Turbine hydraulique. La présente invention a pour objet une turbine hydraulique se distinguant par le fait que l'écoulement de l'eau à travers un rotor du type à écoulement axial est. réglé au moyen d'un vannage à.vanne cylindri que coaxiale au rotor et- mobile en travers d'un jeu de passages à écoulement radial disposé d'un côté du rotor, coaxialement. avec lui.
Les dessins ci-joints représentent., à titre d'exemple, deux formes d'exécution \de la turbine hydraulique suivant l'invention.
Fig. 1 est une coupe axiale d'une forme d'exécution à.axe vertical; Fig. 2 est. une coupe horizontale suivant la ligne 2-3 de la fig. 1; le vannage étant.
enlevé; Fig. 2a est une coupe semblable à celle de la fig. 2, mais représentant une variante; Fig. 3 est une coupe plus étendue que la fig. 2, prise suivant la même ligne 2-3, mais à plus petite échelle:
Fi.g. 4 est une coupe horizontale à échelle réduite suivant la ligne 4 de la fig. 1;@ Fig. 5 est une coupe axiale d'une .forme d'exécution à axe horizontal. - En ce qui concerne la forme- d'exécution représentée aux fig. 1., 2, 3- et 4, l'arbre ver tical 17. est monté clans le- palier supérieur 12 et dans la crapaudine inférieure 14.
Le palier 7.2 est porté par un bâti -13 s'éten dant transversalement à la cuvé et-la \ cra paudine 14, qui est de préférence faite, en bois de ga'iac, est disposée au sommet d'un cône tronqué- 15, qui repose sur- un massif en béton 16.
Une boîte cyindrique 17 garnit la cuve. et porte un coussinet circulaire en bronze 18 à son extrémité inférieure. Un cylindre.- coaxial et<B>de</B> diamètre plus petit" 19,- s'en-.
gage dans. celle boîte' et repose par un ré- bord 20 sur un épaulement 21 de la boîte 17. A son extrémité inférieure, le cylindre 19 est fermé par une paroi de fond conique 22, au bord de, laquelle se -trouve un cous' sinet extérieur circulaire;
. en bronze,-24. En tre lies coussinets 7.8 et 24 se trouve un cy- ]Indre mobile 25, formant plongeur,- présen tant, à son extrémité" supérieure, -un rebord 2 & portant un coussinet en bronze<B>-27</B> - en prise avec la face interne de la boîte-garni- ture 17. Le cylindre plongeur 25 est fermé par une paroi de fond conique 28, au centre de laquelle est. ménagée une ouverture gar nie intérieurement d'un coussinet 29.
La paroi, de.fond 22 porte un manchon central 23, à garniture, autour de l'arbre il., et, de Ce. manchon -23, s'étend un tube 30 laissant tout autoiude l'arbre 11 un espace libre 31.. 1_e coussinet 29 est en prise avec la sur face extérieure du tube. 30:. Des trous 32, pratiqués dans la paroi de fond 28, assurent un équilibre de pression approximatif sur les deux côtés de cette paroi 28.
La- boîte-garniture cylindrique 17_ est -supportée, à sa partie inférieure, par la rangée circonférentielle d'aubes-directrices 33 qui se trouvent sur la couronne 35. Cette couronne porte un siège en bronze 36, avec lequel p.ëut venir en prise la bague-cous- sinet 34 garnissant le bord inférieur externe du cylindre .plongeur 25.
De la base 41 du cône tronqué l.5 s7'élèvent des aubes fixes 110 qui portent une couronne 39 sur laquelle repose le rebord de base 38 de la cou -renne 35: Des conduits-37 et 37', s'ouvrant dans la paroi de la boîte i_7; servent à admettre, un fluide sous -pression clans l'espace :
compris entre la boîte 17 et le cylindre<B>19</B> ou à l'en faire échapper, ce fluide pouvant être uti lisé -pour agir - sur le rebord annulaire 26, formant tête de .piston annulaire. afin d.e --produire le déplacement du cylindre pion- geur. Celui-ci - constitue une vanne cylindri- due pour descendre à l'intérieur de la cou renne d'aubes directrices 33.
- L'eau passe à la turbine par le conduit ?12 et pénètre dans le passage d'arrivée en - forme de volute convergente 43 (fig. 3), de telle sorte qu'elle est .livrée, avec un mou vement, giratoire et, avec une vitesse accrue, 'aux aubes directrices 33.
