FR3100582A1 - Roue de type Francis pour machine hydraulique à stabilité améliorée - Google Patents

Roue de type Francis pour machine hydraulique à stabilité améliorée Download PDF

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Abstract

L’invention concerne une roue de type Francis (4) pour machine hydraulique (1) destinée à être traversée par un écoulement d’eau, comprenant : -un plafond (41) fixé à un arbre (11) présentant un axe de rotation ; -une ceinture (42) ; -plusieurs aubes (43) réparties autour dudit axe de rotation et reliant le plafond (41) et la ceinture (42), chaque aube comportant un bord d’attaque (431) radial externe, dans laquelle la relation suivante est vérifiée pour au moins 40% des filets d’écoulement entre des première et deuxième aubes : Di2/Di1≥0,4, avec Di1 la distance entre les bords d’attaque (431) des première et deuxième aubes pour un même filet, et Di2 la distance entre la première aube et le bord d’attaque de la deuxième aube pour ce même filet. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 2

Description

Roue de type Francis pour machine hydraulique à stabilité améliorée
L’invention concerne les machines hydrauliques de conversion d’énergie, et en particulier les machines hydrauliques équipées de roues de type Francis. De telles machines hydrauliques comprennent une telle roue de type Francis, destinée à être traversée par un écoulement forcé d’eau, pour fonctionner en mode turbine, et pour certaines d’entre elles en mode pompe.
Une machine hydraulique est utilisée pour convertir de l’énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique. Certaines machines hydrauliques sont équipées de roues de type Francis. Dans une telle machine en mode turbine, le fluide entre à haute pression et transmet son énergie aux aubes de la roue, solidaire du rotor de la machine. Une partie de l'énergie hydraulique est transmise par le fluide aux aubes de la roue, en raison du changement de pression et du changement de direction du fluide, tandis qu’une autre est perdue en turbulence.
En mode turbine de la machine, il est essentiel de pouvoir contrôler un arrêt d’urgence. En effet, l’arrêt d’urgence d’une machine hydraulique en mode turbine peut impliquer la déconnexion d’une machine synchrone d’un réseau électrique. Il est important de pouvoir gérer les phénomènes transitoires de la machine hydraulique lors d’un tel arrêt d’urgence. Un arrêt d’urgence induit une importante augmentation transitoire de la chute, avec une augmentation de la pression en amont de la roue et une diminution de la pression en aval de la roue. L’augmentation de la pression peut en effet induire un endommagement de la structure mécanique de la machine hydraulique, réduisant sa durée de vie. La diminution de pression peut induire la création de vide dans certaines sections du circuit hydraulique, augmentant le risque d’endommager les structures. Enfin, un arrêt d’urgence induit une augmentation de la vitesse de rotation du groupe et ainsi de la force centrifuge exercées sur les pôles du rotor, réduisant là aussi sa durée de vie.
Par ailleurs, la connexion à un réseau électrique d’une génératrice entrainée par la machine hydraulique nécessite d’accélérer le rotor de la machine hydraulique jusqu’à la vitesse de synchronisme du réseau électrique et la stabilisation du rotor et de la roue à cette vitesse de synchronisme. La durée d’accélération et de stabilisation de la vitesse de la roue est élevée et requiert un contrôle complexe des commandes de la roue. Il s’avère difficile de pouvoir connecter une telle génératrice à un réseau électrique dans un délai suffisamment réduit pour répondre à des appels de puissance du réseau électrique avec une dynamique élevée.
L’invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L’invention porte ainsi sur une roue de type Francis pour machine hydraulique destinée à être traversée par un écoulement d’eau, comprenant :
-un plafond fixé à un arbre présentant un axe de rotation ;
-une ceinture ;
-plusieurs aubes réparties autour dudit axe de rotation et reliant le plafond et la ceinture, chaque aube comportant un bord d’attaque radial externe, dans laquelle la relation suivante est vérifiée pour au moins 40% des filets d’écoulement entre des première et deuxième aubes : Di2/Di1≥0,4, avec Di1 la distance entre les bords d’attaque des première et deuxième aubes pour un même filet, et Di2 la distance entre la première aube et le bord d’attaque de la deuxième aube pour ce même filet.
