FR3006010A1 - Partie tournante de machine hydraulique, machine hydraulique equipee d'une telle partie tournante et installation de conversion d'energie comprenant une telle machine - Google Patents

Abstract

Lorsqu'elle est traversée par un écoulement d'eau, cette partie tournante de machine hydraulique tourne autour d'un axe de rotation (Z202). Elle comprend des aubes (208) réparties autour de l'axe de rotation et s'étendant chacune entre un bord d'attaque (2080) et un bord de fuite (2082). Chaque aube (208) comprend une première partie (208A) qui définit son bord d'attaque (2080) et une deuxième partie (208B) attachée à la première partie et qui définit au moins en partie le bord de fuite (2082). La deuxième partie (208B) est élastiquement déformable (F1) ou déplaçable de façon réversible par rapport à la première partie, sous l'action de l'écoulement d'eau, cette deuxième partie (208B) définissant, lorsque la machine fonctionne, la direction (D2081, D2082) de l'écoulement d'eau en aval de l'aube.

Description

PARTIE TOURNANTE DE MACHINE HYDRAULIQUE, MACHINE HYDRAULIQUE EQUIPEE D'UNE TELLE PARTIE TOURNANTE ET INSTALLATION DE CONVERSION D'ENERGIE COMPRENANT UNE TELLE MACHINE L'invention concerne une partie tournante appartenant à une machine hydraulique, une machine hydraulique et une installation de conversion d'énergie comprenant une telle machine. Dans le domaine de la conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique, il est connu d'utiliser une machine hydraulique telle qu'une turbine, une pompe ou une turbine-pompe de type Francis. En mode turbine, la machine hydraulique entraine en rotation un arbre transformant ainsi de l'énergie hydraulique en énergie mécanique. Cette conversion d'énergie est réalisée au moyen d'une roue formant une partie tournante et comportant des aubes qui sont réparties autour de l'axe de rotation de la roue. Les aubes s'étendent entre un premier bord et un deuxième bord qui sont respectivement, lors du fonctionnement, un bord d'attaque et un bord de fuite de l'écoulement de l'eau. Un des enjeux persistant dans une turbine Francis est la recherche de la meilleure qualité d'écoulement possible en aval de la partie tournante. Par exemple, il est important de pouvoir maitriser la distribution des vitesses de l'écoulement en sortie de la roue, d'éviter des phénomènes de cavitation ou encore de conserver la stabilité de l'écoulement, c'est-à-dire d'éviter la formation de tourbillons ou de vortex. Pour cela, une roue à aubes non-mobiles a un débit optimal de fonctionnement pour lequel la direction de l'eau en sortie du bord de fuite des aubes est relativement parallèle à l'axe de rotation de la roue avec une distribution de la vitesse débitante relativement uniforme. Dans cette configuration, la direction de l'eau en sortie du bord de fuite possède une composante rotationnelle limitée, et la nature de l'écoulement permet d'éviter des phénomènes nuisibles tel qu'un vortex au sein du conduit d'aspiration. En revanche, pour un débit différent du débit optimal de fonctionnement, la rotation de la roue fait que l'eau a, en sortie du bord de fuite, une direction qui est déviée par rapport à l'axe de rotation de la roue et en même temps il y a dégradation de l'uniformité des vitesses débitantes. Ainsi, l'écoulement en sortie de la roue est de moins bonne qualité et est plus à même d'engendrer une augmentation des pertes, des vortex et des instabilités. Des problèmes analogues se posent avec d'autres types de turbines, notamment pour des turbines de type hélice.

