CH638276A5

CH638276A5 - Reversible pump/turbine with several stages and a single speed

Info

Publication number: CH638276A5
Application number: CH655080A
Authority: CH
Inventors: Sachio Tsunoda
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co
Priority date: 1979-08-28
Filing date: 1980-08-27
Publication date: 1983-09-15
Also published as: JPS5634966A; DE3032058C2; JPS6250664B2; DE3032058A1

Description

La présente invention a pour objet une pompe-turbine réversible à plusieurs étages et à vitesse unique. Plus particulièrement, l'invention concerne une machine hydraulique pouvant fonctionner avec un rendement élevé lorsque sa vitesse est maintenue à une valeur constante. The present invention relates to a reversible pump-turbine with several stages and single speed. More particularly, the invention relates to a hydraulic machine capable of operating with high efficiency when its speed is maintained at a constant value.

La tendance actuelle dans la construction des usines hydroélectriques consiste dans l'utilisation de valeurs élevées de la pression hydraulique ainsi que dans celle de machines hydrauliques à plusieurs étages, qui est motivée par le fait que les limites de performance autorisées par la conception de machines hydrauliques à un seul étage ont déjà été atteintes. The current trend in the construction of hydroelectric plants consists in the use of high values of hydraulic pressure as well as in that of multistage hydraulic machines, which is motivated by the fact that the performance limits allowed by the design of hydraulic machines on one floor have already been reached.

Il est bien connu que, dans une machine hydraulique à plusieurs étages, la valeur maximale du rendement hydraulique n'est pas la même lorsque la machine fonctionne comme turbine ou comme pompe. Il est pourtant souhaitable que, lorsque la machine hydraulique tourne à la même vitesse, la valeur maximale du rendement hydraulique soit la même dans ces deux modes de fonctionnement. It is well known that, in a multi-stage hydraulic machine, the maximum value of the hydraulic efficiency is not the same when the machine operates as a turbine or as a pump. However, it is desirable that, when the hydraulic machine rotates at the same speed, the maximum value of the hydraulic efficiency is the same in these two operating modes.

Dans une pompe-turbine hydraulique à plusieurs étages, en particulier dans le cas d'une pompe-turbine ayant plus de trois étages, il est difficile d'installer des vannes directrices mobiles, ayant un degré d'ouverture réglable, en position périphérique autour de chacun des rotors, à cause des contraintes découlant de l'agencement et des conditions de fonctionnement d'une telle machine. In a multi-stage hydraulic pump-turbine, in particular in the case of a pump-turbine having more than three stages, it is difficult to install movable directing valves, having an adjustable degree of opening, in peripheral position around of each of the rotors, because of the constraints arising from the arrangement and the operating conditions of such a machine.

Il a été suggéré d'installer des aubes directrices mobiles en position périphérique seulement autour du rotor de l'étage qui se trouve à la pression la plus élevée et d'installer des aubes directrices fixes en position périphérique autour du rotor des autres étages, afin de simplifier l'agencement de la pompe-turbine à plusieurs étages. Toutefois, le fait de ne pas pouvoir régler les conditions d'écoulement de l'eau dans ces derniers étages, en fonction du débit d'entrée de l'eau, se traduit par un rendement hydraulique relativement bas en comparaison avec le cas d'une pompe-turbine ayant des aubes directrices mobiles installées à tous ces étages. It has been suggested to install movable guide vanes in peripheral position only around the rotor of the stage which is at the highest pressure and to install fixed guide vanes in peripheral position around the rotor of the other stages, in order to to simplify the arrangement of the multi-stage pump-turbine. However, the fact of not being able to regulate the conditions for the flow of water in these latter stages, as a function of the water inlet flow, results in a relatively low hydraulic efficiency in comparison with the case of a pump-turbine having movable guide vanes installed on all these stages.

L'invention a donc pour objet de fournir une pompe-turbine réversible à plusieurs étages et à vitesse unique ayant un rendement hydraulique total élevé pour chacun de ces étages. The object of the invention is therefore to provide a reversible pump-turbine with several stages and at a single speed having a high total hydraulic efficiency for each of these stages.

A cet effet, la pompe-turbine selon l'invention, dans laquelle tous les étages sont raccordés en série par un conduit de retour, des aubes directrices mobiles, permettant de régler l'ouverture de ce conduit, étant montées périphériquement autour du rotor de l'étage qui est à la pression la plus élevée, des aubes directrices fixes étant montées périphériquement autour du rotor de chacun des autres étages, les rotors de chaque étage étant couplés avec un arbre rotatif, présente les caractéristiques spécifiées dans la revendication 1. To this end, the pump-turbine according to the invention, in which all the stages are connected in series by a return duct, movable guide vanes, making it possible to adjust the opening of this duct, being mounted peripherally around the rotor of the stage which is at the highest pressure, fixed guide vanes being mounted peripherally around the rotor of each of the other stages, the rotors of each stage being coupled with a rotary shaft, has the characteristics specified in claim 1.

