Brevet FR2932854A1 — publié le 20091225

MACHINE HYDRAULIQUE A AXE VERTICAL La présente invention concerne une machine hydraulique qui comprend une roue supportée par un arbre, cette roue et cet arbre étant mobiles en rotation, par rapport à une structure fixe, autour d'un axe vertical. La roue d'une telle machine est destinée à être traversée par un écoulement forcé d'eau, lequel est moteur lorsque la machine fonctionne en turbine et entraîné lorsque la machine fonctionne en pompe. Dans de telles machines, un alternateur est généralement couplé à l'arbre de la machine. En fonction de la configuration, de l'installation, l'arbre peut être équipé de deux ou trois paliers de reprise des efforts radiaux. Les efforts axiaux, qui résultent du poids des parties tournantes et de la poussée hydraulique sont repris par une butée, couramment dénommée � pivot � ou � pivoterie �. Un tel pivot comprend généralement un palier hydraulique qui peut être implanté dans le croisillon supérieur de l'alternateur, dans le croisillon inférieur de l'alternateur ou sur le fond de la turbine. La plupart des pivots hydrauliques existants sont de type hydrodynamique, en utilisant le principe du coin d'huile. Il est par ailleurs connu d'utiliser un pivot hydrostatique au niveau du pied de l'arbre d'une turbine-pompe, un tel arbre traversant le tube d'aspiration aval de l'installation, dans le sens d'écoulement de l'eau lorsque la machine fonctionne en turbine. Dans ce cas, le palier hydrostatique est monté en crapaudine, à l'extrémité inférieure de l'arbre. Les possibilités d'utilisation d'un tel montage en crapaudine sont limitées, alors que certaines turbines, dont les turbines Francis ne sont pas toujours compatibles avec l'utilisation d'un arbre traversant leur tube d'aspiration. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une machine hydraulique dont l'arbre et la roue peuvent être efficacement supportés par rapport à une structure fixe, tout en autorisant la rotation de cet arbre et de cette roue autour d'un axe vertical. A cet effet, l'invention concerne une machine hydraulique qui comprend une roue supportée par un arbre, cette roue et cet arbre étant mobiles en rotation, par rapport à une structure fixe de la machine et autour d'un axe vertical, alors que la roue est destinée à être traversée par un écoulement d'eau forcé. Cette machine est caractérisée en ce qu'elle comprend, au voisinage d'une même portion de l'arbre, au moins un palier hydrostatique axial défini entre, d'une part, une surface axiale de l'arbre ou d'un élément solidaire en rotation de l'arbre et, d'autre part, un premier organe fixe en rotation par rapport à l'axe vertical, ce palier hydrostatique axial étant de forme annulaire et traversé en son centre par l'arbre précité ; au moins un palier hydrostatique radial défini entre, d'une part, une surface périphérique externe de l'arbre ou d'un élément solidaire en rotation de l'arbre et, d'autre part, un second organe fixe en rotation par rapport à l'axe vertical, et des moyens d'alimentation des paliers hydrostatiques en eau. Grâce à l'invention, le palier hydrostatique axial permet de supporter, avec possibilité de rotation, la partie tournante de la machine, en particulier son arbre et sa roue, alors que sa forme annulaire et le fait qu'il est traversé par l'arbre autorise son implantation ailleurs qu'en partie inférieure d'un arbre traversant le tube d'aspiration d'une installation. En d'autres termes, grâce à l'invention, le palier hydrostatique axial n'a pas à être monté en crapaudine. Par ailleurs, le palier hydrostatique radial permet à la fois de reprendre les efforts radiaux exercés sur la partie tournante et de limiter les fuites d'eau à partir du palier axial. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une telle machine peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : ù Le palier hydrostatique axial et le palier hydrostatique radial sont en communication fluidique l'un avec l'autre. ù Le palier hydrostatique axial est bordé radialement, sur l'intérieur, ou sur l'extérieur, par un joint hydrostatique à labyrinthe qui génère une perte de charge sur un écoulement de fuite du palier hydrostatique axial. Dans ce cas, des moyens permettent avantageusement de mesurer la pression d'eau en entrée du joint hydrostatique. On peut également prévoir une unité de commande apte à piloter les moyens d'alimentation en eau des paliers en fonction du résultat de la mesure de pression effectuée par les moyens de mesure précités. Selon certains modes de réalisation, le palier hydrostatique radial jouxte radialement, sur l'extérieur, le palier hydrostatique axial. En variante, le palier hydrostatique radial jouxte radialement, sur l'intérieur, le palier hydrostatique axial. Selon différents modes de réalisation de l'invention, un palier hydrostatique axial et un palier hydrostatique radial peuvent être disposés au niveau du pied de l'arbre de la machine, au niveau de la tête de l'arbre ou au niveau d'une portion intermédiaire de cet arbre. 