Pour pallier ce problème, il est connu d'utiliser des mécanismes commandés pour déplacer les aubes des turbines Kaplan, Bulbe ou Deriaz en fonction du débit turbiné afin de maintenir une bonne qualité de l'écoulement en aval de la roue. Cependant, ces mécanismes augmentent le coût final de la turbine et leur utilisation est limitée àdes hauteurs restreintes de chute d'eau appliquée aux turbines. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une machine hydraulique qui permet d'améliorer la qualité de l'écoulement en sortie de la roue, sur une plus large plage de débits. A cet effet, l'invention concerne une partie tournante de machine hydraulique qui, lorsqu'elle est traversée par un écoulement d'eau, tourne autour d'un axe de rotation et qui comprend des aubes réparties autour de l'axe de rotation et s'étendant chacune entre un bord d'attaque et un bord de fuite. Conformément à l'invention, chaque aube de la partie tournante comprend une première partie qui définit son bord d'attaque et une deuxième partie attachée à la première partie et qui définit au moins en partie son bord de fuite, alors que la deuxième partie est élastiquement déformable ou déplaçable de façon réversible par rapport à la première partie, sous l'action de l'écoulement d'eau, cette deuxième partie définissant, lorsque la machine fonctionne, la direction de l'écoulement d'eau en aval de l'aube. Grâce à l'invention, les aubes se déforment en fonction du débit d'eau en entrée, pour diriger l'eau en sortie du bord de fuite, selon une direction adaptée qui optimise la qualité de l'écoulement en sortie de la roue. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une partie tournante appartenant à une machine hydraulique peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : - Cette partie comprend un organe de liaison entre les aubes et un arbre définissant l'axe de rotation de la partie tournante, alors que la première partie de chaque aube est solidaire de l'organe de liaison et que la deuxième partie de chaque aube n'est pas solidaire de l'organe de liaison. - La deuxième partie de l'aube est fixée sur la première partie et est réalisée dans un matériau élastiquement déformable, dont le module d'élasticité est inférieur à celui du matériau constitutif de la première partie. - En variante, la deuxième partie de l'aube est formée par une âme en matériau rigide qui est monobloc avec la première partie et par un revêtement réalisé dans un matériau élastiquement déformable, dont le module d'élasticité est inférieur à celui du matériau constitutif de la première partie. - En variante, la deuxième partie de l'aube est formée par un profil en résine qui est fixé à la première partie et par une coque en matériau composite. - En variante, la deuxième partie de l'aube est montée articulée sur la première partie. Dans ce cas, l'aube comprend avantageusement des moyens de rappel élastique de la deuxième partie vers une position prédéterminée. - La deuxième partie s'étend sur environ un tiers de la longueur de l'aube, mesurée entre le bord d'attaque et le bord de fuite. La deuxième partie définit complètement le bord de fuite. En variante, la première partie définit une première portion du bord de fuite et la deuxième partie définit une deuxième portion du bord de fuite. - La deuxième partie de l'aube est formée par plusieurs éléments disjoints élastiquement déformables ou déplaçables indépendamment les uns des autres par rapport à la première partie. - La longueur de la deuxième partie mesurée, entre sa zone d'attache à la première partie et le bord de fuite, est variable le long du bord de fuite. - Lorsque la machine fonctionne, la deuxième partie oriente l'écoulement de l'eau selon une direction plus favorable, qui peut consister à une diminution de la composante rotationnelle afin de rendre l'écoulement globalement plus parallèle à l'axe de rotation de la partie tournante. - La partie tournante est une roue de turbine Francis comportant un plafond et une ceinture entre lesquelles s'étendent les aubes, la première partie de chaque aube étant fixée au plafond et à la ceinture, alors que la deuxième partie est ou n'est pas fixée au plafond ou à la ceinture. - En variante, la partie tournante appartient à une turbine de type hélice, bulbe, Kaplan ou Deriaz et comprend un moyeu et des aubes qui s'étendent, radialement par rapport à l'axe de rotation, à partir du moyeu, alors que la première partie de chaque aube est montée sur le moyeu et que la deuxième partie de chaque aube est ou n'est pas fixée sur le moyeu. L'invention concerne également une machine hydraulique comprenant une partie tournante comme définie précédemment. L'invention concerne enfin une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique comprenant une machine hydraulique telle que définie précédemment. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de sept modes de réalisation d'une partie tournante appartenant à une machine hydraulique, faite uniquement à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe axiale de principe d'une installation de conversion d'énergie conforme à l'invention, incorporant une turbine Francis également conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue de côté d'une roue de la turbine de la figure 1, - la figure 3 est une vue de détail d'une aube appartenant à la roue de la figure 2, à savoir la cinquième aube visible en partant de la gauche sur cette figure. - la figure 4 est une section de l'aube de la figure 3 représentée dans différentes configurations d'utilisations, - la figure 5 est une coupe analogue à la figure 4 d'une aube appartenant à une roue conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 6 est une coupe, analogue à la partie droite de la figure 1 et à plus grande échelle, d'une installation conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention, - la figure 7 est une vue analogue à la figure 6, d'une installation conforme à un quatrième mode de réalisation de l'invention, - la figure 8 est une vue analogue aux figures 6 et 7, d'une installation conforme à un cinquième mode de réalisation de l'invention, - la figure 9 est une section d'une aube selon la ligne IX-IX à la figure 8, - la figure 10 est une coupe analogue à la figure 4 d'une aube appartenant à un sixième mode de réalisation de l'invention, - la figure 11 est une vue de détail de l'encerclé XI de la figure 10, - la figure 12 est une coupe axiale de principe d'une installation conforme à l'invention incorporant une turbine de type hélice conforme à un septième mode de réalisation de l'invention, et - la figure 13 est une vue analogue à la figure 4, d'une aube appartenant à une roue de l'art antérieur. Sur la figure 1 est représentée une installation de conversion d'énergie 2 conforme à l'invention. Cette installation de conversion d'énergie 2 comprend une machine hydraulique 20 qui, dans l'exemple, est une turbine Francis. Ainsi, la partie tournante de la turbine 20 est une roue 202 de type Francis. Cette roue 202 tourne autour d'un axe vertical Z202 et entraîne en rotation un arbre d'entraînement 204. Dans le cas présent, l'arbre d'entraînement 204 est relié à un alternateur 206 afin de produire de l'électricité.

