WO2009071838A1 - Machine hydraulique et installation de conversion d'énergie comprenant une telle machine - Google Patents

Machine hydraulique et installation de conversion d'énergie comprenant une telle machine Download PDF

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WO2009071838A1
WO2009071838A1 PCT/FR2008/052126 FR2008052126W WO2009071838A1 WO 2009071838 A1 WO2009071838 A1 WO 2009071838A1 FR 2008052126 W FR2008052126 W FR 2008052126W WO 2009071838 A1 WO2009071838 A1 WO 2009071838A1
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WO
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wheel
chamber
fixed structure
seal
machine according
Prior art date
Application number
PCT/FR2008/052126
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English (en)
Inventor
Michel Sabourin
Stéphane ROY
Michel Henri Couston
Original Assignee
Alstom Hydro France
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Filing date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F03B11/002—Injecting air or other fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/02—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side of rotors, e.g. Francis turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a hydraulic machine which comprises a wheel rotatable with respect to a fixed structure and which is to be traversed by a forced flow of water. Such a flow has the effect of driving the wheel in rotation, when the machine is a turbine. Such a flow results from this rotation, when the machine is a pump.
  • the invention is applicable to hydraulic machines of turbine, pump or turbine-pump type.
  • the invention relates to a hydraulic machine comprising a wheel, rotatable with respect to a fixed structure and intended to be traversed by a forced flow of water, while at least one chamber is delimited at a time by this wheel and by this fixed structure.
  • This machine is characterized in that the chamber is isolated from the flow passing through the wheel by a first seal disposed between the wheel and the fixed structure, in the vicinity of a first portion of the wheel.
  • the invention it is not necessary to divert part of the flow brought to the inlet of the wheel to form a water seal to the extent that the chamber of the machine of the invention forms in a way, an air seal which is isolated from the flow passing through the wheel by the seal disposed in the vicinity of the first portion of the wheel.
  • such a machine may incorporate one or more of the following features taken in any technically permissible combinations.
  • the first seal comprises two integral parts respectively of the wheel and the fixed structure, these two parts being in abutment and sliding against each other under the effect of the rotation of the wheel.
  • the seal can be called a "slip seal".
  • the chamber is also isolated from the flow in the wheel by a second seal disposed between the wheel and the fixed structure, in the vicinity of a second portion of the wheel, while the machine also comprises means for filling the chamber with pressurized air.
  • the second seal participates in isolating the chamber from the flow passing through the wheel.
  • the pressurized filling means make it possible to stuff the chamber with air. During its rotation, the wheel rubs against the air present inside the chamber, with a braking effect much less sensitive than that resulting from the friction of the wheel against the water present in the chambers of the state. the technique.
  • the first seal isolates the flow chamber before this flow passes through the wheel, while the second seal isolates the flow chamber after this flow has passed through the wheel.
  • the first portion of the wheel is located upstream of a hydraulic forced flow conduit formed by the wheel, while the second portion of the wheel is located downstream of this conduit.
  • the first seal and / or the second seal comprises at least one member carried by a first element, among the wheel and the fixed structure, and mobile relative to this first element, and the elastic load means of this member in the direction of a portion integral with the second element, among the wheel and the fixed structure.
  • the member may be mounted movably on the fixed part, while the elastic load means push this member towards a part of the wheel.
  • the member is movably mounted on the wheel, while the elastic load means push this member towards a portion of the fixed structure.
  • the first seal and / or the second seal comprises a member carried by a first element among the wheel and the fixed structure, and means for retaining this member against a reaction force exerted on it by the other element, among the wheel and the fixed structure.
  • the seal comprises at least one segment cooling water circulation duct, low flow rate in front of the flow rate passing through the wheel.
  • evacuation means advantageously comprise a duct connecting the chamber to the outside through a restriction valve.
  • the mouth of this duct is preferably arranged in the lower part of the chamber, which facilitates the collection of the water present in this chamber.
  • the means for filling the chamber with pressurized air comprise a conduit for supplying air under pressure through the fixed structure.
  • the wheel comprises a belt and a ceiling between which are disposed several blades, while the aforementioned chamber is limited between the belt and the fixed structure or between the ceiling and this structure.
  • the machine comprises two chambers delimited respectively between the belt and the fixed structure, on the one hand and between the ceiling and the fixed structure, on the other hand.