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 trois modes de réalisation d'une machine conforme à son principe, donné uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : û la figure 1 est une coupe axiale de principe d'une machine conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; û la figure 2 est une vue à plus grande échelle du détail II à la figure 1 ; û la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 pour une machine conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention ; û la figure 4 est une vue à plus grande échelle du détail IV à la figure 3 et û la figure 5 est une vue de détail d'une machine conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention, au niveau d'une portion intermédiaire de son arbre. 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 monté 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 est solidaire en rotation d'un arbre 61 formant un organe d'entraînement 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 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. La roue 2 est fixée sur l'extrémité inférieure de l'arbre 5 parfois dénommée � pied d'arbre �. Le pied d'arbre peut être monobloc avec le reste de l'arbre 5 ou rapporté sur celui-ci. Les éléments 3 et 4 ainsi que la structure de génie civil qui supporte la turbine 1 appartiennent à une structure fixe 9 par rapport à laquelle la roue 2 tourne autour de l'axe X5. Comme il ressort plus particulièrement de la figure 2 et afin de résister aux efforts axiaux résultant du poids de la partie tournante, qui comprend notamment la roue 2 et l'arbre 5, un palier hydrostatique axial 100 défini entre un grain fixe 101 et une colerette 511 s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du pied d'arbre 51. 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 dirigé vers le haut, à l'inverse d'une partie � inférieure � qui est dirigée vers le bas. Le palier 100 est défini entre la surface inférieure 512 de la colerette 511, c'est-à-dire la surface annulaire de cette colerette dirigée vers la roue 2, et la surface supérieure 102 d'un anneau ou grain fixe 101 qui est dirigée à l'opposé de la roue 2. L'expression � grain fixe � utilisée dans la présente demande concerne un anneau fixe en rotation par rapport à la structure 9 et qui est centré sur l'axe X5. Le palier 100 est de forme annulaire centrée sur l'axe X5 et son ouverture centrale est traversée par le pied de l'arbre 51. Le palier 100 est qualifié de � axial � dans la mesure où il résiste à un effort axial FI dirigé vers le bas et résultant, notamment, du poids de la partie tournante. L'effort FI se répartit sur les surfaces 512 et 102. L'interstice entre les surfaces 512 et 102, qui délimite le palier 100, est exagéré sur la figure 2, pour la clarté du dessin. Cet interstice est alimenté en eau sous pression à partir d'une conduite 200 qui alimente une première dérivation 201 qui débouche dans l'une de plusieurs dépressions localisées 103 qui sont réparties sur la surface 102, afin d'obtenir un effet de rappel et de reprise de la charge. Les dépressions 103 forment des chambres de répartition d'eau, en sortie de la dérivation 201, dans le palier 100. En pratique, le palier 100 a une hauteur H1oo de l'ordre 0,1 mm. La valeur minimum de H1oo est imposée par les contraintes de fabrication et les tolérances des surfaces en regard. Une épaisseur sensiblement plus importante que 0,1 mm induit une perte significative de débit d'eau, donc de rendement. Pour les pivoteries de grands diamètres, la géométrie des pièces, notamment 51 et 101, est définie pour ne pas obtenir de déformation mécanique ou thermique d'amplitude supérieure à cette valeur de 0,1 mm. La conduite 200 est alimentée en eau sous pression à partir de la source de l'écoulement E. En particulier, il est possible de détourner une portion E' de l'écoulement transitant dans la conduite forcée 4 pour la diriger vers la conduite 200. Dans le cas d'une turbine de haute chute, la pression disponible à la sortie de la conduite 4 est généralement suffisante pour que l'eau injectée dans le palier hydrostatique 100, ait une pression assez élevée pour résister à l'effort Fi. Dans le cas d'une turbine de basse chute, des pompes peuvent être prévues dans la conduite 200 pour augmenter la pression de l'eau injectée dans le palier 100. La conduite 200 alimente également une deuxième dérivation 202 qui débouche dans une dépression 303 ménagée dans la surface radiale interne 302 d'une garniture annulaire 301 disposée autour du pied d'arbre 51. On note 513 la surface radiale externe du pied 51 située en dessous de la colerette 511. Il est formé un palier hydrostatique radial 300 entre les surfaces 302 et 