L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description détaillée qui va suivre, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, dans lequel: The invention will be better understood in the light of the detailed description which follows, by way of example, with reference to the appended drawing, in which:

la fig. 1 est une vue en coupe d'une pompe-turbine à deux étages, s selon l'invention; fig. 1 is a sectional view of a two-stage pump-turbine, s according to the invention;

la fig. 2 est un graphique montrant les caractéristiques hydrauliques d'une pompe-turbine réversible; fig. 2 is a graph showing the hydraulic characteristics of a reversible pump-turbine;

la fig. 3 est un graphique montrant les relations entre les caractéristiques hydrauliques de chaque étage dans une machine hydrauli-io que à plusieurs étages de type connu; fig. 3 is a graph showing the relationships between the hydraulic characteristics of each stage in a hydraulic multi-stage machine of known type;

la fig. 4 est un graphique montrant les relations entre les caractéristiques hydrauliques de chacun des étages d'une pompe-turbine, selon la forme d'exécution de la fig. 1, lorsqu'elle fonctionne comme turbine, et fig. 4 is a graph showing the relationships between the hydraulic characteristics of each of the stages of a pump-turbine, according to the embodiment of FIG. 1, when it operates as a turbine, and

15 la fig. 5 est un graphique représentant les relations entre les caractéristiques hydrauliques de chaque étage de la pompe-turbine, selon la forme d'exécution de la fig. 1, dans le cas où elle fonctionne en tant que pompe. 15 fig. 5 is a graph representing the relationships between the hydraulic characteristics of each stage of the pump-turbine, according to the embodiment of FIG. 1, in case it works as a pump.

La machine hydraulique représentée à la fig. 1 du dessin est une 20 pompe-turbine du type Francis, qui constitue un exemple de machine hydraulique à plusieurs étages, comprenant un rotor 2 de l'étage à haute pression, et un rotor 3 de l'étage à basse pression, ces rotors étant séparés dans le sens axial et montés sur un arbe principal 1. The hydraulic machine shown in fig. 1 of the drawing is a Francis type pump-turbine, which constitutes an example of a multi-stage hydraulic machine, comprising a rotor 2 of the high pressure stage, and a rotor 3 of the low pressure stage, these rotors being axially separated and mounted on a main shaft 1.

25 Le rotor 2 de l'étage à haute pression est entouré par un couvercle supérieur 4 et un couvercle inférieur 5, et le rotor 3 de l'étage à basse pression est entouré par un couvercle supérieur 6 et un couvercle inférieur 7. En conséquence, deux logements 8 et 9, correspondant respectivement à l'étage à haute pression et à l'étage à basse 30 pression, sont formés et raccordés entre eux par un conduit de retour de fluide 10. The rotor 2 of the high pressure stage is surrounded by an upper cover 4 and a lower cover 5, and the rotor 3 of the low pressure stage is surrounded by an upper cover 6 and a lower cover 7. Consequently , two housings 8 and 9, corresponding respectively to the high pressure stage and to the low pressure stage, are formed and connected together by a fluid return duct 10.

A la périphérie du logement 8 du rotor de l'étage à haute pression se trouve placé un boîtier 11, appelé boîtier de tourbillonnement, qui comprend un compartiment de tourbillonnement 12, de 35 manière à raccorder entre eux le logement 8 du rotor et le compartiment de tourbillonnement 12. L'entrée du compartiment de tourbillonnement 12 est raccordée à une arrivée d'eau 14 par l'intermédiaire d'une vanne d'entrée 13. At the periphery of the housing 8 of the rotor of the high-pressure stage is placed a housing 11, called a swirl box, which comprises a swirl compartment 12, so as to connect the housing 8 of the rotor and the compartment between them. 12 The swirl compartment 12 is connected to a water inlet 14 via an inlet valve 13.

Les aubes directrices mobiles 15 sont montées périphériquement 40 autour du rotor 2 de l'étage à haute pression, et l'ouverture de chacune de ces aubes peut être commandée par un circuit de commande (non représenté), de manière à faire fonctionner la machine en régime normal. Des aubes directrices fixes 16 sont montées périphériquement autour du rotor 3 de l'étage à basse pression. 45 Lorsque l'on fait fonctionner la machine hydraulique à deux étages décrite ci-dessus en tant que turbine, l'eau provenant de la canalisation 14 s'écoule, lorsque la vanne d'entrée 13 est ouverte, dans le compartiment de tourbillonnement 12 du boîtier 11, puis dans l'aspirateur diffuseur 17 qui est raccordé à un canal de fuite ou 50 à un conduit d'écoulement, la circulation de l'eau se faisant à travers les aubes directrices mobiles 15, le rotor 2 de l'étage à haute pression, le canal de retour 10 et les vannes directrices fixes 16 et le rotor 3 de l'étage à basse pression. The movable guide vanes 15 are mounted peripherally 40 around the rotor 2 of the high pressure stage, and the opening of each of these vanes can be controlled by a control circuit (not shown), so as to operate the machine under normal conditions. Fixed guide vanes 16 are mounted peripherally around the rotor 3 of the low pressure stage. When the two-stage hydraulic machine described above is operated as a turbine, the water coming from the pipe 14 flows, when the inlet valve 13 is open, into the swirl compartment 12 of the housing 11, then in the diffuser aspirator 17 which is connected to a leakage channel or 50 to a flow conduit, the circulation of the water taking place through the movable guide vanes 15, the rotor 2 of the high pressure stage, the return channel 10 and the fixed directing valves 16 and the rotor 3 of the low pressure stage.

