Brevet FR2999243A1 — publié le 20140613

TURBINE-POMPE DE TYPE FRANCIS ET INSTALLATION DE CONVERSION D'ENERGIE COMPRENANT UNE TELLE TURBINE-POMPE L'invention a trait à une turbine-pompe de type Francis, ainsi qu'a une installation de conversion d'énergie comprenant une telle turbine-pompe. Dans le domaine de la conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique, il est connu d'utiliser une turbine Francis pour entrainer en rotation un arbre portant une roue de la turbine, cet arbre étant relié, par exemple, à un alternateur. Certaines turbines, dites turbines-pompes sont réversibles, en ce sens qu'elles peuvent être utilisées pour convertir l'énergie électrique ou l'énergie mécanique en énergie hydraulique, par le déplacement d'une quantité d'eau vers un bassin situé en amont de la turbine-pompe. Ce fonctionnement en mode pompe a généralement lieu pendant des périodes où des besoins en énergie sont les plus faibles. Pendant les périodes de forts besoins en énergie, la turbine-pompe est utilisée en mode turbine en inversant le sens de rotation de l'arbre. Un enjeu persistant pour les turbines-pompes reste l'optimisation du fonctionnement en mode pompe, sur une gamme de hauteurs de chute et de débits la plus large possible. Il s'avère en effet qu'il existe une zone d'instabilité de fonctionnement, parfois appelé feston, qui limite les performances de la pompe au dessous d'une valeur seuil de débit ou au dessus d'une valeur limite de hauteur de chute. Ceci impacte directement le dimensionnement d'une turbine-pompe et d'une installation de conversion d'énergie comprenant une telle machine hydraulique. La zone d'instabilité mentionnée ci-dessus est le siège de décollements et de zones de recirculation dans la roue de la turbine-pompe, ces phénomènes pouvant induire des fluctuations de pression dans les conduites d'évacuation d'eau à partir de la turbine-pompe et des niveaux de vibrations de l'installation. Il est connu de FR-A-2 811 718 d'installer dans les canaux inter-aubes d'une roue de type Francis des nervures qui s'étendent perpendiculairement aux aubes, globalement selon le sens d'écoulement de l'eau au sein de chaque canal. Si elles améliorent la stabilité de l'écoulement dans certaines conditions d'exploitation, ces nervures, qui s'étendent continument du bord d'attaque au bord de fuite de chaque aube, diminuent le rendement énergétique de l'installation. En outre, lorsqu'une turbine équipée d'une telle roue fonctionne avec un couple résistant nul ou quasi nul, c'est-à-dire dans des contions proches de l'emballement, l'écoulement traversant la turbine est très instable. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une nouvelle turbine-pompe dont la stabilité de fonctionnement est améliorée sur une large plage de débits et de hauteurs de chute en mode pompe. A cet effet, l'invention concerne une turbine-pompe de type Francis comprenant une roue tournant autour d'un axe vertical, cette roue comprenant elle-même un plafond, une ceinture, des aubes qui s'étendent entre le plafond et la ceinture et qui définissent entre elles des conduits d'écoulement d'eau et des nervures disposées chacune dans un conduit d'écoulement, chaque nervure étant globalement parallèle au sens d'écoulement élémentaire de l'eau dans le conduit et globalement perpendiculaire aux aubes définissant ce conduit, chaque aube s'étendant entre un premier bord, formant un bord d'attaque lorsque la turbine fonctionne en mode pompe et un bord de fuite lorsqu'elle fonctionne en mode turbine, et un deuxième bord, formant un bord de fuite lorsque la turbine fonctionne en mode pompe et un bord d'attaque lorsqu'elle fonctionne en mode turbine. Conformément à l'invention, chaque nervure s'étend, à partir du premier bord et en direction du deuxième bord, sur une longueur, mesurée parallèlement au sens d'écoulement de l'eau dans le conduit correspondant, inférieure à 80% de la distance entre un point d'attache du premier bord sur la ceinture et un point d'attache du deuxième bord sur la ceinture, mesurée parallèlement au sens d'écoulement de l'eau dans le conduit. Grâce à l'invention, la présence d'une nervure dans chaque conduit d'écoulement assure une meilleure stabilité de l'écoulement lorsque la turbine fonctionne en mode pompe car l'écoulement entrant dans la roue est canalisé vers des conduits élémentaires définis de part et d'autre de la nervure, entre deux aubes adjacentes. D'autre part, la nervure n'influe pas sensiblement sur l'entrée de l'écoulement d'eau dans les conduits inter-aubes lorsque la turbine-pompe fonctionne en mode turbine car la nervure ne s'étend pas jusqu'au voisinage de la zone d'entrée de l'écoulement en mode turbine, compte tenu de sa longueur relativement faible par rapport à la distance entre le premier bord et le deuxième bord des aubes. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une telle turbine-pompe peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : - La longueur de la nervure est inférieure à 50% de la distance entre les points d'attache des premier et deuxième bords sur la ceinture. - La longueur de chaque nervure est supérieure à 5%, de préférence à 30% de la distance entre les points d'attache des premier et deuxième bords sur la ceinture. - Une seule nervure est disposée dans chaque conduit d'écoulement. - Le rapport entre, d'une part, la distance, mesurée le long du premier bord, entre la nervure et le point d'attache du premier bord sur la ceinture et, d'autre part, la longueur du premier bord est compris entre 5% et 95%, de préférence entre 10% et 50%, de préférence encore égal à environ 30%. - Au moins deux nervures sont disposées dans chaque conduit d'écoulement. - Chaque nervure comprend une partie en saillie au-delà du premier bord des deux aubes entre lesquelles elle s'étend. - Chaque nervure est affleurante avec les premiers bords des aubes entre lesquelles elle s'étend. - Chaque nervure commence en retrait vers l'intérieur du conduit d'écoulement dans lequel elle est située, par rapport aux premiers bords des aubes entre lesquelles elle s'étend. L'invention concerne également une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique, ou de conversion d'énergie mécanique ou électrique en énergie hydraulique, qui comprend une turbine-pompe telle que mentionnée ci-dessus ainsi que des conduits d'amenée d'eau à la turbine-pompe et d'évacuation d'eau à partir de celle-ci. 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 deux modes de réalisation d'une turbine-pompe de type Francis et d'une installation conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique de principe, en section axiale, d'une installation conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une section méridienne de la roue de la turbine-pompe de l'installation de la figure 1, lorsque celle-ci est utilisée en mode pompe, - la figure 3 est une section méridienne analogue à la figure 2 lorsque la turbine-pompe est utilisée en mode turbine et - la figure 4 est une section méridienne analogue à la figure 2, pour une turbine- pompe conforme à un deuxième mode de réalisation. L'installation 100 représentée à la figure 1 comprend une turbine-pompe 1 de type Francis dont la roue 2 est destinée à être mise en rotation autour d'un axe vertical X2 par un écoulement forcé d'eau E provenant d'une retenue d'eau non représentée. Ce mode de fonctionnement est représenté aux figures 1 et 3. A la figure 1, pour la clarté du dessin, la roue 2 est représentée en vue extérieure. Un arbre 3 supporte la roue 2 et est couplé à un alternateur 4 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 lorsque la turbine-pompe 1 est utilisée en mode turbine, comme représenté aux figures 1 et 3. L'installation 100 peut comprendre plusieurs turbines-pompes 1 alimentées à partir de la même retenue d'eau. En variante, l'arbre 3 peut être couplé à un ensemble mécanique auquel cas l'installation 100 convertit l'énergie hydraulique de l'écoulement E en énergie mécanique lorsque la turbine-pompe 1 fonctionne en mode turbine. La turbine-pompe 1 peut également fonctionner en mode pompe c'est-à-dire dans un mode où la roue 2 est entrainée en rotation par l'alternateur 4 dans le sens de rotation inverse au sens de rotation lorsque la turbine-pompe 1 fonctionne en mode turbine. En mode pompe, l'alternateur 4 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 des flèches E' à la figure 2, c'est-à-dire en sens inverse