513, ce palier étant également alimenté en eau sous pression, à partir de la conduite 200, par la dérivation 202. L'épaisseur E300 du palier 300 est de l'ordre de 0,1 mm, comme la hauteur H1oo et pour les mêmes raisons. Un système d'équilibrage de la répartition de charge sur le grain fixe 101 est intercalé entre les organes 101 et 301. Ce système d'équilibrage comprend un support 104 et un dispositif 105 d'équilibrage de pression disposé entre les éléments 101 et 104. Une chambre 400 est définie par un renfoncement ménagé sur la surface 513, axialement en regard des éléments 101, 104 et 105. Les paliers hydrostatiques 100 et 300 sont en communication fluidique à travers la chambre 400. Ainsi, une fuite du palier 100 radialement vers l'intérieur a pour effet de � gaver � ou � nourrir � le palier 300 à travers la chambre 400. Le débit de fuite du palier 100 est donc utile au palier 300. Par ailleurs, un joint hydrostatique 500 est formé par un labyrinthe délimité entre une partie fixe 501 et la surface radiale externe 514 de la colerette 511, c'est-à-dire la surface radiale externe du pied d'arbre 51 situé au dessus du palier 100 et une partie fixe 501. Une cellule 502 de mesure de pression est disposée entre le palier 100 et le joint hydrostatique 500, c'est-à-dire en entrée du labyrinthe. Cette cellule 502 est reliée à une unité 600 de contrôle de pression qui émet à destination d'une unité 700 de contrôle de l'installation I un signal S600 représentatif de la pression en entrée du labyrinthe. L'unité 700 contrôle notamment le débit dans la conduite 200 au moyen d'un signal SI de commande d'un régulateur de débit 203 monté sur cette conduite. En fonctionnement, l'eau circulant dans les dérivations 201 et 202 permet d'alimenter les paliers 100 et 300, de telle sorte que les surfaces 512 et 102, d'une part, et 513 et 302 d'autre part, sont écartées l'une de l'autre, ce qui permet la mise en rotation de la partie tournante de la turbine 1 par rapport à la structure fixe 9. L'eau présente dans les paliers peut circuler d'un palier à l'autre à travers la chambre 400, de sorte qu'une fuite dans l'un des paliers est récupérée par l'autre palier. En outre, le joint hydrostatique 500 permet de limiter l'écoulement de fuite radiale externe du palier 100. Une telle fuite permet toutefois d'évacuer des calories transférées au niveau du palier 100 du fait de l'intensité des efforts axiaux et de cisaillement. Dans le second mode de réalisation de l'invention représenté aux figures 3 et 4, des éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent les mêmes références. L'installation I de ce mode de réalisation comprend une turbine Francis 1 dont la roue 2 est solidaire d'un arbre 5, tout en étant alimentée par une conduite forcée 4 à travers une bâche 3. Les éléments 3 et 4 appartiennent à une structure fixe 9 de la machine 1. Un alternateur 6 est monté en partie supérieure de l'arbre 5, tout en étant supporté par un arbre supérieur 61. Les arbres 5 et 61 sont centrés sur un même axe vertical X5 qui est l'axe de rotation des parties tournantes de l'installation. Comme visible à la figure 4, un palier hydrostatique annulaire et axial 100 et un palier hydrostatique radial 300 sont respectivement prévus au niveau de la tête d'arbre 62 de l'arbre 61, c'est-à-dire en partie supérieure de cet arbre. Le palier 100 est délimité entre une colerette 521 de la tête 52 et un anneau 101 solidaire de la structure 9 de l'installation. Plus précisément, le palier 100 est délimité par la surface inférieure annulaire 522 de la colerette 521 et par la surface supérieure 102 de l'anneau 101. Le palier 100 est centré sur l'axe X5 et traversé en son centre par cet arbre. Le palier 300 est délimité entre la surface radiale externe 523 de la colerette 521 et la surface radiale interne 302 d'une garniture fixe 301. A la différence du premier mode de réalisation, le palier 300 jouxte le palier 100 radialement sur l'extérieur, alors que, dans le premier mode de réalisation, le palier 300 jouxte le palier 100 radialement sur l'intérieur de celui-ci. Un joint hydrostatique 500 est formé par un labyrinthe délimité entre une surface radiale interne 524 de la tête 52 et une garniture fixe 501. Deux cellules de mesure 502A et 502B sont respectivement reliées à deux unités de contrôle de pression 600A et 600B qui sont capables de fournir à une unité de commande non représentée dans l'installation des signaux représentatifs de la pression en entrée du joint 500 et entre les paliers 100 et 300. Les paliers 100 et 300 sont alimentés par deux dérivations 201 et 202 s'étendant à partir d'une conduite principale 200. La dérivation 201 traverse notamment le grain fixe ou anneau 101 La dérivation 202 alimente également une dérivation supplémentaire 204 qui débouche dans une chambre de pression 304 qui entoure également la garniture 301. La chambre