Brevet FR3001501A1 — publié le 20140801

TURBINE A DOUBLE REGLAGE ET INSTALLATION DE CONVERSION D'ENERGIE COMPRENANT UNE TELLE TURBINE L'invention a trait à une turbine à double réglage et à une installation de conversion d'énergie comprenant une telle turbine. Dans le domaine de la conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique il est connu d'utiliser une turbine à double réglage, par exemple une turbine Kaplan ou une turbine Bulbe, pour entraîner en rotation un arbre portant un moyeu de la turbine, cet arbre étant relié, par exemple, à un alternateur. La turbine à double réglage est particulièrement bien adaptée aux basses chutes de moins de 80 m et aux forts débits dont la valeur varie. En outre, une turbine à double réglage a des pales orientables. Ainsi elle présente un espace entre ses pales et son moyeu nécessaire pour la rotation des pales. Un enjeu persistant pour des turbines à double réglage reste l'optimisation de leur fonctionnement et la réduction du niveau de dépression causé, sur leurs pales, par le flux circulant dans l'espace entre leurs pales et leur moyeu. Il s'avère en effet que la dépression causée par ce flux est une des raisons principales de l'apparition de phénomènes de cavitation au niveau du moyeu. Pour réduire la dépression causé par le flux s'écoulant dans l'espace entre une pale et un moyeu, il est connu, par exemple de US-B-6 533 536, de réduire l'espace entre la pale et le moyeu d'une turbine à double réglage jusqu'à une valeur proche de zéro. En réalité, cette solution est complexe à réaliser puisque, malgré la réduction de l'espace entre la pale et le moyeu de la turbine à double réglage, les pales doivent être orientables. En outre, même lorsque l'espace entre la pale et le moyeu est réduit à une valeur proche de zéro mais différente de zéro, un flux traversant l'espace entre la pale et le moyeu existe encore et donc la dépression causée par ce flux existe elle aussi encore. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une nouvelle turbine à double réglage, facile à réaliser et apte à dévier le flux traversant l'espace entre des pales et un moyeu de la turbine à double réglage loin des pales et donc apte à réduire le niveau de dépression causé par ce flux sur les pales. A cet effet, l'invention concerne une turbine à double réglage comprenant, un moyeu mobile en rotation autour d'un axe et des pales montées sur le moyeu, chacune mobile en rotation autour d'un axe non parallèle à l'axe de rotation du moyeu, chaque pale étant pourvue d'un plateau d'accouplement au moyeu, d'un intrados et d'un extrados et s'étendant ,d'une part, entre un bord d'attaque et un bord de fuite et, d'autre part, entre un premier bord situé du côté du plateau d'accouplement et un deuxième bord situé à l'opposé du plateau d'accouplement, le plateau d'accouplement divisant le premier bord en un premier tronçon reliant un point d'intersection du premier bord avec le bord d'attaque au plateau d'accouplement et un deuxième tronçon reliant un point d'intersection du bord de fuite avec le premier bord au plateau d'accouplement, caractérisée en ce qu'au moins une pale de la turbine comprend une lèvre qui s'étend le long du premier tronçon du côté de son extrados. Grâce à l'invention, la présence d'une lèvre le long du premier tronçon d'une pale permet de dévier loin des pales le flux traversant l'espace entre la pale et le moyeu. Ainsi le niveau de dépression causé au niveau de la pale par ce flux est diminué et les phénomènes de cavitation au niveau du moyeu sont réduits. D'autre part, cette turbine est simple à réaliser sans majoration de son prix de revient. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une telle turbine a double réglage peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : - la lèvre est globalement perpendiculaire à l'extrados au voisinage du premier tronçon, - la lèvre s'étend jusqu'au plateau d'accouplement au niveau duquel elle se termine le long d'un arc de cercle, formé par le plateau d'accouplement, cet arc de cercle reliant un premier point d'intersection situé sur l'extrados, du premier tronçon avec le plateau d'accouplement et un deuxième point d'intersection, également situé sur l'extrados, du deuxième tronçon avec le plateau d'accouplement, - la longueur sur laquelle la lèvre est rattachée au premier tronçon est comprise entre 50% et 98% de la longueur du premier tronçon