Brevet FR2999660A1 — publié le 20140620

ROUE DE TYPE FRANCIS POUR TURBINE ET INSTALLATION DE CONVERSION D'ENERGIE COMPRENANT UNE TELLE ROUE L'invention a trait à une roue de type Francis pour turbine et à une installation de conversion d'énergie comprenant une telle roue. Les roues de type Francis peuvent équiper différentes sortes de machines hydrauliques telles que des turbines, des pompes ou des turbines pompes. Elles comprennent des aubes réparties autour d'un arbre central de rotation et définissant entre elles des conduits d'écoulement d'eau. La géométrie des aubes de ces roues est définie pour que l'écoulement de l'eau induise un couple de rotation sur la roue lors de son utilisation en mode turbine. Un enjeu persistant pour les roues de type Francis pour turbine est de contrôler le flux passant par ces roues et de l'optimiser à la fois au point de meilleur rendement et sous charge totale et partielle. Pour améliorer le fonctionnement d'une roue de type Francis, il est connu, par exemple de US-A-4 017 211, d'utiliser des ailettes globalement triangulaires, fixées sur la partie basse du plafond en sortie des aubes permettant de dévier le flux de sortie des aubes pour éliminer tout flux tourbillonnaire. Cette structure de roue nécessite l'ajout d'ailettes au niveau du plafond qui peuvent créer une certaine discontinuité dans l'écoulement, qui complexifient la structure de la roue et qui sont des éléments supplémentaires à fabriquer et à assembler à part. Il est par ailleurs connu de EP-A-0 930 432 de modifier toutes les aubes d'une roue de type Francis pour turbine en ajoutant un point d'inflexion sur leurs bords de fuite, au voisinage du plafond. Cette géométrie des aubes permet de relâcher les contraintes mécaniques au niveau de la roue mais induit une discontinuité dans l'écoulement en aval de la roue. En outre cette structure d'aube peut poser un problème d'encombrement des aubes sur le plafond de la roue car les points d'attache des bords de fuite de toutes les aubes sur le plafond sont concentrés sur une petite surface. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une nouvelle roue de type Francis pour turbine dont l'écoulement est optimisé, à la fois au point de meilleur rendement et sous charge totale et partielle, sans ajout de pièces supplémentaires et sans induire de problème particulier d'encombrement. A cet effet, l'invention concerne une roue de type Francis pour turbine, cette roue comprenant un plafond, une ceinture et des aubes, en nombre non premier, qui sont monoblocs et s'étendent entre le plafond et la ceinture et entre un bord d'attaque et un bord de fuite, chaque bord de fuite ayant sa concavité tournée vers l'amont sur toute sa longueur. Conformément à l'invention, des premières aubes régulièrement réparties autour d'un axe central de la roue, en nombre égal à un diviseur du nombre total d'aubes, ont un point d'attache de leur bord de fuite sur le plafond abaissé par rapport au point d'attache du bord de fuite sur le plafond de deuxièmes aubes, alors que le rapport entre, d'une part, le rayon d'un cercle centré sur l'axe central de la roue perpendiculaire à cet axe et passant par le point d'attache du bord de fuite d'une première aube sur le plafond et, d'autre part, le rayon d'un cercle centré sur l'axe central de la roue, perpendiculaire à cet axe et passant par le point d'attache du bord de fuite de la même aube sur la ceinture est inférieur à 0,15. Grâce à l'invention, la présence de premières aubes permet le guidage de l'écoulement dans la partie centrale en sortie des aubes de la roue sans utiliser d'éléments rapportés qui pourraient créer une discontinuité. On peut ainsi optimiser l'écoulement et réduire la pression des pulsations qui peuvent se produire en sortie de la roue et donc améliorer le rendement de la turbine. D'autre part, le fait que la roue soit constituée de premières aubes mais aussi de deuxièmes aubes facilite l'opération de soudage des aubes sur le plafond. La proportion d'éléments solides au centre de la roue n'est pas trop importante, ce qui favorise le guidage de l'eau dans la partie centrale à la sortie des aubes. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention une telle roue de type Francis peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : - Le rapport entre, d'une part, le rayon du cercle centré sur l'axe central de la roue, perpendiculaire à cet axe et passant par le point d'attache du bord de fuite d'une première aube sur le plafond et, d'autre part, le rayon du cercle centré sur l'axe central de la roue, perpendiculaire à cet axe et passant par le point d'attache du bord de fuite de la même aube sur la ceinture est inférieur à 0,1 de préférence inférieur à 0,05. - Le rapport entre, d'une part, le rayon du cercle centré sur l'axe central de la roue, perpendiculaire à cet axe et passant par le point d'attache du bord de fuite d'une première aube sur le plafond et, d'autre part, le rayon du cercle centré sur l'axe central de la roue, perpendiculaire à cet axe et passant par le point d'attache du bord de fuite d'une deuxième aube sur le plafond est inférieur à 0,75, de préférence compris entre 0,25 et 0,50. - Les points d'attache des bords de fuite sur la ceinture de toutes les aubes sont sur un même cercle centré sur l'axe central de la roue et perpendiculaire à cet axe. - Le rapport entre l'aire d'une surface latérale d'une première aube et l'aire d'une surface latérale d'une deuxième aube est compris entre 1,05 et 1,50 de préférence entre 1,20 et 1,50, de préférence encore de l'ordre de 1,30. - La périodicité des premières aubes autour de l'axe central est supérieure à la périodicité des deuxièmes aubes, de préférence au moins deux fois supérieure. - La périodicité du nombre total d'aubes est de 2u/15 et la périodicité du nombre de premières aubes est de 217/3 ou 217/5. En variante, la périodicité du nombre total d'aubes est de 2u/12 et la périodicité du nombre de premières aubes est de 217/3 ou 217/4. L'invention concerne également une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique comprenant une turbine équipée d'une roue telle que mentionnée ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'une roue de turbine Francis et d'une installation conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique de principe, en section axiale, d'une installation conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective par le dessous de la roue de turbine Francis de l'installation de la figure 1, cette roue étant conforme à l'invention ; - la figure 3 est une coupe méridienne de la roue de la figure 2. L'installation 100 représentée à la figure 1 comprend une turbine 101 de type Francis dont la roue 1 est destinée à être mise en rotation autour d'un axe vertical X1 par un écoulement forcé d'eau E provenant d'une retenue d'eau non représentée. A la figure 1, pour la clarté du dessin, la roue 1 est représentée en vue extérieure. Un arbre 103 supporte la roue 1 et est couplé à un alternateur 104 qui délivre un courant alternatif à un réseau non représenté. L'installation permet donc de convertir l'énergie hydraulique de l'écoulement E en énergie électrique. L'installation 100 peut comprendre plusieurs turbines 101 alimentées à partir de la même retenue d'eau. En variante, l'arbre 103 peut être couplé à un ensemble mécanique auquel cas l'installation 100 convertit l'énergie hydraulique de l'écoulement E en énergie mécanique. En variante, la turbine 101 est une turbine pompe, auquel cas elle peut également fonctionner en mode pompe c'est-à-dire dans un mode où la roue 1 est entrainée en rotation par l'alternateur 104 dans le sens de rotation inverse au sens de rotation lorsque la turbine pompe fonctionne en mode turbine. En mode pompe l'alternateur 104 fonctionne alors en moteur, pour déplacer une quantité d'eau vers la retenue d'eau non représentée. L'eau s'écoule alors dans le sens inverse des flèches E sur la figure 1. Dans la variante où l'arbre 103 est couplé à un ensemble mécanique et que la turbine 101 est une turbine-pompe fonctionnant en mode pompe, la roue 1 est entrainée par cet ensemble mécanique. Une conduite forcée 105 permet d'amener l'écoulement E à la roue 1 lorsque la turbine-pompe fonctionne en mode turbine. La conduite 105 s'étend entre la retenue d'eau et une bâche 106 équipée de directrices 107 qui régulent l'écoulement E. Un conduit d'aspiration 108 est prévu en aval de la turbine dans le sens de l'écoulement E pour évacuer cet écoulement et le renvoyer vers le lit d'une rivière, d'un fleuve ou d'un réservoir aval. La roue 1 représentée à la figure 1 comprend des aubes 2 réparties autour de l'axe central X1 de rotation de la roue 1. Un plafond 3 est prévu en partie supérieure radiale interne de la roue 1, alors qu'une ceinture 4 borde la partie inférieure, radiale et externe des aubes 2. Un conduit d'écoulement 5 est ainsi défini entre chaque paire de deux aubes adjacentes 2, ce conduit étant bordé par le plafond 3 et la ceinture 4. Le nombre total d'aubes 2 de la roue 1 représentée aux figure 1, 2 et 3 est de quinze, sachant qu'on pourrait avoir un autre nombre total d'aubes, non premier, tels que 12, 