de pression 304 est ménagée entre la garniture 301 et une pièce fixe 305. De l'eau peut ainsi être injectée dans la chambre 304 afin d'exercer sur la garniture 300 une contre-pression évitant que le jeu entre les surfaces 523 et 302 n'augmente sous l'effet de la pression de l'eau injectée dans le palier 300. Comme dans le premier mode de réalisation, un dispositif 105 d'équilibrage de pression est disposé entre le grain fixe 101 et un support 104. Dans le troisième mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 5, les éléments analogues à ceux des premier et deuxième modes de réalisation portent les mêmes références. Ce mode de réalisation correspond au cas où un palier hydrostatique annulaire axial 100 et un palier hydrostatique radial 300 sont disposés dans une partie médiane de l'arbre d'une machine hydraulique, c'est-à-dire entre son extrémité supérieure et son extrémité inférieure. Ceci peut notamment être le cas au niveau du croisillon inférieur d'un alternateur. Comme dans le second mode de réalisation, le palier hydrostatique radial 300 jouxte le palier hydrostatique 100 radialement sur l'extérieur de celui-ci, ces paliers étant alimentés chacun par une dérivation 201, respectivement 202, branchée sur une conduite 200 d'alimentation en eau sous pression. Un joint hydrostatique 500 est ménagé sur l'intérieur du palier 100. Les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être combinées dans le cadre de l'invention. En particulier, les épaisseurs et hauteurs des paliers représentés aux figures 3 à 5 peuvent être du même ordre que celles mentionnées en référence à la figure 2 et des cellules de contrôle de pression, des unités de commande et des régulateurs de débit peuvent être prévus. L'invention a été décrite en référence à une installation pourvue d'une turbine Francis. Elle est toutefois applicable à d'autres types de machines hydrauliques de type pompe ou turbine-pompe, par exemple les turbines Pelton à axe vertical. REVENDICATIONS1. Machine hydraulique (1) comprenant une roue (2) supportée par un arbre (5), la roue et l'arbre étant mobiles en rotation, par rapport à une structure fixe de la machine autour d'un axe (X5) vertical, alors que la roue est destinée à être traversée par un écoulement forcé (E) d'eau, caractérisée en ce que la machine comprend, au voisinage d'une même portion (51, 52) de l'arbre, au moins un palier hydrostatique axial (100) défini entre, d'une part, une surface axiale (512, 522) de l'arbre (5) ou d'un élément (51, 52) solidaire en rotation de l'arbre et, d'autre part, un premier organe (101) fixe en rotation par rapport à l'axe vertical (X5), ce palier hydrostatique axial étant de forme annulaire et traversé en son centre par l'arbre ; au moins un palier hydrostatique radial (300) défini entre, d'une part, une surface périphérique externe (513, 523) de l'arbre (5) ou d'un élément (51, 52) solidaire en rotation de l'arbre et, d'autre part, un second organe (301) fixe en rotation par rapport à l'axe vertical, et des moyens (200-203) d'alimentation des paliers hydrostatiques en eau. 2. Machine hydraulique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le palier hydrostatique axial (100) et le palier hydrostatique radial (300) sont en communication fluidique l'un avec l'autre. 3. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le palier hydrostatique axial (100) est bordé radialement, sur l'intérieur ou sur l'extérieur, par un joint hydrostatique (500) à labyrinthe générant une perte de charge sur un écoulement de fuite du palier hydrostatique axial 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (502, 502B) de mesure de la pression d'eau en entrée du joint hydrostatique (500). 5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une unité (700) de commande apte à piloter (SI) les moyens (203) d'alimentation en eau des paliers en fonction du résultat (S600) de la mesure de pression effectuée par les moyens de mesure (502). 6. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le palier hydrostatique radial (300) jouxte radialement, sur l'extérieur, le palier hydrostatique axial (100). 7. Machine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le palier hydrostatique radial (300) jouxte radialement, sur l'intérieur, le palier hydrostatique axial (100). 8. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un palier hydrostatique axial (100) et un palier hydrostatique radial (300) sont disposés au niveau du pied de l'arbre (51). 9. Machine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'un palier hydrostatique axial (100) et un palier hydrostatique radial (300) sont disposés au niveau de la tête (52) de l'arbre. 10. Machine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'un palier hydrostatique axial (100) et un palier hydrostatique radial (300) sont disposés au niveau d'une portion intermédiaire de l'arbre (5).