Turbine hydraulique à nombre de tours spécifique élevé. L'objet de la présente invention est une turbine hydraulique à nombre de tours spé cifique élevé.
Cette turbine a une roue à aubes placée dans un canal auquel se raccorde un tube d'aspiration, le diamètre de la roue à aubes étant approximativement égal à celui du ca nal à l'endroit où la roue est placée. La surface projetée des aubes de la roue sur un plan perpendiculaire à l'axe de la turbine est inférieur à 521/o de la section transver sale du canal à l'endroit où la roue à aubes est placée.
Plusieurs formes de l'objet de l'invention sont représentées schématiquement et à titre d'exemple dans le dessin annexé, dans lequel Fig. 1 est une coupe verticale axiale à travers le bief ouvert d'une installation de turbine hydraulique renfermant des aubes directrices intérieures; Fig. 2 est une coupe .verticale axiale à travers le bief ouvert d'une installation de turbine hydraulique renfermant des aubes directrices axiales, la roue à aubes de la turbine étant représentée en élévation; Fig. 3 est une vue en plan d'une roue de turbine à trois aubes; Fig. 4 est une vue partielle en plan par dessous, à plus grande échelle, et partie en coupe d'une forme d'aube modifiée;
Fig. 5 est une coupe verticale faite sui vant la ligne V-V de la fig. 4 à travers la forme modifiée d'aube de la roue.
La roue de turbine représentée sur le dessin est une reproduction sensiblement exacte d'une roue à aube réelle telle qu'elle est construite et fonctionne en produisant des rendements industriels très satisfaisants. Bien que 4e dessin représente une roue à trois aubes comportant des aubes radiales dont la surface projetée est approximativement la moitié de l'aire de la section droite adjacente de l'étranglement du canal, il va de soi que le nombre et la surface projetée des aubes peuvent être modifiés sans s'écarter de l'es prit de la présente invention.
Le nombre des aubes sera toutefois de préférence -inférieur à six et la surface projetée de l'aubage sera dans tous les cas inférieure à 52 % de la section correspondante du canal. La turbine peut être disposée horizontalement ou autre ment an lieu de l'être verticalement, sans pour cela s'écarter de l'esprit de l'invention.
L'installation de turbine hydraulique re présentée sur la fig. 1 . comprend une enve loppe fixe de turbine 10 formant un canal 4 réunissant la cuve 9 avec le tuyau d'aspi ration 11. Le canal 4 est pourvu d'un étran glement local 5 dans le voisinage duquel est logée la roue à aubes 2. La roue à aubes 2 comprend trois aubes rayonnant autour d'un moyeu central 8 de petit diamètre assujetti à l'arbre vertical 3. L'enveloppe 10 est pour vue d'un .guide fixe 6 en forme de tronc de cône renversé qui change la direction du courant du liquide et constitue un support pour un roulement à billes de l'arbre 3, adja cent à la roue à aubes 2.
Le guide fixe 6 se trouve situé très près de la roue à aubes 2 et tout en constituant en outre un appui pour l'arbre 3 aussi rapproché de la roue que possible, empêche la veine liquide à dé placement rapide de couler en contact avec l'arbre tournant 3. Des aubes mobiles 7 qui servent à diriger l'entrée du liquide, qui sont commandées par des régulateurs et, qui sont de construction usuelle, sont montées dans l'enveloppe 10 et règlent l'écoulement du li quide vers la conduite 4.
La turbine hydraulique représentée sur la fig. 2 comprend une enveloppe fixe 22 for mant un canal vertical 4 réunissant la cuve 19 avec le tuyau d'aspiration 11. Le canal 4 est pourvu d'un étranglement local 5 dans le voisinage duquel est située une roue à aubes 2 semblable à la roue représentée sur la fig. 1. Un guide fixe 1.6 assujetti à l'en veloppe 22 est monté dans le canal 4 dans le voisinage du moyeu central 8 de la roue à aubes 2, ce guide 16 se trouvant situé très près de la roue à aubes 2 et empêchant le courant de liquide de couler en contact avec l'arbre 3 à l'endroit de l'étranglement 5. Le guide fixe 16 constitue un support pour un roulement à billes de l'arbre 3 près de la roue à aube 2.
Des aubes directrices mobiles 17 comportant des appuis dans le guide fixe 16 et dans l'enveloppe sont logées dans le canal 4 en amont de l'étranglement 5 et règlent l'écoulement du liquide vers le canal.
