INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
représente un organigramme du procédé de mesure d’une cavitation érosive suivant l’invention.
représente un diagramme des phases de l’eau.
On décrit ci-dessous plus en détail en référence aux figures 1 à 16 un exemple de réalisation d’un procédé de mesure d’une cavitation érosive d’une machine hydraulique 1, ainsi qu’un dispositif 100 de mesure d’une cavitation érosive de la machine hydraulique 1 mettant en œuvre ce procédé.
La machine hydraulique 1 comporte des parois délimitant un conduit 12 de passage d’eau liquide. La machine hydraulique 1 comporte un ou plusieurs organes mobiles 11, qui sont mis en mouvement dans le conduit 12 de passage d’eau liquide pendant le fonctionnement de la machine hydraulique.
De préférence, les premier et deuxième fluides sont introduits dans le corps d’échange thermique avec une différence de température entre eux supérieure à 100 °C, de préférence supérieure à 200 °C, voire supérieure à 300°C, voire supérieure à 500 °C.
De préférence, à l’introduction dans le corps d’échange thermique, le premier fluide est plus froid que le deuxième fluide.
Dans au moins un, de préférence dans chacun, des circuits de circulation de premier fluide et dans au moins un, de préférence dans chacun, des circuits de circulation de deuxième fluide, le sens de circulation du premier fluide peut être différent du sens de circulation du deuxième fluide.
De préférence, le premier fluide et/ou le deuxième fluide circulent dans le corps d’échange thermique selon un régime d’écoulement turbulent, par exemple caractérisé par un nombre de Reynolds supérieur à 2000.
Le premier fluide peut être un gaz, notamment de l’air, et le deuxième fluide peut être un liquide, par exemple aqueux, notamment de l’eau.
En variante, les premier et deuxième fluides sont des liquides. Par exemple, le premier liquide est aqueux et le deuxième liquide est une huile.
De préférence, l’échangeur de chaleur est utilisé pour refroidir un fluide dont la température est supérieure à 100 °C, voire supérieure à 500 °C, en particulier lorsque le corps d’échange thermique est en alliage à base de titane ou un alliage à base de nickel.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : est une vue en perspective d’un exemple d’échangeur de chaleur selon l’invention, est une vue en perspective d’un quart de l’échangeur de chaleur de la , coupé selon un plan médian longitudinal (P1) et selon un plan médian transversal (P2), est une vue en perspective d’une coupe selon le plan (P3) du quart l’échangeur de chaleur de la , est une vue selon la flèche F1 d’une partie de l’échangeur de chaleur, est une vue d’une partie de l’échangeur de chaleur de la coupé par le plan médian transverse (P2) est une selon l’axe longitudinal et dans la direction de la flèche F2 de la partie vue sur la , est une vue écorchée d’une coupe transverse du corps d’échange thermique de l’échangeur de chaleur illustré sur les figures 1 à 6, est une photographie de l’échangeur de chaleur illustré sur les figures 1 à 6 obtenu par fabrication additive est un autre exemple d’échangeur de chaleur selon l’invention, et illustre de manière schématique d’autres échangeurs de chaleur selon l’invention.
On a représenté sur les figures 1 à 7 un premier exemple d’échangeur de chaleur 1 selon l’invention. Il comporte une calandre 3 s’étendant longitudinalement selon un axe X rectiligne. La calandre 3 comporte des ouverture d’admission 5 et d’évacuation 7 d’un premier fluide qui débouchent longitudinalement de part et d’autre de la calandre 3. Elle comporte en outre des ouvertures d’admission 9 et d’évacuation 11 d’un deuxième fluide portées par deux de ses faces transversales opposées.
Ainsi, comme indiqué par la flèche E1, un premier fluide peut s’écouler longitudinalement de part en part dans l’échangeur entre les ouvertures d’admission 5 et d’évacuation 7 de premier fluide et, comme indiqué par la flèche E2, un deuxième fluide peut s’écouler longitudinalement de part en part de l’échangeur entre les ouvertures d’admission 9 et d’évacuation 11 de deuxième fluide. Les premier et deuxième fluides peuvent ainsi échanger de la chaleur au sein de l’échangeur thermique 1. Dans l’exemple illustré, les premier et deuxième fluides s’écoulent dans des sens opposés et parallèles à l’axe X au sein de l’échangeur de chaleur. Ce mode d’écoulement des fluides dit à « contre-courant », n’est pas limitatif, les fluides pouvant s’écouler dans un même sens, dit à « co-courant » comme cela sera décrit plus loin.
