Brevet FR2922967A1 — publié le 20090501

ROUE DE TURBINE PELTON, SON PROCEDE DE FABRICATION ET TURBINE PELTON EQUIPEE D'UNE TELLE ROUE L'invention a trait à une roue destinée à équiper une turbine de type Pelton utilisée dans une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique. L'invention concerne également une turbine équipée d'une telle roue et un procédé de fabrication d'une telle roue. Dans le cas d'une installation hydro-électrique, une turbine Pelton est associée à un générateur afin de produire du courant électrique. Une roue de turbine Pelton monobloc est un objet volumineux qui est délicat à usiner et à transporter. Il est connu, par exemple de WO-A-99/49213, de fabriquer une roue de turbine Pelton à partir d'une jante sur laquelle sont montés des augets individuels, au moyen de boulons, alors que des flasques de reprise d'effort sont disposés autour des augets. Ce type de matériel donne satisfaction dans de nombreux cas d'utilisation. L'invention vise à proposer une solution alternative dans laquelle des augets indépendants sont utilisés dans une roue de turbine Pelton, sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à un flasque externe de reprise d'effort et alors que l'assemblage de la roue de turbine est pérenne. A cet effet, l'invention concerne une roue de turbine Pelton qui comporte plusieurs sous-ensembles répartis autour d'un axe de rotation de la roue et qui comprennent chacun un auget et un pied d'ancrage. Cette roue est caractérisée en ce qu'au moins un pion de blocage est disposé, selon une direction parallèle à l'axe de rotation de la roue, entre deux pieds d'ancrage adjacents, ce pion étant engagé à la fois dans deux logements ménagés respectivement dans les deux pieds d'ancrage précités. Grâce à l'invention, la fabrication de la roue de turbine conforme à l'invention est aisée dans la mesure où les sous-ensembles peuvent être fabriqués indépendamment les uns des autres avant d'être assemblés pour constituer la roue de turbine. Ces différents sous-ensembles sont relativement faciles à usiner et leurs dimensions permettent de les fabriquer sur des centres d'usinage classiques, et non pas sur des centres d'usinage dédiés aux pièces de grandes dimensions. Les opérations de maintenance sont également facilitées dans la mesure où les sous- ensembles peuvent être montés et démontés individuellement par rapport à la roue de turbine. Les pions de blocage disposés à l'interface entre deux pieds d'ancrage adjacents permettent de verrouiller ces pieds les uns par rapport aux autres, ce qui limite le glissement relatif des sous- ensembles les uns par rapport aux autres et par rapport à l'arbre de la turbine et induit un calage efficace des pieds d'ancrage. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une roue de turbine Pelton peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises en combinaison techniquement admissibles : - Les côtés des deux pieds d'ancrage entre lesquels est disposé le pion de blocage ne sont pas en contact. - Chaque pied d'ancrage est pourvu, sur chacun de ses deux côtés tournés respectivement vers les deux pieds d'ancrage adjacents, d'un logement de réception partiel d'un pion de blocage. - Chaque logement d'un pied d'ancrage est en forme de cylindre, avec une section correspondant à la moitié de la section du pion de blocage qu'il reçoit. - Chaque pied d'ancrage est pourvu d'au moins un talon apte à venir au contact d'une frette annulaire, qui entoure les pieds d'ancrage, sous l'effet de la force centrifuge résultant de la rotation de la roue. - Les sous- ensembles sont montés directement sur l'extrémité de l'arbre de la turbine, sans utilisation d'une bride de reprise d'effort. - En variante, les sous-ensembles sont montés sur l'extrémité de la roue de la turbine au moyen d'au moins une bride annulaire d'accouplement. Cette bride