  • the invention also relates to a plant for converting hydraulic energy into electrical energy which comprises a machine as mentioned above. Such an installation presents better technical and economic performances than those of the state of the in particular because it is not necessary to divert a portion of the flow supplied to the wheel to form a water seal and the fact that the friction resulting from the rotation of the wheel is less important than in the prior art.
  • FIG. 2 is an enlarged view of detail II in FIG. 1;
  • FIG. 3 is an enlarged view of detail III in FIG. 1;
  • FIG. 4 is a view corresponding to detail IV in FIG. 2 for a machine according to a second embodiment of the invention
  • - Figure 5 is a basic section along the line V-V in Figure 4;
  • FIG. 6 is a view corresponding to detail IV in Figure 2, for a machine according to a third embodiment of the invention.
  • the installation I represented in FIG. 1 comprises a Francis turbine
  • the turbine 1 whose wheel 2 is fed from a tank 3 into which a forced pipe 4 opens.
  • X2 is the vertical axis of rotation of the wheel 2.
  • the turbine 1 is coupled, by a shaft 11, to an alternator 5 of electricity production.
  • Between the cover 3 and the wheel 2 are arranged a series of front guides 6 and 7 whose function is to guide a flow E coming from the pipe 4 and intended to pass through the wheel 2 in the direction of a duct. evacuation 8.
  • the wheel 2 comprises blades 21 which extend between a ceiling 22 and a belt 23.
  • the vanes defining between them and with the ceiling 22 and the belt 23 inter-blade spaces IA in which the flow passes E when passes through the wheel 2.
  • the wheel 2 is fixed at the bottom of the shaft 11 by means of screws 24.
  • the sheet 3, the pipe 4 and the pipe 8 belong to a fixed structure 9 which is only partially shown in the figures and which supports the rotating parts of the turbine 1, in particular the shaft 11 by means of a bearing 91. and, through it, the wheel 2.
  • the fixed structure 9 comprises a skirt 92 centered on the axis X2 and which surrounds the belt 23. This skirt 92 connects to a horizontal base 93, so that an annular chamber Ci is defined around the belt 23, this chamber being delimited by the belt 23, which belongs to the wheel 2, and by the portions 92 and 93 of the fixed structure 9.
  • the chamber Ci is filled with air and isolated from the flow E by two joints Ji, J 2 disposed respectively in the vicinity of the upstream edges 231 and downstream 232 of the belt 23.
  • the joint Ji comprises a ring 101 fixed on the belt 23 in the vicinity of its edge 231 and receiving in support several segments, only one of which is represented in the figures with the reference 201, in the shape of an arc of a circle and distributed around the outside.
  • X axis 2 X axis 2 .
  • Each segment 201 is slidably mounted in a direction parallel to the axis X 2 inside a housing 301 in which is also mounted a compression spring 401 which exerts on the segment 201 a force Fi parallel to the axis X 2 and directed towards the ring 101, which ensures a sealing contact between the segment 201 in question and the ring 101.
  • the seal J 1 is effective to prevent water from the flow E to enter the chamber Ci.
  • the ring 101 rubs on the segments 201 during the rotation of the wheel 2 around the axis X 2 .
  • the material of the elements 101 and 201 is selected to allow such sliding and waterproof support. This is, for example, a combination of polymer and / or stainless steel and / or bronze and / or ceramic coated steel or any other suitable combination of materials.
  • the seal J 2 also comprises a ring 102 immobilized in the belt 23 at the edge 232 and several segments, one of which is visible with the reference 202, arranged in housings 302 and elastically loaded by springs 402, which induces a F 2 effort of sealing and sliding segments 202 and the like on the ring 102.
  • This allows the seal J 2 to isolate the chamber Ci of the flow E passing through the wheel 2, even though a part this flow can enter a slot 502 located between the edge 232 and the base 93.
  • the seal J 2 can induce slight leakage.
  • the rings 101 and 102 are optional, insofar as the segments 201 and 202 can bear directly against the belt 23, respectively at its edges 231 and 232.
  • a source 94 of pressurized air is connected, through a pressure regulating valve 95, to the chamber C1.
  • the conduit connecting the source 94 to the chamber Ci is marked 96 through the valve 95.
  • a control unit 10 which makes it possible to control the whole of the installation I sends to the valve 95 a signal Si by which it controls this valve so that the chamber Ci is supplied with air with a pre-determined pressure when the wheel 2 rotates.
  • the chamber Ci is substantially filled or stuffed with air under pressure, so that no significant portion of the flow E is consumed to fill this chamber Ci.