Comme cela est plus particulièrement observable sur la , la calandre 3 présente une forme générale tubulaire d’axe X et creuse. Elle comporte une paroi de calandre 13 qui ceinture un logement de calandre 15.
L’échangeur de chaleur 1 comporte en outre un corps d’échange thermique 17. Le corps d’échange thermique 17 comporte des première 19 et deuxième 21 parois longitudinales présentant des première 23 et deuxième 25 faces, et des conduits de transport du premier fluide 27 qui s’étendent longitudinalement et parallèlement les uns aux autres entre les première 23 et deuxième 25 faces. Chacun des conduits de transport du premier fluide 27 débouche pas ses extrémités opposées sur les première 23 et deuxième 25 faces par une entrée de premier fluide 29 et une sortie de premier fluide 31 respectivement.
La calandre 3 et le corps d’échange thermique 17 délimitent une cavité de circulation du deuxième fluide 33 qui s’étend longitudinalement entre les première 19 et deuxième 21 parois de l’échangeur thermique 1. Les ouvertures d’admission 9 et d’évacuation 11 de deuxième fluide sont ménagées dans des parois latérales opposées de la calandre et traversent ces parois de part en part pour déboucher dans la cavité de circulation du deuxième fluide 33.
Le corps d’échange thermique 17 comporte en outre des conduits de transport du deuxième fluide 35 qui s’étendent parallèlement les uns aux autres selon l’axe longitudinal X, chacun entre une entrée de deuxième fluide 37 et une sortie de deuxième fluide 39.
Par ailleurs, une chambre d’admission de premier fluide 41, étanche au premier fluide, est définie par la calandre 3 et la première paroi 19 du corps d’échange thermique 17, entre l’ouverture d’admission de premier fluide 5 et les entrées de premier fluide 29, et une chambre d’évacuation 43 de premier fluide étanche au premier fluide est définie par la calandre 3 et la deuxième paroi 21 du corps d’échange thermique 3 entre l’ouverture d’évacuation de premier fluide 11 et les sorties de premier fluide 31. Ainsi, il est possible de distribuer simplement le premier fluide dans les conduits de premier fluide 27 en connectant l’ouverture d’admission de premier fluide 9 à un simple raccord d’alimentation en premier fluide et de purger les conduits de premier fluide 27 en connectant l’ouverture d’évacuation de premier fluide 11 à un simple raccord de purge en premier fluide.
Le corps d’échange thermique 17 et la calandre 3 délimitent en outre une chambre d’admission de deuxième fluide 45 et une chambre d’évacuation de deuxième fluide 46 qui sont contenues dans la cavité de circulation du deuxième fluide.
La machine hydraulique 1 peut être toute machine utilisant de l’eau et peut être par exemple une turbine hydraulique 1, ou autres, comme par exemple une pompe hydraulique ou une vanne hydraulique ou autres, ou tout équipement hydraulique dans 1 usine hydroélectrique de production d’électricité.
On décrit ci-dessous en référence aux figures 1 à 4, une machine hydraulique 1 formée par une turbine hydraulique 1. La turbine hydraulique 1 sert à la production d’électricité par passage de l’eau et peut être par exemple utilisé dans une usine hydroélectrique. La turbine hydraulique 1 peut être une turbine de turbo- alternateur de génération d’électricité ou une turbine d’une génératrice d’électricité, ou autre.