L’invention porte également sur les variantes suivantes. L’homme du métier comprendra que chacune des caractéristiques des variantes suivantes peut être combinée indépendamment aux caractéristiques ci-dessus, sans pour autant constituer une généralisation intermédiaire.
Selon une variante, ladite relation Di2/Di1≥0,4 est vérifiée pour au moins 70% des filets d’écoulement entre les première et deuxième aubes.
Selon encore une variante, la relation suivante est vérifiée pour au moins 40 % des filets d’écoulement entre les première et deuxième aubes : Li0,8/ Li0,95>1,02, avec Li0,8la largeur entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube pour l’abscisse curviligne normalisée 0,8 pour la valeur de filet considérée, et Li0,95la largeur entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube pour l’abscisse curviligne normalisée 0,95 pour la valeur de filet considérée.
Selon une autre variante, la relation suivante est vérifiée :
Li0,8/ Li0,95>1,05 pour au moins 40 % des filets d’écoulement entre les première et deuxième aubes.
Selon encore une autre variante, la relation suivante est vérifiée :
Lm0,8> Lm0,95avec Lm0,8 la largeur moyenne entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados la première aube pour l’abscisse curviligne normalisée 0,8 pour les différentes valeurs de filet d’écoulement à cette abscisse curviligne, et Lm0,95la largeur moyenne entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube pour l’abscisse curviligne normalisée 0,95 pour les différentes valeurs de filet d’écoulement à cette abscisse curviligne normalisée.
Selon une variante, la relation suivante est vérifiée :
Lmmax/ Lm0,95>1, 02, avec Lmmax, avec Lmmaxla largeur moyenne maximale entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube.
Selon une autre variante, la largeur moyenne décroit de façon continue entre l’abscisse curviligne normalisée correspondant à la largeur moyenne maximale Lmmaxet l’abscisse curviligne normalisée 0,95.
Selon encore une variante, la relation suivante est vérifiée :
dLm(Xc)à/dXc<0 pour une valeur d’abscisse curviligne Xc comprise entre 0,8 et 0, 95, avec Lm(Xc) la fonction associant la largeur moyenne entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube en fonction de l’abscisse curviligne Xc.
Selon une variante, la section de passage entre les première et deuxième aubes est configurée pour vérifier la relation S2/S1≥0,4, avec S1 la surface minimale entre les bords d’attaque des première et deuxième aubes et S2 la section de passage minimale entre la première aube et le bord d’attaque de la deuxième aube.
Selon encore une variante, la section de passage entre des première et deuxième aubes est configurée pour vérifier la relation S2/S1≥0,44.
Selon encore une autre variante, la roue de type Francis comprend entre 7 et 40 aubes vérifiant ladite relation Di2/Di1≥0,4.
Selon une variante, la deuxième aube est la transformée de la première aube par une rotation autour dudit axe de rotation.
Selon encore une variante, lesdites première et deuxième aubes sont successives autour de l’axe de rotation.
Selon une autre variante, la roue comprend en outre une troisième aube positionnée entre les première et deuxième aubes et présentant une géométrie différente de celle des première et deuxième aubes.
Selon encore une autre variante, la section de passage entre les première et troisième aubes est configurée pour vérifier la relation S4/S3≥0,4, avec S3 la surface minimale entre les bords d’attaque des première et troisième aubes et S4 la section de passage minimale entre la première aube et le bord d’attaque de la troisième aube ou entre la troisième aube et le bord d’attaque de la première aube.
L’invention concerne également une machine hydraulique, comprenant :
-une roue de type Francis telle que définie ci-dessus ;
-une bâche spirale ceinturant la roue et présentant un orifice destiné à être raccordé à une conduite forcée ;
–une structure de commande comportant des directrices mobiles interposées entre la bâche spirale et la roue et configurées pour modifier la section de passage entre la bâche spirale et la roue.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
est une vue schématique de dessus d’une machine hydraulique incluant une roue de type Francis ;
est une vue en coupe schématique au niveau de l’axe de rotation de la roue illustrée à la figure 1 ;
est une projection conforme de plusieurs aubes sur une surface s’appuyant sur les filets de la roue ;
est une vue en projection sur un plan méridien d’une aube entre un plafond et une ceinture d’une roue ;
est un diagramme comparatif de la caractéristique en S pour l’ouverture maximale des directrices ;
est un diagramme comparatif d’une caractéristique en S pour une ouverture minimale des directrices ;
est un diagramme comparatif du profil de la section de passage entre des aubes adjacentes en fonction de l’abscisse curviligne entre ces aubes ;
est une projection conforme de plusieurs aubes sur une surface s’appuyant sur les filets de la roue pour une configuration particulière des aubes de la turbine.