  • the friction generated between the external surface 233 of the belt 23 and the air present in the chamber Ci does not substantially brake the wheel 2 at the speeds in question.
  • a discharge conduit 97 has its mouth 971 at the level of this background and allows to evacuate the water and a portion of the air present in the chamber Ci to the ambient atmosphere, through a valve 98 forming a restriction.
  • the seal Ji can be described as a high-pressure seal because it withstands the relatively high pressure of the flow E, before it passes through the flow conduit formed by the inter-blade gap IA of the wheel 2.
  • the J 2 seal meanwhile, a seal that can be called low pressure because it is subject to the relatively low pressure of the flow E at the output of the wheel 2, this pressure being lower than that of this flow at the wheel inlet.
  • the valve 95 is set such that the air pressure inside the chamber Ci is greater than the pressure of the flow E at the outlet of the wheel 2, that is to say in the vicinity of the joint J 2 .
  • the invention can also be implemented at a chamber C 2 defined between the ceiling 22 of the wheel 2 and a partition 192 belonging to the fixed structure 9.
  • a high pressure seal or Upstream seal J 1 is provided between an upstream edge 221 of the ceiling 22 and a flange 193A of the structure 9, while a second seal J 2 is defined between a projecting portion 222 of the ceiling 22 and another flange 193B belonging to the fixed structure 9.
  • the portion 222 forms, with respect to the part of the ceiling 22 which delimits the chamber C 2 , a downstream portion of the ceiling 22.
  • Joints J and J 2 have substantially the same structure as those shown in Figure 2 and are not described in detail. They respectively allow to prevent the water flow E to enter the chamber C 2 , leaks near. As before, the rings of the joints Ji and J 2 can be omitted and the segments then bear directly against the edges 221 and 222 of the ceiling 22. Furthermore, a duct 196 connects a source 194 of compressed air to the chamber C 2 , through a pressure control valve 195 controlled by the unit 10 by means of a signal S 2 .
  • Pressure sources 94 and 194 can be confused. This is not mandatory.
  • a duct 197 passes through the flange 193A and makes it possible to evacuate part of the air present in the chamber C 2 as well as, if appropriate, water present in the chamber C because of leaks at the joints Ji and / or J 2 .
  • the conduit 197 is equipped with a restriction valve 198.
  • the seal Ji can be considered as a high pressure seal, insofar as it isolates the chamber C 2 from a relatively high pressure portion of the flow E, while the seal J 2 can be considered as a low pressure seal , insofar as it isolates the chamber C 2 from a portion of the flow E at relatively low pressure.
  • the segments 201, 202 and equivalents constitute wear parts for the joints Ji and J 2 of the chambers Ci and C 2 .
  • the seal J 1 associated with the belt 23 and shown in Figure 2 can be mounted radially, that is to say as the joint Ji associated with the ceiling 22. This facilitates disassembly and replacing the parts of this seal, without the need to lift the wheel 2.
  • the belt 23 of the wheel 2 of this embodiment carries vanes 21 which rotate, about an axis not shown, relative to a fixed structure 9 on which are mounted several segments in the form of ring sectors, one of which is visible in Figure 4, with the reference 201.
  • the segment 201 is mounted on the fixed structure 9 by means of two screws 601 and 602 which pass through the segment 201 from one side with their respective heads 601A and 602A received in inserts 701, respectively 702, slidably mounted in housings 203, 204 respectively, formed in the segment 201 and allowing a recovery of effort and an adaptation of the position of the sector 201 to the vertical movement of the wheel 2 relative to the fixed structure 9.
  • the screws 601 and 602 penetrate into corresponding threads 901 and 902 formed in the structure 9 while being tightly threaded, whereas Belleville washers 801 and 802 are interposed between each insert 701 or 702 and the bottom of the corresponding housing 203 or 204.
  • Belleville washers 801 and 802 are interposed between each insert 701 or 702 and the bottom of the corresponding housing 203 or 204.
  • the assembly formed of the screws 601 and 602, on the one hand, and the Belleville washers 801 and 802, on the other hand, constitute means of elastic load of the segment 201 towards the edge 231 of the belt 23.
  • the screws 601 and 602 also form retaining means of the segment 201 against a force undergone by this segment under the action of the wheel 2 which would tend to lift, that is to say to a force directed upwards in figure 4.
  • the edge 231 of the belt 23 is provided with a peripheral notch 234 for receiving a portion 201A of the segment 201 which protrudes radially towards the wheel 2 relative to the structure 9.