En conséquence, la machine hydraulique est mise en rotation, ce 55 qui permet d'engendrer de l'énergie électrique au moyen d'un générateur (non représenté) couplé avec l'arbre principal 1. Consequently, the hydraulic machine is set in rotation, which makes it possible to generate electrical energy by means of a generator (not shown) coupled with the main shaft 1.

D'autre part, le fonctionnement de la machine en tant que pompe a lieu à la même vitesse que le fonctionnement en tant que turbine, mais dans la direction opposée. Après fermeture de la vanne 60 d'entrée 13 et des aubes directrices mobiles 15, on abaisse le niveau de l'eau dans les turbines, ou on met ces dernières à sec, au moyen d'un dispositif approprié de mise sous pression (non représenté) disposé au voisinage de l'aspirateur-diffuseur 17. On the other hand, the operation of the machine as a pump takes place at the same speed as the operation as a turbine, but in the opposite direction. After closing the inlet valve 60 and the movable guide vanes 15, the water level in the turbines is lowered, or the latter is dried, by means of an appropriate pressurizing device (not shown) arranged in the vicinity of the vacuum cleaner-diffuser 17.

On met ensuite la machine en rotation, au moyen d'un moteur 65 (non représenté), jusqu'à l'obtention de la vitesse nominale de la machine. Ensuite, on ouvre la vanne d'entrée 13 et les aubes directrices mobiles 15, ce qui se traduit par le pompage de l'eau par le rotor, en provenance de l'aspirateur-diffuseur 17 et vers la canalisation 14, The machine is then put into rotation, by means of a motor 65 (not shown), until the nominal speed of the machine is obtained. Then, the inlet valve 13 and the movable guide vanes 15 are opened, which results in the pumping of water by the rotor, coming from the vacuum cleaner-diffuser 17 and towards the pipe 14,

3 3

638 276 638,276

dans la direction opposée et le long du trajet suivi par l'eau lors du fonctionnement en tant que turbine. Ainsi, les caractéristiques hydrauliques globales d'une machine hydraulique réversible à plusieurs étages et à vitesse unique, dans laquelle les étages sont raccordés en série par un conduit de retour, sont obtenues par l'addition 5 des caractéristiques hydrauliques de chacun des étages. in the opposite direction and along the path followed by the water when operating as a turbine. Thus, the overall hydraulic characteristics of a reversible hydraulic machine with several stages and at a single speed, in which the stages are connected in series by a return duct, are obtained by the addition of the hydraulic characteristics of each of the stages.

Par conséquent, si l'on veut connaître les caractéristiques hydrauliques d'une machine hydraulique réversible à plusieurs étages et à vitesse unique, il est d'abord nécessaire de bien comprendre le fonctionnement d'une machine hydraulique réversible à un seul 10 étage et à vitesse unique, et de connaître ses caractéristiques hydrauliques. Therefore, if one wants to know the hydraulic characteristics of a reversible hydraulic machine with several stages and at single speed, it is first necessary to understand well the operation of a reversible hydraulic machine with only one stage and with single speed, and to know its hydraulic characteristics.

On utilise généralement les symboles suivants lors de l'étude des caractéristiques hydrauliques d'une machine hydraulique réversible à un seul étage et à vitesse unique : 15 The following symbols are generally used when studying the hydraulic characteristics of a single-stage, single-speed reversible hydraulic machine: 15

N(tours par minute) = vitesse de rotation de la turbine; H,(m) = hauteur de la colonne d'eau; N (revolutions per minute) = turbine rotation speed; H, (m) = height of the water column;

t)t = rendement de la turbine; t) t = turbine efficiency;

Hp(m) = hauteur totale de la colonne d'eau de la pompe, et Hp (m) = total height of the water column of the pump, and

T|p = rendement de la pompe. 20 T | p = pump efficiency. 20

Les courbes représentatives du rendement pour chaque degré d'ouverture des aubes directrices mobiles en fonction des vitesses de rotation unitaires N/^/Ht et N/^/HjJ, correspondant respectivement au fonctionnement de la machine en tant que turbine et en tant que pompe, sont représentées à la fig. 2. 25 The curves representing the efficiency for each degree of opening of the movable guide vanes as a function of the unit rotational speeds N / ^ / Ht and N / ^ / HjJ, corresponding respectively to the operation of the machine as a turbine and as a pump , are shown in fig. 2.25

Comme on le voit à la fig. 2, les vitesses de rotation unitaires N/v/H~ et N/^/Hpg, qui permettent d'obtenir les valeurs maximales du rendement hydraulique de la machine fonctionnant en tant que turbine et en tant que pompe, ne coïncident pas entre elles. La vitesse N/V/Hp0 est toujours plus élevée que la vitesse N/^/H^. 30 As seen in fig. 2, the unit rotational speeds N / v / H ~ and N / ^ / Hpg, which make it possible to obtain the maximum values of the hydraulic efficiency of the machine operating as a turbine and as a pump, do not coincide with each other . The speed N / V / Hp0 is always higher than the speed N / ^ / H ^. 30