La figure 1 est une vue schématique de dessus d’une machine hydraulique 1 incluant une roue 4 de type Francis, incluant les machines Francis réversibles. La figure 2 est une vue en coupe schématique de la machine hydraulique 1 au niveau de l’axe de rotation de la roue 4 illustrée à la figure 1, l’axe de rotation de la roue 4 étant généralement sensiblement vertical. La machine hydraulique 1 comprend une conduite spirale ou bâche spirale 2. La bâche spirale 2 comporte un orifice 21, formant une entrée d’eau forcée en mode turbine de la machine hydraulique 1. L’orifice 21 est par exemple connecté à une conduite forcée non illustrée. La bâche spirale 2 présente des viroles ou tubulures 22 de section décroissante depuis l’orifice 21, s’enroulant autour d’une double grille 3. La double grille 3 présente un alésage central, dans laquelle une roue 4 est logée. La double grille 3 met en communication le fluide entre la tubulure 22 et la roue 4. De façon connue en soi, la double grille 3 peut comprendre des avant-directrices fixes 31 disposées à sa périphérie radialement, et des directrices mobiles 32 disposées à proximité de la roue 4. Plusieurs avant-directrices fixes (pour stay vanes en langue anglaise) 31 peuvent être réparties angulairement autour de l’axe de rotation de la roue 4. Plusieurs directrices 32 (pour guide vanes en langue anglaise) peuvent être réparties angulairement autour de l’axe de rotation de la roue 4. La position des directrices 32 peut être commandée de façon connue en soit pour commander le fonctionnement de la machine hydraulique 1. Les directrices 32 sont généralement montées pivotantes autour d’un axe parallèle à l’axe de rotation de la roue 4. Le niveau d’ouverture des directrices 32 permet de modifier la section de passage entre la bâche spirale 2 et la roue 4. On peut ainsi commander le débit entre la bâche spirale 2 et la roue 4, et donc globalement le débit à travers la machine hydraulique 1. Un orifice 23 est ménagé sous la roue pour évacuer l’eau en mode turbine. L’orifice 23 est par exemple connecté à un aspirateur sous la forme d’un cône vertical.
La roue 4 de type Francis est fixée sur un arbre 11 solidaire du rotor de la machine hydraulique 1. L’arbre 11 est par exemple solidaire d’un rotor d’une machine électrique synchrone configurée pour être couplée à un réseau électrique alternatif. L’arbre 11 traverse un flasque supérieur 10 (pour head cover en langue anglaise) illustré partiellement et comportant par exemple un palier de guidage en rotation de cet arbre 11. La roue 4 comprend un plafond 41 (désigné par crown en terminologie anglaise) et une ceinture 42 (désignée par band en terminologie anglaise). Des aubes 43 sont réparties autour de l’axe de rotation de la roue 4 (par exemple au nombre de 7, 8 ou 9). Les aubes 43 relient le plafond 41 à la ceinture 42.
La figure 3 est une vue conforme le long d’un filet de plusieurs aubes 43 en projection sur une surface s’appuyant sur les filets de la roue. Un filet d’écoulement d’une aube est généralement défini comme une courbe sur l’aube 43 suivant un pourcentage de distance entre son plafond 41 et sa ceinture 42. Le filet d’écoulement à 0% correspond par exemple à une ligne de jonction entre une aube et le plafond, le filet d’écoulement à 100% correspondant à une ligne de jonction entre une aube et la ceinture. Chaque aube 43 comporte un bord radial externe 431, proche de la périphérie du plafond 41 et de la ceinture 42, qui est un bord d’attaque de l’aube en sens de rotation turbine. Chaque aube 43 comporte également un bord 432, proche de l’axe de rotation de la roue 4, qui est un bord de fuite en sens de rotation turbine. Chaque aube 43 présente un intrados 434 (pressure side en langue anglaise) et un extrados (succion side en langue anglaise) 433. Les aubes 43 présentent ici la même géométrie et chaque aube 43 est typiquement assimilable à la transformation d’une autre aube 43 par une rotation autour de l’axe de rotation de la roue 4.