Ces aubes 33 sont . inclinées par rapport à des rayons corres pondants, comme cela est représenté aux fig. 2 et-3 -et, clans la disposition représentée, elles- ,sont pltïs voisines de la perpendicu laire à ces rayons à leur extrémité infé- rieüre qu'à leur extrémité supérieure et leur inclinaison change graduellement entre ces deux extrémités (voir également la fig: 1).
Dans la, variante représentée à- la fig. 2a, toutefois, les aubes 33 ont leurs. parties si tuées aux différentes hauteurs inclinées au même degré par rapport aux rayons corres pondants., Les bords internes des aubes 33 ,sont voisins (le la surface extérieure du cy lindre- plongeur ' lorsque ce dernier est abaissé pour amener la bague-coussinet 34 en prise avec le, siège 36. .
L'espace auquel les aubes 33 livrent l'eau est désigné par 114 et, au-dessous de cet es pace, se trouvent les aubes mobiles 45 for mant la roue motrice, portée par l'arbre l1, ces aubes étant libres, c'est-à-dire non-em- boîtées@ erritre. des couronnes rigides.
A me sure que l'eau quitte les aubes mobiles 45, elle pénètre clans l'espace 46, entourant. le- sommet .du cône tronqué -15, et passe entre les aubes fixes 40 à la chambre de dé- charge en volute 117. Les aubes 40 sont pla cées sous une inclinaison convenable, par rapport aux rayons correspondants, pour offrir une résistance minimum -à l'eau qui traverse la chambre:
46 avec un mouvement tourbillonnant. Elles sont un peu tordues, comme les aubes directrices d'entrée -33, mais se rapprochent davantage de la per- pendiculaire aux rayons correspondants à leur extrémité supérieure qu'à leur extré mité inférieure (voir la fig. 4 ainsi que la fig. 1.). Le conduit en volute 47 reçoit. l'eau de décharge dans la direction naturelle de tourbillonnement et la conduit. suivant des chemins .de:
section croissante,<B>de</B> manière- à réduire sa vitesse et à livrer le courant d'eau au conduit de sortie 48.
Un tuyau 49 conduit. de l'eau à -partir du conduit d'entrée sous pression 43 dans la partie inférieure de la crapaudine 14 pour l'obliger à monter à travers . cette crapau dine, en assurant ainsi une circulation d'eau à travers celle-ci pour la refroidir et. em pêcher en même temps toute accumulation de sable clans la crapaudine.
L'eau qui passe à la turbine à travers le conduit 42 pénètre clans la chambre d'ar rivée en spirale 43 où elle- prend- dé la vi- tesse, son énergie potentielle étant convertie en puissance vive de tourbillonnement au fur et à mesure qu'elle est livrée, à travers les aubes directrices 33, à l'espace 44 situé au-dessous de la paroi de fond 28' clé la; vanne 25. Cette eau animée d'un mouve ment, de tourbillonnement vient agir sur les aubes motrices 45 de façon à imprimer un couple de rotation à l'arbre 11 pour le faire tourner.
A mesure que l'eau quitte les aubes mo biles 45 et prénètre dans l'espace /Ï6, elle petit conserver une certaine vitesse de tour billonnement. Dans la chambre de détente en volute<B>117,</B> cette vitesse de.
tourbillonne ment sera -transformée en pression par la réduction clé vitesse élue à l'accroissement clé section et ceci réduira, dans la même mesure, la contre-pression de la chambre 46 on augmentant la partie- clé la chute totale qui agit effectivement sur la roue à -aubes 45.
Pour l'eau passant par les aubes 33, la direction d'écoulement est formée de deux composantes: l'une, dirigée radialement de dehors en dedans. et. l'autre, dirigée en tour- hillonnemënt; par conséquent, suivant l'ex pression communément employée, il y a à l'endroit (les aubes directrices 33 un écoule- inent radial de l'eau clé dehors cri dedans.
A l'endroit où l'eau vient agir sur la roue à aubes 45 'et passe par celle-ci, les -compo santes de la direction (l'écoulement sont parallèles à l'axe et au tourbillonnement et, par suite, on dit qu'en cet endroit., l'écoule ment clé l'eau est axiale. A l'endroit où l'eau sort clés aubes 40, les composantes de direction sont dirigées radialemént de dedans en de hors et en tourbillonnement et; par suite, on aura là un écoulement radial de dedans en dehors.
La puissance de la turbine peut être ré glée en faisant varier le volume du courant d'eau qui passe à travers elle. Pour une charge normale, la vanne 25 occupera à peu près la position représentée en fig. 1. et on la relèvera pour une surcharge, ou. on l'a baissera pour une charge partielle. Lorsque la vanne est abaissée, elle diminue l'ouver- ture d'arrivée annulaire à l'espace 44 défini par les bords internes des aubes 33.