peut être en appui contre une contre-bride sur laquelle sont montés des pieds d'ancrage. La bride ou la contre-bride forment avantageusement une frette apte à recevoir en appui les talons des pieds d'ancrage sous l'effet de la force centrifuge. En variante, au moins une frette est disposée autour des pieds d'ancrage, indépendamment de la bride d'accouplement. L'invention concerne également une turbine Pelton qui est équipée d'une roue telle que mentionnée ci-dessus. Une telle turbine peut être fabriquée de façon plus économique que celles de l'état de la technique et sa maintenance est facilitée. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une roue de turbine Pelton tel que mentionnée ci-dessus et, plus spécifiquement, un procédé qui comprend des étapes consistant à : a) monter les sous-ensembles sur une structure circulaire et b) disposer, selon une direction parallèle à l'axe de rotation de la roue, un pion de blocage dans deux logements ménagés respectivement dans les deux pieds d'ancrage. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de quatre modes de réalisation d'une roue de turbine et d'une turbine conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue de face d'une roue de turbine conforme à l'invention montée sur l'arbre d'une turbine également conforme à l'invention ; - la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II à la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un sous-ensemble formant auget utilisé dans la roue des figures 1 et 2 ; - la figure 4 est une représentation schématique de principe de deux pieds d'ancrage appartenant à des sous-ensembles tel que celui représenté à la figure 3, dans une première configuration ; - la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 lorsque les pieds d'ancrage sont dans une deuxième configuration ; - la figure 6 est une vue analogue à la figure 1 pour une roue de turbine conforme à un second mode de réalisation ; - la figure 7 est une coupe selon la ligne VII-VII à la figure 6 ; - la figure 8 est une coupe analogue à la figure 7 pour une roue de turbine conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 9 est une coupe analogue à la figure 7 pour une roue de turbine conforme à un quatrième mode de réalisation de l'invention. La roue 1 représentée aux figures 1 et 2 appartient à une turbine T de type Pelton et est montée sur l'extrémité 21 de l'arbre 2 de cette turbine. La roue 1 est formée par l'assemblage de sous-ensembles indépendants 11, dont un est visible en perspective à la figure 3 et qui sont formés d'une pièce monobloc en acier inoxydable moulé. En variante, les sous-ensembles 11 peuvent être réalisés en acier inoxydable forgé ou en matériau composite, ce qui permet de diminuer leur masse et les forces d'inertie résultant de la rotation de l'arbre. Chaque sous-ensemble 11 définit un auget 111 délimitant deux bols 1111 et 1112 séparés par une arête 1113. L'auget 111 d'un sous-ensemble 11 est monobloc avec un pied d'ancrage 112 qui a globalement une forme de prisme droit dont la base a la forme visible à la figure 1. Le pied d'ancrage 112 d'un sous-ensemble 11 est pourvu de deux perçages 1121 et 1122 de réception de goujons 12 de montage du sous-ensemble 11 sur l'extrémité 21 de l'arbre 2. Pour chaque sous-ensemble 11, les deux perçages 1121 et 122 sont alignés suivant un rayon R11 s'étendant radialement par rapport à l'axe de rotation X2 de l'arbre 2, qui est confondu avec l'axe central XI de rotation de la roue 1 en configuration montée de celle-ci. Les pieds d'ancrage 112 sont disposés côte à côte sur l'extrémité 21 de l'arbre 2. On note 1123 le côté d'un pied 112 tourné vers l'axe XI en configuration montée de la roue. On note respectivement 1124 et 1125 les côtés d'un pied 112 tournés vers les pieds adjacents en configuration montée de la roue 1. Le côté 1124 est disposé, par rapport