Les aubes de la roue 2 rayonnent à par tir du moyeu central 8 qui est d'un diamètre aussi faible que possible afin que les extré mités internes des aubes se trouvent situées aussi près que possible de l'axe de la roue. Ces aubes sont de préférence de constitution assez robuste pour qu'il ne soit pas néces saire d'y appliquer des moyens de consolida tion tels qu'une jacte périphérique, afin de réduire au minimum les pertes dues au frot tement par réduction de la surface mouillée de la roue.
L'inclinaison des surfaces des aubes directrices, par rapport à un plan per pendiculaire à l'axe de la roue à aubes, di minue à mesure qu'on s'éloigne de l'axe de la roue, ces surfaces formant un angle ap proximatif de cinquante degrés avec ce plan, près du moyeu 8 et cet angle diminuant gra duellement jusqu'à une valeur approximative de 15 degrés près de la périphérie de la roue.
L'inclinaison des surfaces des aubes directrices est telle que les aubes sont pous sées en avant, autour de l'axe de la roue et à travers le courant qui s'avance, d'une quantité considérable pour une avance relati vement faible du liquide le long du canal L'inclinaison des aubes de la roue par rapport à titi plan perpendiculaire à l'axe de la roue ne peut cependant pas être réduite au-dessous d'une valeur minimum critique.
Si l'angle de l'aube est réduit au-dessous de cette valeur, l'aube ou les aubes ne retarde ront plus le courant liquide incompressible entier circulant à travers la conduite mais obstrueront seulement la zone de courant située dans l'alignement des aubes,
en divi sant ainsi le courant et cri agitant le liquide pour produire la cavitation. Les surfaces des aubes sont aussi de préférence engendrées par une ligne sensiblement droite s'étendant radialement de l'axe de la roue ainsi qu'à angle droit avec lui afin de réduire au mi nimum la surface d'aube mouillée.
Dans la forme d'exécution de la roue à aubes 12 représentée sur les fig. 4 et 5, l'ar bre 13 est pourvu d'un passage central d'air 14 communiquant avec l'atmosphère et com portant des passages radiaux 15 communi quant avec lui et s'étendant à travers le moyeu 18 de la roue à aubes et les aubes elles-mêmes. Des séries de trous 20 relative ment petits mettent en communication le passage radial 15 avec les surfaces inférieu res des aubes de la roue, les extrémités exté rieures des passages 15 étant fermées au moyen de bouchons 21.
Grâce à ce disposi tif, le frottement sur les surfaces inférieures ou arrière des aubes de la roue est réduit par l'entremise d'un courant d'air induit à travers les passages 13, 15 et les trous 20, qui forme une mince pellicule d'air sur les surfaces arrière des aubes. Le courant d'air est induit par la dépression du tuyau d'as piration 11 et peut être réglé par des van ries appropriées.
Pendant le fonctionnement normal de la turbine, les aubes directrices 7, 17 sont com mandées soit à la main, soit par un régula teur da vitesse de la manière habituelle pour produire et contrôler l'écoulement de liquide venant de la cuve 9 ou 19 et allant dans 1ë canal 4. Lorsque la veine liquide pénètre dans l'étranglement 5 du canal 4, sa vitesse augmente et produit un jet relativement ra pide dans le voisinage de la roue à aubes 2. Lorsque le liquide frappe les surfaces incli nées des aubes de la roue 2, il fait avancer la roue à travers le jet de liquide à une vitesse suffisante pour obstruer et ralentir le courant entier.
Comme l'aire projetée des aubes est sensiblement inférieure à celle de l'étranglement 5 du canal 4, la roue -2 doit pour une forme déterminée des aubes, tour ner à une vitesse qui est suffisamment élevée pour éviter l'obstruction ou la rétention lo cale d'une partie de la veine liquide sans produire un effet semblable sur les autres parties, car un tel état de choses produirait des cavitations nuisibles. L'inclinaison des surfaces des aubes est choisie de façon à s'ap procher le plus possible de la valeur critique minimum sans diminuer le rendement, afin de produire une grande vitesse de rotation.
Cette grande vitesse de rotation est surtout désirable dans les grosses unités, car la conception et la construction des machines de transport d'énergie; telles que les généra trices électriques, sont ainsi grandement sim plifiées et diminuées de prix.
La construction de la roue 2 est telle que les pertes dues au frottement sont dimi nuées le plus possible; la réduction au mi nimum du nombre d'aubes, l'élimination des jantes périphériques de renforcement, la consti tution des aubes avec des lignes génératrices droites et la prévision de moyens fixes de guidage s'étendant jusqu'à proximité de la. roue étant des facteurs importants dans la réduction des pertes par frottement. Une telle roue à aubes diffère quant au fonction nement, de la roue du type Francis, car la vitesse de décharge de la présente turbine croît comme la vitesse de rotation, tandis que dans la turbine Francis, cette vitesse reste sensiblement constante.