  • the edge 231 forms a surface 235 overall plane against which comes to bear a surface 201 B, also generally planar portion 201 A.
  • a surface support is created, under the effect of the tightening force of the screws 601 and 602, between the surfaces 201 B and 235 which form sealing surfaces of the joint Ji of this embodiment.
  • the wheel 2 If the wheel 2 rises relative to the structure 9, it drives the segment 201 upwards, which is possible because of the possible sliding of the inserts 701 and 702 in the housings 203 and 204 and by compressing the washers 801 and 802 If the wheel 2 goes down with respect to the structure 9, the washers 801 and 802 press the segment 201 against the surface 201 B.
  • the screws 601 and 602 also serve to overcome the reaction force exerted by the surface 235 on the surface 201 B which results from the support of the segment 201 on the edge 231.
  • the segment 201 may be made of synthetic material, in particular of polymer material and constitutes a wear part for the seal J 1 .
  • this segment can be made of other materials, especially metal alloy or ceramic.
  • grooves are formed in the edge 231, around the portion 201 A, these grooves being spaced on the periphery of the edge 231.
  • Two of these grooves are visible in Figure 5 with the reference 236 They are made by machining the surface 235 and each extend by a chimney 237 which has its mouth at the surface 238 of the edge 231 licked by the flow E in the wheel 2.
  • a small portion of the flow E can flow into the channel formed by the grooves 236 and the chimneys 237 above, in contact with the segment 201, which allows to cool this segment.
  • the flow passing through the aforementioned chimneys and grooves represents less than 0.01% of the flow E, so that no significant loss is induced by the presence of the cooling means of the segment 201.
  • the belt 23 of the wheel 2 carries vanes 21 and rotates about a vertical axis (not shown) with respect to a fixed structure 9.
  • a joint Ji makes it possible to isolate a chamber Ci from the forced flow E which interacts with the blades 21 of the wheel 2 to drive it in rotation.
  • the seal Ji comprises an annular pad 201 mounted in a recess 236 formed by the upstream edge 231 of the belt 23. This pad bears against a plurality of segments in the shape of a ring segment, one of which is shown in FIG. reference 101.
  • the pad 201 is resiliently loaded towards the rings 101 by means of several springs 401 distributed in the recess 236.
  • the segments 101 and the like are immobilized on the fixed structure 9 by means of screws, one of which is shown in FIG. 6 with the reference 601, each of these screws being tightened in a tapping 901 of the fixed part 9.
  • the pad 201 is equipped with a layer 201 C of anti-friction coating for facilitating its sliding against the surface 101 C of the pads 101 facing the chamber Ci.
  • the pad 201 is provided with an internal radial groove 201 D in which is received an O-ring 203 which bears between a surface 236A of the recess 236 which is parallel to the axis of rotation of the wheel 2 and perpendicular to the surface C.
  • the seal 203 prevents or severely limits water leakage from the flow E to the chamber Ci.
  • the spring 401 could be replaced by O-rings received between the pad 201 and the surface 236B of the recess 236 which is perpendicular to the surface 236A.
  • O-rings also make it possible to elastically load the shoe 201 in the direction of the segments 101, which can also be mounted with the possibility of displacement, parallel to the axes of the screws 601, by means of damping means such as Belleville washers, according to a approach similar to that of the embodiment of Figures 4 and 5.
  • C 2 is equipped with two joints Ji and J 2 and means for supplying air under pressure.
  • this is not mandatory and a significant improvement in the operation of a hydraulic machine can be observed when a seal makes it possible to prevent a significant proportion of the flow E passing through the wheel 2 being directed towards the one of the rooms Ci or C 2 .
  • the structure of the joints Ji and J 2 shown in the figures is not limiting and any type of seal to ensure a tight separation or quasi-tight, at the level of the wheel 2 and the fixed structure 9, between the space dedicated to the flow E and a chamber Ci or C 2 filled with air, can be used with the invention.
  • a seal such as the joints Ji and J 2 is not necessarily tightly liquid-tight since, as mentioned above, it can pass a slight leakage rate, especially in the case where It is desired to cool a segment 201.
  • a seal can be considered as generally liquid-tight insofar as it prevents a significant portion of the flow E from being diverted to the chamber Ci or C 2 that it isolates from this flow.
  • the invention is not limited to the example described and can be implemented with turbines, pumps or turbine-pumps other than a Francis turbine. In fact, the invention finds application with all turbines, pumps and radial reaction pumps.