Selon l’invention, la relation suivante est vérifiée pour au moins 40% des filets d’écoulement (de préférence 70% de ces filets d’écoulement, et avantageusement pour 100% de ces filets d’écoulement) entre deux aubes 43 : Di2/Di1≥0,4, avec Di1la distance entre les bords d’attaque 431 des aubes successives pour un même filet, et Di2la distance entre l’extrados d’une aube et le bord d’attaque de l’autre aube pour ce même filet. La mesure des valeurs Di1pourra être réalisée pour différents filets d’écoulement équirépartis ou déterminée en continu le long d’un bord d’attaque.
Selon un aspect plus avantageux de l’invention, la section de passage entre au moins deux aubes est configurée pour vérifier la relation S2/S1≥0,4, avantageusement S2/S1≥0,44, et de préférence S2/S1≥0,5, avec S1 l’aire d’une surface minimale entre les bords d’attaque 431 des aubes successives et S2 la section de passage minimale entre une aube 43 et le bord d’attaque 431 de l’autre aube. La surface minimale entre deux bords d’attaque est la surface minimale d’un contour incluant ces deux bords d’attaque et deux segments reliant ces bords d’attaque.
Une ou plusieurs relations précédentes seront avantageusement vérifiées pour des aubes successives présentant une même géométrie, avec des bords d’attaque parcourant une même surface de révolution et des bords de fuite parcourant une même surface de révolution. Une ou plusieurs aubes présentant une géométrie différente pourront être interposées entre de telles aubes successives. Avantageusement, une ou plusieurs relations précédentes seront vérifiées pour deux aubes adjacentes ou successives. On considèrera la succession des aubes relativement à leur déplacement lors d’une rotation de la turbine autour de son axe de rotation. Avantageusement, une ou plusieurs relations précédentes seront vérifiées pour l’ensemble des aubes 43 successives.
La relation S2/S1≥0,4 sera aussi plus simplement vérifiée en remplaçant la surface S1 par une surface S5, afin de potentiellement simplifier le calcul de cette relation. S5 est définie pour des aubes successives présentant une même géométrie, par la surface balayée par un bord d’attaque d’une aube lors d’une rotation angulaire correspondant au décalage angulaire avec l’aube successive.
L’effet technique obtenu par ces règles géométriques sera exposé par la suite en lien avec des résultats de simulation et d’essais sur des modèles réduits. Dans la vue conforme illustrée en figure 3, la surface minimale ayant l’aire S1 passe par la droite 436 reliant les bords d’attaque de deux aubes successives 43. Dans la vue conforme illustrée, la section de passage ayant l’aire S2 passe par la droite 435, correspondant à une droite perpendiculaire à l’extrados d’une aube et passant par le bord d’attaque 431 de l’autre aube. L’aire S2 est parfois désignée comme l’aire du col. De telles droites 436 et 435 peuvent être définies quel que soit le niveau du plan de coupe le long de l’axe de rotation de la roue 4, ou de manière équivalente quel que soit le filet choisit pour construire la vue conforme. Les droites 435 et 436 peuvent également être définies à différents niveaux des filets ou lignes d’écoulement des aubes 43.
La machine hydraulique 1 sera par la suite décrite dans son mode de fonctionnement en turbine, l’écoulement de l’eau à travers la machine hydraulique 1 correspondant aux flèches illustrées à la figure 1. La machine hydraulique 1 peut également présenter un fonctionnement réversible avec une utilisation potentielle en mode pompe, l’écoulement d’eau étant alors en sens inverse des flèches illustrées à la figure 1.
La figure 5 est un diagramme comparatif d’une caractéristique en S pour l’ouverture des directrices correspondant à la puissance maximale de la turbine. Cette caractéristique en S est définie par un facteur de vitesse n11 en abscisse et le facteur de débit Q11 en ordonnée. La grandeur n11, désignée comme le facteur de vitesse, est une vitesse caractéristique exprimée en tour/minute selon la définition de la norme CEI 60193. Cette grandeur est proportionnelle au rapport de la vitesse de rotation de la roue sur la racine carrée de la hauteur de chute. La grandeur Q11, désignée comme le facteur de débit, est un débit caractéristique exprimé en m3/seconde selon la définition de la norme CEI 60193. Cette grandeur est proportionnelle au débit et inversement proportionnelle à la racine carrée de la hauteur de chute. La courbe en trait plein correspond à la caractéristique de la roue 4 selon l’invention. La courbe en trait discontinu correspond à la caractéristique d’une roue selon l’état de la technique.