aux perçages 1121 et 1122, du côté concave de l'auget 111, alors que le côté 1125 est situé, par rapport à ces perçages, du côté convexe de cet auget. Un logement cylindrique 1126 à section semi-circulaire est ménagé sur le côté 1124 et débouche sur ce côté, alors qu'un logement cylindrique 1127 à section semi-circulaire est ménagé sur le côté 1125 et débouche sur ce côté. Tous les pieds d'ancrage 112 sont équipés de logements 1126 et 1127 sur leurs côtés respectifs 1124 et 1125, de sorte que, lorsque deux pieds d'ancrage sont disposés côte à côté, dans la configuration représentée à la figure 1, un logement 1126 ou 1127 de chaque pied 112 est disposé en regard d'un logement correspondant 1127 ou 1126 d'un pied adjacent. Il est ainsi formé des paires de logements 1126- 1127 qui constituent ensemble un volume cylindrique à section sensiblement circulaire dans lequel peut être engagé un pion de blocage 13 qui est cylindrique et à section circulaire. A la figure 3, la trace du pied d'ancrage 112' d'un sous-ensemble adjacent à celui représenté, en configuration montée de la roue 1 est figurée en traits pointillés. Le logement 1126' de ce second pied d'ancrage 112' définit avec le logement 1127 un volume V13 de réception d'un pion 13, lequel peut être introduit dans ce volume dans le sens de la flèche F13 sur cette figure, c'est-à-dire selon une direction parallèle aux axes X1 et X2. Les pieds d'ancrage 112 et l'extrémité 21 sont dimensionnés de façon telle que, lorsque la roue 1 est montée sur l'arbre 2, les faces en regard 1124 et 1125 des différents pieds 112 ne sont pas en contact. Le pied d'ancrage 112 d'un sous-ensemble 11 comprend une surface 1128 opposée à la surface 1123 et qui délimite un talon 1128A en saillie par rapport à la surface 1129 dans laquelle débouche le perçage 1122, au voisinage de la surface 1128. L'extrémité 21 de l'arbre 2 est, quant à elle, pourvue d'une collerette terminale 211 qui délimite, avec la face avant 212 de l'extrémité 21, un épaulement 213 de réception du talon 1128A en configuration montée d'un sous- ensemble 11 sur l'arbre 2. Chaque pion 13 est équipé, à l'une de ses extrémités, d'une tête 131 qui est engagée dans un lamage 1126A ou 1127A qui borde chaque logement 1126 ou 1127 au voisinage de la surface 1129. Les pions peuvent pénétrer dans les logements 1126 et 1127 par le côté de la surface 1129, en engageant leur extrémité opposée à leur tête 131 dans ces logements, dans le sens des flèches F13 à la figure 3. En variante, les pions 13 peuvent être insérés dans les volumes V13 par le côté des pieds 112 opposé à la surface 1129. Dans ce cas, les lamages 1126A et 1127A sont supprimés au voisinage de la surface 1129. L'assemblage de la roue 1 sur l'arbre 2 a lieu en positionnant chaque pied d'ancrage 112 sur l'extrémité 21 de l'arbre 2 de telle sorte que ses perçages 1121 et 1122 viennent en regard de perçages correspondants 214 et 215 ménagés dans l'extrémité 21 et permettant le passage des goujons 12. Les pions 13 sont intercalés entre les pieds 112, au fur et à mesure que les sous-ensembles 11 sont installés sur l'arbre 2, en étant installés avec leurs axes X13 respectifs parallèles aux axes X1 et X2 alors confondus. Les goujons 12 sont alors mis en tension, respectivement dans les perçages 1121 et 214, d'une part, 1122 et 215, d'autre part, pour chaque sous-ensemble 11. En variante, les sous-ensembles 11 sont pré-positionnés sur un gabarit support, puis les pions 13 sont mis en place dans les volumes V13 à travers la surface 1129 et la roue ainsi formée est montée sur le plateau de l'arbre 2. Ensuite, les goujons 12 sont mis en tension. Dans cette configuration, les faces 1124 et 1125 des différents pieds 112 ne sont pas en contact les unes des autres et les différents logements 1126 et 1127 définissent, par paire, des volumes V13 de réception des pions