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Abstract

Cette machine hydraulique comprend une roue (2), mobile en rotation par rapport à une structure fixe (9, 92, 93) et destinée à être traversée par un écoulement forcé (E) d'eau. Une chambre (C1) est délimitée à la fois par la roue (2) et par la structure fixe (9). Cette chambre (C1 ) est isolée de l'écoulement (E) passant à travers la roue (2) par un premier joint (J1 ) disposé entre la roue (2) et la structure fixe (9), au voisinage d'une première portion (231 ) de la roue (2). Un deuxième joint (J2) est avantageusement disposé entre la roue (2) et la structure fixe (9), au voisinage d'une deuxième portion (232) de la roue (2). La machine peut également comprendre des moyens (95, 96) de remplissage de la chambre (C1) avec de l'air sous pression.

Description

MACHINE HYDRAULIQUE ET INSTALLATION DE CONVERSION D'ENERGIE COMPRENANT UNE TELLE MACHINE
L'invention a trait à une machine hydraulique qui comprend une roue, mobile en rotation par rapport à une structure fixe et qui est destinée à être traversée par un écoulement d'eau forcé. Un tel écoulement a pour effet d'entraîner la roue en rotation, lorsque la machine est une turbine. Un tel écoulement résulte de cette rotation, lorsque la machine est une pompe. L'invention est applicable aux machines hydrauliques de type turbine, pompe ou turbine-pompe.
Dans les machines hydrauliques, par exemple les turbines à eau de type Francis, il est connu de réaliser un joint à eau entre une portion de la roue et une partie de la structure fixe dans laquelle cette roue tourne. Ce joint à eau est alimenté à travers un labyrinthe à partir de l'écoulement principal dans la bâche d'alimentation de la turbine. L'alimentation de ce joint à eau induit une perte de rendement de la turbine dans la mesure où une partie de l'écoulement n'est pas utilisée pour faire tourner la roue de la turbine et constitue une fuite. On parle alors de débit de fuite utilisé pour constituer le joint à eau. En outre, à l'interface entre les parois en métal délimitant la roue mobile et la structure fixe, il se produit des frottements fluides qui ont tendance à freiner la roue. Ces phénomènes limitent les performances des turbines existantes.
Des problèmes analogues se posent avec les pompes et les turbines- pompes. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une nouvelle machine hydraulique dans laquelle le débit de fuite est réduit au minimum, voire supprimé, alors que les frottements générés à l'interface entre le métal et l'eau sont diminués.
A cet effet, l'invention concerne une machine hydraulique comprenant une roue, mobile en rotation par rapport à une structure fixe et destinée à être traversée par un écoulement forcé d'eau, alors qu'au moins une chambre est délimitée à la fois par cette roue et par cette structure fixe. Cette machine est caractérisée en ce que la chambre est isolée de l'écoulement passant à travers la roue par un premier joint disposé entre la roue et la structure fixe, au voisinage d'une première portion de la roue.
Grâce à l'invention, il n'est pas nécessaire de détourner une partie de l'écoulement amené jusqu'à l'entrée de la roue pour constituer un joint à eau dans la mesure où la chambre de la machine de l'invention forme, en quelque sorte, un joint à air qui est isolé de l'écoulement transitant à travers la roue par le joint disposé au voisinage de la première portion de la roue.
Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une telle machine peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises dans toutes combinaisons techniquement admissibles.
- Le premier joint comprend deux parties solidaires respectivement de la roue et de la structure fixe, ces deux parties étant en appui et glissant l'une contre l'autre sous l'effet de la rotation de la roue. En d'autres termes, le joint peut être qualifié de « joint glissant ». - La chambre est également isolée de l'écoulement dans la roue par un deuxième joint disposé entre la roue et la structure fixe, au voisinage d'une deuxième portion de la roue, alors que la machine comprend également des moyens de remplissage de la chambre avec de l'air sous pression. Le deuxième joint participe à l'isolation de la chambre par rapport à l'écoulement transitant à travers la roue. Les moyens de remplissage sous pression permettent de gaver la chambre avec de l'air. Lors de sa rotation, la roue frotte contre l'air présent à l'intérieur de la chambre, avec un effet de freinage bien moins sensible que celui résultant du frottement de la roue contre l'eau présente dans les chambres de l'état de la technique.
- Le premier joint isole la chambre de l'écoulement avant que cet écoulement traverse la roue, alors que le deuxième joint isole la chambre de l'écoulement après que cet écoulement a traversé la roue.
