 à l'arbre secondaire 30 de manière à permettre un entraînement progressif en rotation du volant d'inertie 16 jusqu'à atteindre sensiblement la vitesse de rotation dudit moteur. Ainsi, le temps de démarrage du moteur 15 n'est pas affecté par la mise en rotation du volant d'inertie 16 puisqu'elle s'effectue après le démarrage du moteur. Le lancement progressif du volant d'inertie 16 ne nécessite qu'un couple limité et faible devant la capacité du moteur, ce qui évite son surdimensionnement ou sa surcharge momentanée. Lors d'une coupure momentanée de l'alimentation électrique du moteur 15, le couple électrique disparaît et le couple résistant de la pompe tend à faire ralentir l'arbre de transmission 12. Les cames ont alors tendance à basculer automatiquement dans le sens favorisant leur blocage entre les chemins des arbres 22, 30, ce qui provoque leur blocage par arc-boutement. La roue libre 18 fonctionne alors en prise de couple ou embrayée et transmet un couple d'entraînement entre le 12 volant d'inertie 16 et l'arbre de transmission 12. On obtient ainsi un entraînement en rotation dudit arbre 12 par restitution de l'énergie cinétique accumulée par le volant d'inertie 16 en remplacement de l'énergie électrique disparue. Bien entendu, on conçoit aisément que l'inertie du volant 16 est notamment déterminée en fonction de la puissance de l'organe à entraîner, de la réduction de vitesse acceptable par celui-ci, et du temps de coupure électrique lors d'un transfert d'une source d'alimentation vers une autre source d'alimentation électrique. Une fois le basculement d'une source d'alimentation à l'autre effectué, le moteur 15 est de nouveau alimenté en courant, ce qui provoque une réaccélération de l'arbre de transmission 12 et un déblocage des cames de la roue libre 18. La roue libre 18 fonctionne alors de nouveau en mode débrayé. De façon similaire au lancement, le moyen d'entraînement 20 va remettre en vitesse ou rotation le volant d'inertie 16 pour pouvoir palier à nouveau une coupure électrique. Grâce à l'invention, on dispose ainsi d'un dispositif d'entraînement pouvant palier de manière efficace, économique, et dans un encombrement axial et radial réduit, une défaillance momentanée d'une source d'alimentation électrique en vue d'assurer une période transitoire d'entraînement en rotation. Bien que dans le mode de réalisation illustré l'arbre secondaire 30 et le volant d'inertie 16 sont deux pièces distinctes, on conçoit aisément qu'il est également possible sans sortir du cadre de l'invention de prévoir un dispositif dans lequel le volant d'inertie 16 et l'arbre 30 soient réalisés de façon monobloc. REVENDICATIONS 1-Dispositif d'entraînement en rotation d'un moteur (15), caractérisé en ce qu'il comprend un volant d'inertie (16), une roue libre (18) apte à assurer un embrayage unidirectionnel automatique sur inversion de couple entre le volant d'inertie et un arbre (12) du moteur (15), et un moyen d'entraînement (20) en rotation du volant d'inertie. 2-Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le moyen d'entraînement (20) en rotation est apte à assurer une mise en rotation progressive du volant d'inertie. 3-Dispositif selon la revendication 2, dans lequel moyen d'entraînement (20) en rotation est apte à transmettre un couple ajustable à partir d'un couple de l'arbre (12). 4-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un arbre primaire (22) creux pour le montage du dispositif sur l'arbre (12). 5-Dispositif selon la revendication 4, comprenant en outre un arbre secondaire (30) entourant radialement l'arbre primaire (22) creux et sur lequel est monté le volant d'inertie (16). 6-Dispositif selon la revendication 5, dans lequel la roue libre (18) est montée radialement entre l'arbre primaire (22) creux et l'arbre secondaire (30). 7-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le volant d'inertie (16) comprend un moyeu (42), une jante (44) et un voile de raccordement (46) reliant le moyeu à la jante. 8-Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le voile de raccordement (46) comprend des ailettes (50) aptes à générer un flux d'air lors de la rotation du volant d'inertie. 14 9-Utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans une turbine à combustion pour l'entraînement en rotation d'une pompe d'alimentation en fioul. 10-Pompe d'alimentation en fluide comprenant un moteur, un arbre de transmission et un dispositif d'entraînement en rotation dudit arbre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 11-Procédé d'entraînement en rotation d'un moteur, caractérisé en ce qu'on assure un embrayage unidirectionnel automatique sur inversion de couple entre un volant d'inertie et le moteur, on entraîne progressivement le volant d'inertie lorsque la vitesse de rotation du moteur est supérieure à la vitesse du volant d'inertie, et on entraîne en rotation le moteur par l'intermédiaire du volant d'inertie lors d'une défaillance dudit moteur.