Brevet FR3010460A1 — publié le 20150313

INJECTEUR HYDRAULIQUE DE TURBINE PELTON ET METHODE DE DEMONTAGE PARTIEL D'UN TEL INJECTEUR La présente invention concerne un injecteur hydraulique de turbine Pelton ainsi qu'une méthode de démontage partiel d'un tel injecteur. Un injecteur de turbine Pelton comprend de manière connue une buse qui est centrée sur un axe central d'injection, un fourreau, qui est disposé coaxialement à l'intérieur de la buse et une aiguille qui est fixée à une extrémité du fourreau suivant l'axe central. L'eau est injectée entre l'aiguille et la buse et forme, en sortie de l'injecteur, un jet qui est dirigé selon l'axe central d'injection et qui percute les augets de la roue de la turbine. Plusieurs injecteurs répartis autour de la roue permettent donc d'entraîner la roue en rotation par transformation de l'énergie hydraulique en énergie mécanique. Cette énergie mécanique est éventuellement convertie en énergie électrique au moyen d'un alternateur. Actuellement, l'aiguille est fixée au fourreau de l'injecteur par boulonnage. Cela permet d'éviter que l'aiguille se déchausse du fourreau sous la pression hydraulique. Cependant, l'aiguille d'un injecteur s'use rapidement au contact de l'eau car l'écoulement traversant la turbine véhicule souvent du sable ou tout autre produit abrasif susceptible de détériorer l'aiguille. Ainsi, il est nécessaire de nettoyer, réparer ou remplacer de manière récurrente l'aiguille d'un injecteur. Pour cela, l'aiguille doit être démontée du fourreau. Or, bien que la solution vissée de l'aiguille sur le fourreau donne satisfaction en termes de résistance mécanique, cette solution n'est pas pratique pour démonter l'aiguille. En effet, les boulons sont difficilement accessibles pour un opérateur et le temps de démontage de l'aiguille est long. Or, pendant le démontage de l'aiguille, la turbine ne fonctionne pas et la production électrique est arrêtée. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un injecteur de turbine Pelton dont le démontage de l'aiguille par rapport au fourreau est facilité et plus rapide. A cet effet l'invention concerne un injecteur hydraulique de turbine Pelton, comprenant une buse, centrée sur un axe central d'injection, un fourreau, qui est disposé coaxialement à l'intérieur de la buse, et une aiguille, qui est montée de manière amovible par rapport au fourreau suivant l'axe central d'injection. Conformément à l'invention, l'aiguille est pivotable par rapport au fourreau autour de l'axe central entre une première position, dans laquelle elle est solidaire axialement du fourreau, et une deuxième position, dans laquelle elle peut être dégagée axialement du fourreau. Grâce à l'invention, l'aiguille de l'injecteur se démonte simplement en la faisant tourner autour de l'axe central de sa première position vers sa deuxième position. Dans cette deuxième position, elle peut être retirée du fourreau par un mouvement de translation axiale. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un injecteur de turbine Pelton peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : L'aiguille coiffe le fourreau et son pivotement s'effectue autour du fourreau. L'aiguille porte, sur sa surface interne, au moins une nervure qui fait saillie radialement vers l'axe central et qui s'étend selon une direction périphérique à l'axe central, alors qu'une rainure s'étend axialement à l'extrémité du fourreau et débouche sur un logement périphérique, la rainure et le logement périphérique étant adaptés pour guider la nervure de l'aiguille lors d'un mouvement de pivotement relatif entre l'aiguille et le fourreau. - La nervure s'étend sur un secteur angulaire, centré sur l'axe central, dont l'angle au sommet, est sensiblement égal ou inférieur à l'ouverture angulaire, prise selon une direction périphérique à l'axe central, de la rainure. La nervure présente une épaisseur, mesurée parallèlement à l'axe central, qui est sensiblement égale, à la largeur, mesurée parallèlement à l'axe central, du logement périphérique. - L'injecteur comprend des moyens de verrouillage de l'aiguille dans sa première position, ces moyens solidarisant l'aiguille et le fourreau en rotation autour de l'axe central. - Les moyens de verrouillage comprennent une clavette, qui est adaptée pour être insérée radialement à travers l'aiguille dans un logement prévu dans le fourreau lorsque l'aiguille est dans sa première position. Les moyens de verrouillage comprennent au moins une