CA2358722A1 - Turbine hydraulique avec tourbillon centripete et distributeur axial - Google Patents

Description

TURBINE HYDRAULIQUE AVEC TOURBILLON CENTRIP~TE ET
DISTRIBUTEUR AXIAL
DOMAINE D'APPLICATION
Cette turbine hydraulique a été développée dans le but d'augmenter la puissance générée par des installations hydroélectriques existantes lors de travaux de réhabilitation. Elle peut être utilisée aussi dans de nouvelles installations. Elle s'applique pour les turbines exploitées sous des chutes de 5 à 60 m avec une zone d'application optimale autour de 30 m.
AVANTAGE DE CETTE TURBINE HYDRAULIQUE
Typiquement, le remplacement d'une turbine classique par cette nouvelle turbine augmente la puissance générée de 50 à
plus de 100 tout en conservant le même encombrement minimisant ainsi les travaux aux installations existantes.
Dans le cas de nouvelles centrales, cette turbine réduit l'encombrement latéral (ou entraxe des groupes lorsqu'il y en a plusieurs).
PARTICULARITÉ DE CETTE TURBINE HYDRAULIQUE
Par rapport à une turbine classique, cette turbine permet d'augmenter le diamètre de la roue tout en conservant la même bâche et donc le même encombrement en centrale. Cette augmentation du diamètre de la roue est obtenue par l'élimination du distributeur radial.
Essentiellement, cette turbine se distingue par la génération d'un tourbillon centripète et par l'implantation d'un distributeur axial. Typiquement, le tourbillon centripète est généré par une bâche et un avant-distributeur radial.
Vu dans un plan méridien, l'écoulement principal se déplace dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation dans la bâche et l'avant-distributeur puis prend une direction principale parallèle à l'axe de rotation dans le distributeur. Entre l'avant-distributeur et le distributeur, il y a donc un virage de l'écoulement.
4. Description détaillée Les figures 1 et 2 montrent une coupe en élévation d'un groupe turbine-alternateur. Sur la figure 1 la direction principale de l'écoulement est montrée par des flèches. Sur la figure 2, les composantes significatives de la turbine sont identifiées.
LE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
L'eau est amenée à la turbine par une conduite forcée ou une amenée en béton, cette composante n'est pas montrée sur les figures.
Un organe ou une combinaison d'organes génèrent un tourbillon centripète. Typiquement, une bâche (1) et un avant-distributeur (2) induisent à l'écoulement un mouvement de rotation autour de l'axe de rotation de la turbine. Cette bâche peut-être de type semi-spiral ou spirale comme montré.
Ce pourrait être aussi une chambre d'eau. L'eau en rotation crée un moment cinétique. Dans le plan méridien l'écoulement est vu comme radial . L' avant-distributeur est constitué d' un nombre d'aubes variable qui ont une fonction mécanique et hydraulique. Ces aubes doivent reprendre les efforts

2 mécaniques transmis pas la bâche, le béton et les autres composantes mécaniques qui prennent appui sur l'avant-distributeur. Ils doivent aussi corriger la direction de l'écoulement pour l'uniformiser. L'exemple montré dispose de 20 aubes avant-directrices.
L'écoulement poursuit son chemin en effectuant un virage (3) dans le plan méridien pour franchir le distributeur dans une direction presque parallèle à l'axe roue lorsque vue dans un plan méridien comme montré à la figure 1. Ce virage avant d'atteindre le distributeur(4) est une caractéristique unique de cette turbine.
Le distributeur (4) montré est de type axial et est constitué
de n (12 à 24) aubes directrices qui sont orientables. Leur fonction est de commander le débit de l'écoulement de l'arrêt à la pleine charge de la machine en induisant un minimum de perte. Il se distingue des distributeurs axiaux des turbines connues par le fait que le moment cinétique est déjà initié
d'une façon très significative par les organes à l'amont du virage. Les distributeurs axiaux des turbines classiques ont une contribution majeure dans la génération d'un tourbillon ce qui n'est pas le cas ici. Le profil des directrices est donc différents pour cette turbine. L'axe des directrices peut-être horizontal ou légèrement incliné. L'exemple montre un angle de 10 degrés par rapport à l'horizontale.
La roue(5) est l'organe moteur de la turbine hydraulique. Sa fonction est de transformer l'énergie contenue dans le moment cinétique de l'écoulement en couple moteur à l'arbre turbine (6). Elle peut être de type Kaplan donc avec pales orientables comme montré ou de type à pale fixe.

3 Cette turbine peut fonctionner dans un axe vertical comme montré ou horizontal ou oblique.
VARIANTE
Compte tenu de ses fonctions hydrauliques et mécaniques, l'avant-distributeur doit disposer d'un nombre d'aubes approprié. Ce nombre peut être réduit à zéro dans certaines configurations.
IMPLANTATION DE CETTE TURBINE LORS D'UN PROJET DE
RÉHABILITATION TYPIQUE
Cette nouvelle turbine convient notamment pour des projets de réhabilitation qui ont comme objectif une augmentation très significative de la puissance. Son implantation nécessite dans ce contexte des modifications à la turbine existante.
L'augmentation du diamètre de la roue est une méthode efficace pour augmenter la puissance en augmentant le débit turbiné.
La figure 3 montre avant (fig. 3a) et après (fig. 3b) l'implantation de cette nouvelle turbine.
Sur la turbine existante, 1.a figure 3a montre une turbine Francis typique (15), l'augmentation potentielle du diamètre de roue est limitée par le distributeur radial (14). Cet organe est éliminé avec la nouvelle turbine (fig. 3b).
L'avant-distributeur quant à lui est remplacé par un nouvel avant-distributeur (2) montré sur la figure 3b dont la hauteur est plus importante pour permette le passage du débit

4 accru. L'espace radial ainsi récupéré est utilisé pour augmenter le diamètre de la roue de la nouvelle turbine.
L'utilisation d'une roue de type axial, la figure 3b montre une roue de type Kaplan (10), permet de déplacer l'axe roue dans la direction aval de l' écoulement, ici vers le bas, et d'intercaler un distributeur axial (4) à l'amont de cette roue.
L'augmentation du débit turbiné, le diamètre plus grand de la roue, le déplacement de l'axe de la roue vers le bas, demande un remodelage complet de l'aspirateur de son état existant (16) à neuf (11) pour accommoder ces changements hydrauliques géométriques.
Du point de vue mécanique, d'une part, les mécanismes (6) requis pour actionner les directrices nécessitent un espace libre de béton limité par un cuvelage inférieur (5). D'autre part, les charges mécaniques transmises à l'avant-distributeur (2) doivent pouvoir être transférées au béton.
C'est dans ce but, qu'une bavette conique (3) vient attacher la portion inférieure du blindage de la bâche (1) à l'avant distributeur (2) et au cuvelage inférieur (5) permettant ainsi un transfert des charge au béton d'une part par ce cuvelage et d'autre part par l'empilage manteau de distributeur (7), manteau de roue (8) et cône d'aspirateur (9). La roue (10) doit être le plus haut possible pour se rapprocher du palier guide (12). Ä cette fin, et compte tenu de l'importance des formes hydrauliques l'axe des directrices est légèrement incliné. Le fond supérieur (12) est aussi complètement différent.
Compte tenu de l'augmentation de puissance l'alternateur et ses supports sont entièrement remplacés.

5 Bien que des réalisations de l'invention ont été illustrées dans les dessins ci-joints et décrites ci-dessus, il apparaîtra évident pour les personnes versés dans l'art que des changements et des modifications peuvent être apportés à
ces réalisations sans s'écarter de l'essence de l'invention.

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