L'eau est stockée en amont dans une retenue d'eau non représentée. Elle est ensuite acheminée jusqu'à la turbine hydraulique 20 par l'intermédiaire d'une conduite forcée 22 avec une hauteur de chute définie par la différence d'altitude entre la retenue d'eau et la turbine 20. La conduite forcée 22 débouche sur une bâche 24 qui entoure la roue 202 et qui permet de distribuer, de manière sensiblement régulière autour de l'axe Z202, l'eau à l'intérieur de la roue 202. Plus précisément, l'eau circule entre des aubes 208 qui sont disposées entre un plafond 2022 et une ceinture 2020 de la roue 202. Ces aubes 208 comportent chacune un bord d'attaque 2080 contre lequel l'eau arrive à partir de la bâche 24 et un bord de fuite 2082 à partir duquel l'eau s'échappe vers un conduit d'aspiration 26. Les aubes 208 ont un profil asymétrique, avec un intrados 2084 et un extrados 2086.

Le sens de circulation de l'eau à travers la turbine 20 est représenté, à la figure 1, par des flèches E. Sur la figure 2 est représentée seule la roue 202 qui est conforme à l'invention. Lorsque l'on regarde la roue par le dessus à la figure 2, celle-ci tourne autour de l'axe Z202 dans le sens antihoraire. Ce mouvement de rotation est représenté sur la figure 2 par un vecteur U qui est orthoradial à l'axe de rotation Z202 de la roue et qui est orienté de la gauche vers la droite à la figure 2. Dans le cas représenté d'une machine industrielle synchrone, la vitesse de rotation U de la roue 202 est constante, quel que soit le régime de fonctionnement. En effet, la vitesse de rotation de la roue 202 est imposée par la fréquence du réseau sur lequel l'installation 2 est raccordée. La machine industrielle pourrait aussi être à vitesse variable. On distingue, à la figure 2 et au niveau de la ceinture 2020, le profil des aubes 208 représenté en pointillés. Les aubes 208 de la roue 202 sont formées en deux parties. Une première partie 208A définit le bord d'attaque 2080 de chaque aube et une deuxième partie 208B définit son bord de fuite 2082 et est attachée à la première partie 208A. Comme mieux visible à la figure 1, la première partie 208A de l'aube 208 est fixée au plafond 2022 et à la ceinture 2020, tandis que la deuxième partie 208B n'est pas fixée au plafond 2022 ou à la ceinture 2020, en laissant subsister un interstice 11 entre la partie 208B et la ceinture 2020 et un interstice 12 entre la partie 208B et le plafond 2022. La taille des interstices 11 et 12 est exagérée à la figure 1, pour faciliter leur visualisation. Sur la figure 13 est représentée la section d'une aube 208', appartenant à une roue de l'art antérieur. On note respectivement 2084' et 2086' l'intrados et l'extrados de l'aube 208' et respectivement 2080' et 2082' son bord d'attaque et son bord de fuite. On s'intéresse à présent à l'écoulement en sortie du bord de fuite 2082' de cette aube 208' car celui-ci est transposable aux autres aubes 208' de la roue. De manière connue, dans un repère tournant lié à la roue, l'eau s'écoule de manière tangentielle à l'intrados 2084' et à l'extrados 2086', le long du profil de l'aube.

Plus précisément, on définit une corde 2088' comme une ligne équidistante de l'intrados 2084' et de l'extrados 2086'. La corde 2088' passe par le bord d'attaque 2080' et par le bord de fuite 2082'. Ainsi, l'extrados 2086' et l'intrados 2082' convergent vers la corde 2088'. Au premier ordre, cette corde 2088' définit, dans son prolongement du bord de fuite 2082, la direction D208' d'écoulement de l'eau en sortie de l'aube 208. On définit un vecteur vitesse V'2 qui représente la vitesse de l'eau dans un repère relatif lié à la roue et qui est obtenu pour un écoulement ayant un débit optimal de fonctionnement. Ce vecteur V'2 s'étend selon la direction découlement D208'. Dans un repère absolu, c'est-à-dire qui ne tourne pas en même temps que la roue, l'eau comprend en outre une composante rotationnelle U crée par la rotation de la roue.