bille et un ressort, qui sont intercalés axialement entre une nervure de l'aiguille et le fourreau, le ressort exerçant un effort axial de charge élastique sur la bille pour maintenir la bille dans un logement de la nervure. L'invention concerne également une turbine Pelton, comprenant une roue pourvue de plusieurs augets et des injecteurs hydraulique, les augets entraînant la roue autour d'un axe de rotation sous l'action de jets d'eau émis par les injecteurs en direction des augets, les injecteurs étant tels que décrits ci-dessus. L'invention concerne enfin une méthode de démontage partiel d'un injecteur comprenant des étapes consistant à : a) faire pivoter l'aiguille autour de l'axe central d'injection de sa première position à sa deuxième position, et b) dégager axialement l'aiguille du fourreau de l'injecteur. Selon un aspect avantageux mais non obligatoire de cette méthode, elle comprend une étape antérieure à l'étape a) consistant à désactiver les moyens de verrouillage pour autoriser le pivotement de l'aiguille entre sa première position et sa deuxième position. L'invention 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'un injecteur de turbine Pelton 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 de principe d'une turbine Pelton comprenant des injecteurs conformes à l'invention, - la figure 2 est une vue de détail de l'encadré II de la figure 1, - la figure 3 est une vue à plus grande échelle de l'encadré III de la figure 2, - la figure 4 est une vue en perspective en configuration éclatée d'un fourreau et d'une aiguille appartenant tous deux à l'injecteur de la figure 2, - la figure 5 est une vue en configuration assemblée et avec arrachement partiel, du fourreau et de l'aiguille de la figure 3, - la figure 6 est une coupe selon la ligne VI-VI à la figure 2, dans laquelle seuls le fourreau et l'aiguille sont représentés, - la figure 7 est une coupe analogue à la figure 6 dans laquelle l'aiguille a été basculée en vue d'être démontée du fourreau, - la figure 8 est une coupe analogue à la figure 2 pour un injecteur conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention, et - la figure 9 est une vue à plus grande échelle de l'encadré IX de la figure 7. Sur la figure 1 est représentée une turbine Pelton T. Cette turbine Pelton T comprend une roue R pourvue de plusieurs augets 1 régulièrement répartis sur toute la périphérie de la roue R. La roue R est solidaire en rotation d'un arbre 3 qui est disposé au centre de la roue R et qui est centré sur un axe de rotation X-X. Quatre injecteurs 2 sont répartis autour de la roue R et sont conçus pour produire un jet d'eau J venant percuter le fond des augets 1 de la roue R. De cette manière, l'énergie hydraulique procurée par l'impact des jets J sur les augets 1 entraîne la roue R en rotation autour de l'axe X-X. L'arbre 3 est éventuellement relié à un alternateur de manière à convertir l'énergie hydraulique en énergie électrique. En variante, le nombre des injecteurs 2 peut être différent de quatre. Tous les injecteurs sont identiques. Un seul d'entre eux est décrit ci-après. Dans ce document, l'avant d'un injecteur désigne la direction amont et l'arrière désigne la direction aval. Sur la figure 2 est représenté un injecteur 2 en détail. Cet injecteur 2 comprend une buse 4 qui est centrée sur un axe central d'injection Y2 qui définit la direction du jet J. Un fourreau 8 est disposé coaxialement à l'intérieur de la buse 4 et une aiguille 10 est montée de manière amovible à une extrémité du fourreau 8. Le fourreau 8 présente globalement une géométrie cylindrique à section circulaire, centrée sur l'axe Y2, alors que l'aiguille 10 présente une géométrie conique et creuse. On note 102 la surface externe conique de l'aiguille 10 et 106 la surface interne conique de l'aiguille 10. Le fourreau 8 est également creux et contient une tige 12 qui est fixée au fourreau 8 par l'intermédiaire d'un boulon 14. Ainsi, le déplacement de la tige 12 suivant l'axe Y2 entraîne également le déplacement du fourreau 8. Le fait de déplacer l'ensemble formé par le fourreau 8 et l'aiguille 10 permet de modifier le débit d'eau en sortie de l'injecteur 2. En pratique, ce débit d'eau est ajusté pour maintenir la roue R en rotation à vitesse constante. Un écoulement d'eau E traversant la turbine T provient par exemple d'une retenue d'eau en amont et débouche dans les injecteurs 2 entre le fourreau 2 et la buse 4. L'écoulement E est représenté à la figure 2 