Les points de fonctionnement 51 et 52 correspondent aux points de fonctionnement en mode turbine des roues à leur vitesse de synchronisme avec un réseau électrique, correspondant à un facteur de débit Q11 maximal. Les roues peuvent être opérées sur ces points de fonctionnement respectifs parmi les plus critiques s’il advient un arrêt d’urgence provocant la déconnexion de la machine synchrone du réseau lorsque la machine hydraulique est en mode turbine. Lors d’un tel arrêt d’urgence, les points de fonctionnement des roues suivent dans les premiers instants les courbes caractéristiques 53 et 54 respectivement. Cela se traduit par une augmentation du facteur de vitesse n11 des turbines avec décroissance du facteur de débit Q11, toujours selon les profils 53 et 54 respectivement. Les profils 53 et 54 correspondent au transitoire d’emballement des roues postérieur à l’arrêt d’urgence. Les facteurs de vitesse n11 des roues atteignent des valeurs maximales n11max, au niveau des points 55 et 56 respectivement. On peut noter que le facteur de vitesse maximal de la roue 4 selon l’invention est légèrement inférieur à celui de la roue selon l’état de la technique. On réduit ainsi les contraintes mécaniques liées à l’augmentation de la vitesse de rotation de la roue de la machine hydraulique lors d’un arrêt d’urgence. Une roue 4 selon l’invention subit donc une force centrifuge moindre à l’issue de l’emballement et peut donc présenter un dimensionnement mécanique moins contraignant.
Après avoir franchi les points respectifs 55 et 56, les roues suivent respectivement les profils 57 et 58, avec une décroissance de leur facteur de débit Q11 et de leur facteur de vitesse n11. On constate que la décroissance du facteur de vitesse n11 pour le profil 57 (correspondant à la roue selon l’invention) est inférieure à la décroissance du facteur de vitesse n11 pour le profil 58 (correspondant à la roue selon l’état de la technique). Le rapport entre la valeur n11max et la valeur n11 pour Q11=0 est donc fortement réduit avec une roue 4 selon l’invention. Par conséquent, la surpression due à l’arrêt d’urgence est moindre avec une roue 4 selon l’invention qu’avec une roue selon l’état de la technique, du fait d’une limitation de l’effet coup de bélier. La détérioration mécanique induite par l’arrêt d’urgence sur la roue est donc moindre avec une roue 4 selon l’invention.
Une telle configuration de roue 4 selon l’invention permet ainsi de réduire la pente du profil 57, ce qui signifie que la stabilité hydraulique de la roue 4 est améliorée, indépendamment de son mode de commande.
La figure 6 est un diagramme comparatif des courbes caractéristiques en S correspondant aux charges minimales des turbines. Ces caractéristiques en S sont ici illustrées par le rapport n11/n11opt en abscisses et le facteur de couple C11 en ordonnée. La grandeur C11, désignée comme le facteur de couple, est un couple caractéristique exprimé en N.m selon la définition de la norme CEI 60193. Cette grandeur est proportionnelle au couple délivré par la turbine et inversement proportionnelle à la hauteur de chute. La valeur n11opt correspond à la vitesse caractéristique optimale de la roue. Ainsi, le rapport n11/n11opt est une façon d’exprimer le facteur de vitesse n11. La turbine est stable à la charge nulle si sa courbe caractéristique en S coupe l’axe C11=0 avec une pente négative ou nulle. Au contraire, la turbine est instable à la charge nulle si la pente est positive. La courbe en trait plein correspond à la caractéristique stable ayant la plus grande valeur de n11 de la roue 4 selon l’invention. La courbe en trait discontinu correspond à la caractéristique stable ayant la plus grande valeur de n11 d’une roue selon l’état de la technique.
On constate que le rapport n11/n11opt correspondant à un fonctionnement stable est fortement accru avec la roue 4 selon l’invention. La valeur maximale de ce rapport n11/n11opt est notamment fortement accrue avec la roue 4 selon l’invention. Une telle roue 4 est donc plus stable aux charges très basses, ce qui permet une synchronisation plus aisée de la machine synchrone au réseau électrique lors du démarrage de la machine.
