Brevet FR2934015A1 — publié le 20100122

MACHINE HYDRAULIQUE ET INSTALLATION DE CONVERSION D'ENERGIE COMPRENANT UNE TELLE MACHINE La présente invention concerne une machine hydraulique qui comprend une roue supportée par un arbre, cette roue et cet arbre étant mobiles en rotation autour d'un axe. La roue d'une telle machine est destinée à être traversée par un écoulement forcé, lequel est moteur lorsque la machine fonctionne en turbine et entraînée lorsque la machine fonctionne en pompe. Dans de telle machine, un palier hydrostatique radial peut être prévu autour de l'arbre, avec une fonction de reprise des efforts radiaux subits par cet arbre. Un tel palier peut être ménagé autour d'une partie haute, d'une partie basse ou d'une partie intermédiaire de l'arbre. Il est connu d'équiper un palier hydrostatique d'un joint batardeau, par exemple un joint gonflable, qui permet de protéger le palier, des remontées d'eau polluée lorsque la machine et le système d'alimentation en eau du palier soint à l'arrêt. Un tel joint gonflable est dilaté lors des arrêts de la machine, afin d'isoler le palier de son environnement. En fonctionnement normal, le débit d'eau amené au palier est évacué par le haut et par le bas du palier, ce qui permet d'assurer à la fois la portance du palier et l'évacuation de l'énergie dissipée par les frottements fluides, grâce à la création d'un film d'eau continu. En cas de blocage d'un joint gonflable en configuration dilatée, l'eau du palier ne peut plus être évacuée vers le bas du palier, ce qui perturbe la circulation de l'eau et le fonctionnement du palier. En effet, la portance du palier est réduite et l'eau prisonnière en partie basse du palier a tendance à s'échauffer, avec un risque de transformation totale ou partielle du film d'eau en vapeur et de contact entre l'arbre et le coussinet fixe du palier. Ces problèmes peuvent également se poser avec un palier dépourvu de joint gonflable et dans lequel l'évacuation de l'eau du palier est obstruée, vers le haut ou vers le bas, par tout autre obstacle. Des problèmes analogues peuvent se poser avec des machines à axe horizontal, lesquelles peuvent également être équipées de joints hydrostatiques ou hydrodynamiques. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une machine hydraulique équipée d'un palier hydrostatique radial dont le fonctionnement est fiabilisé. A cet effet, l'invention concerne une machine hydraulique comprenant une roue supportée par un arbre, la roue et l'arbre étant mobiles en rotation autour d'un axe, alors qu'un palier hydrostatique ou hydrodynamique radial est formé entre, d'une part, une surface périphérique radiale de l'arbre et, d'autre part, une surface radiale interne d'un organe fixe par rapport à l'axe, ce palier s'étendant entre deux bords. Cette machine est caractérisée en ce que l'une au moins des surfaces entre lesquelles est défini le palier hydrostatique radial est pourvu d'au moins une cavité ménagée au voisinage d'un premier bord du palier, parmi ses deux bords, et en ce que la machine comprend des moyens de mise en communication fluidique de cette cavité avec une zone située au voisinage du second bord, parmi les deux bords précités. Grâce à l'invention, en cas de blocage de l'évacuation de l'eau du palier hydrostatique ou hydrodynamique radial au voisinage d'un de ses bords, supérieur, inférieur, avant ou arrière, suivant que la machine est à axe vertical ou horizontal, la cavité et les moyens de mise en communication permettent d'évacuer l'eau du palier vers son autre bord, ce qui évite la création d'une zone d'eau morte dans le palier. La circulation d'eau dans le palier peut ainsi être maintenue, y compris en cas d'obstruction au niveau d'un des bords du palier, ce qui permet de maintenir la portance du palier. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une telle machine peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - Un joint batardeau est disposé au voisinage du bord du palier tourné vers la roue. Dans ce cas, la cavité est avantageusement ménagée au-dessus du joint batardeau, au voisinage du bord du palier tournée vers la roue, alors que les moyens de mise en communication relient cette cavité avec une zone de la machine située au-delà de l'autre bord par rapport au palier. Lorsque la machine est axe vertical, la cavité peut être ménagée au voisinage du bord supérieur du palier, alors que les moyens de mise en communication relient la cavité avec une partie inférieure du palier, au-dessus du joint batardeau. - La cavité est une gorge annulaire ménagée dans l'organe fixe ou dans l'arbre et débouchant sur la surface de l'organe ou de l'arbre qui définit le palier. - Les moyens de mise en communication comprennent des moyens de réduction de pression. - Les moyens de mise en communication comprennent au moins un conduit reliant la cavité à la zone située au voisinage du second bord d'un palier - Il est prévu des moyens de détermination de la pression d'eau dans un conduit appartenant aux moyens de mise en communication. Dans ce cas, ces moyens de détermination de pression sont avantageusement aptes à fournir à une unité de contrôle de la machine un signal représentatif de la pression d'eau dans le conduit précité. L'invention concerne également une installation de conversion d'énergie hydraulique et énergie électrique ou mécanique ou inversement, qui comprend une machine hydraulique telle que mentionnée ci-dessus. Une telle installation est plus fiable que celles de l'état de la technique dans la mesure où elle permet de s'accommoder de l'éventuel obstruction d'un palier hydrostatique radial, au voisinage d'un de ses bords supérieur ou inférieur. 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 deux modes de réalisation d'une machine et d'une installation conformes à son principe, donné uniquement à titre d'exemple et fait en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe axiale de principe d'une machine et d'une installation conformes à un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue à plus grande échelle du détail II à la figure 1; - la figure 3 est une vue à plus grande échelle du détail III à la figure 1 lorsqu'un joint gonflable de l'installation est bloqué ; et - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 pour une machine à une installation conformes à un deuxième mode de réalisation de l'invention. L'installation I représentée à la figure 1 comprend une turbine Francis 1 dont la roue 2 est alimentée à partir d'une bâche 3 dans laquelle débouche une conduite forcée 4. La turbine 1 comprend également un arbre 5 sur lequel est montée la roue 2 et qui tourne avec celle-ci autour d'un axe vertical X5 qui est également un axe longitudinal de l'arbre 5. L'arbre 5 entraîne en rotation la partie tournante d'un alternateur 6. Entre la bâche 3 et la roue 2 est disposée une série d'avant-directrices 71 et de directrices 72 dont la fonction est de guider et de réguler un écoulement E provenant de la conduite 4 et de la bâche 3 et destiné à traverser la roue 2, en direction d'un conduit d'aspiration 8. La roue 2 comprend des aubes 21 qui s'étendent entre un plafond 22 et une ceinture 23. Les éléments 3 et 4, ainsi que la structure de génie civile qui supportent la turbine 1 appartiennent à une structure fixe 9 par rapport à laquelle la roue 2 tourne autour de l'axe X5. La roue 2 est fixée sur l'extrémité inférieure 51 de l'arbre 5, couramment dénommée � pied d'arbre �, au moyen de vis 10 représentées par leurs traits d'axe. Le pied d'arbre peut être monobloc avec le reste de l'arbre ou rapporté sur celui-ci. Afin de résister aux efforts radiaux auxquels est soumis le pied d'arbre 51, un palier hydrostatique 100 est formé entre une surface radiale externe 52 du pied d'arbre 51 et une surface radiale interne 102 d'un coussinet 101 de forme annulaire qui est disposé autour du pied d'arbre 51. Sur les figures 2 à 4, l'épaisseur radiale eloo du palier 100 est exagérée, pour la clarté du dessin. Un écoulement El d'eau claire est fourni au palier 100 grâce à une conduite 103 raccordée sur un piquage 104 ménagé dans le coussinet 101. Ce piquage est équipé d'une série de diaphragmes 105 qui permettent de limiter la pression de l'écoulement El en aval. Le piquage 104 débouche dans un canal 106 qui alimente une dépression 107 ménagée dans la surface 102 et qui permet de répartir l'écoulement El. Ceci permet de gaver le palier 100 en eau, afin d'assurer la continuité d'un film d'eau autour de la surface 52. Dans la présente description, les mots � haut �, � bas �, � supérieur � et � inférieur � correspondent à une disposition de l'installation I en configuration de fonctionnement dans laquelle l'axe X5 est vertical et le haut d'un organe est dirigé vers le haut à la figure 1, alors que le bas d'un organe est dirigé vers le bas sur cette figure. L'adjectif � supérieur � qualifie une partie d'un organe dirigée vers le haut, à l'inverse d'une partie � inférieure � qui est dirigée vers le bas. Une bride 110 est montée en partie basse du coussinet 101, grâce à des vis de fixation 111. Cette bride définit avec le coussinet 101 un logement de réception d'un joint gonflable 112 susceptible de venir en appui contre la surface 52 selon qu'il est ou non alimenté en fluide sous pression, en l'espèce en eau sous pression. Le joint gonflable 112 est un type de joint batardeau qui permet de protéger le palier 100 contre les remontées d'eau depuis la roue 2. D'autres types de joints batardeaux peuvent être utilisés avec l'invention, par exemple un joint axial. On note 121 le bord supérieur du palier 100, c'est-à-dire la limite supérieure de l'interstice de faible épaisseur e1oo délimité entre les surfaces 52 et 102 et dans lequel est formé un film d'eau à partir de l'écoulement El. En pratique, le bord 121 est situé à la hauteur de l'arête supérieure de la surface 102. De la même manière, on note 122 le bord inférieur du palier 100 qui est délimité par l'arête inférieure de la surface 102, au dessus du logement du joint 112. Une cuve supérieure 125 est montée sur le coussinet 101 et définit un volume annulaire VI au-dessus du bord 121 et radialement autour de la partie de la surface 52 qui n'est pas en regard de la surface 102. La cuve 125 porte deux joints 126 qui viennent en appui contre la surface 52, afin d'éviter les fuites d'eau vers le haut. Le volume VI est relié par un trop plein non représenté au puits d'exhaure de l'installation I, c'est-à-dire à la partie de l'installation dans laquelle sont collectées les fuites, avant d'être évacuées vers l'aval. En fonctionnement normal du palier 100, c'est-à-dire lorsque l'arbre 5 tourne autour de l'axe X5, l'écoulement El forme un film d'eau à l'intérieur du palier 100, entre les bords 121 et 122, puis est évacué vers le haut et vers le bas, comme représenté respectivement par les flèches FI et F2 à la figure 2. Cette évacuation continue de l'écoulement El à partir du palier 100 garantit la portance de ce palier. En cas d'arrêt de la turbine 1, et afin d'éviter que de l'eau potentiellement polluée remonte vers l'intérieur du palier 100, le joint gonflable 112 est mis sous pression, de telle sorte qu'il se contracte radialement en direction de l'axe X5 et vient en appui contre la surface 52, en formant ainsi une barrière étanche. Lors d'un nouveau démarrage de la turbine 1 et avant mise en rotation de l'arbre 5, le joint 112 reprend normalement sa configuration représentée à la figure 2, dans laquelle il est éloigné de la surface 52. Il peut toutefois arriver que ce joint soit détérioré et qu'il reste en configuration d'appui contre la surface 52, alors même que l'arbre 5 tourne, comme représenté à la figure 3. Dans ce cas, la portion de l'écoulement E1 qui est normalement évacuée du palier 100 au niveau du bord inférieur 122, comme représenté par la flèche F2, pourrait rester prisonnière du palier 100, ce qui serait préjudiciable pour son fonctionnement, notamment car la portance serait réduite et car cela induirait à un échauffement localisé du film d'eau, voire sa vaporisation. Une gorge annulaire 130 est ménagée dans le coussinet 101 et débouche sur la surface 102 tout autour de l'axe X5. On note d1 la distance axiale entre la gorge 130 et le bord 102, on note hloo la hauteur axiale du palier 100, cette distance et cette hauteur étant mesurées parallèlement à l'axe X5. La distance d1 est choisie inférieure à 10% de la hauteur H100, de préférence inférieure à 5% de cette hauteur. La gorge 130 est en communication avec quatre conduits 131, dont un seul est visible à la figure 3, et qui sont régulièrement répartis dans le coussinet 101, autour de l'axe X5. Chaque conduit 131 s'étend le long d'un axe X131 parallèle à l'axe X5 et relie la gorge 130 à un logement 132 dans lequel sont disposés plusieurs diaphragmes 133 et qui débouche dans le volume V1. Ainsi, en cas de blocage du joint 112 en configuration dilatée ayant pour effet d'empêcher l'évacuation de l'écoulement E1 vers le bas, la portion correspondante E2 de l'écoulement E1 peut s'écouler dans la gorge 130 et dans les conduits 131 puis, à travers les diaphragmes 133, avant de rejoindre le volume V1 à partir duquel elle peut être évacuée vers le puits d'exhaure. Ceci permet donc d'assurer une circulation continue d'eau dans le palier 