On se heurte ainsi à une difficulté découlant nécessairement des caractéristiques hydrauliques des machines hydrauliques réversibles. En dépit des efforts effectués pour réduire la différence entre ces deux valeurs de la vitesse de rotation, la valeur de cette différence est généralement donnée par la relation suivante: One thus encounters a difficulty necessarily arising from the hydraulic characteristics of reversible hydraulic machines. Despite the efforts made to reduce the difference between these two values of the speed of rotation, the value of this difference is generally given by the following relation:

N/VÏÇ _ \/H to N/s/Htö = ^T N / VÏÇ _ \ / H to N / s / Htö = ^ T

= 1,04 —1,16 = 1.04 —1.16

po in.

35 35

(1) (1)

Comme on le voit à la fig. 2, et comme on peut le déduire de 40 l'équation 1, du fait que le rendement maximal de la machine fonctionnant en tant que turbine correspond à une vitesse différente de celle à laquelle on obtient le rendement maximal de la machine fonctionnant en tant que pompe, la valeur du rendement hydraulique que l'on obtient lorsque la machine fonctionne en tant que pompe 45 avec une vitesse de rotation correspondant à celle à laquelle on obtient le rendement maximal, lors du fonctionnement en tant que turbine, est très faible. De même, lorsque l'on fait fonctionner la machine en tant que turbine avec une vitesse de rotation correspondant à celle pour laquelle on obtient le rendement maximal lors du 50 fonctionnement en tant que turbine, on obtient une faible valeur de rendement. As seen in fig. 2, and as can be deduced from equation 1, from the fact that the maximum efficiency of the machine operating as a turbine corresponds to a speed different from that at which the maximum efficiency of the machine operating as pump, the value of the hydraulic efficiency which is obtained when the machine operates as pump 45 with a rotation speed corresponding to that at which the maximum efficiency is obtained, when operating as a turbine, is very low. Likewise, when the machine is operated as a turbine with a rotational speed corresponding to that for which the maximum efficiency is obtained during operation as a turbine, a low efficiency value is obtained.

En conséquence, on détermine les conditions de fonctionnement de la pompe de manière à obtenir une valeur maximale du rendement hydraulique correspondant à un niveau normal d'eau inférieur 55 à celui du fonctionnement en tant que pompe. Consequently, the operating conditions of the pump are determined so as to obtain a maximum value of the hydraulic efficiency corresponding to a normal level of water lower than that of operation as a pump.

Dans ce cas, du fait que le fonctionnement de la turbine est tributaire de ces caractéristiques hydrauliques, comme représenté à la fig. 2 et comme on peut le déduire de l'équation 1, il y a lieu de choisir les conditions de fonctionnement normales avec une vitesse 60 de rotation maximale différente de celle qui correspond au rendement optimal. En d'autres termes, les conditions de fonctionnement doivent être choisies dans un domaine correspondant à une valeur de rendement hydraulique inférieure au rendement maximal et correspondant au côté de la courbe représentative des caractéristiques du 65 côté des faibles valeurs de la colonne d'eau. In this case, the fact that the operation of the turbine is dependent on these hydraulic characteristics, as shown in FIG. 2 and as can be deduced from equation 1, it is necessary to choose the normal operating conditions with a maximum speed of rotation 60 different from that which corresponds to the optimal efficiency. In other words, the operating conditions must be chosen in a field corresponding to a value of hydraulic efficiency lower than the maximum efficiency and corresponding to the side of the curve representative of the characteristics of the side of the low values of the water column.

Ainsi, les valeurs de rotation (N/^/H^ et N/^/FQ influent de manière importante sur les relations entre les caractéristiques hydrauliques de la machine correspondant, d'une part, au fonctionnement en tant que pompe et, d'autre part, au fonctionnement en tant que turbine. Thus, the rotation values (N / ^ / H ^ and N / ^ / FQ have a significant influence on the relationships between the hydraulic characteristics of the machine corresponding, on the one hand, to operation as a pump and, on the other hand, when operating as a turbine.

C'est pourquoi on va maintenant décrire les relations entre la vitesse de rotation et le diamètre extérieur D du rotor. This is why we will now describe the relationships between the speed of rotation and the outside diameter D of the rotor.

En admettant que, pour la valeur maximale du rendement de la machine, la vitesse de rotation du rotor est la valeur N(tours par minute), le diamètre extérieur du rotor a la valeur D (m), la vitesse périphérique du rotor a la valeur u (m/S), le coefficient de vitesse périphérique du rotor a la valeur 0, la valeur totale de pompage de la pompe a la valeur Hp (m), l'accélération gravitationnelle étant représentée par le symbole g(m/s2). Assuming that, for the maximum value of the efficiency of the machine, the rotational speed of the rotor is the value N (revolutions per minute), the outside diameter of the rotor has the value D (m), the peripheral speed of the rotor has the value u (m / S), the peripheral speed coefficient of the rotor has the value 0, the total pumping value of the pump has the value Hp (m), the gravitational acceleration being represented by the symbol g (m / s2 ).

