Brevet FR3006011A1 — publié le 20141128

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PARTIE TOURNANTE DE MACHINE HYDRAULIQUE, PARTIE TOURNANTE FABRIQUEE SELON CE PROCEDE, MACHINE HYDRAULIQUE ET INSTALLATION DE CONVERSION D'ENERGIE L'invention concerne un procédé de fabrication de la partie tournante d'une machine hydraulique appartenant une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique, une partie tournante fabriquée selon ce procédé, une machine hydraulique équipée d'une telle partie tournante, ainsi qu'une installation de conversion d'énergie comprenant une telle machine. Dans le domaine de la conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique, il est connu d'utiliser une machine hydraulique telle qu'une turbine, une pompe ou une turbine-pompe. En mode turbine, la machine entraine en rotation un arbre transformant ainsi de l'énergie hydraulique en énergie mécanique. Cette conversion d'énergie est réalisée au moyen d'une roue comprenant un plafond, une ceinture et des aubes qui sont réparties autour de l'axe de rotation de la roue entre le plafond et la ceinture. Les aubes s'étendent, de manière curviligne, entre un premier bord et un deuxième bord qui sont respectivement, lors du fonctionnement, un bord d'attaque et un bord de fuite de l'écoulement de l'eau. Lors du fonctionnement en mode turbine, l'eau circule à partir d'une retenue d'eau en amont, à travers une conduite forcée et arrive dans une bâche entourant la roue de la machine. La bâche distribue alors l'eau entre les aubes de la roue. Les aubes ont un profil spécifique qui permet de créer des zones de dépression au sein de la roue. Cela implique un mouvement de rotation de la roue. Lorsque l'eau arrive au niveau du bord de fuite des aubes, elle se dirige vers un conduit d'aspiration en aval. Un des problèmes récurrents existants dans le domaine des machines hydrauliques est la génération d'une allée de tourbillons de Karman au voisinage et en aval des bords de fuite des aubes de la roue. Plus précisément, les bords de fuite des aubes de la roue sont peu profilés et occasionnent un motif périodique de tourbillons causé par la séparation instable de l'écoulement autour des aubes. Les allées de tourbillons de Karman réduisent l'efficacité de la machine et constituent une charge dynamique appliquée au niveau des aubes, pouvant mener à des fissures. La création d'une allée de tourbillons de Karman est d'autant plus importante que l'épaisseur du bord de fuite de l'aube est grande. Une première solution est donc de diminuer au maximum l'épaisseur du bord de fuite d'une manière dissymétrique pour rompre la symétrie du phénomène et son intensité. Cette approche permet effectivement de diminuer les allées de tourbillons de Karman, sans toutefois les éliminer car les propriétés des aciers utilisés ne permettent pas de diminuer les épaisseurs autant que nécessaire. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un procédé de fabrication d'une partie tournante d'une machine hydraulique permettant de fabriquer une machine hydraulique plus robuste et dont les performances sont améliorées. A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une partie tournante appartenant à une machine hydraulique d'une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique, cette partie tournante comprenant des aubes réparties autour d'un axe de rotation de la partie tournante et s'étendant entre un bord d'attaque et un bord de fuite. Conformément à l'invention, ce procédé comprend des étapes consistant à : a) fabriquer en acier une première partie de chaque aube qui définit son bord d'attaque, b) fabriquer une deuxième partie de l'aube dans un matériau différent de l'acier, et la fixer à la première partie de l'aube de façon à constituer un bord de fuite. Grâce à l'invention, l'utilisation d'une aube en deux parties dont la deuxième partie est réalisée dans un matériau différent de l'acier permet de réduire l'épaisseur du bord de fuite à une épaisseur quasiment nulle, et ceci sans nuire ni à la tenue mécanique de la roue ni à la durée de vie de l'équipement, ce qui implique que les allées de tourbillons de Karman qui apparaissent au niveau du bord de fuite des aubes sont limitées. Selon un aspect avantageux mais non obligatoire de l'invention, la deuxième partie est fixée sur la première partie par collage, soudage ou vissage. L'invention concerne également une partie tournante appartenant à une machine hydraulique d'une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique, cette partie tournante étant en rotation autour d'un axe de rotation lorsqu'elle est traversée par un écoulement d'eau et comprenant des aubes réparties autour de l'axe de rotation et s'étendant entre un bord d'attaque et un bord de fuite. Conformément à l'invention, chaque aube de la partie tournante comprend une première partie définissant le bord d'attaque et une deuxième partie formée par une extension qui est fixée sur une zone d'attache de la première partie et qui définit le bord de fuite de l'aube. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une partie tournante appartenant à une machine hydraulique peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : - L'extension comprend deux surfaces qui forment respectivement le prolongement d'un intrados et d'un extrados définis par la première partie de l'aube. - L'extension est réalisée dans un matériau dont la limite élastique est supérieure à celle de l'acier, dont la propension à propager les fissures est inférieure à celle de l'acier, ou dont le module d'élasticité est plus faible que celui de l'acier tel qu'un matériau composite. - L'extension est un prolongement de l'aube et a une longueur, prise entre le bord de fuite et la zone d'attache, comprise entre 1% et 25%, notamment égale à 10% de la longueur moyenne totale de l'aube. - La partie tournante est une roue de type Francis comportant un plafond et une ceinture entre lesquels s'étendent les aubes, la première partie et la deuxième partie étant fixées au plafond et à la ceinture. - L'extension a une section à forme de pointe symétrique. - La partie tournante appartient à une machine de type bulbe, Kaplan, hélice ou Deriaz et comprend un moyeu qui tourne autour d'un axe lors du fonctionnement et des aubes qui s'étendent, radialement par rapport à l'axe de rotation, à partir du moyeu. L'invention concerne également une machine hydraulique comprenant une partie tournante telle que définie précédemment. L'invention concerne enfin une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend une machine hydraulique telle que défini précédemment. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une partie tournante appartenant à une machine hydraulique conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe axiale de principe d'une installation de conversion d'énergie conforme à l'invention, incorporant une turbine Francis également conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue de côté d'une roue de la turbine de la figure 1, - la figure 3 est une vue de détail d'une aube seule appartenant à la roue de la figure 2, à savoir la cinquième aube visible en partant de la gauche sur cette figure, - la figure 4 est une section de l'aube de la figure 3, - la figure 5 est une vue à plus grande échelle de l'encadré V de la figure 4, - la figure 6 est une coupe axiale de principe d'une installation conforme à l'invention incorporant une turbine de type hélice conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 7 est une coupe partielle à plus grande échelle selon la ligne VII-VII à la figure 6, et - la figure 8 est une vue analogue à la figure 5, de la section d'une aube appartenant à une roue de l'art antérieur. Sur la figure 1 est représentée une installation de conversion d'énergie 2 conforme à l'invention. Cette installation de conversion d'énergie 2 comprend une machine hydraulique 20 qui, dans l'exemple, est une turbine Francis. Ainsi, la partie tournante de la turbine 20 est une roue 202 de type Francis. Cette roue 202 tourne autour d'un axe vertical Z202 et entraîne en rotation un arbre d'entraînement 204. Dans le cas présent, l'arbre d'entraînement 204 est relié à un alternateur 206 afin de produire de l'électricité. Cependant, il est également possible d'utiliser l'énergie mécanique produite pour entrainer un autre dispositif. L'eau est stockée en amont dans une retenue d'eau non représentée. Elle est ensuite acheminée jusqu'à la turbine hydraulique 20 par l'intermédiaire d'une conduite forcée 22 avec une hauteur de chute définie par la différence d'altitude entre la retenue d'eau et la turbine 20. La conduite forcée 22 débouche sur une bâche 24 qui entoure la roue 202 et qui permet de distribuer, de manière sensiblement régulière autour de l'axe Z202, l'eau à l'intérieur de la roue 202. Plus précisément, l'eau circule entre des aubes 208 qui sont disposées entre un plafond 2022 et une ceinture 2020 de la roue 202. Ces aubes 208 comportent chacune un bord d'attaque 2080 contre lequel l'eau arrive à partir de la bâche 24 et un bord de fuite 2082 à partir duquel l'eau s'échappe vers un conduit d'aspiration 26. Les aubes 208 ont un profil asymétrique, avec un intrados 2084 et un extrados 2086. On définit une corde 2088 comme une ligne équidistante de l'intrados 2084 et de l'extrados 2086 et qui passe par le bord d'attaque 2080 et le bord de fuite 2082. Le sens de circulation de l'eau à travers la turbine 20 est représenté, à la figure 1, par des flèches E. Sur la figure 2 est représentée la roue 