- La première portion de la roue est située en amont d'un conduit hydraulique d'écoulement forcé ménagé par la roue, alors que la deuxième portion de la roue est située en aval de ce conduit.
- Le premier joint et/ou le deuxième joint comprend au moins un organe porté par un premier élément, parmi la roue et la structure fixe, et mobile par rapport à ce premier élément, ainsi que les moyens de charge élastique de cet organe en direction d'une partie solidaire du deuxième élément, parmi la roue et la structure fixe. L'organe peut être monté mobile sur la partie fixe, alors que les moyens de charge élastique poussent cet organe en direction d'une partie de la roue. En variante, l'organe est monté mobile sur la roue, alors que les moyens de charge élastique poussent cet organe en direction d'une partie de la structure fixe.
- Le premier joint et/ou le deuxième joint comprend un organe porté par un premier élément parmi la roue et la structure fixe, ainsi que des moyens de retenue de cet organe à rencontre d'un effort de réaction exercé sur celui-ci par l'autre élément, parmi la roue et la structure fixe.
- Le joint comprend au moins un conduit de circulation d'eau de refroidissement du segment, à faible débit devant le débit de l'écoulement passant à travers la roue. - II est prévu des moyens d'évacuation d'eau présente dans la chambre du fait d'une fuite à travers l'un des joints ou les deux. Ces moyens d'évacuation comprennent avantageusement un conduit reliant la chambre à l'extérieur à travers une vanne de restriction. L'embouchure de ce conduit est, de préférence, disposée en partie basse de la chambre, ce qui facilite la collecte de l'eau présente dans cette chambre.
- Les moyens de remplissage de la chambre en air sous pression comprennent un conduit d'amené d'air sous pression à travers la structure fixe.
- La roue comprend une ceinture et un plafond entre lesquels sont disposées plusieurs aubes, alors que la chambre précitée est limitée entre la ceinture et la structure fixe ou entre le plafond et cette structure. Avantageusement, la machine comprend deux chambres délimitées respectivement entre la ceinture et la structure fixe, d'une part et entre le plafond et la structure fixe, d'autre part. L'invention concerne également une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique qui comprend une machine telle que mentionnée ci-dessus. Une telle installation présente de meilleures performances techniques et économiques que celles de l'état de la technique, notamment du fait qu'il n'est pas nécessaire de détourner une partie de l'écoulement amené jusqu'à la roue pour constituer un joint à eau et du fait que les frottements résultant de la rotation de la roue sont moins importants que dans l'art antérieur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de trois modes de réalisation d'une machine et d'une installation conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe de principe d'une installation de conversion d'énergie conforme à l'invention comprenant une turbine Francis conforme à l'invention ;
- la figure 2 est une vue à plus grande échelle du détail II à la figure 1 ; - la figure 3 est une vue à plus grande échelle de détail III à la figure 1 ;
- la figure 4 est une vue correspondant au détail IV à la figure 2 pour une machine conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une coupe de principe selon la ligne V-V à la figure 4 ; et
- la figure 6 est une vue correspondant au détail IV à la figure 2, pour une machine conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention. L'installation I représentée à la figure 1 comprend une turbine Francis
1 dont la roue 2 est alimentée à partir d'une bâche 3 dans laquelle débouche une conduite forcée 4. On note X2 l'axe vertical de rotation de la roue 2. La turbine 1 est accouplée, par un arbre 11 , à un alternateur 5 de production d'électricité. Entre la bâche 3 et la roue 2 sont disposées une série d'avant directrices 6 et de directrices 7 dont la fonction est de guider un écoulement E provenant de la conduite 4 et destiné à traverser la roue 2 en direction d'un conduit d'évacuation 8. La roue 2 comprend des aubes 21 qui s'étendent entre un plafond 22 et une ceinture 23. Les aubes définissant entre elles et avec le plafond 22 et la ceinture 23 des espaces inter-aubes IA dans lesquels transite l'écoulement E lorsqu'il traverse la roue 2. La roue 2 est fixée en partie basse de l'arbre 11 au moyen de vis 24.