18 ou 24. Les aubes 2 sont de deux sortes, à savoir des premières aubes 2A et des deuxièmes aubes 2B. Le nombre de premières aubes 2A est un diviseur du nombre total d'aubes 2, de même que le nombre de deuxièmes aubes 2B est un diviseur du nombre total d'aubes 2. Les aubes 2A sont identiques entre elles, de même que les aubes 2B. Les aubes 2A et 2B sont régulièrement réparties autour de l'axe X1, ce qui est possible grâce au fait que les nombres d'aubes 2A et 2B divisent le nombre total d'aubes. Dans l'exemple, la roue 1 comporte cinq premières aubes 2A et dix deuxièmes aubes 2B, avec une succession de mêmes groupes comprenant chacun une première aube 2A et deux deuxièmes aubes 2B. Comme représenté à la figure 3, les premières aubes 2A comprennent chacune un bord d'attaque 6A et un bord de fuite 7A, alors que les deuxièmes aubes 2B comprennent chacune un bord d'attaque 6B et un bord de fuite 7B. Les bords d'attaque 6A et 6B et les bords de fuite 7A et 7B sont tendus entre le plafond 3 et la ceinture 4, sans point d'inflexion. La concavité de ces bords est tournée vers l'amont de l'écoulement E sur toute leur longueur. On note respectivement MA et NA les points d'attache d'un bord d'attaque 6A sur le plafond 3 et sur la ceinture 4. On note respectivement Mg et NB les points d'attache d'un bord d'attaque 6B sur le plafond 3 et sur la ceinture 4. Les bords d'attaques 6A et 6B ont la même géométrie et les points d'attache MA et Mg sont disposés sur un même cercle géométrique centré sur l'axe X1 et perpendiculaire à cet axe, dont on note Rm le rayon. De même, les points d'attache NA et NB sont disposés sur un même cercle centré sur et perpendiculaire à l'axe X1, dont on note RN le rayon. On note respectivement PA et QA les points d'attache d'un bord de fuite 7A sur le plafond 3 et sur la ceinture 4. On note respectivement Pg et Qg les points d'attache d'un bord de fuite 7B sur le plafond 3 et sur la ceinture 4. Les points d'attache QA et Qg sont disposés sur un même cercle géométrique CQ centré sur et perpendiculaire à l'axe X1, dont on note RQ le rayon. Les points d'attache PA sont situés sur un même cercle géométrique CpA centré sur et perpendiculaire à l'axe X1, dont on note RpA le rayon. Les points d'attache Pg sont situés sur un même cercle géométrique Cpg centré sur et perpendiculaire à l'axe X1, dont on note Rpg le rayon. Les cercles CQ, CpA, Cpg sont visibles à la figure 2, alors que les rayons RQ, RpA et Rpg sont visibles à la figure 3. La valeur du rayon RpA est choisie inférieure à la valeur du rayon Rpg. Ainsi, un point d'attache PA d'une aube 2A est situé, par rapport à un point d'attache Pg d'une aube 2B, plus près de l'axe X1 et plus bas en configuration d'utilisation de la roue 1. En d'autres termes, les premières aubes 2A ont leurs points d'attache PA abaissés et plus proches de l'axe X1 par rapport aux points d'attache Pg des aubes 2B. La géométrie des aubes 2A est telle qu'elles guident l'écoulement E jusqu'au voisinage immédiat de l'axe X1, ce qui stabilise cet écoulement. On remarque que l'aire AA d'une surface latérale d'une première aube 2A est plus importante que l'aire AB d'une surface latérale d'une deuxième aube 2B De plus le rapport entre l'aire AA d'une surface latérale d'une première aube 2A et l'aire AB d'une surface latérale d'une deuxième aube 2B est choisi de façon a être compris entre 1,05 et 1,50 de préférence entre 1,20 et 1,50. En pratique, la valeur de ce rapport est avantageusement de l'ordre de 1,30. Pour conférer une efficacité suffisante aux premières aubes 2A de la roue 1 le rapport entre le rayon RpA et le rayon RQ est choisi inférieur à 0,15. En pratique ce rapport peut être choisi inférieur à 0,1 et même inférieur à 0,05. On peut en outre prévoir que le rapport entre les rayons RIDA et Rpg est inférieur à 0,75, de préférence compris entre 0,25 et 0,50. Par ailleurs, le fait d'avoir une alternance de premières aubes 2A et de deuxièmes aubes 2B comme représenté à la figure 2 facilite l'opération de soudage des aubes 2 au plafond 3 car, s'il y avait uniquement des premières aubes 2A, l'opération de soudage serait très difficile puisqu'on aurait un nombre important d'aubes à souder sur une petite surface. En outre, les premières aubes 2A et les deuxièmes aubes 2B sont distribuées de façon régulière autour de l'axe central X1 de la roue 1, ce qui permet de conserver l'équilibre statique de la roue 1. A la figure 2 la périodicité du nombre total d'aubes 2 est de 2u/15 et la périodicité du nombre de premières aubes 2A est de 217/5. Cette figure ne présente qu'un choix possible, on pourrait aussi avoir une périodicité de premières aubes 2A égal à 217/3. En variante, le nombre total d'aubes peut être différent de 15, par exemple égal à 9, 12, 18 ou 24. La répartition entre premières aubes 2A et deuxièmes aubes 2B est alors adaptée. Par exemple, dans le cas d'une roue à 12 aubes, c'est-à-dire une roue dont la périodicité du nombre total d'aubes 2 est égal à 2u/12, la périodicité du nombre de premières aubes 2A est égal à 217/3 ou 217/4. La périodicité du nombre de premières aubes 2A est choisie supérieure à celle du nombre total d'aubes 2 de préférence au moins deux fois supérieure. REVENDICATIONS1.