de blocage 13. On remarque à la figure 2 que les pions 13 ne pénètrent pas dans l'extrémité 21 de l'arbre 2. Lorsqu'ils sont ainsi mis en place dans les logements 1126 et 1127, les pions 13 assurent la stabilité de la roue 1 ainsi constituée. Lors de la première rotation de la roue 1 sous charge, c'est-à-dire lorsqu'elle est soumise à un écoulement représenté par la flèche E aux figures 1, 4 et 5, les sous-ensembles 11 sont plaqués contre un épaulement 213 interne de l'extrémité 21 de l'arbre 2, sous l'effet de la force centrifuge. Ces sous-ensembles ont tendance à pivoter par rapport à l'arbre 2, ce qui induit que chaque pied d'ancrage est fortement plaqué contre un pion 13 engagé dans son logement 1127 et que ce phénomène se reproduit pour tous les sous-ensembles 11 de la roue 1. Les différents sous-ensembles déplacent légèrement les pions 13 par rapport à l'arbre 2, sous l'effet de leur pivotement, ce qui est possible puisque les pions 13 ne sont pas solidaires de l'arbre 2. L'effort subit par chaque auget 111 du fait du jet, provoque un glissement relatif des sous-ensembles 11 par rapport à l'arbre 2 et cale ces sous-ensembles les uns par rapport aux autres grâce à l'action des pions 13. Ainsi, les pions 13 assurent un montage pérenne des différents sous-ensembles 11 sur l'arbre 2, en bloquant les différents pieds d'ancrage 112 les uns par rapport aux autres. Les figures 4 et 5, sur lesquelles les têtes 131 ont été omises pour la clarté du dessin, schématisent ce phénomène et représentent deux pieds d'ancrage 112 et un pion 13 respectivement avant et après le premier démarrage de la roue 1. Avant le premier démarrage, le pion 13 est monté dans le volume V13 défini conjointement par les logements 1126 et 1127 des pieds 112. Lorsque l'effort E dû à l'écoulement E est appliqué sur les sous-ensembles 11, les pieds 112 glissent l'un par rapport à l'autre, comme représenté par la flèche F2 à la figure 5. Le pied 112 représenté en partie supérieure de cette figure tend à glisser radialement vers l'intérieur par rapport au pied 112 représenté en partie inférieure, ce qui a pour effet d'amener une partie 1126B de la surface définissant le logement 1126 en appui contre le pion 13 et d'amener le pion 13 en appui contre une partie 1127B de la surface délimitant le logement 1127 du pied 112 représenté en partie supérieure. Les parties 11268 et 11278 des surfaces des logements 1126 et 1127 forment ainsi des zones de contact entre le pion 13 et les pieds d'ancrage 112, la zone 1126B étant radialement plus proche de l'axe X1 que l'axe central X13 du pion 13, lequel est plus proche de l'axe X1 que la zone 11278. Lors des phases d'arrêt et de démarrage de la turbine 1, la position relative des différents pieds d'ancrage, qui a été obtenue après glissement lors du premier démarrage, est maintenue du fait des efforts de frottement entre les pièces 112 et 13 assemblées. En cas d'emballement de la turbine T un effort centrifuge important est exercé sur les sous-ensembles 11, lesquels tendent à glisser ensemble radialement vers l'extérieur de l'arbre 2. Après un emballement suivi d'un redémarrage normal de la turbine T, les sous-ensembles 11 reprennent leur position d'équilibre. Par ailleurs, le mouvement d'expansion radiale de la roue 1, sous l'effet de la force centrifuge due à sa rotation, est limité par le fait que les talons 1128A des pieds d'ancrage 112 sont disposés au niveau de l'épaulement 213 de l'extrémité 21. Ainsi, l'expansion radiale de la roue 1 est limitée par l'appui de la surface 1128 de chaque pied d'ancrage 112 contre la collerette 211 qui constitue une butée radiale pour les pieds 111 des sous-ensembles 11. Le premier mode de réalisation de l'invention décrit en référence aux figures 1 à 5 est plus particulièrement applicable à la fabrication d'une turbine neuve dont l'arbre 2 peut être configuré, en