Comme cela a été dit précédemment, les aubes di rectrices 33 des fig. i, Z et .3 sont formées de telle sorte que les passages existant entre elles ont une largeur qui varie de haut en bas. Gomme on le. voit sur le dessin, les ou= v entures d'arrivée entre des aubes consécu tives vont en diminuant_de largeur du haut en bas et l'angle d'admission de l'eau par rapport à clés rayons correspondants "aug mente du haut en bas.
La- raison pour la- ' .quelle on -admet l'eau en haut dans une di rection plus voisine de la direction radiale est que cette eau constitue la masse qui pé nètre dans la partie centrale de la roue à aubes pour un fonctionnement avec vanne se trouvant en position normale (fig. i)..
Au bas des aubes 33, l'eau. est admise dans une direction se rapprochant davantage de la di rection tangentielle, et il lui .-est ainsi- im primé un plus grand mouvement de -tour billonnement autour de. l'axe de -la roue, de façon qu'elle pénètre plutôt dans la partie extérieure ou périphérique de la roue à aubes (fig. 1) qui, se mouvant à une plus grande vitesse périphérique, exige une vi- tésse de tourbillonnement d'autant plus grande. Quand on ferme la vanne 25,
la lar geur moyenne effective clés passages entre les aubes directrices diminue à mesure que la vanne sé.rapproch.e de son siège inférieur. 36, de telle sorte que le.. changement dans 1a forme clés aubes: directrices produit une condition se rapprochant de celle due à des aubes directrices pivotantes, telles que celles que l'on emploie communément et, en ou tre, il y a une réduction dans la largeur axiale clé l'espace d'entrée à mesure que la vanne se ferme.
Dans la disposition de vannage repré- semée sur les dessins, la paroi de fond 28 de la vanne fait. fonction de surface direc trice ou de déflecteur, en contact avec l'eau qui passe à la roue et établi sous la forme d'une surface conique à angle très, ouvert. avec le sommet tourné vers le rotor;. n'ayant qu'une faible courbure dans la partie voi sine .de l'axe. Par cette forme plus ou moins plate de la surface directrice, il est possible de réduire la distance à laquelle la roue mo- 6rice de la turbine doit être placée au-des sous des orifices entre les aubes directrices pour permettre à la vanne d'être fermée. .
Dans l'espace de transition 44. réservé entre les aubes directrices et .la roue motrice, l'eau peut suivre librement son propre chemin et on obtiendra un écoulement non turbulent des -veines liquidés, formant un courant d'eau tournant. unique, se jetant pleinement sur.la roue à aubes.
lie relèvement de la vanne 25 est. accom pli par l'admission de fluide sous pression, à travers le conduit 37, au-dessous de la tête de piston annulaire 26, dans l'espace cylin drique. annulaire existant entre la boîte garniture fixe 17 et la vanne 25. Inverse ment, l'abaissement de cette vanne est effec tué ën admettant -le fluide sous pression, à travers: le. conduit 3T, au-dessus de la tête de piston @ annulaire 26.
Lorsque l'un des conduits 37, 37' est en admission de fluide, l'autre- est mis à récliappement.
Le vannage décrit ici est très robuste: comme coristructionles- risques de rupture dus à des branches d'arbres, à des blocs de glace ou à d'autres obstacles sont grande ment réduits et on a la sécurité que le van nage peut être facilement fermé à un mo ment quelconque sans obstacles résultant de l'accumulation de matières étrangères. La vanne peut se fermer d'une façon étanche par application de la; bague-coussinet 34 sur le siège 36; de sorte qu'il ne sera habituelle- hient.pas nécessaire de fermer les vannes d'amont :en travers de la conduite 42.
. Parmi les avantages qu'offre la construc tion décrite, on peut. citer, en pltïs de la simplification et clé. la certitude de fonction nenïënt dit vannage régulateur, les suivants: On- petit utiliser une disposition plus simple d'aubes mobiles que clans d'autres types de - turbines à grande, vitesse et ceci offre un avantage- dans l'étude et la construction de la turbine. Le rotor. peut être fait plus légei que dans d'autres types de turbines, ce qui réduit ainsi le poids des parties tournantes et réduit la charge sur le palier de butée.
Un nombre relativement. petit d'aubes - est nécessaire dans le rotor. Les espaces entre les aubes mobiles de celui-ci peuvent être grands de façon: à réduire le risque qu'ils se trouvent engorgés ou obstrués par des branches d'a=rbres ou des détritus. Aussi; le montage de divers éléments est :intéressant.