La bâche 3, la conduite 4 et le conduit 8 appartiennent à une structure fixe 9 qui n'est que partiellement représenté sur les figures et qui supporte les parties tournantes de la turbine 1 , notamment l'arbre 11 au moyen d'un palier 91 et, à travers lui, la roue 2. La structure fixe 9 comprend une jupe 92 centrée sur l'axe X2 et qui entoure la ceinture 23. Cette jupe 92 se raccorde à une base horizontale 93, de telle sorte qu'une chambre annulaire Ci est définie autour de la ceinture 23, cette chambre étant délimitée par la ceinture 23, qui appartient à la roue 2, et par les portions 92 et 93 de la structure fixe 9. Contrairement à ce qui a prévalu dans les turbines Francis jusqu'à ce jour, la chambre Ci est remplie d'air et isolée de l'écoulement E par deux joints Ji, J2 disposés respectivement au voisinage des bords amont 231 et aval 232 de la ceinture 23.
Le joint Ji comprend un anneau 101 fixé sur la ceinture 23 au voisinage de son bord 231 et recevant en appui plusieurs segments, dont un seul est représenté sur les figures avec la référence 201 , en forme d'arc de cercle et répartis autour de l'axe X2. Chaque segment 201 est monté coulissant, selon une direction parallèle à l'axe X2 à l'intérieur d'un logement 301 dans lequel est également monté un ressort de compression 401 qui exerce sur le segment 201 un effort Fi parallèle à l'axe X2 et dirigé vers l'anneau 101 , ce qui assure un contact étanche entre le segment 201 en question et l'anneau 101. Ainsi, même si une partie de l'écoulement E pénètre effectivement dans une fente annulaire 501 ménagée radialement autour du bord 231 , le joint J1 est efficace pour empêcher l'eau provenant de l'écoulement E de pénétrer dans la chambre Ci.
En fait, une légère fuite peut avoir lieu au niveau du joint Ji mais ceci n'est pas gênant, ainsi qu'il ressort des explications qui suivent. L'anneau 101 frotte sur les segments 201 lors de la rotation de la roue 2 autour de l'axe X2. Le matériau des éléments 101 et 201 est sélectionné pour permettre un tel appui glissant et étanche. Il s'agit, par exemple, d'une combinaison de polymère et/ou d'acier inoxydable et/ou de bronze et/ou d'acier revêtu de céramique ou de toute autre combinaison adaptée de matériaux.
Le joint J2 comprend également un anneau 102 immobilisé dans la ceinture 23 au niveau du bord 232 ainsi que plusieurs segments, dont un est visible avec la référence 202, disposés dans des logements 302 et chargés élastiquement par des ressorts 402, ce qui induit un effort F2 d'appui étanche et glissant des segments 202 et équivalents sur l'anneau 102. Ceci permet au joint J2 d'isoler la chambre Ci de l'écoulement E passant à travers la roue 2, alors même qu'une partie de cet écoulement peut pénétrer dans une fente 502 située entre le bord 232 et la base 93. Comme le joint Ji, le joint J2 peut induire de légère fuite.
Les anneaux 101 et 102 sont optionnels, dans la mesure où les segments 201 et 202 peuvent porter directement contre la ceinture 23, respectivement au niveau de ses bords 231 et 232.
Une source 94 d'air sous pression est reliée, à travers une vanne 95 de régulation de pression, à la chambre Ci. On note 96 le conduit reliant la source 94 à la chambre Ci à travers la vanne 95. Une unité de contrôle 10 qui permet de piloter l'ensemble de l'installation I adresse à la vanne 95 un signal Si par lequel elle commande cette vanne pour que la chambre Ci soit alimentée en air avec une pression pré-déterminée lorsque la roue 2 tourne. Ainsi, la chambre Ci est sensiblement remplie ou gavée d'air sous pression, de sorte qu'il n'est pas consommé de portion significative de l'écoulement E pour remplir cette chambre Ci. En outre, les frottements générés entre la surface externe 233 de la ceinture 23 et l'air présent dans la chambre Ci ne freinent pas sensiblement la roue 2 aux vitesses considérées. Si de l'eau traverse l'un des joints Ji ou J2, elle ruisselle jusqu'au fond de la chambre Ci formé par la surface supérieure 931 de la base 93. Un conduit d'évacuation 97 a son embouchure 971 au niveau de ce fond et permet d'évacuer l'eau et une partie de l'air présent dans la chambre Ci vers l'atmosphère ambiante, à travers une vanne 98 formant restriction.
Le joint Ji peut être qualifié de joint haute pression car il résiste à la pression relativement élevée de l'écoulement E, avant que celui-ci traverse le conduit d'écoulement formé par l'espace inter-aubes IA de la roue 2. Le joint J2 forme, quant à lui, un joint qui peut être qualifié de basse pression car il n'est soumis qu'à la pression relativement faible de l'écoulement E en sortie de la roue 2, cette pression étant plus basse que celle de cet écoulement en entrée de roue. Selon un aspect avantageux de l'invention, la vanne 95 est réglée de telle sorte que la pression d'air à l'intérieur de la chambre Ci est supérieure à la pression de l'écoulement E en sortie de la roue 2, c'est-à-dire au voisinage du joint J2.