uniquement pour la compréhension car, dans la configuration de la figure 2, il n'y a pas d'écoulement d'eau puisque l'injecteur 2 ne fonctionne pas. Un embout 6 est disposé entre la buse 4 et l'aiguille 10. On note 62 la surface interne globalement tronconique de l'embout 6. Dans la configuration de la figure 2, l'injecteur 2 ne fonctionne pas car la surface externe 102 de l'aiguille 10 est au contact de la surface interne 62 de l'embout 6. Le déplacement de l'aiguille 10 par rapport à l'embout 6 vers l'arrière, c'est-à-dire en amont, autorise l'écoulement d'eau entre les surfaces 62 et 102 et entraîne la formation du jet J. Comme visible à la figure 3, une clavette 24 est insérée radialement à l'axe Y2 à travers l'aiguille 10 et est encastrée dans un logement borgne 84 du fourreau 8 et dans un perçage traversant 104 de l'aiguille 10, de manière à solidariser en rotation le fourreau 8 et l'aiguille 10 autour de l'axe Y2. Comme visible à la figure 4, l'aiguille 10 présente un orifice 010 conçu pour accueillir l'extrémité du fourreau 8. Ainsi, en configuration montée de l'aiguille 10 sur le fourreau 8, l'aguille 10 coiffe l'avant du fourreau 8. En d'autres termes, l'aiguille 10 entoure le fourreau 8. A l'intérieur de l'aiguille 10, c'est-à-dire sur la surface radiale interne 106 de l'aiguille 10, sont disposées deux nervures intérieures 16 qui font saillie radialement vers l'axe central Y2. Ces nervures 16 sont disposées de manière diamétralement opposée par rapport à l'axe Y2 et s'étendent selon une direction périphérique à l'axe Y2. En pratique, les nervures 16 s'étendent sur un secteur angulaire, centré sur l'axe Y2, dont l'angle au sommet A16, mesuré dans un plan perpendiculaire à l'axe Y2, est compris entre 45° et 90°, notamment d l'ordre de 60°. Le fourreau 8 comporte un plateau 20 qui est disposé en partie avant du fourreau 8 mais à l'arrière du boulon 14. Le contour du plateau 20 est complémentaire de celui de l'orifice 010, lorsque l'on coupe l'aiguille 10 selon un plan qui est perpendiculaire à l'axe Y2 et qui est pris axialement au niveau des nervures 16. En effet, le plateau 20 présente deux rainures 18, qui s'étendent de manière périphérique à l'axe Y2 sur un secteur angulaire centré sur l'axe Y2, dont l'angle au sommet A18 est sensiblement égal ou légèrement supérieur à l'angle A16 des nervures 16 de l'aiguille 10. En pratique, l'angle A18 est compris entre 47° et 92°, de préférence del'ordre de 62 °. L'angle A18 représente l'ouverture angulaire de la rainure 18, cette ouverture étant mesurée selon une direction périphérique à l'axe central Y2. Ainsi, l'aiguille 10 peut être montée sur le fourreau 8 lorsque les nervures 16 sont alignées avec les rainures 18. Les rainures 18 définissent entre elles des oreilles 21. Comme visible à la figure 4, le plateau 20 fait saillie avec le reste du fourreau 8 de sorte qu'il délimite un logement périphérique 23. Ce logement périphérique 23 est disposé à l'arrière du plateau 20, plus précisément entre le plateau 20 et un épaulement radial externe 22 du fourreau 8. Ce logement 23 présente une largeur e23, mesurée parallèlement à l'axe Y2, qui correspond à la distance entre le plateau 20 et l'épaulement 22. Cette largeur e23 est légèrement supérieure ou égale à l'épaisseur e16, également mesurée parallèlement à l'axe Y2, des nervures 16 de l'aiguille 10. Ce logement 23 est interrompu au niveau des rainures 18. Il est en pratique formé de deux tronçons de gorge périphérique respectivement disposés en arrière des oreilles 21. Ainsi, pour monter l'aiguille 10 sur le fourreau 8, il convient d'abord de positionner axialement l'aiguille 10 sur le fourreau 8 en prenant soin d'aligner les nervures 16 avec les rainures 18 et d'appliquer un effort de poussée en direction du fourreau 8 de manière que les nervures 16 coulissent axialement dans les rainures 18 et parviennent au niveau du logement périphérique 23. Ensuite, un couple Cl est exercé sur l'aiguille 10 pour l'entraîner en rotation R1, c'est-à-dire pour la pivoter, autour de l'axe central Y2 de sorte que les nervures 16 glissent autour du fourreau 8 dans le logement 23. Les rainures 18 sont donc des rainures de guidage axial alors que le logement 23 correspond à une rainure de guidage périphérique en rotation des nervures 16 autour du fourreau 8. Comme visible à la figure 6, lorsque les nervures 16 de l'aiguille 10 sont engagées dans le logement périphérique 23, les oreilles 21 du plateau 20 s'opposent