Cette caracté ristique peut présenter un avantage particu lier. lorsque la charge dont on dispose est basse, puisque des variations relativement grandes de cette charge n'affectent pas de façon appréciable le rendement de l'apparei'. tandis que des variations semblables affectent beaucoup les rendements des turbines cons truites précédemment.
L'installation représentée sur la fig. 1 est probablement le type préférable puisque les aubes directrices mobiles 7 peuvent être de construction relativement simple et de série tandis que les aubes directrices 17 représen tées sur la fig. 2 sont quelque peu difficiles à construire.
Avec la construction représentée dans les fig. 4 et 5, les pertes dues au frot tement peuvent être réduites d'une .quantité encore plus grande que dans la forme de roue à aubes 2, bien que l'admission de l'air doive être limitée afin de conserver le haut rendement voulu du tube d'aspiration. Il. est évident que le rendement des installations représentées sur le dessin dépend comme dans les installations ordinaires, du rendement du tube d'aspiration, mais que la roue coopère de façon efficace avec une forme quelconque de tube d'âspiration ayant le haut rendement voulu.
Hydraulic turbine with high specific number of revolutions. The object of the present invention is a hydraulic turbine with a high specific number of turns.
This turbine has a paddle wheel placed in a channel to which a suction tube connects, the diameter of the paddle wheel being approximately equal to that of the channel where the wheel is placed. The projected area of the impeller vanes on a plane perpendicular to the axis of the turbine is less than 521 / o of the cross section of the channel where the impeller is placed.
Several forms of the object of the invention are shown schematically and by way of example in the accompanying drawing, in which FIG. 1 is an axial vertical section through the open reach of a hydraulic turbine installation containing internal guide vanes; Fig. 2 is an axial vertical section through the open reach of a hydraulic turbine installation containing axial guide vanes, the impeller of the turbine being shown in elevation; Fig. 3 is a plan view of a three-bladed turbine wheel; Fig. 4 is a partial plan view from below, on a larger scale, and part in section of a modified blade shape;
Fig. 5 is a vertical section taken along the line V-V of FIG. 4 through the modified blade shape of the wheel.
The turbine wheel shown in the drawing is a substantially exact reproduction of an actual paddle wheel as constructed and operated with very satisfactory industrial yields. Although drawing 4 shows a three-bladed impeller with radial vanes whose projected area is approximately half the area of the adjacent cross section of the throat of the channel, it goes without saying that the number and projected area of the vanes can be changed without departing from the spirit of the present invention.
The number of blades will however preferably be less than six and the projected area of the blade will in all cases be less than 52% of the corresponding section of the channel. The turbine can be arranged horizontally or otherwise instead of being vertically, without thereby departing from the spirit of the invention.
The hydraulic turbine installation shown in fig. 1. comprises a fixed turbine casing 10 forming a channel 4 joining the tank 9 with the suction pipe 11. The channel 4 is provided with a local throttle 5 in the vicinity of which is housed the paddle wheel 2. The impeller 2 comprises three vanes radiating around a central hub 8 of small diameter secured to the vertical shaft 3. The casing 10 is for view of a fixed guide 6 in the form of an inverted truncated cone which changes the direction of the flow of the liquid and constitutes a support for a ball bearing of the shaft 3, adja cent to the impeller 2.
The fixed guide 6 is located very close to the paddle wheel 2 and while also constituting a support for the shaft 3 as close to the wheel as possible, prevents the rapidly moving liquid stream from flowing in contact with the wheel. rotating shaft 3. Movable vanes 7 which serve to direct the inlet of the liquid, which are controlled by regulators and, which are of customary construction, are mounted in the casing 10 and regulate the flow of the liquid to the liquid. driving 4.
The hydraulic turbine shown in fig. 2 comprises a fixed casing 22 forming a vertical channel 4 joining the tank 19 with the suction pipe 11. The channel 4 is provided with a local constriction 5 in the vicinity of which is located a paddle wheel 2 similar to the wheel shown in fig. 1. A fixed guide 1.6 attached to the casing 22 is mounted in the channel 4 in the vicinity of the central hub 8 of the impeller 2, this guide 16 being located very close to the impeller 2 and preventing the flow of liquid to flow in contact with the shaft 3 at the location of the constriction 5. The fixed guide 16 constitutes a support for a ball bearing of the shaft 3 near the paddle wheel 2.
