Brevet FR3003309A1 — publié le 20140919

ROUE DE TYPE FRANCIS POUR MACHINE HYDRAULIQUE, MACHINE HYDRAULIQUE EQUIPEE D'UNE TELLE ROUE ET INSTALLATION DE CONVERSION D'ENERGIE COMPRENANT UNE TELLE MACHINE HYDRAULIQUE La présente invention concerne une roue de type Francis pour machine hydraulique destinée à être traversée par un écoulement forcé d'eau, une machine hydraulique pouvant fonctionner en mode pompe ou en mode turbine équipée d'une telle roue et une installation de conversion d'énergie comprenant une telle machine hydraulique. Dans le domaine de la conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique, il est connu d'utiliser une turbine pour entraîner en rotation un arbre portant une roue de la turbine, cet arbre étant relié, par exemple, à un alternateur. Certaines machines hydrauliques, 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 machine hydraulique. Ce fonctionnement de la machine hydraulique en mode pompe a généralement lieu dans des périodes où les besoins en énergie sont les plus faibles. Pendant les périodes de forts besoins en énergie, la machine hydraulique est utilisée en mode turbine. Un enjeu persistant pour les machines hydrauliques reste l'amélioration du comportement transitoire des machines hydrauliques lors de leur arrêt accidentel. En effet, l'arrêt accidentel d'une machine hydraulique fonctionnant en mode turbine peut provoquer de dangereux phénomènes transitoires. Ces phénomènes sont dus à une augmentation importante de la chute transitoire aux bornes de la machine hydraulique qui se manifeste par une augmentation de la pression en amont de la turbine et une diminution de la pression en aval de la turbine. Dans le cas ou le niveau de pression en aval de la turbine atteint le niveau de vide, il y a alors risque de rupture de la collone d'eau suivi d'un effet de « coup de bélier ». L'augmentation de la chute transitoire aux bornes de la machine hydraulique risque donc d'endommager la structure mécanique de la machine, il faut donc éviter que la chute transitoire de la machine augmente trop fortement lors de l'arrêt accidentel de la machine hydraulique afin d'éviter l'apparition des phénomènes transitoires. La figure 4 montre une roue 100 de type Francis de l'art antérieur, qui comporte une ceinture 101 et un plafond 102 situé en regard de la ceinture 101. La roue 100 comporte, en outre, neuf aubes 104 solidaires de la ceinture 101 et du plafond 102 et qui s'étendent entre la ceinture 101 et le plafond 102. Chaque aube 104 présente un bord d'attaque 204 en mode de fonctionnement turbine qui est rectiligne et globalement parallèle à un axe X2 de rotation de la roue. Le graphique de la figure 5 montre, en abscisse une grandeur n11 appelée « facteur de vitesse », exprimée en tour/minute, et proportionnelle au rapport de la vitesse de rotation d'une roue d'une turbine sur la racine carrée de la hauteur de chute. La figure 5 montre, en ordonnée, une grandeur Qi 1 appelée « facteur de débit », exprimée en m3/seconde et proportionnelle au rapport du débit d'eau traversant la roue sur la racine carrée de la hauteur de chute. Chaque courbe Cl à C2 du graphique donne le facteur de débit d'une roue en fonction de son facteur de vitesse. La courbe Cl correspond au fonctionnement d'une turbine équipée d'une roue conforme à l'invention et la courbe C2 correspond au fonctionnement d'une turbine équipée de la roue 100 de l'art antérieur. Les petites valeurs de facteur de vitesse n11 de la turbine, sur la partie gauche du graphique, correspondent à des grandes hauteurs de chute, tandis que les grandes valeurs de facteur de vitesse n11, sur la partie droite du graphique, correspondent à des hauteurs de chute faibles. Il est connu que dans un tel graphique, les points de fonctionnement pour lesquels la pente de la courbe est négative correspondent à un fonctionnement stable de la turbine pour lequel la hauteur de chute aux bornes de la machine hydraulique diminue lorsque le facteur de débit diminue. A l'inverse, les points de fonctionnement pour lesquels la pente de la courbe est fortement positive correspondent à un fonctionnement fortement instable de la turbine pour lequel de dangereux phénomènes transitoires apparaissent