mesuré le long de l'extrados, - la longueur sur laquelle la lèvre est rattachée à l'arc de cercle est inférieure à 30% de la longueur de l'arc de cercle, - la hauteur de la lèvre, mesurée parallèlement à une droite qui relie, d'une part, un point d'intersection, situé côté intrados, du plateau d'accouplement avec le premier tronçon et, d'autre part, un point d'intersection, situé côté extrados, du plateau d'accouplement avec le premier tronçon, est inférieure à 50%, de préférence à 25%, de la longueur d'un segment de la droite reliant ces points d'intersection, - la lèvre est monobloc avec la pale sur laquelle elle est positionnée et le plateau d'accouplement associé à cette pale, - l'épaisseur de la lèvre mesurée perpendiculairement au premier tronçon est inférieure à 10%, de préférence à 5%, de la longueur du bord d'attaque, - la lèvre s'étend à partir du point d'intersection du bord d'attaque avec le premier bord, - la lèvre commence en retrait du bord d'attaque, - la distance séparant la lèvre du moyeu est globalement égale à la distance séparant le premier tronçon et le moyeu. L'invention concerne également une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique, qui comprend une turbine à double réglage telle que mentionnée ci-dessus ainsi que des conduits d'amenée d'eau à la turbine et d'évacuation d'eau à partir de celles-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 d'un mode de réalisation d'une turbine à double réglage et d'une installation conforme 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 l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus d'une pale et d'un plateau d'accouplement associé à cette pale, de la roue de la turbine de l'installation de la figure 1, - la figure 3 est une vue de côté de la pale et du plateau dans le sens de la flèche III à la figure 2, et - la figure 4 est une vue partielle en perspective de la pale et du plateau des figures 2 et 3, - la figure 5 est une coupe, partielle de la pale suivant le plan V de la figure 4. L'installation 100 représentée à la figure 1 comprend une turbine 1 Kaplan dont une 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. 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 100 permet donc de convertir l'énergie hydraulique de l'écoulement E en énergie électrique. L'installation 100 peut comprendre plusieurs turbines 1 à double réglage 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. Une conduite forcée 5 permet d'amener l'écoulement E à la roue 2. La conduite 5 s'étend entre la retenue d'eau et une bâche 6 équipée d'aubes directrices 7 qui régulent l'écoulement E. Ces aubes directrices 7 sont mobiles. Un conduit d'aspiration 8 est prévu en aval de la turbine 1 à double réglage dans le sens de l'écoulement E pour évacuer cet écoulement E et le renvoyer vers le lit d'une rivière, d'un fleuve ou d'un réservoir aval. La roue 2 représentée à la figure 1 comprend des pales 202 à inclinaison variable. Ces pales 202 sont réparties autour de l'axe vertical X2 et sont fixées à un moyeu 204 chacune par l'intermédiaire d'un plateau d'accouplement 206. En effet, le plateau d'accouplement 206 comprend des trous 2062 de passage de vis, de montage du plateau d'accouplement 206 au moyeu 204. Chaque pale 202 est associée à un plateau d'accouplement 206 de manière à former une pièce monobloc. La rotation de ce plateau d'accouplement 206, autour d'un axe X3 perpendiculaire à l'axe X2, permet de modifier l'inclinaison de la pale 202. En variante, l'axe X3 de rotation de chaque pale 202 peut ne pas être perpendiculaire à l'axe X2 mais incliné par rapport à celui-ci. Les pales 202 comprennent chacune une surface intérieure, l'intrados 208, et une surface extérieure, l'extrados 210. Chaque pale 202 s'étend entre un bord d'attaque 212 et un bord de fuite 214 mais aussi entre un premier bord 216 situé du côté du plateau d'accouplement 206 et un deuxième bord 220 situé à l'opposé du plateau d'accouplement 206. Le plateau d'accouplement 206 divise le premier bord 216 en un premier tronçon 217 reliant un point P1, d'intersection du premier bord 216 avec le bord d'attaque 212, au plateau d'accouplement 206 et en un deuxième tronçon 218 reliant un point P2 d'intersection du bord de fuite 214 avec le premier bord 216, au plateau d'accouplement 206. Afin de permettre la rotation de chaque pale 202 autour de l'axe X3, un espace 205 existe entre chaque pale 202 et le