Movable guide vanes 17 comprising supports in the fixed guide 16 and in the casing are housed in the channel 4 upstream of the constriction 5 and regulate the flow of liquid towards the channel.
The blades of the wheel 2 radiate from the central hub 8 which is of as small a diameter as possible so that the internal ends of the blades are located as close as possible to the axis of the wheel. These blades are preferably of sufficiently robust constitution so that it is not necessary to apply consolidation means such as a peripheral jact to them, in order to minimize the losses due to friction by reduction of the surface area. wet wheel.
The inclination of the surfaces of the guide vanes, with respect to a plane perpendicular to the axis of the impeller, decreases as one moves away from the axis of the wheel, these surfaces forming an angle ap proximate to fifty degrees with this plane, near the hub 8 and this angle gradually decreasing to an approximate value of 15 degrees near the periphery of the wheel.
The inclination of the surfaces of the guide vanes is such that the vanes are pushed forward, around the axis of the impeller and through the advancing current, by a considerable amount for a relatively small advance of the liquid. along the channel The inclination of the blades of the impeller in relation to a plane perpendicular to the axis of the impeller cannot, however, be reduced below a minimum critical value.
If the vane angle is reduced below this value, the vane or vanes will no longer retard the entire incompressible liquid flow flowing through the duct but will only obstruct the current area in line with the blades,
thus dividing the current and scream stirring the liquid to produce cavitation. The surfaces of the blades are also preferably generated by a substantially straight line extending radially from the axis of the wheel as well as at right angles to it in order to minimize the wetted blade area.
In the embodiment of the paddle wheel 12 shown in FIGS. 4 and 5, the shaft 13 is provided with a central air passage 14 communicating with the atmosphere and comprising radial passages 15 communicating with it and extending through the hub 18 of the impeller. and the blades themselves. Series of relatively small holes 20 put the radial passage 15 in communication with the lower surfaces of the blades of the wheel, the outer ends of the passages 15 being closed by means of plugs 21.
Thanks to this device, the friction on the lower or rear surfaces of the impeller vanes is reduced by the intervention of an induced air current through the passages 13, 15 and the holes 20, which forms a thin film. air on the rear surfaces of the blades. The air current is induced by the depression of the suction pipe 11 and can be regulated by suitable valves.
During normal operation of the turbine, the guide vanes 7, 17 are controlled either by hand or by a speed controller in the usual manner to produce and control the flow of liquid from the vessel 9 or 19 and going into channel 4. As the liquid stream enters the constriction 5 of channel 4, its velocity increases and produces a relatively steep jet in the vicinity of the impeller 2. When the liquid hits the inclined surfaces of the vanes of impeller 2, it advances the impeller through the jet of liquid at a speed sufficient to obstruct and slow down the entire flow.
As the projected area of the vanes is substantially less than that of the throttle 5 of channel 4, the impeller -2 must, for a given shape of the vanes, rotate at a speed which is sufficiently high to avoid obstruction or retention. loosing a part of the liquid vein without producing a similar effect on the other parts, for such a state of things would produce harmful cavitations. The inclination of the surfaces of the blades is chosen so as to come as close as possible to the minimum critical value without reducing the efficiency, in order to produce a high speed of rotation.
This high speed of rotation is especially desirable in large units, since the design and construction of energy transport machines; such as electric generators, are thus greatly simplified and reduced in price.
The construction of the wheel 2 is such that the losses due to friction are reduced as much as possible; the reduction to a minimum of the number of blades, the elimination of peripheral reinforcing rims, the constitution of the blades with straight generating lines and the provision of fixed guide means extending to the vicinity of the. wheel being important factors in reducing friction losses. Such a paddle wheel differs in function from the Francis type wheel, because the discharge speed of the present turbine increases as the speed of rotation, while in the Francis turbine, this speed remains substantially constant.
This feature can present a particular advantage. when the available load is low, since relatively large variations in this load do not appreciably affect the efficiency of the apparatus. while similar variations greatly affect the efficiencies of previously constructed turbines.
The installation shown in fig. 1 is probably the preferable type since the movable guide vanes 7 can be of relatively simple construction and series while the guide vanes 17 shown in FIG. 2 are somewhat difficult to construct.
With the construction shown in figs. 4 and 5, the frictional losses can be reduced to an even greater amount than in the impeller form 2, although the air intake must be limited in order to maintain the desired high efficiency. suction tube. He. It is evident that the efficiency of the installations shown in the drawing depends, as in ordinary installations, on the efficiency of the suction tube, but that the impeller effectively cooperates with any form of suction tube having the desired high efficiency.