202 conforme à l'invention. On s'intéresse plus précisément au moment où l'écoulement E atteint le bord de fuite 2082 des aubes 208 car c'est un endroit particulièrement critique pour l'écoulement E. Celui-ci marque en effet la séparation de l'écoulement E d'avec les aubes 208. C'est pourquoi ce sont les aubes 208 qui sont visées par le procédé de fabrication. Sur la figure 8 est représenté un bord de fuite 2082' d'une aube 208' appartenant à une roue de l'art antérieur. Dans ce cas, l'aube a une forme dissymétrique au voisinage du bord de fuite 2082' car l'épaisseur se réduit à l'approche de celui-ci. On obtient ainsi un bord de fuite ayant une épaisseur réduite. Cependant, le bord de fuite 2082' conserve toujours une certaine épaisseur car les propriétés de l'acier ne permettent pas de garantir la longévité requise lorsque l'épaisseur est trop faible, avec notamment un risque de fissuration. On s'intéresse par la suite à l'interface entre le bord de fuite 2082 d'une aube 208 de la roue 202 conforme à l'invention et l'écoulement E. Cela est transposable aux autres aubes 208 de la roue 202. Sur les figures 3 à 5 est représentée une aube 208 fabriquée grâce au procédé de l'invention. Comme visible sur cette figure, l'aube 208 comprend une première partie 208A en acier, fabriquée lors d'une première phase du procédé de fabrication, et une deuxième partie 208C qui est une extension fixée sur une zone d'attache 208A2 de la première partie 208A et qui est réalisé dans un matériau souple, tel qu'un matériau composite. La zone d'attache 208A2 est perpendiculaire à la corde 2088. L'extension 208C a une section, dans un plan analogue à celui des figures 3 à 5, dont l'épaisseur diminue progressivement pour finir en forme de pointe qui est symétrique et qui définit un bord de fuite 2082 linéique ou quasi-linéique. De cette manière, les allées de tourbillon de Karman sont fortement réduites en sortie de l'aube 208 et l'écoulement en sortie des aubes est plus stable. Les allées de tourbillons de Karman constituent une charge dynamique qui s'applique sur les aubes 208. Ainsi, le risque de vibration pouvant conduire à des fissurations est considérablement réduit lorsque la partie tournante 202 est fabriquée par ce procédé et la durée de vie de la machine s'en trouve augmentée. L'extension 208C est ensuite collée sur la zone d'attache 208A2. Au cours de cette opération, l'extension 208C est déformée pour suivre la forme curviligne de la zone d'attache 208A2. Cette déformation est relativement aisée pour le monteur car le matériau utilisé pour fabriquer l'extension 208C est souple. L'extension 208C peut être fixée au plafond 2022 et à la ceinture 2020. Elle peut, en variante, être découplée de ces éléments. On note 5208C4 la surface de l'extension 208C disposée du côté de l'intrados 2084 de l'aube et 5208C6 la surface de l'extension 208C disposée du côté de l'extrados 2086 de l'aube 208. Les surfaces 5208C4 et 5208C6 prolongent respectivement de l'intrados 2084 et de l'extrados 2086 et convergent vers le bord de fuite 2082. Ainsi, l'écoulement n'est pas perturbé lors du passage de la première partie 208A à la deuxième partie 208C. L'extension 208C s'étend sur toute la surface de la zone d'attache 208A2. En d'autres termes, la partie 208C forme l'intégralité du bord de fuite 2082. En pratique, l'extension 208C a une longueur L208C, prise perpendiculairement à la zone d'attache 208A2, entre celle-ci et le bord de fuite 2082, comprise entre 1 % et 25 %, notamment égale à 10% de la longueur de la corde 2088 entre le bord d'attaque 2080 et le bord de fuite 2082. Sur les figures 6 et 7 est représenté un autre type de machine hydraulique auquel s'applique un deuxième mode de réalisation de l'invention. Cette machine hydraulique est une turbine de type hélice. Elle comprend un moyeu 205 monté sur un arbre 204 tournant autour d'un axe de rotation Z204 vertical. Autour du moyeu 205 sont disposées des aubes 208 que l'on appelle parfois pales. Cette turbine hélice est alimentée en eau par une conduite forcée 22. L'eau chemine donc entre les aubes 208 de l'hélice. Cet écoulement est représenté à la figure 6 par des flèches E. Le moyeu 205 et les aubes ou pales 208 définissent ensemble la partie tournante 202 de la turbine. Conformément à l'invention, les aubes 208 de cette turbine hélice sont réalisées en deux parties. Une première partie 208A définit le bord d'attaque 2080 de chaque aube vu par l'écoulement E. Sur cette première partie 208A est fixée une extension 208C formant la deuxième partie de l'aube 208. Cette extension 208C est fabriquée séparément de la première partie 208A avant son montage sur la partie 208A. Elle est réalisée en matériau composite. Comme visible à la figure 7, l'extension 208C a une section