des flèches E sur les figures 1 et 3. Dans la variante où l'arbre 3 est couplé à un ensemble mécanique, la roue 2 est entrainée par cet ensemble mécanique lorsque la turbine-pompe 1 fonctionne en mode pompe. Aux figures 2 et 3, les lignes L représentent des lignes d'écoulement imaginaires le long desquelles se déplace l'écoulement E ou E', notamment dans la roue 2. Une conduite forcée 5 permet d'amener l'écoulement E à la roue 2 lorsque la turbine-pompe fonctionne en mode turbine. La conduite 5 s'étend entre la retenue d'eau et une bâche 6 équipée de directrices 7 qui régulent l'écoulement E. Un conduit d'aspiration 8 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. Lorsque la turbine-pompe fonctionne en mode pompe, le conduit 8 sert à alimenter la roue 2 en eau alors que la conduite 5 sert à évacuer l'eau vers la retenue d'eau. La roue 2 comprend un plafond 202, une ceinture 204 et plusieurs aubes 206 réparties autour de l'axe X2 qui est un axe de symétrie pour le plafond 202 et la ceinture 204. Les aubes 206 ont la même géométrie et comprennent chacune un premier bord 208 et un deuxième bord 210. Le premier bord 208 de chaque aube 206 est plus près de l'axe X2 que le bord 210 de cette aube. Le premier bord 208 d'une aube 206 constitue son bord d'attaque lorsque la turbine-pompe 1 est utilisée en mode pompe, comme représentée à la figure 2, alors qu'il constitue le bord de fuite de cette aube lorsque la turbine-pompe 1 est utilisée en mode turbine, comme représentée à la figure 3. A l'inverse, le deuxième bord 210 d'une aube 206 constitue son bord de fuite lorsque la turbine-pompe 1 est utilisée en mode pompe, comme représentée à la figure 2, alors qu'il constitue le bord d'attaque de cette aube lorsque la turbine-pompe 1 est utilisée en mode turbine, comme représentée à la figure 3. Un conduit 10 de circulation d'eau au sein de la roue 2 est défini entre le plafond 202 et la ceinture 204, dans le plan des figures 2 et 3 et entre deux aubes 206 adjacentes dans une direction orthoradiale par rapport à l'axe X2. Chaque conduit 10 est divisé, au voisinage des bords 208 des aubes 206 qui le délimitent, en deux conduits élémentaires 101 et 102 par une nervure 12 tendue entre les aubes 206 en étant localement parallèle au sens de l'écoulement E lorsque la turbine- pompe est utilisée en mode turbine et/ou à l'écoulement inverse E' lorsque cette turbine-pompe est utilisée en mode pompe. La nervure 12 est globalement perpendiculaire aux aubes 206 entre lesquelles elle s'étend, au moins dans sa zone de jonction avec ces aubes. Dans le cas d'espèce, chaque nervure 12 est globalement parallèle, c'est-à-dire inclinée avec un angle inférieur à 20° par rapportà la ceinture 204. Comme il ressort plus particulièrement des figures 2 et 3, la nervure 12 est sensiblement alignée sur l'une des lignes imaginaires L d'écoulement du flux E ou E' d'eau transitant à travers la roue 2, au sein du conduit 10 dans lequel est placée cette nervure. Dans la configuration de la figure 2, l'écoulement entrant E' est divisé par la nervure 12 en deux écoulements secondaires E'l et E2 transitant respectivement par les conduits élémentaires 101 et 102. Ainsi, l'eau de l'écoulement E' est efficacement canalisée, d'une part dans le conduit élémentaire 101 entre le plafond 202 et la nervure 12, d'autre part dans le conduit élémentaire 102 entre la nervure 12 et la ceinture 204, dans la zone d'entrée de l'eau dans la roue 2. Cette division du conduit 10 en deux conduits élémentaires 101 et 102 dans sa zone d'entrée, dans le sens de fonctionnement en mode pompe, évite une recirculation d'eau dans le sens de la flèche F1 à la figure 2 puisque la présence de la nervure induit une réduction de la section de passage de l'écoulement E' dans sa zone d'entrée dans le canal 10. Ceci implique une augmentation localisée de la vitesse de l'écoulement E'. Ainsi, lorsque la turbine-pompe fonctionne en mode pompe sous faible débit et/ou haute hauteur de chute, la vitesse de l'écoulement E2 dans la zone d'entrée dans le canal élémentaire 102 est suffisante pour atténuer l'amplitude d'une recirculation. En outre la nervure 12 s'oppose à une recirculation d'eau du conduit élémentaire 101 vers le