La turbine 1 comporte un arbre 2 de rotation, qui est monté tournant dans un châssis 10 autour d’un premier axe 8 de rotation. Des pales 3 situées dans le conduit 12 de passage d’eau liquide sont solidaires en rotation de l’arbre 2 de rotation, pour pouvoir tourner autour du premier axe 8 de rotation, afin d’entraîner l’arbre 2 en rotation autour du premier axe 8. L’arbre 2 comporte un moyeu 4, sur lequel sont fixées les pales 3 et qui se termine par une ogive 5. Le moyeu 4, les pales 3 et l’ogive 5 forment une roue 2a, qui est située dans le conduit 12 de passage d’eau liquide et qui est montée tournante par rapport au châssis 10 autour du premier axe 8 de rotation. La roue 2a est fixée par un accouplement à l’arbre 2. La turbine 1 peut être par exemple du type à arbre 2 vertical, à arbre 2 horizontal ou autre.
Le châssis 10 comporte une paroi 16 délimitant une voie 6 d’entrée d’eau, dans laquelle de l’eau liquide est envoyée vers les pales 3. Le châssis 10 comporte une paroi 17 délimitant une voie 7 de sortie d’eau, dans laquelle l’eau est envoyée depuis les pales 3. Les pales 3 sont situées entre la voie 6 d’entrée d’eau et la voie 7 de sortie d’eau. Une paroi 13 (ou manteau 13 de-roue) du châssis 10 entoure les pales 3 à distance de celles-ci. Les parois délimitant le conduit 12 de passage d’eau liquide comportent les parois 13, 16 et 17.
Le passage de l’eau contre les pales 3 depuis la voie 6 d’entrée vers la voie 7 de sortie fait tourner ces pales 3 et l’arbre 2 de rotation autour du premier axe 8 de rotation. Il peut être prévu comme organe mobile 11 les pales 3 mobiles en rotation autour du premier axe 8 de rotation. Il peut également être prévu comme organe mobile 11 des organes d’ajustement du débit, comme les aubes directrices 9, ou des treillis, ou autre.
Chaque pale 3 peut être montée tournante par rapport au moyeu 4 autour d’un deuxième axe de rotation 14 perpendiculaire au premier axe 8 de rotation et ce d’une manière commandée par l’intermédiaire d’organes réglants. Les deuxièmes axe de rotation 14 des pales 3 sont écartés les uns des autres autour du premier axe 8 de rotation. Par exemple, les pales 3 sont identiques entre elles.
Entre la voie 6 d’entrée de fluide et les pales 3 sont prévues des aubes directrices 9 de vannage du fluide, qui sont répartis autour de l’arbre 2 de rotation. Les aubes directrices 9 de vannage ont pour fonction de prédéterminer une section de passage de fluide entre la voie 6 d’entrée du fluide et la voie 7 de sortie du fluide.
Chaque aube directrice 9 de vannage est montée tournante par rapport au châssis 10 autour d’un troisième axe 15 de rotation, pouvant être par exemple parallèle au premier axe 8 de rotation, et ce d’une manière commandée par l’intermédiaire d’organes réglants. Les troisièmes axes de rotation 15 des aubes directrices 9 de vannage sont écartés les uns des autres autour du premier axe 8 de rotation. Par exemple, les aubes directrices 9 de vannage sont identiques entre elles.
L’eau à l’état liquide entre par la voie 6 d’entrée d’eau 1 pour être dirigée de manière forcée par des aubes avant-directrices 18 vers les aubes directrices 9 lesquelles orientent l’eau vers les pales 3. L’entraînement des pales 3, et donc de celle la roue se fait par les vecteurs vitesses résultants. C’est au cours de ce chemin que parcourt l’eau que celle-ci peut se transformer peu à peu, pour passer, selon certaines conditions, de l’état liquide à un état diphasique liquide- vapeur constituant ladite cavitation. En sortie, l’eau passe dans la voie 7 de sortie et est envoyée vers la retenue aval de la machine 1.
Suivant l’invention, le procédé de mesure de cavitation érosive de la machine hydraulique 1 comporte les étapes suivantes, ainsi que représenté à titre d’exemple à la .
Le dispositif 100 de mesure de cavitation érosive de la machine hydraulique 1 suivant l’invention comporte un (ou plusieurs) transducteur ultrasonore émetteur 20, qui est positionné sur un premier côté d’une des parois, appelée première paroi. Le (ou les) transducteur ultrasonore émetteur 20 est orienté au travers du conduit 12 de passage d’eau liquide vers le (ou les) organe mobile ou vers un autre côté de la première paroi. Il peut être prévu par exemple une paire de transducteurs ultrasonores émetteurs 20, ainsi que représenté à la , ou plus de deux transducteurs ultrasonores émetteurs 20.