En conséquence, on peut écrire de la manière suivante les équations hydrauliques 2 et 3 : Consequently, we can write the hydraulic equations 2 and 3 as follows:

(2) (2)

ou, or,

u = tiDN/60 = 0 = (ti/60^-(N/VfQ-D = (l/V5I)-(u/VÏV u = tiDN / 60 = 0 = (ti / 60 ^ - (N / VfQ-D = (l / V5I) - (u / VÏV

(3) (3)

La turbine est donc agencée de manière que le coefficient 0 de la vitesse périphérique du rotor, qui représente la vitesse périphérique du rotor par unité de valeur de la colonne d'eau (hauteur totale de la colonne d'eau de la pompe) pour le fonctionnement de la machine en tant que turbine, a essentiellement la même valeur que dans le cas du fonctionnement de la machine en tant que pompe. Dans ce cas, comme on peut le déduire de l'équation 4 ci-dessous, qui découle de l'équation 3, la vitesse de rotation unitaire TSi/y/Hpo est inversement proportionnelle au diamètre extérieur D du rotor. The turbine is therefore arranged so that the coefficient 0 of the peripheral speed of the rotor, which represents the peripheral speed of the rotor per unit value of the water column (total height of the water column of the pump) for the operation of the machine as a turbine, has essentially the same value as in the case of operation of the machine as a pump. In this case, as can be deduced from equation 4 below, which follows from equation 3, the unit rotation speed TSi / y / Hpo is inversely proportional to the outside diameter D of the rotor.

(N/^/Hp,,) • D = constante (4) (N / ^ / Hp ,,) • D = constant (4)

Dans une machine dont le rotor est formé par le petit diamètre extérieur D du rotor, le rapport des vitesses de rotation unitaire, correspondant aux valeurs maximales du rendement hydraulique pour le fonctionnement en tant que pompe et en tant que turbine, est donné par l'équation 1. In a machine whose rotor is formed by the small external diameter D of the rotor, the ratio of the unit rotational speeds, corresponding to the maximum values of the hydraulic efficiency for the operation as a pump and as a turbine, is given by the equation 1.

Cela signifie que les valeurs de vitesse de rotation unitaire, pour le fonctionnement en tant que pompe et en tant que turbine, peuvent avoir une valeur relativement plus élevée. This means that the unit speed values, for operation as a pump and as a turbine, can have a relatively higher value.

En se fondant sur les indications qui viennent d'être données au sujet des problèmes posés par les caractéristiques hydrauliques d'une pompe-turbine réversible à un seul étage et à vitesse unique, on va maintenant passer en revue les caractéristiques hydrauliques d'une machine agencée comme représentée à la fig. 1. On the basis of the indications which have just been given concerning the problems posed by the hydraulic characteristics of a reversible single-stage, single-speed pump-turbine, we will now review the hydraulic characteristics of a machine. arranged as shown in FIG. 1.

Une telle machine hydraulique est munie d'aubes directrices mobiles sur l'étage à haute pression et d'aubes directrices fixes sur l'étage à basse pression, ces deux étages présentant des points de similarité du point de vue hydraulique. En particulier, les valeurs du diamètre extérieur de chacun des rotors sont les mêmes (c'est-à-dire D, = D2 comme représenté à la fig. 1). Such a hydraulic machine is provided with movable guide vanes on the high pressure stage and fixed guide vanes on the low pressure stage, these two stages having points of similarity from the hydraulic point of view. In particular, the values of the outside diameter of each of the rotors are the same (that is to say D, = D2 as shown in FIG. 1).

La fig. 3 représente les relations entre les caractéristiques hydrauliques de chacun des étages lorsque la machine fonctionne en tant que turbine, dans le cas mentionné ci-dessus. Fig. 3 shows the relationships between the hydraulic characteristics of each of the stages when the machine operates as a turbine, in the case mentioned above.

A la fig. 3, on utilise les symboles suivants: In fig. 3, the following symbols are used:

H, = hauteur de colonne d'eau ou hauteur nette de la chute pour le fonctionnement en tant que turbine de l'étage à haute pression, H2 = hauteur de colonne d'eau ou hauteur de chute pour le fonctionnement en tant que turbine pour l'étage à basse pression et Q = valeur du débit. Les valeurs H10, H20 et Q0 sont celles qui sont obtenues dans les conditions normales de fonctionnement de la turbine (point 0 de la fig. 3). H, = height of water column or net height of chute for operation as a turbine of the high pressure stage, H2 = height of water column or height of chute for operation as a turbine for the low pressure stage and Q = flow value. The values H10, H20 and Q0 are those obtained under normal turbine operating conditions (point 0 in fig. 3).

