Brevet FR3005328A1 — publié le 20141107

Procédé et outil de fabrication d'une roue pour turbine hydraulique, et turbine hydraulique fabriquée par un tel procédé La présente invention concerne un procédé et un outil de fabrication d'une roue pour turbine hydraulique de type Kaplan destinée à être traversée par un écoulement forcé d'eau qui a pour effet d'entraîner la roue en rotation. Par ailleurs, la présente invention concerne une roue de type Kaplan fabriquée par un tel procédé, ainsi qu'une turbine hydraulique équipée d'une telle roue. Dans le domaine de la conversion d'énergie, notamment dans le domaine de la production d'énergie électrique à partir d'une chute d'eau, il est connu d'utiliser des turbines dites "Kaplan" comprenant un moyeu apte à tourner autour d'un axe le plus souvent vertical et des pales montées sur ce moyeu et articulées chacune autour d'un axe essentiellement radial par rapport à ce moyeu. L'adaptation du rendement énergétique de la turbine par rapport à l'écoulement forcé d'eau qui la traverse est généralement commandée pour obtenir une vitesse de rotation sensiblement constante de l'arbre du moyeu, ce qui permet de faire fonctionner un alternateur à vitesse et fréquence de sortie stabilisées. Cet asservissement du fonctionnement de la turbine est obtenu par réglage de l'orientation de volets d'admission de l'écoulement d'eau dans le distributeur de la turbine, ces volets étant le plus souvent dénommés "directrices", et par le réglage de l'orientation des pales autour de leurs axes d'articulation sur le moyeu. La roue de la turbine est logée dans un conduit d'écoulement ou ceinture de roue, et un espace libre est ménagé entre le bord radial externe des pales et le conduit d'écoulement, c'est-à-dire entre le bord radial externe des pales et la ceinture. De manière connue, cet espace libre est calculé de manière à optimiser le rendement de la machine hydraulique. Par exemple, l'espace libre minimum correspond au calcul mécanique des déformations des pales et de la ligne d'arbre, et l'espace libre maximum correspond au calcul hydraulique de rendement. Il est donc nécessaire de maitriser précisément la valeur de cet espace libre. Un jeu fonctionnel entre les pales et le moyeu de la roue permet le mouvement de rotation des pales par rapport au moyeu. Dans le mécanisme des pales d'une turbine Kaplan, ce jeu fonctionnel autorise un léger mouvement de translation radiale des pales par rapport au moyeu. En fonctionnement, la rotation de la roue entraine une translation des pales vers l'extérieur, selon une direction radiale. Les roues de turbine Kaplan sont donc conçues pour que l'espace libre entre le bord radial externe des pales et le conduit d'écoulement soit suffisamment grand pour permettre ce mouvement radial des pales par rapport au moyeu, sans que les pales entrent en contact avec le conduit d'écoulement. De manière connue, pour fabriquer une roue de turbine Kaplan, les bords radiaux externes des pales sont usinés après avoir assemblé les pales avec le moyeu. Il est connu de mettre en place des cales en bois entre les pales et le moyeu, de manière à immobiliser les pales lors de l'usinage de leur bord radial externe. Toutefois, ce procédé ne permet pas de s'assurer que les pales immobilisées sont sorties au maximum, ni qu'elles sont immobilisées dans une position correcte ou qu'elles ne se déplaceront pas lors de l'usinage. Par conséquent, ce procédé de fabrication ne permet pas d'obtenir précisément la valeur souhaitée pour l'espace libre entre le bord radial externe des pales et le conduit d'écoulement, ce qui pénalise le rendement de la machine hydraulique. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un procédé de fabrication d'une roue pour machine hydraulique de type Kaplan permettant de maitriser précisément la valeur de l'espace libre entre le bord radial externe des pales et le conduit d'écoulement, de manière à optimiser cette valeur et par conséquent le rendement de la machine hydraulique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une roue de turbine hydraulique de type Kaplan, la roue comprenant un moyeu et des pales articulées en rotation par rapport au moyeu autour d'un axe, chaque pale étant fixée à un tourillon traversé par un trou comportant un taraudage. Le procédé comprend des étapes dans lesquelles : a) au moins l'un des tourillons est assemblé à un élément d'entrainement et est monté dans un alésage ménagé dans le moyeu, b) un outil comportant une partie filetée est inséré dans le trou de chaque tourillon, c) la partie filetée de l'outil est vissé dans un taraudage du tourillon jusqu'à ce que l'outil soit mis en compression, d) l'outil est immobilisé par rapport au tourillon, e) une pale est assemblée au tourillon, f) un bord radial externe de chaque pale est usiné. Grâce à l'invention, l'outil maintient les pales dans une position où elles sont sorties au maximum, selon la direction exacte de l'axe de rotation des pales, puisque l'outil s'étend selon cet axe. De plus, l'outil réalise un maintien en position efficace des pales pendant l'étape d'usinage. Cela permet d'usiner le bord radial externe des pales en maitrisant précisément la mesure de l'espace libre important entre le conduit d'écoulement. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel procédé peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : - A la fin de l'étape c), une extrémité de l'outil est en appui contre une surface de butée de l'alésage du moyeu. - Dans l'étape d), au moins un et de préférence deux écrous sont vissés sur la partie filetée de l'outil. - Au terme de l'étape c), l'outil exerce sur le tourillon une force orientée le long de l'axe et dirigée vers l'extérieur, qui tend à déplacer l'ensemble formé par le tourillon, l'élément d'entrainement et la pale contre une butée du moyeu. - Les étapes a), b), c), d) et e) sont exécutées chacune pour toutes les pales de la roue, avant l'étape f). - Le procédé comprend une étape supplémentaire g), postérieure à l'étape f), dans laquelle chaque outil est démonté. - Au terme de l'étape e), la translation de l'ensemble formé par le tourillon, l'élément d'entrainement et la pale le long de l'axe et vers l'intérieur est bloquée par une contre-butée du moyeu. L'invention concerne également une turbine hydraulique de type Kaplan comprenant une roue fabriquée au moyen d'un tel procédé. Avantageusement, la longueur de l'outil est strictement supérieure à la longueur du tourillon, mesurée le long de l'axe. L'invention concerne également un outil de fabrication d'une roue de turbine hydraulique de type Kaplan, se présentant sous la forme d'une tige comportant : - une partie filetée complémentaire à un taraudage ménagé dans un trou traversant un tourillon de la roue, et - une extrémité d'appui contre le fond d'un alésage de réception du tourillon, ménagé dans un moyeu de la roue. L'invention sera bien comprise et d'autres avantages de celle-ci ressortiront aussi à la lumière de la description qui va suivre d'une roue équipant une turbine hydraulique et d'un outil de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication de la roue conformes à l'invention, donnée seulement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une représentation schématique de principe d'une installation de production d'énergie électrique incorporant une roue de turbine Kaplan et conforme à l'invention ; la figure 2 est une coupe partielle selon la ligne Il-Il à la figure la figure 3 est une vue, à plus grande échelle, du détail III à la figure 2 sous un angle légèrement différent, un outil de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication de la roue étant représenté ; et - la figure 4 est une vue de face de l'outil de la figure 3. L'installation représentée à la figure 1 comprend une turbine 1 de type Kaplan qui comporte une roue 4 apte à tourner autour d'un axe Z-Z' globalement vertical. La roue 4 est disposée dans un conduit 2 d'écoulement d'eau en provenance d'une retenue amont. L'écoulement est représenté par les flèches E à la figure 1. Des directrices 3 sont prévues dans le conduit 2, en amont de la turbine 1, et permettent de réguler en partie l'écoulement E. La roue 4 comprend un moyeu 11 et quatre pales 12 dont trois sont visibles à la figure 1. Le moyeu 11 comprend une partie 13 en forme de tronc de sphère et une partie 14 formant arbre et permettant de transmettre à un alternateur non représenté le couple généré par l'écoulement E au niveau de la roue 4. Chaque pale 12 est articulée autour d'un axe X12 s'étendant selon une direction qui comprend une composante radiale par rapport à l'axe Z-Z'. Chaque pale 12 comprend un bord d'attaque 122, un bord de fuite 123, un bord radial externe 124 et un bord radial interne 125 adapté pour suivre la géométrie du moyeu 11. A l'intérieur du moyeu 11 est disposé un ensemble d'actionnement mécanique comprenant un servomoteur apte à entraîner en rotation chacune des pales 12 autour de son axe X12 d'articulation respectif par rapport au moyeu 11. Chaque pale 12 est pourvue d'une bride 121 sensiblement circulaire et par le centre de laquelle passe l'axe X12 de la pale 12. Chaque bride 121 est fixée à un élément de support ou tourillon 15 disposé à l'intérieur du moyeu 11, au moyen d'éléments de fixation 151 tels que des vis, qui coopèrent avec une première partie 152 d'assemblage du tourillon 15 avec la pale 12. Le long de l'axe X12 de chaque pale 12 et à l'opposé de la première partie 152, chaque tourillon 15 comporte une