Dans un premier cas, représenté aux figures 3 et 4 dans l’exemple décrit ci-dessus de la turbine hydraulique 1, le (ou les) transducteur ultrasonore émetteur 20 est positionné sur le premier côté 131 de la paroi 13 entourant les pales 3 (cette paroi 13 formant dans ce cas la première paroi 13). Le (ou les) transducteur ultrasonore émetteur 20 est orienté au travers du conduit 12 de passage d’eau liquide vers la (ou les) pales 3 (la (ou les) pales 3 formant dans ce cas le (ou les) organes mobiles 11).
Dans un deuxième cas, représenté à la dans l’exemple décrit ci-dessus de la turbine hydraulique 1, le (ou les) transducteur ultrasonore émetteur 20 est positionné sur le premier côté 171 de la paroi 17 délimitant la voie 7 de sortie d’eau (la paroi 17 formant dans ce cas la première paroi 17). Le (ou les) transducteur ultrasonore émetteur 20 est orienté au travers du conduit 12 de passage d’eau liquide vers un autre côté 172 de la paroi 17 délimitant la voie 7 de sortie d’eau. Cela permet de s’adapter aux machines n’ayant pas d’accès autour des organes mobiles 11 (par exemple les pales 3).
Bien entendu, la première paroi pourrait être autre que les parois 13 et 17. Bien entendu, l’organe mobile 11 peut être autre que les pales 3 et les aubes directrices 9.
Au cours d’une première étape E1, le (ou les) transducteur ultrasonore émetteur 20 émet un (ou plusieurs) premier signal ultrasonore e ou e(t) impulsionnel à large bande vers le (ou les) organe mobile 11 (pouvant être la ou les pales 3 dans le premier cas décrit ci-dessus) ou vers l’autre côté de la première paroi (pouvant être l’autre côté 172 de la paroi 17 délimitant la voie 7 de sortie d’eau dans le deuxième cas décrit ci-dessus)(pendant le fonctionnement de la machine hydraulique 1, à savoir pendant que le (ou les) organes mobiles 11 sont mis en mouvement, c’est-à-dire pendant que les pales 3 tournent autour du premier axe 8 de rotation dans le cas de la turbine hydraulique 1.
Le dispositif 100 de mesure de cavitation érosive de la machine hydraulique 1 suivant l’invention comporte un (ou plusieurs) transducteur ultrasonore 30 récepteur, qui est positionné sur le premier côté de la première paroi, sur lequel est positionné le (ou les) transducteur ultrasonore émetteur 20 (ce premier côté de la première paroi pouvant être le premier côté 131 de la paroi 13 entourant les pales 3 dans le premier cas décrit ci-dessus, ce premier côté de la première paroi pouvant être le premier côté 171 de la paroi 17 délimitant la voie 7 de sortie d’eau dans le deuxième cas décrit ci-dessus). Au cours d’une deuxième étape E2, le (ou les) transducteur ultrasonore 30 récepteur reçoit un (ou plusieurs) deuxième signal ultrasonore x ou x(t) reçu en réponse au premier signal ultrasonore e ayant été émis. Il peut être prévu par exemple une paire de transducteurs ultrasonores récepteurs 30, ainsi que représenté à la , ou plus de deux transducteurs ultrasonores récepteurs 30.
Le dispositif 102 mesure suivant l’invention comporte une unité 40 de calcul, reliée au(x) transducteur(s) ultrasonore(s) 20 émetteur(s) et au(x) transducteur(s) ultrasonore(s) 30 récepteur(s), ainsi que représenté à titre d’exemple à la . L’unité 40 de calcul peut être ou comporter un (ou plusieurs) calculateur, un (ou plusieurs) ordinateur, un (ou plusieurs) processeur, ou autres. L’unité 40 de calcul peut comporter une (ou plusieurs) mémoire permanente, une (ou plusieurs) mémoire vive.