conduit élémentaire 102. Or, en l'absence d'une telle nervure, ces recirculations auraient tendance à créer une zone de perturbation dite zone de « décollement » au voisinage du point P1 d'attache du premier bord 208 d'une aube 206 sur la ceinture 204. Lorsque la turbine-pompe fonctionne en mode turbine, comme représentée à la figure 3, l'écoulement E pénètre et se répartit à l'intérieur du conduit 10 de façon continue au niveau du bord 210 qui constitue alors le bord d'attaque des aubes 206. Ainsi, l'écoulement E n'est pas perturbé dans la zone d'entrée dans le conduit 10 car la nervure 12 ne se prolonge pas jusqu'au voisinage du bord 210. Il en résulte que le rendement de la turbine-pompe utilisée en mode turbine est tout à fait satisfaisant, sans induire les limitations de nervures s'étendant continument entre les bords 208 et 210, comme envisagé dans FR-A-2 811 718. On note Qi le point d'attache du deuxième bord 210 sur la ceinture 204. On note D204 la distance entre les points P1 et Qi, mesurée le long de la ceinture 204, c'est-à-dire parallèlement à l'écoulement E ou E' et aux lignes L au voisinage de la ceinture 204. On note L12 la longueur de la nervure 12, mesurée parallèlement aux lignes L, c'est-à-dire parallèlement à l'écoulement E ou E'. Pour conférer une efficacité suffisante à la nervure 12 lorsque la turbine-pompe fonctionne en mode pompe, sans diminuer l'efficacité globale de la turbine-pompe lorsque celle-ci fonctionne en mode turbine, la longueur L12 est choisie inférieure à 80% de la distance D204. En pratique, la longueur L12 peut être choisie inférieure à 50% de la distance D204, de préférence égale à 30% de cette distance. Par ailleurs, la longueur L12 est choisie supérieure à 5% de la distance D204, de préférence supérieure à 25 (3/0 de cette distance. Ainsi, les conduits élémentaires 101 et 102 s'étendent sur une partie seulement de la longueur du conduit 10 dans le sens de l'écoulement E ou E', à savoir entre 5% et 80% selon le choix de la valeur du rapport 1_12/D204. Comme visible aux figures 2 et 3, chaque nervure 12 comprend un nez arrondi 122 qui s'étend en saillie, au-delà du bord 208 par rapport au conduit 10 dans lequel est installée cette nervure 12, c'est-à-dire vers l'amont de ce bord 208 lorsque la turbine-pompe 1 fonctionne en mode pompe. Ce nez 122 permet d'amorcer le confinement des écoulements El et E2 vers les conduits élémentaires 101 et 102 avant même que l'eau ne pénètre dans le conduit 10. En variante, la nervure 12 peut être affleurante avec les bords 208, voire commence en retrait vers l'intérieur du conduit 10 par rapport aux premiers bords 208 des aubes 206 entre lesquelles elle s'étend. On note P2 le point d'attache du bord 208 d'une aube 206 sur le plafond 202. On note L205 la longueur curviligne du bord 208 c'est-à-dire sa longueur mesurée entre les points P1 et P2 le long de ce bord. On note par ailleurs D12 la distance entre la nervure 12 et le point Pl, cette distance étant mesurée le long du bord 208. Le rapport D12/L208 est compris entre 5% et 95%, de préférence entre 10% et 50%, de préférence encore égal à environ 30%. Ceci permet de positionner la nervure 12 dans une zone où elle limite efficacement la recirculation d'eau lorsque la turbine-pompe fonctionne en mode pompe, y compris sous faible débit ou haute chute. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, une seule nervure 12 est disposée dans chaque conduit 10 au voisinage du bord 208 des aubes 206. En variante, et comme représenté à la figure 4 pour le deuxième mode de réalisation dans lequel les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent les mêmes références, deux nervures 121 et 122 peuvent être prévues dans chaque conduit 10, en définissant ainsi trois conduits élémentaires 101, 102 et 103 dans lesquels peut se répartir en entrée l'écoulement E', selon des écoulements élémentaires E'1, E2 et E'3, lorsque la turbine-pompe 1 fonctionne en mode pompe. Comme représenté à la figure 4 les nervures 121 et 122 peuvent être de longueurs différentes. Pour le reste, ce mode de réalisation est comparable au précédent et fonctionne de la même façon. En particulier, la longueur L12 de chaque nervure 121 et 122 est comprise