formant la collerette 211 et les perçages 214 et 215, pour recevoir directement les sous-ensembles 11, sans utilisation d'une bride de reprise d'effort comme expliqué ci-dessus. L'invention peut également être utilisée avec une turbine T dont l'arbre 2 présente une extrémité plane, comme représenté aux figures 6 à 9. Ceci est particulièrement utile lors de la réhabilitation d'une turbine existante dont l'arbre ne doit pas être changé. Dans les trois modes de réalisation représentés aux figures 6 à 9, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques. Dans le second mode de réalisation de l'invention représenté aux figures 6 et 7, la roue 1 de la turbine Pelton T est formée par des sous-ensembles 11 qui comprennent, comme dans le premier mode de réalisation, des augets 111 et des pieds d'ancrage 112. L'extrémité 21 de l'arbre 2 présente une face avant plane 212. La solidarisation de la roue 1 avec l'arbre 2 est obtenue grâce à des goujons d'accouplement 12 qui traversent une bride 14 pourvue d'une collerette 141 d'appui axial de la partie radiale interne des pieds d'ancrage 112 contre la face avant 212. Les goujons 12 traversent des perçages 214 ménagés dans l'extrémité 21, ces perçages pouvant préexister en cas de réhabilitation de la turbine T. La répartition des perçages 142 de passage des goujons 12 dans la bride 14 est alors adaptée à celle des perçages 214. Deux frettes 15A et 15B sont disposées de part et d'autre des pieds d'ancrage 112 et permettent de résister à l'expansion radiale de la roue 1 sous l'effet de la force centrifuge lors de la rotation de la turbine T, notamment en cas d'emballement. Des talons 1128A et 1128B sont ménagés dans les pieds 112 pour venir respectivement en butée contre les frettes 15A et 15B sous l'effet de la force centrifuge. Comme précédemment, des pions de blocage 13 sont introduits dans des logements, du type des logements 1126 et 1127 du premier mode de réalisation, à l'interface entre deux pieds d'ancrage 112 adjacents. Dans le troisième mode de réalisation représenté à la figure 8, on utilise également une bride 14 pour presser les pieds d'ancrage 112 des sous- ensembles 11 d'une roue 1 contre la face avant plane 212 de l'arbre 2 d'une turbine Pelton T. Comme précédemment des pions de blocage 13 sont utilisés pour limiter le glissement relatif des pieds d'ancrage 112. Une contre-bride 16 reçoit en appui la bride 14 et est pourvue de perçages 161 et 162 de passage de goujons de blocage 12 similaires à ceux du premier mode de réalisation. La contre-bride 16 forme une collerette 163 qui fonctionne comme une frette pour un talon 1128A du pied d'ancrage 112 de chaque sous-ensemble 11. Dans ce mode de réalisation, des goujons principaux 17 sont utilisés pour presser axialement la bride 14 et les pieds 112 en direction de l'arbre 2, comme dans le deuxième mode de réalisation. Dans le quatrième mode de réalisation représenté à la figure 9, les brides 14 et 16 du second mode de réalisation sont remplacées par une bride monobloc 14 qui définit des perçages 142 de passage des goujons principaux 17 et des perçages 143 et 144 de passage des goujons 12 de fixation des pieds d'ancrage 112 sur cette bride. Comme précédemment, la roue 1 comprend des sous-ensembles 11 comprenant chacun un auget 111 et un pied 112 et des pions de blocage 13, qui permettent de limiter le glissement relatif entre les pieds d'ancrage 112. La bride 14 forme une frette 145 contre laquelle est en appui un talon 1128A de chaque pied 112. Les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation décrits peuvent être combinées entre elles dans le cadre de la présente invention. Quel que soit le mode de réalisation, le nombre de sous-ensembles 11, de goujons 12 et de pions de blocage 13 résulte d'un choix de conception de l'homme de l'art. Les pions 13 ne sont pas forcément à section