Au cours d’une troisième étape E3, l’unité 40 de calcul calcule, à partir du premier signal ultrasonore e ayant été émis et à partir du deuxième signal ultrasonore x ayant été reçu, un (ou plusieurs) indicateur de cavitation érosive de la machine hydraulique 1. Un programme d’ordinateur, comportant des instructions de code pour la mise en œuvre de la troisième étape E3 du procédé de mesure d’une cavitation érosive d’une machine hydraulique 1 peut être enregistrée dans la mémoire permanente de l’unité 40 de calcul (ou des éléments mentionnés ci-dessus de celle-ci) pour pouvoir être exécuté sur celle-ci.
Suivant un premier mode de réalisation de l’invention, le (ou les) indicateur de cavitation érosive de la machine hydraulique 1 est effectué à partir du calcul, effectué par l’unité 40 calcul, d’un (ou plusieurs) temps TOA n d’arrivée du deuxième signal ultrasonore x ayant été reçu par rapport au premier signal ultrasonore e ayant été émis. Le premier mode de réalisation de l’invention fournit un indicateur temporel de cavitation érosive de la machine hydraulique 1.
Suivant un deuxième mode de réalisation de l’invention, le (ou les) indicateur de cavitation érosive de la machine hydraulique 1 est effectué à partir du calcul, effectué par l’unité 40 calcul, d’une (ou plusieurs) bande spectrale BW k instantanée. Le deuxième mode de réalisation de l’invention fournit un indicateur spectral de cavitation érosive de la machine hydraulique 1. La (ou les) bande spectrale BW k instantanée est définie par la plage de fréquence, pour laquelle une valeur représentative DSP (k ) (f) de la densité spectrale de puissance DSP i (k ) (f) du deuxième signal ultrasonore x ayant été reçu est supérieure à un premier pourcentage A non nul donné de la valeur moyenne DSP mean calculée de la valeur représentative DSP (k ) (f) de la densité spectrale de puissance DSP i (k ) (f) au cours du temps. f désigne la fréquence, t désigne le temps. Le symbole k représente un créneau temporel k d’émission du premier signal ultrasonore e impulsionnel à large bande ayant été émis. Ainsi que représenté à titre d’exemple à la , le premier signal ultrasonore e impulsionnel à large bande ayant été émis peut comporter plusieurs créneaux temporels successifs k-1, k, k+1, k+ 2, … Les créneaux temporels k peuvent chacun avoir la même durée D.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le premier signal ultrasonore e impulsionnel à large bande comporte des impulsions n émises avec une période prescrite T r de répétition des impulsions, cette période prescrite T r étant non nulle. Le nombre S est le nombre d’impulsions n dans chaque créneau temporel k du premier signal ultrasonore e(t) impulsionnel à large bande ayant été émis. Dans chaque créneau temporel k, les impulsions n du premier signal e(t) émis vont de n=1 à n=S. On a donc S= .
Suivant un mode de réalisation de l’invention, représentée à titre d’exemple à la , une modulation de fréquence supérieure ou égale à une valeur basse f 1 de modulation de fréquence, non nulle, et inférieure ou égale à une valeur haute f 2 de modulation de fréquence, non nulle, est prévue dans une durée L p de modulation incluse dans chaque impulsion n. La durée L p de modulation est donc inférieure à la période prescrite T r de répétition des impulsions. La valeur haute f 2 de modulation de fréquence est supérieure à la valeur basse f 1 de modulation de fréquence. La valeur basse f 1 de modulation de fréquence est prescrite et peut être par exemple constante. La valeur haute f 2 de modulation de fréquence est prescrite et peut être par exemple constante. La durée L p de modulation peut être prévue par exemple au début de période prescrite T r de répétition des impulsions, ou autre.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, représentée à titre d’exemple à la , la modulation de fréquence est linéaire et va de la valeur basse f 1 de modulation de fréquence à la valeur haute f 2 de modulation de fréquence sur la durée L p de modulation et est nulle sur le reste de la période prescrite T r de répétition des impulsions. En variante, la modulation de fréquence est linéaire et va de la valeur haute f 2 de modulation de fréquence à la valeur basse f 1 de modulation de fréquence sur la durée L p de modulation et est nulle sur le reste de la période prescrite T r de répétition des impulsions. Bien entendu, la modulation de fréquence pourrait, sur la durée L p de modulation, être non linéaire de la valeur basse f 1 de modulation de fréquence à la valeur haute f 2 de modulation de fréquence ou de la valeur haute f 2 de modulation de fréquence à la valeur basse f 1 de modulation de fréquence et être nulle sur le reste de la période prescrite T r de répétition des impulsions.