Le symbole a0 représente le degré d'ouverture des aubes directrices dans les conditions normales de fonctionnement de la turbine. Les lettres ayant un indice constitué par un nombre entier positif, c'est-à-dire a^ a2, etc., représentent les degrés d'ouverture pour l'étage à haute pression, ayant des valeurs supérieures à celles de l'ouverture normale a0. Les symboles constitués par des lettres, The symbol a0 represents the degree of opening of the guide vanes under normal operating conditions of the turbine. Letters with an index consisting of a positive integer, i.e. a ^ a2, etc., represent the degrees of opening for the high pressure stage, having values greater than those of the opening normal a0. Symbols consisting of letters,

ayant des nombres entiers négatifs en indice, c'est-à-dire a_ (, a_2, having negative whole numbers in subscript, i.e. a_ (, a_2,

638 276 638,276

4 4

etc., représentent les degrés d'ouverture à l'étage à haute pression, inférieurs à la valeur normale d'ouverture a0. etc., represent the degrees of opening on the high pressure stage, lower than the normal opening value a0.

Le symbole An représente la valeur de la différence relative par rapport au rendement maximal de la turbine. The symbol An represents the value of the relative difference with respect to the maximum efficiency of the turbine.

La fig. 3 illustre, en particulier, les relations entre la valeur du débit et la hauteur de chute pour chaque étage, le rapport des débits Q/Q0 étant porté en abscisse et les rapports des valeurs de colonne d'eau Hj/Hio et H2/H20 pour l'étage à haute pression et l'étage à basse pression, respectivement, étant portés en ordonnée. Fig. 3 illustrates, in particular, the relationships between the value of the flow rate and the height of fall for each stage, the ratio of the flow rates Q / Q0 being taken on the abscissa and the ratios of the values of water column Hj / Hio and H2 / H20 for the high pressure stage and the low pressure stage, respectively, being plotted on the ordinate.

La hauteur de chute totale de la pompe-turbine à deux étages est donc obtenue en additionnant les hauteurs de chute de chacun des étages. The total drop height of the two-stage pump-turbine is therefore obtained by adding the drop heights of each of the stages.

Lorsque la vanne d'entrée 13 est complètement ouverte et que chaque étage est dans un état correspondant aux conditions normales de fonctionnement de la turbine (point 0 de la fig. 3), la hauteur de chute pour chaque étage correspond à la moitié de la hauteur de chute totale H0 de la pompe-turbine à deux étages, comme indiqué dans les équations 5 suivantes. When the inlet valve 13 is fully open and each stage is in a state corresponding to the normal operating conditions of the turbine (point 0 in fig. 3), the height of fall for each stage corresponds to half the total drop height H0 of the two-stage pump-turbine, as shown in equations 5 below.

H, + H2 = H0 H, + H2 = H0

H' = H* (5) H '= H * (5)

Ht = H10 = H0/2 v ' Ht = H10 = H0 / 2 v '

H2 = H20 = H/2 H2 = H20 = H / 2

Il y a lieu de remarquer ici que, du fait des particularités imperatives, mentionnées plus haut, des caractéristiques hydrauliques d'une pompe-turbine réversible à vitesse unique, il est nécessaire de fixer les conditions normales de fonctionnement (point 0: hauteur de colonne d'eau H10 et H20) du côté des hauteurs de colonne d'eau nettement inférieures à celles qui correspondent aux valeurs maximales du rendement hydraulique (An = 0), le rendement hydraulique devant être choisi dans le domaine des valeurs relativement faibles. It should be noted here that, due to the imperative features mentioned above, the hydraulic characteristics of a reversible single-speed pump-turbine, it is necessary to set the normal operating conditions (point 0: column height H10 and H20) on the side of the water column heights clearly lower than those which correspond to the maximum values of the hydraulic efficiency (An = 0), the hydraulic efficiency should be chosen in the field of relatively low values.

Par conséquent, lorsque le degré d'ouverture de l'étage à basse pression est constant et que le degré d'ouverture de l'étage à haute pression correspond à des valeurs décroissant progressivement, comme représenté à la fig. 3, les conditions opératoires pour l'étage à haute pression peuvent être représentées sur une ligne 0 à B, correspondant à des valeurs relativement élevées du rendement hydraulique, conformément aux relations existant entre les valeurs de colonne d'eau données dans le système d'équation 6 ci-dessous. Hi + H2 = H0 H,>H2 Consequently, when the degree of opening of the low pressure stage is constant and the degree of opening of the high pressure stage corresponds to gradually decreasing values, as shown in FIG. 3, the operating conditions for the high pressure stage can be represented on a line 0 to B, corresponding to relatively high values of the hydraulic efficiency, in accordance with the relationships existing between the values of water column given in the system of equation 6 below. Hi + H2 = H0 H,> H2

D'autre part, les conditions de fonctionnement pour l'étage à basse pression, correspondant à la valeur fixe de l'ouverture, On the other hand, the operating conditions for the low pressure stage, corresponding to the fixed value of the opening,

peuvent être représentées le long de la ligne a0, entre les points 0 et A, ce qui correspond, au contraire, à une détérioration progressive du rendement hydraulique. can be represented along the line a0, between points 0 and A, which corresponds, on the contrary, to a progressive deterioration of the hydraulic efficiency.