moyeu 204, de part et d'autre du plateau d'accouplement 206. On note 205a un premier interstice défini entre le premier tronçon 217 et le moyeu 204 et 205b un deuxième interstice défini entre le deuxième tronçon 218 et le moyeu 204. Les interstices 205a et 205b constituent ensemble l'espace 205. Chaque pale 202 comprend sur son extrados 210 une lèvre 222 qui s'étend globalement le long du premier tronçon 217 entre le bord d'attaque 212 et le plateau d'accouplement 206. Comme il ressort plus particulièrement de la figure 3, la lèvre 222 s'étend le long du premier tronçon 217 à partir d'un point A en retrait par rapport au point P1 et se termine au niveau d'un point B situé sur le plateau d'accouplement 206 du côté de l'extrados 210. Pour faciliter sa visualisation, la lèvre 222 est représentée en grisé aux figures 3 et 4. On note D1 un point d'intersection entre le plateau 206 et une arête de jonction entre l'extrados 210 et le premier tronçon 217. On note D2 un point d'intersection entre le plateau 206 et une arête de jonction entre l'extrados 210 et le deuxième tronçon 218. On note Cl un arc de cercle reliant les points D1 et D2, à la périphérie du plateau 206, cet arc de cercle étant centré sur l'axe X3. Pour faciliter son repérage, l'arc de cercle Cl est représenté en traits pointillés épais à la figure 3. Le point B est situé sur l'arc de cercle Cl, du côté du point Dl. Comme représenté à la figure 5, la lèvre 222 est globalement perpendiculaire à l'extrados 210 au voisinage du premier tronçon 217. Ainsi un angle a entre la lèvre 222 et l'extrados 210 est égal à 90°. La figure 5 présente une coupe, de la pale 202, au niveau de la lèvre 222, suivant un plan V perpendiculaire à la lèvre 222. La pale 202 n'est représentée que partiellement sur cette figure. La longueur L222a sur laquelle la lèvre 222 est rattachée au premier tronçon 217, entre, d'une part, le point A de début de la lèvre et, d'autre part, le point D1 d'intersection entre le plateau d'accouplement 206 et le premier tronçon 217, est comprise entre 50% et 98%, de préférence entre 75% et 95% de la longueur L217 du premier tronçon 217. En outre, la longueur L222b sur laquelle la lèvre 222 est rattachée à l'arc de cercle Cl est inférieure à 30%, de préférence à 15% de la longueur de l'arc de cercle Cl. Par ailleurs, la hauteur H222 de la lèvre 222 n'est pas la même sur toute sa longueur. On note F un point d'intersection entre le plateau 206 et une arête de jonction entre l'intrados 208 et le premier tronçon 217. On note A.206 une droite passant par les points D1 et F et L206 la longueur d'un segment de la droite A.206 compris entre les points D1 et F. La hauteur H222 est mesurée parallèlement à la droite A.206 et sa valeur maximale est inférieure à 50%, de préférence à 25% de la longueur L206. La lèvre 222 est monobloc avec la pale 212 et le plateau d'accouplement 206 associé à cette pale. L'épaisseur E222 de la lèvre 222 mesurée perpendiculairement au premier tronçon 217 est inférieure à 10%, de préférence à 5%, de la longueur L212 du bord d'attaque. L'épaisseur de la lèvre 222 est globalement constante le long du premier tronçon 217. Puisque la lèvre 222 s'étend le long du premier tronçon 217 et est perpendiculaire au premier tronçon 217, la distance séparant la lèvre 222 du moyeu 204 est globalement égale à la distance séparant le premier tronçon 217 et le moyeu 204. En effet, la lèvre 222 est affleurante au premier tronçon 217. La lèvre 222 permet de dévier le flux d'eau passant par l'interstice 205a, entre le bord 217 et le moyeu 204, loin de la pale 202. Ainsi, la dépression causée par ce flux sur la pale 202, à proximité du premier tronçon 217 en aval de celui-ci et plus particulièrement au voisinage de son intersection avec le plateau d'accouplement 206, est réduite, ce qui permet donc de réduire l'apparition de phénomènes de cavitation au niveau du moyeu 204. En variante, la lèvre 222 commence à partir du point P1 d'intersection entre le bord d'attaque 212 et le premier tronçon 217. Selon une variante, le point B et le point D1 sont confondus. Selon une autre variante, l'épaisseur E222 de la lèvre varie le long du premier tronçon 217. Selon une autre variante seules certaines pales 202 comprennent une lèvre 222. Selon une variante l'axe X2 de la roue 2 est horizontal ou incliné. Selon une variante supplémentaire une autre lèvre similaire à la lèvre 222 est rattachée le long du deuxième tronçon 218. Selon une autre variante la turbine 1 est une turbine Bulbe. Selon une autre variante la lèvre 222 n'est pas perpendiculaire à l'extrados 210 au voisinage du premier tronçon 217. Ainsi l'angle a peut être compris entre 45° et 1350 . Les différentes variantes décrites ci-dessus peuvent être combinées entre elles totalement ou partiellement, pour donner lieu à d'autres modes de réalisation de l'invention. REVENDICATIONS1.