Suivant un autre mode de réalisation de l’invention, non représenté, la modulation de fréquence est cubique et va de la valeur basse f 1 de modulation de fréquence à la valeur haute f 2 de modulation de fréquence sur la durée L p de modulation et est nulle sur le reste de la période prescrite T r de répétition des impulsions, ou va de la valeur haute f 2 de modulation de fréquence à la valeur basse f 1 de modulation de fréquence sur la durée L p de modulation et est nulle sur le reste de la période prescrite T r de répétition des impulsions .
En général, les paramètres de la durée L p de modulation des impulsions n d’émission et aussi de la période T r de répétition des impulsions n peuvent avoir été calculés en fonction des paramètres réels de la machine, et comprendre la distance la plus courte d entre les capteurs et le point le plus proche qui va interférer avec le signal d’émission e, et la distance la plus longue L entre les capteurs 20, 30 et le point le plus éloigné.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, dans le premier cas décrit ci-dessus, la durée L p de modulation est choisie pour avoir où d est la distance entre les pales 3 et la paroi 13 (manteau de roue) entourant les pales 3 et c est la vitesse de propagation des premier et deuxième signaux ultrasonores e et x dans l’eau, à savoir 1480 m/s. Cela permet que l’émission soit faite avant l’écho (deuxième signal reçu x) de chaque pale 3. Par exemple, la durée L p de modulation est égale à 50 microsecondes. Bien entendu, d’autres valeurs de la durée L p de modulation, différentes de cet exemple, peuvent être choisies.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, dans le premier cas décrit ci-dessus, la période T r de répétition des impulsions n est choisie pour avoir où L est la distance entre la paroi 13 (manteau de roue) entourant les pales 3 et l’axe de rotation 8 des pales 3. Cela permet que les échos (deuxième signal reçu x) arrivent sans ambiguïté au(x) transducteur(s) ultrasonore(s) récepteur(s) 30, si la réflexion du premier signal e émis se fait au niveau de l’arbre 2 de rotation. Par exemple, la période T r de répétition des impulsions n est égale à 20 millisecondes. Bien entendu, d’autres valeurs de la période T r de répétition des impulsions n, différentes de cet exemple, peuvent être choisies.
La durée D de chaque créneau temporel k et la durée T r peuvent être choisies de sorte que le nombre S d’impulsions n soit entier. Ainsi dans le présent exemple, la durée D de chaque créneau temporel k peut être égale à 1 seconde pour la période T r de répétition des impulsions n égale à 20 millisecondes. Dans ce cas, dans chaque créneau temporel k, les impulsions n du premier signal e(t) émis vont de n=1 à S= = 50.
Suivant un exemple de réalisation de l’invention, la valeur basse f 1 de modulation de fréquence est égale à 800 kHz. Bien entendu, la valeur basse f 1 de modulation de fréquence peut être différente de cet exemple.
Suivant un exemple de réalisation de l’invention, la valeur haute f 2 de modulation de fréquence est égale à 1200 kHz. Bien entendu, la valeur haute f 2 de modulation de fréquence peut être différente de cet exemple.
La montre en haut l’exemple ci-dessus du premier signal ultrasonore e (amplitude en Volt en ordonnées, temps t en abscisses), ayant été émis par le (ou les) premier transducteur ultrasonore 20, et en bas l’exemple ci-dessus du deuxième signal ultrasonore x (amplitude en Volt en ordonnées, temps t en abscisses), ayant été reçu par le (ou les) deuxième transducteur ultrasonore 30 en réponse à ce premier signal ultrasonore e.