100 jusque dans sa portion inférieure, y compris en cas de dysfonctionnement du joint gonflable 112. Une partie de l'écoulement E1 continue à être évacuée du palier 100 au niveau du bord 121, comme représenté par la flèche F1. Cette partie rejoint l'écoulement E2 dans le volume V1. Les diaphragmes 133 assurent une perte de charge au niveau du logement 132, de telle sorte que, lorsque le joint gonflable 112 fonctionne correctement, la perte de charge totale à travers les parties 130, 131 et 132 est supérieure à la perte de charge au niveau du bord 122, de telle sorte que l'écoulement dans le sens de la flèche F2 à la figure 2 est privilégié. Les éléments 130 à 133 permettent également d'évacuer directement vers le volume VI un éventuel écoulement pollué remontant depuis la roue 2 en cas d'inefficacité du joint gonflable 112 à l'arrêt. En effet, cette eau polluée peut être drainée à travers la gorge 130, les conduits 131 et les logements 132, ce qui permet de protéger le palier 100 contre la pollution. Un piquage 134 débouchant dans l'un des conduits 131 est relié à un manomètre 135, ce qui permet de connaître la pression d'eau à l'intérieur de l'un au moins des conduits 131. Le manomètre 135 peut délivrer à une unité de commande 200 un signal S135 représentatif de la pression dans le ou les conduits 131. Ce signal permet à l'unité 200 de détecter un défaut de fonctionnement, dans la mesure où une variation de pression dans l'un des conduits 131 correspond à une obstruction de la sortie basse du palier 100, au niveau de son bord 122 ou, à l'arrêt, à une fuite du joint 112. L'unité 200 peut ainsi modifier les conditions de fonctionnement de la turbine 1 en tenant compte d'une telle anomalie, par exemple en adressant aux directrices 72 un signal S200 visant à réduire progressivement le débit de l'écoulement E. En fonction du signal S135, l'unité 200 peut également actionner une alarme 136 sonore ou visuelle. Le mode de réalisation des figures 1 à 3 permet de tenir compte d'une obstruction en partie basse du palier 100, indépendamment de l'utilisation du joint gonflable 112. En effet, si le palier 100 est obstrué au voisinage du bord 122 par autre chose que le joint 112, la circulation de l'écoulement E2 peut avoir lieu à travers les volumes 130 à 132. Dans le second mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 4, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent les mêmes références. Un palier hydrostatique radial 100 est défini entre la surface radiale externe 52 du pied 51 d'un arbre 5 et la surface radiale interne 102 d'un coussinet fixe 101. Un joint gonflable 112 est rapporté sur le coussinet 101 au moyen d'une bride annulaire 110. Une gorge annulaire 130 est ménagée à proximité du bord supérieur 121 du palier 100 et reliée à quatre conduits 131 qui s'étendent chacun parallèlement à un axe X131 parallèle à l'axe de rotation X5 de l'arbre 5. Chaque conduit 131 débouche, à l'opposé de la gorge 130, dans un logement 132 qui débouche lui-même sur la surface 102, au-dessus du bord inférieur 122 du palier 100. Des diaphragmes 133 sont disposés dans le logement 132, avec la même fonction que les diaphragmes du premier mode de réalisation. En cas d'obstruction de la partie supérieure du palier 100, par exemple par des déchets s'écoulant à partir du volume VI, une portion E3 de l'écoulement d'alimentation du palier 100 s'engage dans la gorge 130 et dans les conduits 131 puis ressort en partie basse du pallier 100, c'est-à-dire au voisinage de son bord inférieur 122, à travers les logements 132. A partir de là, l'eau provenant de la partie supérieure du palier 100, à travers les éléments 130 à 132, peut être évacuée vers le bas en direction d'un volume V2 situé sous la palier, avec l'eau provenant directement de la partie inférieure du palier 100, ce que représente la flèche F2 à la figure 4. Les caractéristiques techniques des deux modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être combinées entre elles. En particulier, une machine conforme à l'invention peut comprendre à la fois une gorge 130 en partie basse reliée par des conduits 131 au volume VI et une gorge 130 en partie haute reliée par des conduits 131 à la partie basse du palier 100. Le nombre de conduits 131 n'est pas forcément à égal à quatre et peut être adapté en fonction du débit prévisible des écoulements E2 et/ou E3 à évacuer en cas d'obstruction localisée du palier. Bien