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: DE3032058C2; DE3032058A1; JPS6250664B2; JPS5634966A

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

la fig. 1 est une vue en coupe d'une pompe-turbine à deux étages, s selon l'invention;

la fig. 2 est un graphique montrant les caractéristiques hydrauliques d'une pompe-turbine réversible;

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;

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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,

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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.

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.

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

N(tours par minute) = vitesse de rotation de la turbine; H,(m) = hauteur de la colonne d'eau;

t)t = rendement de la turbine;

Hp(m) = hauteur totale de la colonne d'eau de la pompe, et

T|p = rendement de la pompe. 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

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

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:

N/VÏÇ _ \/H to N/s/Htö = ^T

= 1,04 —1,16

po

35

(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.

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.

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.

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.

C'est pourquoi on va maintenant décrire les relations entre la vitesse de rotation et le diamètre extérieur D du 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).

En conséquence, on peut écrire de la manière suivante les équations hydrauliques 2 et 3 :

(2)

ou,

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

(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.

(N/^/Hp,,) • D = constante (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.

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.

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.

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).

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.

A la fig. 3, on utilise les symboles suivants:

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).

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,

ayant des nombres entiers négatifs en indice, c'est-à-dire a_ (, a_2,

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etc., représentent les degrés d'ouverture à l'étage à haute pression, inférieurs à la valeur normale d'ouverture a0.

Le symbole An représente la valeur de la différence relative par rapport au rendement maximal de la 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.

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.

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.

H, + H2 = H0

H' = H* (5)

Ht = H10 = H0/2 v '

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.

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

D'autre part, les conditions de fonctionnement pour l'étage à basse pression, correspondant à la valeur fixe de l'ouverture,

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.

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.

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.

Il est ainsi possible d'améliorer le rendement hydraulique total pour chacun des étages.

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.

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).

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.

Dans cette équation 7, les indices 1 et 2 correspondent respectivement à l'étage à haute pression et à l'étage à basse pression.

15

(6)

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

= 0,86 ~ 0,96

(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.

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.

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.

Il est donc possible d'améliorer le rendement hydraulique total pour chacun des étages.

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.

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.

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.

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.

4 feuilles dessins

Claims

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1. Pompe-turbine réversible à plusieurs étages et à vitesse unique, 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, caractérisée en ce que le rapport des dimensions radiales du rotor de chacun des autres étages à celles du rotor de l'étage qui est à la pression la plus élevée est compris entre 0,86 et 0,96.

2. Pompe-turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un étage à haute pression et au moins deux étages supplémentaires, et en ce que les dimensions radiales des rotors des étages décroissent progressivement en partant de celles du rotor de l'étage à haute pression.