Dans la configuration d'un débit optimal de fonctionnement, la somme du vecteur V*2 et du vecteur U donne un vecteur C2 qui est principalement débitant, c'est-à-dire qui est orienté parallèlement à un axe Z202' de rotation de la roue, et dirigé vers le bas, en direction du conduit d'aspiration 26. Ce résultat vient du fait que la vitesse V'2 en sortie de l'aube 208 a une composante rotationnelle (P2 directement opposée à la vitesse U de rotation de la roue. Ainsi, l'eau circulant entre les aubes 208' tombe de manière verticale directement dans le conduit d'aspiration 26. Le risque d'apparition d'un tourbillon est donc limité et l'écoulement en sortie de la roue est plus stable. En revanche, pour un débit différent du débit optimal de fonctionnement, par exemple égal à la moitié du débit optimal de fonctionnement, la vitesse tangentielle en sortie de l'aube, notée 171 , est deux fois inférieure à la vitesse obtenue pour un débit optimal de fonctionnement. Par conséquent, lorsque l'on additionne ce vecteur vitesse V'l avec le vecteur vitesse U lié à la rotation de la roue, il en résulte un vecteur vitesse Cl qui n'est pas parallèle à l'axe de rotation Z202' de la roue. En effet, la vitesse V'l a une composante rotationnelle U'l qui n'est pas assez importante pour compenser la vitesse U de rotation de la roue. Ainsi, le fluide est amené, en sortie des aubes 208' de la roue, à tourner autour de l'axe de rotation Z202'. Cette rotation peut entraîner l'apparition de tourbillons, augmente les pertes de la turbine et dégrade globalement la qualité de l'écoulement en sortie de la roue.

Dans la suite de la description est détaillé le fonctionnement d'une seule aube 208 de la roue 202 conforme à l'invention car celui-ci est transposable aux autres aubes de la roue 202. Cette aube, qui est représentée seule aux figures 3 et 4, diffère de celle de la figure 13 en ce qu'elle est réalisée en deux matériaux différents. En effet, la première partie 208A est réalisée dans un matériau rigide, tel que de l'acier, et la deuxième partie 208B est réalisée dans un matériau élastiquement deformable dans la gamme de pression d'eau traversant la roue 202. Il peut s'agir d'un matériau composite, notamment à base de polyester et de fibres de carbone. La première partie 208A et la deuxième partie 208B sont soudées entre elles le long d'une zone d'attache Z208. On note 2088 une corde de l'aube 208. Cette corde 2088 est équidistante de l'intrados 2084 et de l'extrados 2086 de l'aube 208 et s'étend de son bord d'attaque 2080 jusqu'à son bord de fuite 2082. Ainsi, l'intrados 2084 et l'extrados 2086 convergent vers la corde 2088. On note L208 la longueur de la corde 2088, cette longueur L208 peut être interprétée comme la longueur de l'aube 208 vue par l'écoulement. La longueur L208 peut varier sur la hauteur de l'aube 208, entre la ceinture 2020 et le plafond 2022. Dans le cas représenté, la première partie 208A s'étend sur environ deux tiers de la longueur L208 de l'aube et la deuxième partie 208B s'étend sur environ un tiers de la longueur de l'aube 208. Ces proportions peuvent différer sur la hauteur de l'aube 208, entre la ceinture 2020 et le plafond 2022. Sur la figure 4 sont représentées trois configurations de fonctionnement de l'aube 208. On remarque sur cette figure que la partie 208B se déforme élastiquement en fonction de la pression hydraulique qui s'exerce sur l'aube 208. Une première configuration, représentée en traits interrompus en haut de la figure 4, est une position pour laquelle l'aube est au repos, c'est-à-dire lorsqu'il n'y a pas d'écoulement traversant la turbine. Une deuxième configuration, représentée en dessous de la première configuration et en pointillés à la figure 4, est une configuration pour laquelle la turbine est traversée par un débit inférieur au débit optimal de fonctionnement, notamment deux fois inférieur au débit optimal de fonctionnement. Une troisième configuration, représentée en traits pleins à la figure 4, est une configuration pour laquelle la turbine est traversée par un écoulement ayant un débit optimal de fonctionnement. Dans les deuxième et troisième configurations, l'aube 208 est déformée par la pression hydraulique. On remarque que la troisième position correspond à la forme de l'aube 208' rigide de l'art antérieur représentée à la figure 13. Pour la clarté du dessin, la corde 2088 n'est représentée à la figure 4 que dans la troisième configuration.

Lors de l'alimentation de la turbine 20, la deuxième partie 208B se déforme élastiquement suivant un mouvement de rotation par rapport à la première partie 208A. Ce mouvement est représenté à la figure 4 par une flèche F1. Par exemple, si le débit appliqué est le débit optimal de fonctionnement, la deuxième partie 208B de l'aube 208 passe de la première à la troisième configuration.

Lorsque le débit diminue, la partie 208B de l'aube 208 se déplace sous l'effet du retour élastique du matériau constitutif de la partie 208B dans le sens opposé à la flèche F1. On a donc une déformation réversible. Par exemple, si l'on souhaite faire fonctionner la turbine avec un débit deux fois inférieur au débit optimal de fonctionnement, la deuxième partie 208B de l'aube 208 passe de la troisième à la deuxième configuration.

On parle d'un système passif car la forme de l'aube s'adapte automatiquement en fonction du débit d'alimentation de la turbine 20 sans action extérieure. Lorsque l'on arrête le fonctionnement de la turbine, la deuxième partie 208B revient dans sa première position. La première position est donc une position prédéterminée de l'aube 208 lorsque la turbine ne fonctionne pas.