- Roue (1) de type Francis pour turbine, cette roue comprenant un plafond (3), une ceinture (4) et des aubes (2A, 2B), en nombre non premier, qui sont monoblocs et s'étendent entre le plafond et la ceinture et entre un bord d'attaque (6A, 6B) et un bord de fuite (7A, 7B), chaque bord de fuite ayant sa concavité tournée vers l'amont sur toute sa longueur, caractérisée en ce que des premières aubes (2A) régulièrement réparties autour d'un axe central (X1) de la roue et en nombre égal à un diviseur du nombre total d'aubes (2) ont un point d'attache (PA) de leur bord de fuite (7A) sur le plafond (3) abaissé par rapport au point d'attache (PB) du bord de fuite (7B) sur le plafond de deuxièmes aubes (2B) et en ce que le rapport entre, d'une part, le rayon (RIDA) d'un cercle (CBA) centré sur l'axe central (X1) de la roue, perpendiculaire à cet axe et passant par le point d'attache (PA) du bord de fuite (7A) d'une première aube (2A) sur le plafond et, d'autre part, le rayon (F10) d'un cercle (C0) centré sur l'axe central (X1) de la roue (1), perpendiculaire à cet axe et passant par le point d'attache (QA) du bord de fuite de la même aube sur la ceinture, est inférieur à 0,15. 2.- Roue de type Francis pour turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport entre, d'une part, le rayon (RIDA) du cercle (CBA) centré sur l'axe central (X1) de la roue (1), perpendiculaire à cet axe et passant par le point d'attache (PA) du bord de fuite (7A) d'une première aube (2A) sur le plafond (3) et, d'autre part, le rayon (F10) du cercle (C0) centré sur l'axe central (X1) de la roue (1), perpendiculaire à cet axe et passant par le point d'attache (QA) du bord de fuite (7A) de la même aube sur la ceinture (4) est inférieur à 0,1, de préférence inférieur à 0,05. 3.- Roue de type Francis pour turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rapport entre, d'une part, le rayon (RIDA) du cercle (CBA) centré sur l'axe central (X1) de la roue (1), perpendiculaire à cet axe et passant par le point d'attache (PA) du bord de fuite (7A) d'une première aube (2A) sur le plafond (3) et, d'autre part, le rayon (R%) d'un cercle (CpB) centré sur l'axe central (X1) de la roue (1), perpendiculaire à cet axe et passant par le point d'attache (PB) du bord de fuite (7B) d'une deuxième aube (2B) sur le plafond (3) est inférieur à 0,75, de préférence compris entre 0,25 et 0,50. 4.- Roue de type Francis pour turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les points d'attache (QA, QB) des bords de fuite (7A, 7B) sur la ceinture (4) de toutes les aubes (2A, 2B) sont sur un même cercle (Ce) centré sur l'axe central (X1) de la roue (1) et perpendiculaire à cet axe. 5.- Roue de type Francis pour turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rapport entre l'aire (AA) d'une surface latérale d'une première aube (2A) et l'aire (AB) d'une surface latérale d'une deuxième aube (2B) est compris entre 1,05 et 1,50 de préférence entre 1,25 et 1,50, de préférence encore de l'ordre de 1,30. 6.- Roue de type Francis pour turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la périodicité des premières aubes (2A) autour de l'axe central (X1) est supérieure à la périodicité des deuxièmes aubes (2B), de préférence au moins deux fois supérieure. 7.- Roue de type Francis pour turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la périodicité du nombre total d'aubes (2A, 2B) est de 2u/15 et la périodicité du nombre de premières aubes (2A) est de 217/3 ou 217/5. 20 8.- Roue de type Francis pour turbine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la périodicité du nombre total d'aubes (2A, 2B) est de 2u/12 et la périodicité du nombre de premières aubes (2A) est de 217/3 ou 217/4. 9.- Installation (100) de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou 25 mécanique comprenant une turbine caractérisée en ce que la turbine comprend une roue (1) de type Francis selon l'une des revendications précédentes. 10 15