puisque la hauteur de chute transitoire aux bornes de la machine hydraulique augmente lorsque le facteur de débit diminue. Pour la roue 100 de l'art antérieur, on observe que pour des valeurs de facteur de débit Oui inférieures à 0.5m3/s, la pente de la courbe C2 est fortement positive. Il existe donc, lors de l'arrêt accidentel d'une turbine comprenant la roue de la figure 4, un passage dans la partie de la courbe C2 ayant une pente fortement positive et un risque d'endommager la turbine puisque, lors du passage dans la partie de pente fortement positive de la courbe C2, la chute de la turbine augmente fortement, ce qui crée une dépression à l'aval et une surpression à l'amont de la turbine. Ceci peut conduire à l'apparition de dangereux phénomènes transitoires tels que la séparation de la colonne d'eau et donc l'apparition d'un phénomène de coup de bélier lié à la séparation de la colonne d'eau. En conclusion, la roue 100 de l'art antérieur ne permet pas, à elle seule, d'empêcher l'apparition de phénomènes transitoires potentiellement dangereux lors de l'arrêt accidentel d'une machine hydraulique en mode turbine. Pour limiter l'apparition et l'influence des phénomènes transitoires potentiellement dangereux lors de l'arrêt accidentel d'une machine hydraulique fonctionnant en mode turbine, il est connu, d'utiliser des dispositifs de contrôle tels que le robinet sphérique d'une installation de conversion d'énergie comprenant la machine hydraulique, afin de modifier les caractéristiques hydraulique du circuit contenant une telle machine hydraulique, en lui appliquant une loi de fermeture rapide lors d'un arrêt accidentel. Cette solution nécessite une manoeuvre rapide du robinet sphérique à chaque séquence d'arrêt accidentel de la turbine. Cette solution peut engendrer des niveaux de contraintes mécanique sur la structure du robinet qui, si elles ne sont pas prises en compte correctement dans son dimensionnement, peuvent engendrer une défaillance mécanique de celui-ci. De plus, la mise en oeuvre d'une telle solution complexifie le contrôle commande d'une installation comprenant une telle turbine. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une nouvelle roue pour machine hydraulique permettant de limiter les phénomènes transitoires lors de l'arrêt accidentel d'une machine hydraulique, sans nécessiter une manoeuvre particulière d'un robinet sphérique. A cet effet, l'invention concerne une roue de type Francis pour machine hydraulique, destinée à être traversée par un écoulement forcé d'eau, comprenant un plafond à symétrie de révolution autour d'un axe de rotation de la roue, une ceinture à symétrie de révolution autour de l'axe de rotation de la roue et située en regard du plafond, et des aubes qui s'étendent entre le plafond et la ceinture, chaque aube s'étendant entre un premier bord formant un bord d'attaque lorsque la machine hydraulique fonctionne en mode turbine et un deuxième bord formant un bord de fuite lorsque la machine hydraulique fonctionne en mode turbine. Conformément à l'invention, le premier bord d'au moins une aube est incliné par rapport à l'axe de rotation de la roue et le rapport entre, d'une part, le rayon d'un premier cercle centré sur l'axe de rotation de la roue, perpendiculaire à cet axe et passant par un point d'attache du premier bord de l'aube sur le plafond et, d'autre part, le rayon d'un deuxième cercle centré sur l'axe de rotation de la roue perpendiculaire à cet axe et passant par un point d'attache du premier bord de la même aube sur la ceinture est strictement supérieur à 1 et inférieur ou égal à 1,1. Grâce à l'invention, la trace méridienne du premier bord de l'aube présente un gradient de rayon, qui permet d'optimiser la forme de la caractéristique de fonctionnement de la machine hydraulique, comprenant une roue conforme à l'invention, afin de limiter les phénomènes transitoires lors de l'arrêt accidentel de la machine hydraulique fonctionnant en mode turbine. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une telle roue peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : - Le rapport entre, d'une part, le rayon du premier cercle et, d'autre part, le rayon du deuxième cercle est compris entre 1,02 et 1,06 de préférence de l'ordre de 1,04. - Le premier bord de toutes les aubes est incliné alors que tous les points d'attache du premier bord de chaque aube sur le plafond sont sur le premier cercle et tous les points d'attache du premier bord de chaque aube sur la ceinture sont sur le deuxième cercle. - Pour au moins une aube, l'angle formé par le premier bord et une droite parallèle à l'axe de rotation de la roue et passant par le point d'attache du premier bord sur le plafond est strictement supérieur à 00 et inféréur ou égal à 50°, de préférence compris entre 5° et 25? - Le premier bord d'au moins une aube de la roue présente un profil globalement rectiligne. - Le premier bord de toutes les aubes de la roue présente un profil globalement rectiligne. - Le premier bord d'au moins une aube de la roue présente un profil non rectiligne. - Le premier bord de toutes les aubes de la roue présente un profil non rectiligne. L'invention a également pour objet une machine hydraulique équipée d'une telle roue. Enfin, 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 machine hydraulique telle que mentionnée ci-dessus, ainsi que des conduits d'amenée d'eau à la machine hydraulique et d'évacuation d'eau à partir de celle-ci. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre d'une roue équipant une machine hydraulique qui appartient à une installation de conversion d'énergie, donnée seulement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe de principe d'une installation de conversion d'énergie équipée d'une machine hydraulique comprenant une roue conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une roue de la machine hydraulique de l'installation de la figure 1 ; - la figure 3 est une section méridienne de la roue de la figure 2, lorsque celle-ci est utilisée en mode turbine ; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 2 pour une roue de machine hydraulique de l'art antérieur ; - la figure 5 est un graphique qui montre deux courbes, dont une première montre le facteur de débit en fonction du facteur de vitesse de la roue de la figure 2, et une deuxième montre le facteur de débit en fonction du facteur de vitesse de la roue de la figure 4. L'installation i représentée à la figure 1 comprend une machine hydraulique réversible M, qui est une turbine-pompe de type Francis, dont la roue R est alimentée en eau à partir d'une bâche 3 reliée à une conduite forcée 4. En fonctionnement, la roue R tourne autour d'un axe de rotation X2 généralement vertical. Afin de produire de l'électricité en mode turbine, la machine M est couplée à un alternateur 5 par un arbre 15 tournant autour de l'axe X2. Entre la bâche 3 et la roue R sont disposées des avant- directrices 6 statiques et des directrices orientables 7, dont la fonction est de guider un écoulement d'eau E, provenant de la conduite 4 et destiné à traverser la roue R, en direction d'un conduit d'évacuation 8. De plus les directrices 7 assurent la fonction d'un distributeur car elles permettent de réguler le débit de l'écoulement E. L'installation i peut comprendre plusieurs machines hydrauliques M alimentées à partir de la même retenue d'eau, cette retenue d'eau étant non représentée. En variante l'arbre 15 peut être couplé à un ensemble mécanique auquel cas l'installation i convertit l'énergie hydraulique de l'écoulement E en énergie mécanique lorsque la machine hydraulique fonctionne en mode turbine. La machine hydraulique M peut également fonctionner en mode pompe c'est-à- dire dans un mode où la roue R est entraînée en rotation par un alternateur 5 dans le sens de rotation inverse au sens de rotation lorsque la machine hydraulique M fonctionne en mode turbine. En mode pompe, l'alternateur 5 fonctionne 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 les figures 1 et 3. Dans la variante où l'arbre 15 est couplé à un ensemble mécanique, la roue R est entraînée par cet ensemble mécanique lorsque la machine hydraulique M fonctionne en mode pompe. Les figures 2 et 3 illustrent la roue R conforme à l'invention. Cette roue comprend une ceinture 1 et un plafond 2 situé en regard de la ceinture 1. La ceinture 1 et le plafond 2 sont à symétrie de révolution autour de l'axe X2. La