Sur la figure 4 ne sont représentées que trois configurations. Cependant, il y a d'autres configurations possibles car la géométrie de l'aube 208 dépend du débit en entrée de la turbine. En effet, avec un débit compris entre la moitié du débit optimal de fonctionnement et le débit optimal de fonctionnement, la deuxième partie 208B de l'aube 208 serait alors disposée entre la deuxième et la troisième configuration. Alors que pour un débit supérieur à celui optimal, la géométrie 208B prendrait une position déformée qui irait au-delà de la troisième configuration dans le sens de la flèche F1. En outre, la deuxième partie 208B de l'aube se déforme de manière à ce que la composante rotationnelle, c'est-à-dire la composante qui est orthoradiale à l'axe de rotation Z202 de la roue 202, de la vitesse tangentielle de l'écoulement S' oppose globalement la vitesse de rotation de la roue. On note V1 la vitesse de l'écoulement pour la deuxième configuration dans un repère lié à la roue. Le vecteur vitesse V1 est globalement tangent au profil de l'aube au niveau du bord de fuite 2082 et est orienté selon la direction d'écoulement 208 définie par le prolongement rectiligne de la corde 2088. La deuxième partie 208B de l'aube a une position différente par rapport à l'aube 208' d'une roue de l'art antérieur, le vecteur V1 est donc orienté différemment par rapport au vecteur V'1. Le prolongement de la corde 2088 en aval du bord de fuite lorsque l'aube est dans sa deuxième position définit la direction D2081 qui est différente de la direction D208'. En effet, le vecteur V1 comprend une composante verticale Cl parallèle à l'axe de rotation Z202 et une composante rotationnelle Ul qui est orthoradiale à l'axe Z202. Dans cette configuration, la composante Ul est directement opposée au vecteur vitesse U de rotation de la roue 202. Ainsi, dans un repère fixe, la somme du vecteur V1 avec le vecteur U donne directement le vecteur Cl qui est principalement débitant.

Concernant la troisième configuration, on note V2 la vitesse de l'eau en sortie de l'aube 208 dans un repère mobile lié à la roue. Cette vitesse est orientée selon la direction d'écoulement D2082 définie par le prolongement rectiligne de la corde 2088. La direction D2082 est analogue à la direction D208' pour l'aube 208' de la figure 9. Dans un repère fixe, la vitesse de rotation U de la roue 202 s'ajoute au vecteur vitesse relatif V2. Il en résulte un vecteur vitesse absolu C2 qui est également principalement débitant. La troisième configuration correspond à la configuration de l'aube de la figure 9 car la turbine est alimentée avec un débit optimal de fonctionnement. Ainsi, la déformation élastique de la deuxième partie 208B de l'aube 208 permet d'obtenir un écoulement ayant une direction principalement débitante en sortie des aubes 208, pour divers points de fonctionnement de la turbine. Cela permet de conserver une bonne qualité d'écoulement en sortie de la roue 202. La déformation de la deuxième partie 208B de l'aube 208 est facilitée par le fait que le matériau constitutif de cette deuxième partie 208B a un module d'élasticité environ vingt fois inférieur à celui du matériau constitutif de la première partie 208A. Plus précisément, le matériau de la deuxième partie 208B de l'aube 208 a un module d'élasticité compris entre 0.5 GPa et 200 GPa, notamment égal à 10 GPa, alors que la partie 208A est un métal, notamment en acier. Sur la figure 5 est représenté un deuxième mode de réalisation de l'invention. Comme pour l'aube de la figure 13, le prolongement de la corde 2088 en aval du bord de fuite 2082 définit la direction D208 de l'écoulement E en sortie de l'aube 208. Le deuxième mode de réalisation diffère du premier en ce que la deuxième partie 208B est articulée sur la première partie 208A par l'intermédiaire d'une charnière 2081. De plus, la deuxième partie 208B est réalisée dans un matériau rigide, notamment en acier et n'est pas fixée, ni à la ceinture 2020, ni au plafond 2022 de la roue 202. Entre la première partie 208A et la deuxième partie 208B est disposé un coin 2083 en élastomère. Lors du passage de l'eau au sein de la roue, la deuxième partie 208B de l'aube 208 se déplace, sous l'effet de la pression hydraulique, dans le sens de la flèche F2 à la figure 5. Ce déplacement implique la compression du coin 2083. Le coin 2083 retient donc la deuxième partie 208B de l'aube 208 dans son mouvement. Ainsi, la deuxième partie 208B de l'aube 208 est apte à définir la direction D208 de l'écoulement de l'eau en sortie de l'aube 208, en adaptant sa position par rapport à la partie 208A, grâce à une compression élastique du coin 2083. Lorsque le débit de fonctionnement de la turbine est diminué ou que le fonctionnement de la turbine est arrêté, le coin 2083 se détend pour reprendre sa forme initiale et repousse donc la deuxième partie 208B, dans une direction opposée à la flèche F2 à la figure 5. La deuxième partie 208B de l'aube 208 est donc déplaçable, par le coin 2083 et de façon élastique par rapport à la première partie 208A, vers une position prédéterminée. Cette position prédéterminée n'est pas représentée à la figure 5 mais correspond au cas où la deuxième partie 208B est en pratique au-dessus de sa position à la figure 5 de manière similaire à la première position de l'aube 208 de la figure 4. Sur la figure 6 est représenté un troisième mode de réalisation de l'invention. Ce troisième mode de réalisation diffère du premier dans la mesure où la deuxième partie 208B de l'aube 208 est formée par plusieurs éléments 208B1, 208B2 et 208B3 disjoints. Les éléments 208B1, 208B2, 208B3 sont élastiquement déformables indépendamment les uns des autres par rapport à la première partie 208A. Comme visible sur cette figure, les éléments 208B1 et 208B3 ne sont pas fixés respectivement au plafond 2022 et à la ceinture 2020, en laissant subsister un interstice 11 entre l'élément 208B1 et le plafond 2022 et un interstice 12 entre l'élément 208B3 et la ceinture 2020. La taille des interstices 11 et 12 est exagérée pour faciliter leur visualisation.