à un mouvement de retrait axial de l'aiguille 10 vers l'avant. On parle d'une fixation de type baïonnette. Autrement dit, l'engagement des nervures 16 dans le logement périphérique 23 entraine la solidarisation axiale de l'aiguille 10 avec le fourreau 8. L'aiguille 10 est par ailleurs pivotée autour de l'axe Y2 jusqu'à ce que le perçage 104 de l'aiguille 10 soit radialement aligné avec le logement borgne 84 du fourreau 8. La clavette 24 est ensuite insérée dans le perçage 104 et engagée dans le logement 84 pour empêcher l'aiguille 10 de basculer autour du fourreau 8. On prévient ainsi le déchaussement de l'aiguille 10 sous la pression de l'écoulement E. La clavette 24 forme donc avec le perçage 104 et le logement 84 des moyens de verrouillage M1 de l'aiguille 10 lorsque celle-ci est montée sur le fourreau 8. Cette clavette 24 solidarise en rotation l'aiguille 10 et le fourreau 8 autour de l'axe Y2. Pour démonter l'aiguille 10 du fourreau 8, il convient en premier lieu de désactiver les moyens de verrouillage Ml. Pour ce faire, la clavette 24 est retirée par l'opérateur de manière à rendre l'aiguille 10 libre de tourner autour du fourreau 8. Ensuite, un couple C2 est appliqué sur l'aiguille 10 autour de l'axe Y2 pour pivoter angulairement l'aiguille 10 selon un mouvement de rotation R2. Ainsi, l'aiguille 10 pivote d'une première position, qui est représentée à la figure 6 et dans laquelle l'aiguille 10 est solidaire axialement du fourreau 8, à une deuxième position représentée à la figure 7. Sur les figures 6 et 7, le couple C2 est en sens opposé au couple Cl utilisé pour le montage. En variante, et en tenant compte que le logement 23 débouche dans les rainures 18, il peut être de même sens. Ainsi, les rotations R1 et R2 sont soit en sens opposés, soit de même sens. Ce pivotement de l'aiguille 10 permet d'amener les nervures 16 de l'aiguille 10 en face des rainures 18 du fourreau 8, comme représenté à la figure 7. En pratique, l'aiguille 10 est pivotée d'une amplitude angulaire de l'ordre de l'angle A16. Dans la configuration de la figure 7, il est possible de dégager l'aiguille 10 du fourreau 8 simplement en appliquant un effort axial vers l'avant puisque les nervures 16 peuvent coulisser axialement dans les rainures 18. Sur les figures 8 et 9 est représenté un deuxième mode de réalisation d'un injecteur 2. Dans ce deuxième mode de réalisation, les éléments identiques au premier mode conservent leur référence et les éléments qui sont ajoutés portent d'autres références. La différence avec le premier mode de réalisation est que l'injecteur 2 conforme à ce deuxième mode de réalisation, est équipé de moyens M'l de verrouillage de l'aiguille 10 sur le fourreau 8 qui comprennent une bille 26 et un ressort 28. La bille 26 et le ressort 28 sont intercalés entre une nervure 16 de l'aiguille 10 et l'épaulement 22 du fourreau 8. Plus précisément, la bille 26 et le ressort 28 sont logés dans un trou borgne 84 du fourreau 8. En configuration verrouillée, c'est-à-dire dans la configuration des figures 8 et 9, la bille 26 est engagée partiellement dans un logement borgne 164 de la nervure 16 qui appartient également aux moyens Ut La bille 16 est soumise à un effort F2 de charge élastique vers l'avant qui est exercé par le ressort 28. De cette manière, la bille 26 est maintenue en position engagée dans son logement 164. La bille 26 empêche donc, par défaut, le pivotement de l'aiguille 10 autour de l'axe central Y2. Lors du démontage de l'aiguille 10, un moment important est nécessaire pour désengager la bille 26 du logement prévu dans la nervure 16. Cela constitue une sécurité car l'aiguille 10 ne peut pas tourner par rapport au fourreau 8 seulement sous l'effet de la pression hydraulique. Après que la bille 28 est dégagée du logement, elle ne s'oppose plus au pivotement de l'aiguille 10. Lors du montage de l'aiguille 10 sur le fourreau 8 pour un injecteur conforme au deuxième mode de réalisation, la bille 28 est insérée dans le logement 162 de la nervure 16 par action du ressort 28 lorsque le logement 164 parvient, en fin de course, axialement en regard de la bille 26. Cela marque alors la fin du montage de l'aiguille 10 sur le fourreau 8. En variante non représentée, d'autres moyens de verrouillage en rotation de l'aiguille 10 sur le fourreau 8 peuvent être utilisés. En variante non représentée, le fourreau 8 est creux et présente un orifice dans lequel l'aiguille 10 pénètre si bien que le fourreau 8 entoure