Ainsi, le rendement hydraulique est amélioré dans le domaine de fonctionnement correspondant à un débit inférieur à celui du fonctionnement normal (point 0). Il est toutefois impossible d'améliorer le rendement hydraulique total pour chacun des étages, car le rendement hydraulique pour l'étage à haute pression continue, en revanche, à diminuer. Thus, the hydraulic efficiency is improved in the operating range corresponding to a flow rate lower than that of normal operation (point 0). However, it is impossible to improve the total hydraulic efficiency for each stage, since the hydraulic efficiency for the high-pressure stage continues, on the other hand, to decrease.

C'est pourquoi, conformément à la présente invention, le rotor est agencé de manière à fonctionner normalement dans le domaine correspondant au côté des faibles hauteurs de chute (la vitesse de rotation unitaire étant élevée) dans une partie de ce domaine séparé de la valeur maximale du rendement hydraulique alors que, comme dans le cas de l'état antérieur de la technique, on peut régler les conditions de fonctionnement de l'étage à haute pression de manière à obtenir un rendement élevé, au moyen des aubes directrices mobiles, dans le domaine des faibles débits. This is why, in accordance with the present invention, the rotor is arranged so as to function normally in the range corresponding to the side of the low drop heights (the unitary rotational speed being high) in a part of this range separate from the value. maximum hydraulic efficiency while, as in the case of the prior art, the operating conditions of the high pressure stage can be adjusted so as to obtain high efficiency, by means of the movable guide vanes, in the field of low bit rates.

Il est ainsi possible d'améliorer le rendement hydraulique total pour chacun des étages. It is thus possible to improve the total hydraulic efficiency for each of the stages.

En se référant maintenant à la fig. 1, on va décrire la forme d'exécution de la machine selon l'invention consistant en une pompe-turbine réversible à deux étages et à vitesse unique. Referring now to FIG. 1, we will describe the embodiment of the machine according to the invention consisting of a reversible pump-turbine with two stages and single speed.

Dans cette forme d'exécution, les caractéristiques hydrauliques du rotor 3 de l'étage à basse pression sont entièrement déplacées, de manière à correspondre à la vitesse de rotation unitaire plus élevée, en comparaison avec les caractéristiques hydrauliques du rotor 2 de l'étage à haute pression représentées à la fig. 1, en faisant uniquement varier le rapport de la vitesse de rotation unitaire (voir s équation 1) correspondant à la valeur maximale du rendement hydraulique pour le fonctionnement en pompe et pour le fonctionnement en turbine, correspondant au rotor 2 de l'étage à haute pression muni des aubes directrices mobiles 15 (voir équation 4). In this embodiment, the hydraulic characteristics of the rotor 3 of the low pressure stage are completely displaced, so as to correspond to the higher unit rotational speed, in comparison with the hydraulic characteristics of the rotor 2 of the stage at high pressure shown in fig. 1, by varying only the ratio of the unit rotational speed (see equation 1) corresponding to the maximum value of the hydraulic efficiency for pump operation and for turbine operation, corresponding to rotor 2 of the high stage pressure provided with movable guide vanes 15 (see equation 4).

Dans ce cas, le rapport entre le diamètre extérieur D! du rotor 2 io de l'étage à haute pression entre le diamètre extérieur D2 du rotor 3 de l'étage à basse pression se déduit des équations 1 et 4 sous la forme de l'équation 7 ci-dessous. In this case, the ratio between the outside diameter D! of the rotor 2 io of the high pressure stage between the outside diameter D2 of the rotor 3 of the low pressure stage is deduced from equations 1 and 4 in the form of equation 7 below.

Dans cette équation 7, les indices 1 et 2 correspondent respectivement à l'étage à haute pression et à l'étage à basse pression. In this equation 7, the indices 1 and 2 correspond respectively to the high pressure stage and the low pressure stage.

15 15

(6) (6)

D, = N/VH^ = N/VH^ Di N/VH^ NA/H^ D, = N / VH ^ = N / VH ^ Di N / VH ^ NA / H ^

= 0,86 ~ 0,96 = 0.86 ~ 0.96

(7) (7)

Les fig. 4 et 5 représentent les caractéristiques hydrauliques pour 20 chacun des étages dans le cas du fonctionnement en turbine et en pompe. Figs. 4 and 5 show the hydraulic characteristics for each of the stages in the case of turbine and pump operation.

Ainsi, on confère au diamètre extérieur D2 une valeur inférieure à celle du diamètre extérieur Dls dans les limites du rapport indiquées par l'équation 7. Thus, the outside diameter D2 is given a value less than that of the outside diameter Dls within the limits of the ratio indicated by equation 7.