Comme. on le voit. en fig: 1 et comme on l'a déjà dit plus haut, la boîte 17 se trouve sur la couronne des aubes directrices 33 qui, à ce point de vue, servent d'aubes fixes: Les aubes fixes 33 se tr ou,-%Tent sur la couronne 35 qui, é, son tour, repose sur la couronne 39 et cette couronne est supportée par les aubes fixes 40 qui se trouvent sur la base 41 du cône 15, reposant sur la base en -béton 46.
Dans la. forme, d'exécution représentée à la fig. 5, l'arbre de la turbine est horizontal et la vanne se trouve sur le côté de déchargé du rotor. L'arbre horizontal 51 est monté dans le palier 52 qui est supporté par. une paroi de tête 53 clans 16 cylindre fixe 54 dont. la bride 55 est fixée: à 1a boîte=garni- turc 56 supportée clans le,. massif en béton 57. Un- autre palier pour l'arbre 51 est prévu dans<B>-là</B> tête 59 -qui est supportée par les aubes 60 clans la boîte 61. L'arbre 51 porte les aubes mobiles 63.
L'eau arrive à; travers le conduit 62 par la droite et il-@lüi est iiïz- primé un mouvement clé tourbillonnement par les aubes 60 qui; à cet effet, sont courbés. La vitesse de l'eau:. est.également augmentée par la convergence du passage à l'intérieur de la boîte 61. Les aubes mobiles 63 sont du même type général que les.aubes m0= biles las à la fig: 1.
La boîte 56 est pourvue d'une couronne 65 de laquelle s'étendent des'aubes fixes 63 dont les extrémités opposées. sont reliées avec la couronne 64, laquelle e.sf- fixée à la boîte 61. Autour des aubes: fixes 63 se trouve ia chambre .de décharge -en volute 66 dont la section va en croissant transversalement aux lignes d'écoulement, de façon à dirai huer la vitesse de l'eau sortant<B>du</B> rotor 63 et à la livrer, à vitesse réduite, clans le tube d'aspiration 67.
Le cylindre- plongeur ou vanne 69 se gui dant dans un coussinet en bronze '70 de la couronne 65 possède une paroi de fond en forme -de cône à angle très ouvert '76 et un rebord '71 formant tête de piston annulaire, avec une garniture en bronze '72 en prise avec la face interne de la boîte 56. Le tube <B>73</B> est supporté par la paroi 53 avec un léger jeu, 74, autour de l'arbre 51 et la paroi de fond 76 possède un coussinet en bronze 77, en contact avec la surface extérieure du tube '73. Tin siège et une bague-coussinet en bronze sont également représentés en 75 pour assurer une fermeture étanche clé la vanne.
Dans cette forme d'exécution, il y n'a pas de perforations dans la paroi<B>dé</B> fond 76 de. la vanne (comme celles 32 dans la _ paroi de fond 28 -de la vanne à la fig. 1), en sorte que cette paroi de fond 76 est toujours soumise à la pression existant à la gauche du rotor 63, quelle que puisse être cette pres sion. Le fluide sous pression admis par le conduit 78 agit sur la tête de piston annu laire '71 et est supplémenté par la pression s'exerçant sur la paroi de fond 76 pour faire mouvoir la vanne vers la gauche.
Au con- lraire, pour fermer la vanne, on admet du fluide sous pression à travers le conduit 78' et ce fluide viendra agir sur la totalité des faces de gauche de la tête de piston annu laire 71 et de la paroi de fond 76 pour dé placer la vanne vers la droite. .
Dans les deux formes d'exécution de tur bine représentées ici, la vanne est disposée clé telle sorte qu'elle peut être facilement . retirée dans une direction axiale, afin de la remplacer ou de la réparer, sans déranger les parties fixées dans le-béton. Dans la dis position de fig. 1, cet enlèvement de la vanne peut être facilement effectué en en levant la pièce formant couvercle 19, . en semble avec les parties y attachées, c'est-à- dire le bàti 13 et le manchon 30.
Ces par ties pourraient être disposées de façon à pou voir être enlevées par dessus l'extrémité su- périeure de l'arbre 11 en laissant cet arbre et le rotor en place; ou bien on pourrait re tirer- l'arbre et le rotor eux-mêmes. En tous cas, la boîte clé garniture ï7 de la fosse, avec les aubes de vitesse 33; la côuronne dë'gar- niture 35 et le coussinet 36 ne sont dérangés non plus que la disposition des aubes fixes 40 du conduit aspirateur., ni la crapau dine 11à.