deuxième partie 153 logée dans un alésage 102 ménagé dans une partie centrale 10 du moyeu 11 et pourvu d'un palier de guidage 154. Le tourillon 15 est formé d'une seule pièce. En d'autres termes, les parties 152 et 153 du tourillon 15 ne sont pas séparées. L'alésage 102 comporte un fond 104 plat formant une surface de butée. La deuxième partie 153 assure le guidage en rotation du tourillon 15, autour de l'axe X12, par rapport au moyeu 11. Chaque tourillon 15 est traversé par un trou débouchant 155, percé selon l'axe X12. Du côté de la deuxième partie 153 du tourillon 15, le trou 155 comporte un taraudage 156. Un élément d'entrainement 16 ou levier est disposé autour de chaque tourillon 15. L'élément d'entrainement 16 est fixé à l'ensemble formé par ce tourillon 15 et la pale 12 correspondante, au moyen des vis 151. Ainsi, la pale 12, le tourillon 15 et l'élément d'entrainement 16 forment un ensemble solidaire, qui est mobile en rotation par rapport au moyeu 11 autour de l'axe X12. Chaque élément d'entrainement 16 est prévu pour venir en butée contre un épaulement 162 du moyeu 11. Ainsi, le long de l'axe X12 et dans un sens allant vers l'extérieur, chaque ensemble formé par une pale 12, un tourillon 15 et un élément d'entrainement 16 est bloqué en translation par l'épaulement 162. Dans l'autre sens, la translation est bloquée par l'appui de la pale 12 contre une contre-butée 161 du moyeu 11. Chaque élément d'entrainement 16 est entrainé en rotation, autour de l'axe X12, par rapport au moyeu 11, au moyen d'une bielle 17 actionnée par le servomoteur. Pour permettre ce mouvement de rotation, un léger jeu fonctionnel est présent, le long de l'axe X12, entre le tourillon 15 et le moyeu 11. Les figures 3 et 4 montrent un outil 5 destiné à la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication de la roue 4 de turbine Kaplan 1. L'outil 5 se présente sous la forme d'une tige comportant une partie lisse 51 et une partie filetée 52 complémentaire au taraudage 156 du tourillon 15. On note 53 l'extrémité de l'outil 5 opposée à la partie filetée 52. La longueur totale L5 de l'outil 5 est strictement supérieure à la longueur L15 du tourillon 15, mesurée le long de l'axe X12, de sorte que lorsque l'outil est inséré dans le trou 153, l'extrémité de la partie filetée 52 de l'outil 5 dépasse du tourillon 5, ce qui permet de visser un ou plusieurs écrous 6 et 6'sur la partie filetée 52. Dans une première étape a) du procédé de fabrication, au moins un tourillon 15 est assemblé à un élément d'entrainement 16 au moyen des vis 151, et est monté dans l'alésage 102 de la partie centrale 10 du moyeu 11. De préférence, tous les tourillons 15 sont assemblés chacun à un élément d'entrainement 16 et montés dans le moyeu 11. Dans une deuxième étape b), un outil 5 est inséré dans le trou 155 d'au moins un tourillon 15 de la roue 4. Dans une troisième étape c), au moins un outil 5 est vissé dans le taraudage 156 du tourillon 15 jusqu'à ce que l'extrémité 53 de l'outil 5 vienne en contact avec le fond 104 de l'alésage 102 de la partie centrale 10 du moyeu 11. Le vissage de l'outil 5 dans le taraudage 156 est poursuivi après qu'il y ait eu contact entre l'extrémité 53 de l'outil 5 et le fond 104 de l'alésage 102, ce qui a pour effet de déplacer le tourillon 15, la pale 12 et l'élément d'entrainement 16 vers l'extérieur, selon l'axe X12, comme représenté par la flèche F. Ce mouvement amène le tourillon 15 en butée contre l'épaulement 162 du moyeu 11. Le vissage de l'outil 5 dans le taraudage 156 est poursuivi après que le tourillon 15 soit en butée contre l'épaulement 162 du moyeu 11, de manière à mettre en compression l'outil 5. L'outil 5 exerce ainsi une force sur le tourillon 15, orientée selon l'axe X12 vers l'extérieur. La direction de cette force est celle de l'outil 5, qui s'étend le long de l'axe X12. Cette force maintient efficacement la pale 12 dans une position de sortie maximale. Dans cette position, le jeu fonctionnel entre le tourillon 15 et le moyeu 11 est situé entre le fond 104 de l'alésage 102 et la deuxième partie 153 du tourillon 15. Dans une quatrième étape d), chaque outil 5 est immobilisé par rapport au tourillon 15, par exemple au moyen d'au moins un écrou 6 vissé sur la partie filetée 52 de chaque outil 5 qui dépasse à l'extérieur du tourillon 15, à l'aide d'un outil de serrage approprié tel qu'une clé à empreinte hexagonale. Par exemple, on peut utiliser un écrou 6 et un contre écrou 6' pour assurer un maintien en position efficace du tourillon 15. Dans une cinquième étape e), une pale 12 est assemblée au tourillon 15 au moyen des vis 151. Les étapes a), b), c), d) et e) sont exécutées pour toutes les pales 12 de la roue 4. Ainsi, toutes les pales 12 sont immobilisées dans une