Par conséquent, la stabilité d’une roue 4 selon l’invention pour l’ouverture minimale des directrices est nettement supérieure à celle d’une roue selon l’état de la technique. Une roue 4 selon l’invention peut donc plus facilement être accélérée et stabilisée à sa vitesse de synchronisme. Par conséquent, une telle roue 4 selon l’invention peut être stabilisée à une vitesse de synchronisme en un temps réduit.
L’invention permet de coupler la machine hydraulique 1 à un réseau électrique synchrone avec une faible sensibilité à la hauteur d’eau appliquée sur l’orifice 21. La machine hydraulique 1 peut ainsi être couplée à un réseau électrique de façon rapide, pour permettre de réaliser un apport d’énergie à ce réseau électrique avec une dynamique rapide.
Une roue 4 selon l’invention étant plus stable hydrauliquement à la fois pour les ouvertures des directrices correspondant aux puissances maximales de production et pour les ouvertures minimales des directrices correspondant aux charges de synchronisme, le contrôle d’une telle roue 4 au moyen des directrices peut être fortement simplifié, sans nuire à la sécurité de fonctionnement ou la capacité de stabilisation de la vitesse de rotation.
Une telle roue 4 peut être intégrée dans une machine hydraulique 1, avec une structure de commande 3 dont les directrices 32 peuvent être commandées par un circuit de commande approprié (non illustré).
Selon d’autres aspects indépendants de l’invention, on a également une augmentation de la stabilité d’une roue 4 en mode turbine pour l’ouverture maximale des directrices et pour l’ouverture minimale des directrices en respectant d’autres règles géométriques pour les aubes 43 de la roue.
Selon ces autres aspects de l’invention, la roue 4 est également une roue de type Francis pouvant être associée à une bâche spirale 2 et à une structure de commande 3, telles que décrites précédemment. La roue 4 selon ces autres aspects de l’invention est fixée sur un arbre solidaire du rotor de la machine hydraulique 1. L’arbre peut être solidaire d’un rotor d’une machine électrique synchrone configurée pour être couplée à un réseau électrique alternatif. La roue 4 comprend un plafond et une ceinture. Des aubes sont réparties autour de l’axe de rotation de la roue 4 (par exemple au nombre de 7, 8 ou 9). Les aubes relient le plafond à la ceinture. Chaque aube comporte un bord d’attaque radial externe, proche de la périphérie du plafond et de la ceinture. Chaque aube comporte également un bord de fuite, proche de l’axe de rotation de la roue 4. Chaque aube présente un intrados et un extrados.
Selon un de ces aspects de l’invention, la relation suivante est vérifiée : Lm0,8> Lm0,95. De préférence, la relation suivante est vérifiée, Lm0,8/ Lm0,95>1, 02, et préférentiellement, la relation suivante est vérifiée, Lm0,8/ Lm0,95>1, 05. Une valeur Lmicorrespond à la largeur moyenne entre l’intrados d’une aube et l’extrados d’une aube adjacente pour une abscisse curviligne normalisée Xc de valeur i. Avantageusement, la relation suivante est vérifiée : Lmmax/ Lm0,95>1, 02, avantageusement Lmmax/ Lm0,95>1, 05, de préférence Lmmax/ Lm0,95>1,1, avec Lmmaxla largeur moyenne maximale entre l’intrados d’une aube et l’extrados d’une aube adjacente. La valeur Lm0,95est une bonne référence, puisqu’elle permet d’éviter l’influence de formes particulières du bord d’attaque 431 des aubes 43. Selon un autre aspect, la relation suivante est avantageusement vérifiée : dLm(Xc)/dXc<0 pour une valeur de Xc comprise entre 0,8 et 0, 95.
La valeur de l’abscisse curviligne normalisée Xc est nulle en partant du bord de fuite 432 en sens turbine d’une aube pour atteindre 1 au niveau du bord d’attaque 431 en sens turbine.
La largeur moyenne Lm pour une abscisse curviligne donnée correspond à la moyenne des largeurs entre l’intrados d’une aube et l’extrados de l’aube adjacente pour les différentes valeurs de filet à cette abscisse curviligne.