En variante non représentée, la deuxième partie 208B est formée par un nombre d'éléments différent de trois. En variante non représentée, les éléments 208B1, 208B2 et 208B3 sont articulés sur la première partie 208A et indépendamment les uns des autres. Sur la figure 7 est représenté un quatrième mode de réalisation de l'invention.

Dans ce quatrième mode, on note Z208B la zone d'attache de la deuxième partie 208B de l'aube 208 à la première partie 208A et L208B la longueur de la deuxième partie 208B mesurée entre sa zone d'attache Z208B et le bord de fuite 2082. Dans ce quatrième mode de réalisation, la longueur L208B est variable le long du bord de fuite 2082. En outre, la deuxième partie 2080 ne s'étend que sur une portion du bord de fuite 2082.

Ainsi, la première partie 208A définit une première portion 2082A du bord de fuite 2082 et la deuxième partie 208B définit une deuxième portion 2082B du bord de fuite 2082. La deuxième partie 208B n'est pas fixée au plafond 2022 et à la ceinture 2020, en laissant subsister un interstice 12 entre la deuxième partie 208B et la ceinture 2020. La taille de cet interstice 12 est exagérée pour faciliter sa visualisation.

En variante non représentée, la deuxième partie 208B définit la totalité du bord de fuite 2082, tout en ayant une longueur L208B variable. Sur les figures 8 et 9 est représenté un cinquième mode de réalisation de l'invention. Dans ce cinquième mode, la deuxième partie 208B de l'aube 208 est formée par, d'une part, une âme en matériau rigide qui est monobloc avec la première partie 208A et, d'autre part, par un revêtement réalisé dans un matériau élastiquement deformable dont le module d'élasticité est d'environ 400 fois inférieur à celui du matériau constitutif de la première partie 208A de l'aube 208. L'âme rigide 208B2 est amincie par rapport à la première partie 208A de manière à ce qu'elle puisse se déformer de façon élastique. Le revêtement 208B1 recouvre l'âme rigide 208B2 et définit le bord de fuite 2082 de l'aube 208. Le revêtement 208B1 est réalisé dans un matériau élastiquement deformable dans la gamme de pression d'eau traversant la roue 202. Il peut s'agir d'un matériau composite, notamment à base de polyester et de fibres de carbone. Ce revêtement 208B1 est fixé à l'âme rigide 208B2 et à la première partie 208A par collage. Le revêtement 208B1 est fixé dans le prolongement de l'intrados et de l'extrados de la première partie 208A. Ainsi, celui-ci assure la continuité de l'écoulement le long de l'aube 208. De manière analogue aux précédents modes de réalisation de l'invention, la deuxième partie 208B n'est fixée, ni à la ceinture 2020, ni au plafond 2022 et se déforme, lors de l'alimentation de la turbine 20, de manière élastique suivant un mouvement de rotation par rapport à la première partie 208A. Ce mouvement est représenté à la figure 3 par une flèche F3. Dans l'exemple représenté, le revêtement 208B1 entoure l'âme rigide 208B2. En variante, le revêtement 208B1 est disposé uniquement en partie supérieure ou en partie inférieure de l'âme rigide 208B2. Selon une autre variante, l'âme 208B2 est fixée à la première partie 208A par soudage.