entre 5% et 80% de la distance minimale D204 entre les bords 208 et 210 d'une aube. En variante, plus de deux nervures du type nervure 121 et 122 peuvent être prévues dans chaque conduit 10. Quel que soit le mode de réalisation, les nervures 12, 121, 122 et équivalentes sont fixes par rapport aux autres parties constitutives de la roue 2. En particulier, ces nervures sont avantageusement soudées sur les aubes 206 entre lesquelles elles sont disposées au sein d'un conduit 10. On relève que la mise en oeuvre de l'invention est indépendante du nombre d'aubes 206 qui peut être impair, comme dans l'exemple, ou pair. REVENDICATIONS1.- Turbine-pompe (1) de type Francis comprenant une roue (2) tournant autour d'un axe vertical (X2) , cette roue comprenant elle-même un plafond (202), une ceinture (204), des aubes (206), qui s'étendent entre le plafond et la ceinture et qui définissent entre elles des conduits d'écoulement d'eau (10), et des nervures (12 ; 121, 122) disposées chacune dans un conduit d'écoulement, chaque nervure étant globalement parallèle au sens d'écoulement de l'eau (E, E') dans le conduit et globalement perpendiculaire aux aubes définissant ce conduit, chaque aube s'étendant entre un premier bord (208), formant bord d'attaque lorsque la turbine-pompe fonctionne en mode pompe et bord de fuite lorsqu'elle fonctionne en mode turbine, et un deuxième bord (210), formant bord de fuite lorsque la turbine fonctionne en mode pompe et bord d'attaque lorsqu'elle fonctionne en mode turbine, caractérisée en ce que chaque nervure (12; 121, 122) s'étend, à partir du premier bord (208) et en direction du deuxième bord (210), sur une longueur (L12) mesurée parallèlement au sens d'écoulement de l'eau (E, E') dans le conduit (10) correspondant, inférieure à 80% de la distance (D204) entre un point d'attache (P1) du premier bord sur la ceinture et un point d'attache (01) du deuxième bord sur la ceinture, mesurée parallèlement au sens d'écoulement de l'eau dans le conduit. 2. Turbine-pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur (L12) de la nervure (12 ; 121, 122) est inférieure à 50% de la distance (D204) entre les points d'attache (P1, 01) du premier bord (208) et du deuxième bord (210) sur la ceinture (204). 3.- Turbine-pompe selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la longueur (L12) de chaque nervure (12) est supérieure à 5%, de préférence à 25% de la distance (D204) entre les points d'attache (P1, 01) du premier bord (208) et du deuxième bord (210) sur la ceinture (204). 4.- Turbine-pompe selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une seule nervure (12) est disposée dans chaque conduit d'écoulement (10). 5.- Turbine-pompe selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport entre, d'une part, la distance (D12), mesurée le long du premier bord (208), entre la nervure (12) et le point d'attache (P1) du premier bord (204) sur la ceinture et, d'autre part, la longueur (I-205) du premier bord est compris entre 5% et 95%, de préférence entre 10% et 50%, de préférence encore égal à environ 30%. 6.- Turbine-pompe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'au moins deux nervures (121, 122) sont disposées dans chaque conduit d'écoulement (10). 7.- Turbine-pompe selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque nervure (12, 121, 122) comprend une partie (122) en saillie au-delà du premier bord des deux aubes (206) entre lesquelles elle s'étend. 8.- Turbine-pompe selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque nervure est affleurante avec les premiers bords des aubes (206) entre lesquelles elle s'étend. 9.- Turbine-pompe selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque nervure (12, 121, 122) commence en retrait vers l'intérieur du conduit d'écoulement (10) dans lequel elle est située, par rapport au premier bord (208) des aubes (206) entre lesquelles elle s'étend. 10.- Installation (100) de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique et réciproquement, caractérisée en ce que cette installation comprend une turbine-pompe (1) selon l'une des revendications précédentes et des conduits (5, 8) d'amenée d'eau à la turbine-pompe et d'évacuation d'eau à partir de celle-ci.