- Turbine (1) à double réglage comprenant : - un moyeu (204) mobile en rotation autour d'un axe (X2) - des pales (202) montées sur le moyeu, chacune mobile en rotation autour d'un axe (X3) non parallèle à l'axe de rotation du moyeu, chaque pale étant pourvue d'un plateau (206) d'accouplement au moyeu, d'un intrados (208) et d'un extrados (210) et s'étendant, d'une part, entre un bord d'attaque (212) et un bord de fuite (214) et, d'autre part, entre un premier bord (216) situé du côté du plateau d'accouplement et un deuxième bord (220) situé à l'opposé du plateau d'accouplement, le plateau d'accouplement (206) divisant le premier bord (216) en un premier tronçon (217) reliant un point (P1) d'intersection du premier bord avec le bord d'attaque (212) au plateau d'accouplement et un deuxième tronçon (218) reliant un point (P2) d'intersection du bord de fuite (214) avec le premier bord au plateau d'accouplement, caractérisée en ce qu'au moins une pale (202) de la turbine (1) comprend une lèvre (222) qui s'étend le long du premier tronçon (217) du côté de son extrados (210). 2.- Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la lèvre (222) est globalement perpendiculaire à l'extrados (210) au voisinage du premier tronçon (217). 20 3.- Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la lèvre (222) s'étend jusqu'au plateau d'accouplement (206) au niveau duquel elle se termine le long d'un arc de cercle (C1), formé par le plateau d'accouplement, cet arc de cercle (C1) reliant un premier point (D1) d'intersection situé sur l'extrados (210), du 25 premier tronçon (217) avec le plateau d'accouplement et un deuxième point (D2) d'intersection, également situé sur l'extrados, du deuxième tronçon (218) avec le plateau d'accouplement. 4.- Turbine selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la 30 longueur (L222a) sur laquelle la lèvre (222) est rattachée au premier tronçon (217) est comprise entre 50% et 98% de la longueur (L217) du premier tronçon mesuré le long de l'extrados. 5.- Turbine selon les revendications 2 et 3 caractérisées en ce que la longueur (L222b) sur laquelle la lèvre (222) est rattachée à l'arc de cercle (Cl) est inférieur à 30% de la longueur de l'arc de cercle (Cl). 6.- Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la hauteur (H222) de la lèvre, mesurée parallèlement à une droite (4206) qui relie, d'une part, un point (F) d'intersection, situé côté intrados (208), du plateau d'accouplement (206) avec le premier tronçon (217) et, d'autre part, un point (D1) d'intersection, situé côté extrados (210), du plateau d'accouplement (206) avec le premier tronçon (217), est inférieure à 50%, de préférence à 25%, de la longueur (L206) d'un segment de la droite (4206) reliant ces points d'intersection. 7.- Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la lèvre (222) est monobloc avec la pale (202) sur laquelle elle est positionnée et le plateau d'accouplement (206) associé à cette pale. 8.- Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur (E222) de la lèvre mesurée perpendiculairement au premier tronçon (217) est inférieure à 10%, de préférence à 5%, de la longueur du bord d'attaque (212). 9.- Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la lèvre (222) s'étend à partir du point d'intersection (P1) du bord d'attaque (212) avec le premier bord (216). 10.- Turbine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la lèvre (222) commence en retrait du bord d'attaque (212). 11.- Turbine selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la distance séparant la lèvre (222) du moyeu (204) est globalement égale à la distance séparant le premier tronçon (217) et le moyeu (204). 12.- Installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique, caractérisée en ce que l'installation comprend une turbine (1) selon l'une des revendications précédentes ainsi que des conduits d'amenée d'eau (5) à la turbine et d'évacuation d'eau (8) à partir de celle-ci.