La figure 7 est un diagramme comparatif de la largeur moyenne Lm exprimée en fonction de l’abscisse curviligne normalisée Xc. La courbe en trait plein correspond à la largeur moyenne de la roue 4 selon l’invention. La courbe en trait discontinu correspond à la largeur moyenne d’une roue 4 selon l’état de la technique.
Selon un autre de ces aspects de l’invention, la relation suivante est vérifiée : Li0,8> Li0,95pour au moins 40% des filets d’écoulement entre deux aubes. De préférence, la relation suivante est vérifiée, Li0,8/ Li0,95>1,02, et préférentiellement, la relation suivante est vérifiée, Li0,8/ Li0,95>1,05, pour au moins 40% des filets d’écoulement entre deux aubes (et de préférence pour au moins 70% des filets d’écoulement, et avantageusement pour 100% des filets d’écoulement). Une valeur Lijcorrespond à la largeur entre l’intrados d’une aube et l’extrados d’une autre aube pour un filet i et une abscisse curviligne normalisée Xc de valeur j. Avantageusement, pour au moins 40% des filets d’écoulement, la relation suivante est vérifiée : Limax/ Li0,95>1,02, avantageusement Limax/ Li0,95>1,05, de préférence Limax/ Lm0,95>1,1, avec Limaxla largeur maximale entre l’intrados d’une aube et l’extrados d’une aube adjacente.
La figure 8 est une vue conforme le long d’un filet de plusieurs aubes en projection sur une surface s’appuyant sur les filets de la roue. La roue 4 comporte ici des aubes 43 présentant la même géométrie, réparties autour de l’axe de rotation de la roue 4. Cette configuration des aubes de la roue 4 est appelée roue à aubes intercalaires (pour splitter blades en langue anglaise). Les aubes 43 présentent ici la même géométrie que dans l’exemple de la figure 3. Entre deux aubes 43 successives, une aube 44 est positionnée. Chaque aube 44 comporte un bord radial externe 441, proche de la périphérie du plafond 41 et de la ceinture 42, qui est un bord d’attaque de l’aube 44 en sens de rotation turbine. Chaque aube 44 comporte également un bord 442, proche de l’axe de rotation de la roue 4, qui est un bord de fuite en sens de rotation turbine. Chaque aube 44 présente un intrados 443 et un extrados 444. L’aube 44 peut être positionnée plus proche de l’une des deux aubes 43 successives ou à mi-distance entre ces aubes. Les aubes 44 présentent une géométrie différente de celle des aubes 43, son bord de fuite 442 pouvant par exemple être plus éloigné de l’axe de rotation de la roue 4 que le bord de fuite 432 d’une aube 43.
La section de passage entre au moins deux aubes 43 est encore configurée pour vérifier la relation Di2/Di1≥0,4, avantageusement Di2/Di1≥0,44, et de préférence Di2/Di1≥0,5. La section de passage entre au moins deux aubes 43 est aussi avantageusement configurée pour vérifier la relation S2/S1≥0,4, avantageusement S2/S1≥0,44, et de préférence S2/S1≥0,5.
Avantageusement, la section de passage entre une aube 43 et une aube 44 est configurée pour vérifier la relation S4/S3≥0,4, avec S3 l’aire entre les bords d’attaque d’une aube 43 et d’une aube 44 et S4 la section de passage minimale entre cette aube 43 et le bord d’attaque de cette aube 44 ou entre cette aube 44 et le bord d’attaque de l’aube 43. La relation peut par exemple être vérifiée entre une aube 43 et une aube 44, ou entre deux aubes 43, ou entre deux aubes 44.

Claims (16)

  1. Roue de type Francis (4) pour machine hydraulique (1) destinée à être traversée par un écoulement d’eau, comprenant :
    -un plafond (41) fixé à un arbre (11) présentant un axe de rotation ;
    -une ceinture (42) ;
    caractérisée en ce qu’elle comprend en outre :
    -plusieurs aubes (43) réparties autour dudit axe de rotation et reliant le plafond (41) et la ceinture (42), chaque aube comportant un bord d’attaque (431) radial externe, dans laquelle la relation suivante est vérifiée pour au moins 40% des filets d’écoulement entre des première et deuxième aubes : Di2/Di1≥0,4, avec Di1la distance entre les bords d’attaque (431) des première et deuxième aubes pour un même filet, et Di2la distance entre la première aube et le bord d’attaque de la deuxième aube pour ce même filet.