ceinture 1 et le plafond 2 présentent respectivement un bord périphérique externe 10 et 20 centré sur l'axe X2. Par ailleurs, la roue R comporte neuf aubes 12 généralement identiques, solidaires de la ceinture 1 et du plafond 2 et qui s'étendent entre la ceinture 1 et le plafond 2, autour de l'axe de rotation X2. A la figure 2, les zones de raccordement entre les aubes 12, d'une part, et le plafond 2, d'autre part, sont représentées en pointillés. Chaque aube 12 s'étend aussi entre un premier bord 13, qui forme un bord d'attaque lorsque la machine hydraulique fonctionne en mode turbine, et un bord de fuite lorsqu'elle fonctionne en mode pompe, et un deuxième bord 14, qui forme un bord de fuite lorsque la machine hydraulique fonctionne en mode turbine et un bord d'attaque lorsqu'elle fonctionne en mode pompe. Chaque aube 12 présente une forme incurvée entre le premier bord 13 et le deuxième bord 14. Cette forme incurvée constitue une courbure principale de l'aube 12. Lorsque la machine hydraulique M fonctionne en mode turbine, le fluide s'écoule dans la roue R le long d'une aube 12, du premier bord 13 vers le deuxième bord 14. On note A un point d'attache du premier bord 13 d'une aube 12 sur la ceinture 1. On note B un point d'attache du deuxième bord 14 d'une aube 12 sur la ceinture 1. De façon analogue, on note C un point d'attache du premier bord 13 d'une aube 12 sur le plafond 2 et D un point d'attache de son deuxième bord 14 sur le plafond 2. Les points d'attache C des différents aubes 12 sont situés sur un même cercle géométrique LC1 centré sur et perpendiculaire à l'axe X2, dont on note R1 le rayon. Les points d'attache A sont situés sur un même cercle géométrique LC2 centré sur et perpendiculaire à l'axe X2, dont on note R2 le rayon. Les cercles LC1 et LC2 sont visibles à la figure 2. Le premier bord 13 de chaque aube 12 est incliné par rapport à l'axe de rotation X2 de la roue R en se rapprochant de l'axe X2 en allant vers la ceinture 1. En d'autres termes, la valeur du rayon R1 est choisie supérieure à la valeur du rayon R2. Ainsi le point d'attache C du premier bord 13 sur le plafond 2 d'une aube 12 est situé, par rapport au point d'attache A du premier bord 13 sur la ceinture 1 d'une aube 12, plus loin de l'axe X2. Le rapport entre, d'une part, le rayon R1 et, d'autre part, le rayon R2 est strictement supérieur à 1 et inférieur ou égal à 1,1, de préférence compris entre 1,02 et 1,06, de préférence encore de l'ordre de 1,04. Ainsi le premier bord 13 de chaque aube 12 est incliné et un angle a formé par le premier bord 13 et une droite D1 parallèle à l'axe de rotation X2 de la roue R et passant par le point d'attache C du premier bord 13 sur le plafond 2 est strictement supérieur à 00 et inférieur ou égal à 50°, de préférence compris entre 5° et 25°. De plus, sur les figures 1 à 4, le premier bord de chaque aube présente un profil globalement rectiligne. La sécurité de l'installation I lors de son arrêt accidentel peut être observée à l'aide de la figure 5. On observe que la caractéristique de fonctionnement représentée par la courbe Cl de la machine hydraulique M conforme à l'invention a une pente positive beaucoup moins marquée que la caractéristique de fonctionnement représentée par la courbe 02 d'une machine hydraulique comprenant la roue 100 de l'art antérieur. Ainsi l'apparition des phénomènes transitoires lors de l'arrêt accidentel de la machine M est limitée puisque, lorsque le facteur de débit diminue, la hauteur de chute de la machine augmente très faiblement, il n'y a donc pas apparition d'une forte dépression à l'aval de la machine M. En conclusion, le design du premier bord 13 de la roue R de la machine hydraulique M permet d'éviter un niveau de dépression à l'aval trop important pouvant atteindre le niveau de vide lors d'un arrêt accidentel de la machine hydraulique M. C'est l'inclinaison du premier bord 13 des aubes 12 qui offre cette caractéristique de fonctionnement amélioré Cl. Selon une variante, non représentée, les premiers bords 13 des aubes 12 peuvent ne pas être rectilignes et présenter dans le plan de la figure 3 une forme de portion de cercle, d'ellipse, de parabole, voire de courbe quelconque, alors que le rayon R1 