en forme de pointe définissant un bord de fuite 2082 linéique. Cela permet de limiter les allées de tourbillons de Karman nuisibles à l'efficacité de la turbine 20. Sur la figure 7 est représenté plus en détail le bord de fuite 2082 d'une aube ou pale 208. Comme visible sur cette figure, l'extension 208C est collée sur une zone d'attache 208A2 de la première partie 208A. De plus, l'extension 208C comporte deux surfaces 5208C4 et 5208C6 qui prolongent respectivement l'intrados 2084 et l'extrados 2086 de l'aube ou pale 208. Ainsi, l'écoulement n'est pas perturbé lors du passage de la première partie 208A à la deuxième partie 208C. En variante non représentée, l'invention s'applique également sur des turbines d'un autre type que les turbines Francis ou hélice, notamment sur des turbines de type Kaplan, bulbe ou Deriaz. En variante non représentée et quel que soit le mode de réalisation, l'extension 208C est vissée ou soudée à la zone 208A2 de l'aube existante. En variante applicable à tous les modes de réalisation, l'extension 208C est réalisée dans un matériau dont la limite élastique est supérieure à celle de l'acier, dont la propension à propager les fissures est inférieure à celle de l'acier ou dont le module d'élasticité est plus faible que celui de l'acier, notamment dans un matériau composite ou en tout autre matériau approprié. Les variantes et modes de réalisation mentionnés ci-dessus peuvent être combinés pour donner de nouveaux modes de réalisation de l'invention. REVENDICATIONS1.- Partie tournante (202) appartenant à une machine hydraulique (20) d'une installation (2) de conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique, cette partie tournante étant en rotation autour d'un axe de rotation (Z202 ; Z204) lorsqu'elle est traversée par un écoulement d'eau et comprenant des aubes (208) réparties autour de l'axe de rotation et s'étendant entre un bord d'attaque (2080) et un bord de fuite (2082), caractérisée en ce que chaque aube (208) de la partie tournante comprend une première partie (208A) définissant le bord d'attaque et une deuxième partie formée par une extension (208C) qui est fixée sur une zone d'attache (208A2) de la première partie (208A) et qui définit le bord de fuite (2082) de l'aube. 2.- Partie tournante (202) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'extension (208C) comprend deux surfaces (S208C4, S208C6) qui forment respectivement le prolongement d'un intrados (2084) et d'un extrados (2086) définis par la première partie (208A) de l'aube (208). 3.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'extension (208C) est réalisée dans un matériau dont la limite élastique est supérieure à celle de l'acier, dont la propension à propager les fissures est inférieure à celle de l'acier ou dont le module d'élasticité est plus faible que celui de l'acier, tel qu'un matériau composite. 4.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'extension (208C) est un prolongement de l'aube (208) et a une longueur (L208C), prise entre le bord de fuite (2082) et la zone d'attache (208A2), comprise entre 1% et 25%, notamment égale à 10% de la longueur moyenne totale de l'aube. 5.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'extension (208C) a une section à forme de pointe symétrique. 6.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il s'agit d'une roue de type Francis comportant un plafond (2022) et une ceinture(2020) entre lesquels s'étendent les aubes (208), la première partie (208A) et la deuxième partie (208C) étant fixées au plafond et à la ceinture. 7.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle appartient à une machine de type bulbe, Kaplan, hélice ou Deriaz et comprend un moyeu (205) qui tourne autour d'un axe (Z204) lors du fonctionnement et des pales (208) qui s'étendent, radialement par rapport à l'axe de rotation, à partir du moyeu. 10 8.- Machine hydraulique (20), caractérisée en ce qu'elle comprend une partie tournante (202) conforme à l'une des revendications précédentes. 9.- Installation (2) de conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend une machine hydraulique (20) selon la 15 revendication 8. 10.- Procédé de fabrication d'une partie tournante (202) selon l'une des revendications 1 à 7, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend des étapes consistant à : 20 a) fabriquer en acier la première partie (208A) de chaque aube (208) qui définit son bord d'attaque (2080), b) fabriquer la deuxième partie (208C) de l'aube dans un matériau différent de l'acier et la fixer à la première partie de l'aube de façon à constituer un bord de fuite (2082). 25 11.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la deuxième partie (208C) est fixée sur la première partie (208A) par collage, soudage ou vissage.