position de sortie maximale selon l'axe X12. Cette position correspond à l'utilisation de la turbine 1. En effet, en service, la force centrifuge résultant de la rotation de la roue 4 autour de l'axe Z-Z' tend à faire sortir les pales 12 du moyeu 11 selon l'axe X12. Les outils 5 permettent de maintenir en position les pales 12 de manière efficace par rapport au moyeu 11, même lorsque des efforts sont appliqués. Dans une sixième étape f), qui a lieu de préférence lorsque les étapes a), b), c), d) et e) ont été exécutées pour toutes les pales 12 de la roue 4, le bord radial externe 124 de chaque pale 12 est usiné de manière à lui conférer sa géométrie définitive. Etant donné que les pales 12 sont maintenues dans leur position de fonctionnement pendant l'usinage de leurs bords radiaux externes 124, la valeur de l'espace libre A, mesuré radialement par rapport à l'axe Z-Z', entre le bord radial externe 124 des pales 12 et le conduit d'écoulement 2, est maitrisée précisément. En effet, grâce à l'outil 5, les pales 12 sont sorties au maximum, dans une position où l'espace libre A est est égal à sa valeur de fonctionnement. De cette manière, le rendement de la turbine 1 peut être optimisé. Dans une septième étape g), qui a lieu après les étapes a), b), c), d) et e), chaque pale 12 est démontée en dévissant les vis 151, puis chaque outil 5 est démonté en dévissant d'abord les écrous 6 et 6', puis en dévissant les outils 15. Ensuite, chaque pale 12 est remontée à l'aide des vis 151. L'invention est applicable indépendamment du nombre de pales de la roue 4, une roue de turbine Kaplan ayant en général entre trois et sept pales. REVENDICATIONS1.- Procédé de fabrication d'une roue (4) de turbine hydraulique (1) de type Kaplan, la roue (4) comprenant un moyeu (11) et des pales (12) articulées en rotation par rapport au moyeu (11) autour d'un axe (X12), chaque pale (12) étant fixée à un tourillon (15) traversé par un trou (153) comportant un taraudage (156), caractérisé en ce qu'il comprend des étapes dans lesquelles : a) au moins l'un des tourillons (15) est assemblé à un élément d'entrainement (16) et est monté dans un alésage (102) ménagé dans le moyeu (11), b) un outil (5) comportant une partie filetée (52) est inséré dans le trou (153) de chaque tourillon (15), c) la partie filetée (52) de l'outil (5) est vissé dans un taraudage (156) du tourillon (15) jusqu'à ce que l'outil (5) soit mis en compression, d) l'outil (5) est immobilisé par rapport au tourillon (15), e) une pale (12) est assemblée au tourillon (15), f) un bord radial externe (124) de chaque pale (12) est usiné. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à la fin de l'étape c), une extrémité (53) de l'outil (5) est en appui contre une surface de butée (104) de l'alésage (102) du moyeu (11). 3.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans l'étape d), au moins un et de préférence deux écrous (6, 6') sont vissés sur la partie filetée (52) de l'outil (5). 4.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au terme de l'étape c), l'outil (5) exerce sur le tourillon (15) une force orientée le long de l'axe (X12) et dirigée vers l'extérieur, qui tend à déplacer l'ensemble formé par le tourillon (15), l'élément d'entrainement (16) et la pale (12) contre une butée du moyeu (11). 5.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes a), b), c), d) et e) sont exécutées chacune pour toutes les pales (12) de la roue (4), avant l'étape f). 35 6.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire g), postérieure à l'étape f), dans laquelle chaque 30pale (12) est démontée, chaque outil (5) est démonté puis chaque pale (12) est remontée. 7.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au terme de l'étape e), la translation de l'ensemble formé par le tourillon (15), l'élément d'entrainement (16) et la pale (12) le long de l'axe (X12) et vers l'intérieur est bloquée par une contre-butée (161) du moyeu (11). 8.- Turbine hydraulique de type Kaplan, caractérisée en ce qu'elle comprend une roue (4) fabriquée au moyen d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 7. 9.- Turbine hydraulique selon la revendication 8, caractérisée en ce que la longueur (L5) de l'outil (5) est strictement supérieure à la longueur (L15) du tourillon (15), mesurée le long de l'axe (X12). 10.- Outil (5) de fabrication d'une roue (4) de turbine hydraulique (1) de type Kaplan, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'une tige comportant : - une partie filetée (52) complémentaire à un taraudage (156) ménagé dans un trou (155) traversant un tourillon (15) de la roue (4), et - une extrémité (53) d'appui contre le fond (104) d'un alésage (102) de réception du tourillon (15), ménagé dans un moyeu (11) de la roue (4).