est supérieur au rayon R2. Ainsi, dans cette variante, le premier bord 13 d'au moins une aube 12 présente un profil non rectiligne ou, le premier bord 13 de toutes les aubes 12 présente un profil non rectiligne. Selon une autre variante, le premier bord 13 d'au moins une aube 12 de la roue R présente un profil globalement rectiligne. Selon une autre variante, seules certaines aubes 12 ont leur premier bord 13 incliné par rapport à l'axe X2 de rotation de la roue R. Selon une autre variante, le nombre d'aubes 12 de la roue R est différent de neuf. Selon une autre variante, l'axe de rotation de la roue R est un axe horizontal. Selon une variante supplémentaire, la machine hydraulique M est une turbine de type Francis et non une turbine-pompe. 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.- Roue (R) de type Francis pour machine hydraulique (M), destinée à être traversée par un écoulement (E) forcé d'eau, comprenant : - un plafond (2) à symétrie de révolution autour d'un axe (X2) de rotation de la roue, une ceinture (1) à symétrie de révolution autour de l'axe (X2) de rotation de la roue et situé en regard du plafond (2), des aubes (12) qui s'étendent entre le plafond (2) et la ceinture (1), chaque aube s'étendant entre un premier bord (13) formant un bord d'attaque lorsque la machine hydraulique fonctionne en mode turbine et un deuxième bord (14) formant un bord de fuite lorsque la machine hydraulique fonctionne en mode turbine, caractérisée en ce que le premier bord (13) d'au moins une aube (12) est incliné par rapport à l'axe (X2) de rotation de la roue et en ce que le rapport entre, d'une part, le rayon (R1) d'un premier cercle (LC1) centré sur l'axe (X2) de rotation de la roue, perpendiculaire à cet axe et passant par un point (C) d'attache du premier bord (13) de l'aube (12) sur le plafond (2) et, d'autre part, le rayon (R2) d'un deuxième cercle (LC2) centré sur l'axe (X2) de rotation de la roue perpendiculaire à cet axe et passant par un point d'attache (A) du premier bord de la même aube sur la ceinture est strictement supérieur à 1 et inférieur ou égal à 1,1. 2.- Roue selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport entre, d'une part, le rayon (R1) du premier cercle (LC1) et, d'autre part, le rayon (R2) du deuxième cercle (LC2) est compris entre 1,02 et 1,06 de préférence de l'ordre de 1,04. 3.- Roue de type Francis selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier bord (13) de toutes les aubes (12) est incliné et en ce que tous les points (C) d'attache du premier bord (13) de chaque aube (12) sur le plafond (2) sont sur le premier cercle (LC1) et tous les points (A) d'attache du premier bord (13) de chaque aube (12) sur la ceinture (1) sont sur le deuxième cercle (LC2). 4.- Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, pour au moins une aube (12), l'angle (a) formé par le premier bord (13) et une droite (D1) parallèle à l'axe (X2) de rotation de la roue et passant par le point (C) d'attache du premier bord sur le plafond (2) est strictement supérieur à 00 et inférieur ou égal à 50°, de préférence compris entre 5° et 25°. 5.- Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier bord (13) d'au moins une des aubes (12) de la roue (R) présente un profil globalement rectiligne. 6.- Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier bord (13) de toutes les aubes (12) de la roue (R) présente un profil globalement rectiligne. 7.- Roue selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le premier bord d'au moins une des aubes (12) de la roue (R) présente un profil globalement non rectiligne. 8.- Roue selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le premier bord de toutes les aubes (12) de la roue (R) présente un profil globalement non rectiligne. 9.- Machine (M) hydraulique, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'une roue (R) selon l'une des revendications précédentes. 10.- Installation (I) de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique et réciproquement, caractérisée en ce que cette installation comprend une machine (M) hydraulique selon la revendication 9 et des conduits (4, 8) d'amenée d'eau à la machine hydraulique et d'évacuation d'eau à partir de celle-ci.