  2. Roue de type Francis (4) selon la revendication 1, dans laquelle ladite relation Di2/Di1≥0,4 est vérifiée pour au moins 70% des filets d’écoulement entre les première et deuxième aubes.
  3. Roue de type Francis (4) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la relation suivante est vérifiée pour au moins 40 % des filets d’écoulement entre les première et deuxième aubes : Li0,8/ Li0,95>1,02, avec Li0,8la largeur entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube pour l’abscisse curviligne normalisée 0,8 pour la valeur de filet considérée, et Li0,95la largeur entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube pour l’abscisse curviligne normalisée 0,95 pour la valeur de filet considérée.
  4. Roue de type Francis (4) selon la revendication 3, dans laquelle la relation suivante est vérifiée :
    Li0,8/ Li0,95>1,05 pour au moins 40 % des filets d’écoulement entre les première et deuxième aubes.
  5. Roue de type Francis selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la relation suivante est vérifiée :
    Lm0,8> Lm0,95avec Lm0,8la largeur moyenne entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados la première aube pour l’abscisse curviligne normalisée 0,8 pour les différentes valeurs de filet d’écoulement à cette abscisse curviligne, et Lm0,95la largeur moyenne entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube pour l’abscisse curviligne normalisée 0,95 pour les différentes valeurs de filet d’écoulement à cette abscisse curviligne normalisée.
  6. Roue de type Francis (4) selon la revendication 5, dans laquelle la relation suivante est vérifiée :
    Lmmax/ Lm0,95>1, 02, avec Lmmax, avec Lmmaxla largeur moyenne maximale entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube.
  7. Roue de type Francis (4) selon la revendication 6, dans laquelle la largeur moyenne décroit de façon continue entre l’abscisse curviligne normalisée correspondant à la largeur moyenne maximale Lmmaxet l’abscisse curviligne normalisée 0,95.
  8. Roue de type Francis (4) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans laquelle la relation suivante est vérifiée :
    dLm(Xc)/dXc<0 pour une valeur d’abscisse curviligne Xc comprise entre 0,8 et 0, 95, avec Lm(Xc) la fonction associant la largeur moyenne entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube en fonction de l’abscisse curviligne Xc.
  9. Roue de type Francis (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la section de passage entre les première et deuxième aubes est configurée pour vérifier la relation S2/S1≥0,4, avec S1 la surface minimale entre les bords d’attaque des première et deuxième aubes et S2 la section de passage minimale entre la première aube et le bord d’attaque de la deuxième aube.
  10. Roue de type Francis (4) selon la revendication 9, dans laquelle la section de passage entre des première et deuxième aubes (43) est configurée pour vérifier la relation S2/S1≥0,44.
  11. Roue de type Francis (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la roue de type Francis comprend entre 7 et 40 aubes (43) vérifiant ladite relation Di2/Di1≥0,4.
  12. Roue de type Francis (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la deuxième aube est la transformée de la première aube par une rotation autour dudit axe de rotation.
  13. Roue de type Francis (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdites première et deuxième aubes sont successives autour de l’axe de rotation.
  14. Roue de type Francis (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une troisième aube (44) positionnée entre les première et deuxième aubes (43) et présentant une géométrie différente de celle des première et deuxième aubes (43).
  15. Roue de type Francis (4) selon la revendication 14, dans laquelle la section de passage entre les première et troisième aubes est configurée pour vérifier la relation S4/S3≥0,4, avec S3 la surface minimale entre les bords d’attaque des première et troisième aubes et S4 la section de passage minimale entre la première aube et le bord d’attaque de la troisième aube ou entre la troisième aube et le bord d’attaque de la première aube.
  16. Machine hydraulique (1), comprenant :
    - une roue de type Francis (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes ;
    - une bâche spirale (2) ceinturant la roue (4) et présentant un orifice (21) destiné à être raccordé à une conduite forcée ;
    - une structure de commande (3) comportant des directrices mobiles (32) interposées entre la bâche spirale (2) et la roue (4) et configurées pour modifier la section de passage entre la bâche spirale (2) et la roue (4).
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