Sur les figures 10 et 11 est représenté un sixième mode de réalisation. Dans ce sixième mode, la deuxième partie 208B de l'aube 208 est formée, d'une part, par un profil 208B2 en résine qui est fixé à la première partie 208A de l'aube 208 par collage et, d'autre part, par une coque entourant le profil en résine 208B2 et définissant le bord de fuite 2082 de l'aube 208. Cette coque comprend une première portion 208B1 qui est disposée du côté de l'extrados et une deuxième portion 208B3 qui est disposée du côté de l'intrados de l'aube 208. Comme visible à la figure 11, la première portion 208B1 et la deuxième portion 208B3 de la coque sont réalisées dans un matériau composite stratifié, notamment par superposition de différentes couches en fibre de verre et époxy. La première portion 208B1 de la coque comporte cinq couches superposées selon une direction globalement perpendiculaire à la corde 2088 de l'aube 208. On note successivement 208B1a, 208B1b, 208B1c, 208B1d et 208B1e les couches de la première portion 208B1 allant respectivement de la couche intérieure 208B1 qui est accolée contre le profil en résine époxy 208B2 à la couche extérieure 208B1e. De même, la deuxième portion 208B3 de la coque comprend quatre couches qui sont également superposées selon une direction perpendiculaire à la corde 2088 de l'aube 208. On note 208B3a, 208B3b, 208B3c et 208B3d les couches successives de la deuxième portion 208B3 de la coque, allant de la couche la plus intérieure 208B3a qui est accolée au profil en résine 208B2 à la couche extérieure 208B3d. Les portions 208B1 et 208B3 de la coque ont une épaisseur variable entre la première partie 208A et le bord de fuite 2082. Plus précisément, l'épaisseur de la coque diminue au fur et à mesure que l'on s'approche du bord de fuite 2082. La longueur de recouvrement d'une couche de la coque est d'autant plus faible que la couche en question est proche du profil en résine 208B2. On obtient ainsi une superposition dégradée dans le sens de la longueur. Autrement dit, la coque ne comporte pas le même nombre de plis sur toute la longueur de l'aube 208. La portion 208B1 de la deuxième partie 208B comporte une zone à cinq couches, une zone à quatre couches et une zone à deux couches tandis que, la deuxième portion 208B3 comporte une zone à quatre couches, une zone à trois couches et une zone d'une seule couche.

De manière analogue aux cinq premiers modes de réalisation de l'invention, la deuxième partie 208B de l'aube 208 est élastiquement deformable afin de s'adapter au mieux au point de fonctionnement de la turbine. L'utilisation d'un matériau composite pour la coque de cette deuxième partie 208B a notamment pour avantage de lui conférer une bonne tenue mécanique.

En variante non représentée spécifique à ce sixième mode de réalisation, l'agencement et le nombre des couches au sein de la coque peuvent être différents. En variante non représentée applicable aux six premiers modes de réalisation, la deuxième partie 208B des aubes 208 est fixée au plafond 2022 et/ou à la ceinture 2020.

Sur la figure 12 est représenté un autre type de machine hydraulique auquel s'applique un septième mode de réalisation de l'invention. Cette machine hydraulique est une turbine de type hélice. Elle comprend un moyeu 205 monté sur un arbre 204 tournant autour d'un axe de rotation Z204 vertical. Autour du moyeu 205 sont disposées des aubes 208 que l'on appelle parfois pales. Cette turbine hélice est alimentée en eau par une conduite forcée 22. L'eau chemine donc entre les aubes 208 de l'hélice. Cet écoulement est représenté à la figure 12 par des flèches E. Le moyeu 205 et les aubes ou pales 208 définissent ensemble la partie tournante 202 de la turbine. Conformément à l'invention, les aubes 208 de cette turbine hélice sont réalisées en deux parties. Une première partie 208A définit le bord d'attaque 2080 de chaque aube vu par l'écoulement E et est solidaire du moyeu 205. Une deuxième partie 208B définit le bord de fuite 2082 de chaque aube vu par l'écoulement E. Cette partie 208B est attachée à la première partie 208A mais n'est pas solidaire du moyeu 205. La deuxième partie 208B est réalisée dans un matériau élastiquement deformable. Ainsi, lors du passage de l'écoulement E, la deuxième partie 208B des aubes 208 se déforme pour définir la direction de l'écoulement E d'eau en aval de l'aube 208. Plus précisément, la déformation de la deuxième partie 208B de l'aube 208 permet de diriger l'eau, en sortie de l'aube 208, selon une direction parallèle à l'axe Z204 de rotation du moyeu 205 et de l'arbre 204. On parle également d'une direction débitante. L'écoulement en sortie des aubes ou des pales 208 est donc stable.

En variante non représentée applicable au septième mode de réalisation, la deuxième partie 208B de l'aube 208 n'est pas solidaire du moyeu 205. En variante non représentée du mode de réalisation de la figure 12, la deuxième partie 208B de l'aube 208 est articulée sur la première partie 208A. Dans ce cas, la deuxième partie 208B est réalisée dans un matériau rigide, similaire au matériau constitutif de la première partie 208A. Selon une autre variante non représentée du mode de réalisation de la figure 12, la deuxième partie 208B des aubes ou pales 208 est solidaire du moyeu 205. En variante non représentée applicable au premier, troisième, quatrième et sixième modes de réalisation, la première partie 208A et la deuxième partie 208B sont collées ou vissées l'une à l'autre.