l'aiguille 10. Dans ce cas, le fourreau 8 présente une ou plusieurs nervures radiales périphériques définissant entre elles un espace de passage d'une partie saillante de l'aiguille 10. En variante non représentée, l'aiguille 10 porte une seule nervure 16 et une seule rainure 18 est ménagée dans le fourreau 8. De même, l'aiguille 10 peut porter un nombre de nervures 16 strictement supérieur à deux, chaque nervure 16 correspondant avec une rainure 18 du fourreau 8. En variante non représentée, les moyens de verrouillage M'l comportent plusieurs billes 28, chacune adaptée pour être engagée dans un logement borgne 164 des nervures 16. Les caractéristiques techniques des modes de réalisation et variantes envisagés ci-dessus peuvent être combinées entre elles pour donner de nouveaux modes de réalisation de l'invention. REVENDICATIONS1.- Injecteur hydraulique (2) de turbine Pelton (T), comprenant : une buse (4), centrée sur un axe central d'injection (Y2), un fourreau (8), qui est disposé coaxialement à l'intérieur de la buse (4), et une aiguille (10), qui est montée de manière amovible par rapport au fourreau (8) suivant l'axe central d'injection (Y2), caractérisé en ce que l'aiguille (10) est pivotable par rapport au fourreau (8) autour de l'axe central (Y2) entre une première position dans laquelle elle est solidaire axialement du fourreau (8), et une deuxième position dans laquelle elle peut être dégagée axialement du fourreau (8). 2.- Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aiguille (10) porte, sur sa surface interne (106), au moins une nervure (16) qui fait saillie radialement vers l'axe central (Y2) et qui s'étend selon une direction périphérique à l'axe central et en ce qu'une rainure (18) s'étend axialement à l'extrémité du fourreau (8) et débouche sur un logement périphérique (23), la rainure et le logement périphérique étant adaptés pour guider la nervure de l'aiguille lors d'un mouvement de pivotement relatif entre l'aiguille (10) et le fourreau (8). 3.- Injecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la nervure (16) s'étend sur un secteur angulaire, centré sur l'axe central (Y2), dont l'angle (A16) au sommet, est sensiblement égal ou inférieur à l'ouverture angulaire (A18), prise selon une direction périphérique à l'axe central, de la rainure (18). 4.- Injecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la nervure (16) présente une épaisseur (e16), mesurée parallèlement à l'axe central, qui est sensiblement égale, à la largeur (e23), mesurée parallèlement à l'axe central, du logement périphérique (23). 5.- Injecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (M1 ; M'1) de verrouillage de l'aiguille (10) dans sa première position, ces moyens solidarisant l'aiguille et le fourreau (8) en rotation autour de l'axe central (Y2). 6.- Injecteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de verrouillage (M1) comprennent une clavette (24), qui est adaptée pour être insérée radialement à travers l'aiguille (10) dans un logement (84) prévu dans le fourreau (8) lorsque l'aiguille est dans sa première position. 7.- Injecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de verrouillage (M'1) comprennent au moins une bille (26) et un ressort (28), qui sont intercalés axialement entre une nervure (16) de l'aiguille (10) et le fourreau (8), le ressort exerçant un effort axial (F2) de charge élastique sur la bille pour maintenir la bille dans un logement de la nervure. 8.- Turbine Pelton (T), comprenant une roue (R) pourvue de plusieurs augets (1) et des injecteurs hydraulique (2), les augets entrainant la roue autour d'un axe de rotation (X-X) sous l'action de jets d'eau (J) émis par les injecteurs en direction des augets, caractérisée en ce que les injecteurs sont conformes à l'une des revendications 1 à 7. 9.- Méthode de démontage partiel d'un injecteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des étapes consistant à : a) faire pivoter l'aiguille (10) autour de l'axe central d'injection (Y2) de sa première position à sa deuxième position, et b) dégager axialement l'aiguille du fourreau (8) de l'injecteur. 10.- Méthode selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'injecteur (2) est conforme à l'une des revendications 5 à 7 et en ce qu'elle comprend une étape antérieure à l'étape a) consistant à désactiver les moyens de verrouillage (M1 ; M'1) pour autoriser le pivotement de l'aiguille (10) entre sa première position et sa deuxième position.