circulaire. Dans ce cas, la géométrie des logements 1126 et 1127 est adaptée à celle des pions. Selon une variante applicable à tous les modes de réalisation de l'invention, un revêtement augmentant le coefficient de frottement entre les pièces 11 et 2, et éventuellement entre ces pièces et les pièces 14 et 145, peut être utilisé à l'interface entre ces pièces, ceci afin d'assurer le maintien en position par frottement des sous-ensembles 11 en fonctionnement.25 REVENDICATIONS 1. Roue de turbine Pelton (1) comportant plusieurs sous-ensembles (11) répartis autour d'un axe (X1) de rotation de la roue et comprenant chacun un auget (111) et un pied d'ancrage (112), caractérisée en ce qu'au moins un pion de blocage (13) est disposé, selon une direction (X13) parallèle à l'axe (X1) de rotation de la roue (1), entre deux pieds d'ancrage adjacents (112), ce pion étant engagé à la fois dans deux logements (1126, 1127) ménagés respectivement dans les deux pieds d'ancrage. 2. Roue de turbine Pelton selon la revendication 1, caractérisée en ce que les côtés (1124, 1125) des deux pieds d'ancrage (112) entre lesquels est disposé le pion de blocage (13) ne sont pas en contact. 3. Roue de turbine Pelton selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque pied d'ancrage (112) est pourvu, sur chacun de ses deux côtés (1124, 1125) tournés respectivement vers les deux pieds d'ancrage adjacents (112'), d'un logement (1126, 1127) de réception partielle d'un pion de blocage (13). 4. Roue de turbine Pelton selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque logement (1126, 1127) d'un pied d'ancrage est en forme de cylindre, avec une section correspondant à la moitié de la section du pion de blocage (13) qu'il reçoit. 5. Roue de turbine Pelton selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque pied d'ancrage (112) est pourvu d'au moins un talon (1128A ; 1128B) apte à venir au contact d'une frette annulaire (211 ; 15A, 15B ; 163 ; 145), qui entoure les pieds d'ancrage, sous l'effet de la force centrifuge résultant de la rotation de la roue. 6. Roue de turbine Pelton selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les sous-ensembles (11) sont montés directement sur l'extrémité (21) de l'arbre de la turbine (T), sans utilisation d'une bride de reprise d'effort. 7. Roue de turbine Pelton selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les sous-ensembles (11) sont montés sur l'extrémité (21) de l'arbre de la turbine au moyen d'au moins une bride annulaire d'accouplement(14 ; 14-16). 8. Roue de turbine Pelton selon la revendication 7, caractérisée en ce que la bride (14) est en appui contre une contre-bride (16) sur laquelle sont montés les pieds d'ancrage (112). 9. Roue de turbine Pelton selon la revendication 5 et l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que la bride (14) ou la contre-bride (16) forme une frette (145 ; 163) apte à recevoir en appui les talons (1128A) des pieds d'ancrage (112), sous l'effet de la force centrifuge. 10. Roue de turbine Pelton selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'au moins une frette (15A, 15B) est disposée autour des pieds d'ancrage (112), indépendamment de la bride d'accouplement. 11. Turbine Pelton (T) comprenant une roue (1) selon l'une des revendications précédentes. 12. Procédé de montage d'une roue de turbine Pelton (1) comprenant plusieurs sous-ensembles (11) répartis autour d'un axe (X1) de rotation de la roue et comprenant chacun un auget (111) et un pied d'ancrage (112), caractérisé en ce qu'il comprend des étapes consistant à : a) monter les sous-ensembles (11) sur une structure circulaire (21 ; 16; 14) et b) disposer, selon une direction (X13) parallèle à l'axe (X1) de rotation de la roue (1), un pion de blocage (13) dans deux logements (1126, 1127) ménagés respectivement dans deux pieds d'ancrage adjacents.