25 Dans le cas du fonctionnement en turbine, pour lequel on opère dans le domaine correspondant au rendement le plus élevé, ce qui est obtenu en agençant le rotor pour chaque étage de la manière décrite ci-dessus et en réglant l'ouverture des aubes directrices mobiles 15, il est possible de faire fonctionner la machine hydraulique avec une 30 valeur du rendement encore plus élevée que dans le cas des machines conformes à l'art antérieur (voir fig. 3) dans le domaine allant des conditions normales de fonctionnement (point 0) à celles qui correspondent aux faibles valeurs du débit dans l'étage à basse pression, comme on le voit clairement d'après la ligne représentative des con-35 ditions de fonctionnement de la turbine pour chaque étage, représentée à la fig. 4. In the case of turbine operation, for which one operates in the field corresponding to the highest efficiency, which is obtained by arranging the rotor for each stage in the manner described above and by adjusting the opening of the guide vanes mobile 15, it is possible to operate the hydraulic machine with an even higher efficiency value than in the case of machines according to the prior art (see fig. 3) in the range from normal operating conditions (point 0) to those which correspond to the low values of the flow rate in the low pressure stage, as can be clearly seen from the line representative of the operating conditions of the turbine for each stage, represented in FIG. 4.

Il est donc possible d'améliorer le rendement hydraulique total pour chacun des étages. It is therefore possible to improve the total hydraulic efficiency for each of the stages.

D'autre part, comme illustré par la fig. 5, il est possible de faire 40 fonctionner la machine hydraulique avec un rendement hydraulique plus élevé que dans le cas de la machine selon l'art antérieur, même lors du fonctionnement en pompe. On the other hand, as illustrated in fig. 5, it is possible to operate the hydraulic machine with a higher hydraulic efficiency than in the case of the machine according to the prior art, even during pump operation.

Lorsque la machine hydraulique a un nombre d'étages égal ou supérieur à 3, le diamètre extérieur des rotors pour chacun des 45 étages à basse pression a une valeur comprise, dans le domaine correspondant, à un rapport de 0,86 à 0,96 par rapport au diamètre extérieur du rotor de l'étage qui est à la pression la plus élevée. When the hydraulic machine has a number of stages equal to or greater than 3, the external diameter of the rotors for each of the 45 stages at low pressure has a value included, in the corresponding range, at a ratio of 0.86 to 0.96 relative to the outside diameter of the rotor of the stage which is at the highest pressure.

Par exemple, dans une machine hydraulique ayant trois étages, les diamètres extérieurs des rotors de l'étage à moyenne et à basse so pression correspondent respectivement à un rapport de 0,96 et de 0,86 par rapport au diamètre extérieur de l'étage, qui est à la pression la plus élevée. En conférant au diamètre extérieur des rotors des valeurs correspondant au rapport mentionné ci-dessus, c'est-à-dire 1:0,96:0,86, il est possible d'assembler et de démonter facilement la 55 machine hydraulique. For example, in a hydraulic machine having three stages, the external diameters of the rotors of the medium and low pressure stage correspond respectively to a ratio of 0.96 and 0.86 compared to the external diameter of the stage , which is at the highest pressure. By giving the outside diameter of the rotors values corresponding to the ratio mentioned above, that is to say 1: 0.96: 0.86, it is possible to easily assemble and disassemble the hydraulic machine.

Il ressort de la description qui précède que l'on obtient une amélioration du rendement hydraulique, en fonctionnement normal, dans une machine hydraulique à plusieurs étages, dans laquelle les étages sont raccordés entre eux par un conduit de retour, des aubes 6o directrices mobiles étant montées uniquement autour du rotor de l'étage qui est à la pression la plus élevée des aubes directrices fixes étant disposées autour de chacun des rotors des autres étages, en conférant des valeurs bien déterminées au rapport entre les diamètres extérieurs du rotor de l'étage qui est à la pression la plus élevée 65 et des rotors des autres étages, de façon que, dans les conditions normales de fonctionnement, on puisse régler l'ouverture des aubes directrices mobiles à une valeur plus petite ou plus grande que celle des aubes directrices fixes, selon le débit. It appears from the foregoing description that an improvement in hydraulic efficiency is obtained, in normal operation, in a multi-stage hydraulic machine, in which the stages are connected together by a return duct, 6o movable guide vanes being mounted only around the rotor of the stage which is at the highest pressure of the fixed guide vanes being arranged around each of the rotors of the other stages, by conferring well determined values on the ratio between the outside diameters of the rotor of the stage which is at the highest pressure 65 and of the rotors of the other stages, so that, under normal operating conditions, the opening of the movable guide vanes can be adjusted to a value smaller or greater than that of the guide vanes fixed, depending on the flow.

4 feuilles dessins 4 sheets of drawings

Claims

638 276 2 CLAIMS

1. Reversible, multi-stage, single-speed turbine-pump in which all stages are connected in series by a return duct, movable guide vanes for adjusting the opening of this duct, being mounted peripherally around the rotor of the stage which is at the highest pressure, fixed guide vanes being mounted peripherally around the rotor of each of the other stages, the rotors of each stage being coupled with a rotary shaft, characterized in that the ratio of the radial dimensions from the rotor of each of the other stages to those of the rotor of the stage which is at the highest pressure is between 0.86 and 0.96.

2. Pump-turbine according to claim 1, characterized in that it comprises a high pressure stage and at least two additional stages, and in that the radial dimensions of the rotors of the stages decrease progressively from those of the rotor of the 'high pressure stage.