que cela soit avantageux pour répartir circonférentiellement les écoulements E2 et E3, il n'est pas obligatoire d'utiliser une gorge 130 périphérique. En effet, plusieurs cavités non jointives s'étendant chacune sur un secteur angulaire prédéterminé peuvent être prévues débouchantes dans la surface 102, chaque cavité étant reliée à un conduit du type des conduits 131 mentionnés ci-dessus. Selon une variante non représentée de l'invention, la cavité et les moyens 30 de mise en communication de cette cavité avec une zone distante peuvent être prévus non pas dans le coussinet 101 mais dans le pied d'arbre 51. Enfin, la surface tournante qui définie le palier hydrostatique radial peut appartenir à une partie de l'arbre monobloc avec sa partie principale, comme mentionné ci-dessus au sujet du pied d'arbre 51, ou à une partie rapportée sur cette partie principale. L'invention a été décrite et représentée avec un palier 100 de type hydrostatique, c'est-à-dire un palier dont la portance dépend essentiellement de la pression d'alimentation du palier en eau. L'invention peut également être mise en oeuvre avec un palier hydrodynamique où la portance est obtenue par la vitesse de rotation de l'arbre. L'invention a été décrite et représentée ci-dessus en référence à une machine à axe vertical. L'invention est toutefois applicable aux machines à axe horizontal, voire à axe oblique, qui peuvent également être équipées de paliers hydrostatiques ou hydrodynamique. REVENDICATIONS1. Machine hydraulique comprenant une roue (2) supportée par un arbre (5), la roue et l'arbre étant mobiles en rotation autour d'un axe (X5), alors qu'un palier hydrostatique ou hydrodynamique radial (100) est formé entre, d'une part, une surface périphérique radiale (52) de l'arbre et, d'autre part, une surface radiale interne (102) d'un organe (101) fixe par rapport à l'axe, le palier s'étendant entre deux bords (121,122), caractérisée en ce que l'une au moins des surfaces (52 ; 102) entre lesquelles est défini le palier (100) est pourvue d'au moins une cavité (130) ménagée au voisinage d'un premier bord (121, 122) du palier, parmi les deux bords (121, 122), et en ce que la machine comprend des moyens (131, 132, 133) de mise en communication fluidique de la cavité avec une zone (VI, V2) située au voisinage du second bord (122, 121), parmi les deux bords. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un joint batardeau (112) est disposé au voisinage du bord (122) du palier (100) tourné vers la roue (2). 3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que la cavité (130) est ménagée au-dessus du joint batardeau, au voisinage du bord (122) du palier (100) tourné vers la roue, et en ce que les moyens de mise en communication (131-133) relient la cavité avec une zone (VI) de la machine située au-délà de l'autre bord (121) par rapport au palier. 4. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que la machine est à axe vertical (X5), en ce que la cavité (130) est ménagée au voisinage du bord supérieur (121) du palier (100) et en ce que les moyens de mise en communication (131-133) relient la cavité avec une partie inférieure du palier, au-dessus du joint batardeau. 5. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cavité est une gorge annulaire (130) ménagée dans l'organe fixe (101) ou dans l'arbre (5) et débouchante sur la surface (52, 102) de l'organe ou de l'arbre qui définit le palier (100). 6. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de mise en communication (131-133) comprennent des moyens (133) de réduction de pression. 7. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de mise en communication (131-133) comprennent au moins un conduit (131) reliant la cavité (130) à la zone (VI, V2) située au voisinage du second bord (121, 122) du palier (100). 8. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (134, 135) de détermination de la pression d'eau dans un conduit (131) appartenant aux moyens de mise en communication (131-133). 9. Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens de détermination de pression (134, 135) sont aptes à fournir à une unité (200) de contrôle de la machine un signal (S135) représentatif de la pression d'eau dans le conduit (131). 10. Installation (I) de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique, ou inversement, caractérisée en ce qu'elle comprend une machine hydraulique (1) selon l'une des revendications précédentes.