En variante non représentée, l'axe de rotation Z202 de la roue est horizontal. L'invention est également applicable aux turbines de type bulbe, Kaplan ou Deriaz. Les variantes et modes de réalisation mentionnés ci-dessus peuvent être combinés pour donner de nouveaux modes de réalisation de l'invention.5

Claims (17)

1. REVENDICATIONS1.- Partie tournante (202) de machine hydraulique (20) qui, lorsqu'elle est traversée par un écoulement (E) d'eau, tourne autour d'un axe de rotation (Z202) et qui comprend des aubes (208) réparties autour de l'axe de rotation et s'étendant chacune entre un bord d'attaque (2080) et un bord de fuite (2082), caractérisée en ce que chaque aube (208) comprend une première partie (208A) qui définit son bord d'attaque (2080) et une deuxième partie (208B) attachée à la première partie et qui définit au moins en partie son bord de fuite (2082) et en ce que la deuxième partie est élastiquement déformable (F1) ou déplaçable de façon réversible (F2) par rapport à la première partie, sous l'action de l'écoulement (E) d'eau, cette deuxième partie définissant, lorsque la machine fonctionne, la direction (D208, D2081, D2082) de l'écoulement (E) d'eau en aval de l'aube.
2. 2.- Partie tournante (202) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un organe (2222 ; 205) de liaison entre les aubes (208) et un arbre (204) définissant l'axe de rotation (Z202 ; Z204) de la partie tournante, en ce que la première partie (208A) de chaque aube (208) est solidaire de l'organe de liaison et en ce que la deuxième partie (208B) de chaque aube n'est pas solidaire de l'organe de liaison.
3. 3.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la deuxième partie (208B) de l'aube (208) est fixée sur la première partie (208A) et est réalisée dans un matériau élastiquement déformable, dont le module d'élasticité est inférieur à celui du matériau constitutif de la première partie (208A).
4. 4.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la deuxième partie (208B) de l'aube (208) est formée par une âme (208B1) en matériau rigide qui est monobloc avec la première partie (208A) et par un revêtement (208B2) réalisé dans un matériau élastiquement déformable, dont le module d'élasticité est inférieur à celui du matériau constitutif de la première partie.
5. 5.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la deuxième partie (208B) de l'aube (208) est formée par un profil en résine (208B2) qui est fixé à la première partie (208A) et par une coque (208B1, 208B3) en matériau composite entourant le profil en résine.35
6. 6.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la deuxième partie (208B) de l'aube (208) est articulée sur la première partie (208A).
7. 7.- Partie tournante (202) selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'aube (208) comprend des moyens (2083) de rappel élastique de la deuxième partie (208B) vers une position prédéterminée.
8. 8.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la deuxième partie (208B) s'étend sur environ un tiers de la longueur (L208) de l'aube (208) mesurée entre le bord d'attaque (2080) et le bord de fuite (2082).
9. 9.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la deuxième partie (208B) définit complètement le bord de fuite (2082)
10. 10.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la première partie (208A) définit une première portion (2082A) du bord de fuite (2082) et la deuxième partie (208B) définit une deuxième portion (2082B) du bord de fuite.
11. 11.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la deuxième partie (208B) de l'aube est formée par plusieurs éléments disjoints (208B1, 208B2, 208B3) élastiquement déformables ou déplaçables indépendamment les uns des autres par rapport à la première partie (208A).
12. 12.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la longueur de la deuxième partie (208B) mesurée entre sa zone d'attache (Z208B) à la première partie (208A) et le bord de fuite (2082) est variable le long du bord de fuite.
13. 13.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lorsque la machine fonctionne, la deuxième partie (208B) oriente l'écoulement (E) de l'eau selon une direction possédant une composante rotationnelle réduite se rapprochant d'une direction parallèle à l'axe de rotation (Z202) de la partie tournante.
14. 14.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il s'agit d'une roue (202) de turbine Francis comportant un plafond (2022) et une ceinture (2020) entre lesquelles s'étendent les aubes (208), en ce que la première partie (208A) de chaque aube est fixée au plafond et à la ceinture et en ce que la deuxième partie (208B) est ou n'est pas fixée au plafond ou à la ceinture.
15. 15.- Partie tournante (202) selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'elle appartient à une turbine de type hélice, Kaplan, bulbe ou Deriaz et comprend un moyeu (205) et des aubes (208) qui s'étendent, radialement par rapport à l'axe de rotation, à partir du moyeu, en ce que la première partie (208A) de chaque aube est montée sur le moyeu et en ce que la deuxième partie (208B) de chaque aube est ou n'est pas fixée sur le moyeu.
16. 16.- Machine hydraulique (20), caractérisée en ce qu'elle comprend une partie tournante (202) selon l'une des revendications 1 à 15.
17. 17.- Installation (2) de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique, caractérisée en ce que cette installation comprend une machine hydraulique (20) selon la revendication 16.20