Comme il ressort de la figure 3, l'invention peut également être mise en œuvre au niveau d'une chambre C2 définie entre le plafond 22 de la roue 2 et une cloison 192 appartenant à la structure fixe 9. Un joint haute pression ou joint amont J1 est ménagé entre un bord amont 221 du plafond 22 et une bride 193A de la structure 9, alors qu'un second joint J2 est défini entre une portion en saillie 222 du plafond 22 et une autre bride 193B appartenant à la structure fixe 9.
Le volume situé radialement à l'intérieur de la portion 222 et ménagé entre l'extrémité inférieure de l'arbre 11 et la roue 2 communique avec une zone centrale 25 de la roue 2 qui est en aval des aubes 21. En ce sens, la portion 222 forme, par rapport à la partie du plafond 22 qui délimite la chambre C2, une portion aval du plafond 22.
Les joints Ji et J2 ont sensiblement la même structure que ceux représentés à la figure 2 et ne sont pas décrits en détail. Ils permettent respectivement d'empêcher l'eau de l'écoulement E de pénétrer dans la chambre C2, aux fuites près. Comme précédemment, les anneaux des joints Ji et J2 peuvent être omis et les segments portent alors directement contre les bords 221 et 222 du plafond 22. Par ailleurs, un conduit 196 relie une source 194 d'air comprimé à la chambre C2, à travers une vanne 195 de régulation de pression commandée par l'unité 10 au moyen d'un signal S2.
Les sources de pression 94 et 194 peuvent être confondues. Ceci n'est pas obligatoire.
Un conduit 197 traverse la bride 193A et permet d'évacuer une partie de l'air présent dans la chambre C2 ainsi que, le cas échéant, de l'eau présente dans la chambre C du fait de fuites au niveau des joints Ji et/ou J2. Le conduit 197 est équipé d'une vanne 198 formant restriction. Le joint Ji peut être considéré comme un joint haute pression, dans la mesure où il isole la chambre C2 d'une portion à pression relativement élevée de l'écoulement E, alors que le joint J2 peut être considéré comme un joint basse pression, dans la mesure où il isole la chambre C2 d'une portion de l'écoulement E à pression relativement faible. Les segments 201 , 202 et équivalents constituent des pièces d'usure pour les joints Ji et J2 des chambres Ci et C2.
Selon une variante non représentée de l'invention, le joint J1 associé à la ceinture 23 et représenté à la figure 2 peut être monté radialement, c'est-à-dire comme le joint Ji associé au plafond 22. Ceci facilite le démontage et le remplacement des parties de ce joint, sans nécessité de soulever la roue 2.
Dans le deuxième mode de réalisation de l'invention représenté partiellement aux figures 4 et 5, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques. La ceinture 23 de la roue 2 de ce mode de réalisation porte des aubes 21 qui tournent, autour d'un axe non représenté, par rapport à une structure fixe 9 sur laquelle sont montés plusieurs segments en forme de secteurs d'anneaux, dont un est visible à la figure 4, avec la référence 201. Le segment 201 est monté sur la structure fixe 9 au moyen de deux vis 601 et 602 qui traversent le segment 201 de part en part avec leurs têtes respectives 601A et 602A reçues dans des inserts 701 , respectivement 702, montés coulissants dans des logements 203, respectivement 204, ménagés dans le segment 201 et permettant une reprise d'effort et une adaptation de la position du secteur 201 au mouvement vertical de la roue 2 par rapport à la structure fixe 9.
Les vis 601 et 602 pénètrent dans des taraudages correspondants 901 et 902 ménagés dans la structure 9 en étant serrées à fond de filet, alors que des rondelles Belleville 801 et 802 sont intercalées entre chaque insert 701 ou 702 et le fond du logement correspondant 203 ou 204. En serrant les vis 601 et 602, il est possible de pousser le segment 201 en direction de la surface 903 de la structure 9 dans laquelle débouchent les taraudages 901 et 902, alors que les rondelles 801 et 802 constituent des moyens élastiques d'ajustement de la position du segment 201 vis-à-vis de la structure 9.
L'ensemble formé des vis 601 et 602, d'une part, et des rondelles Belleville 801 et 802, d'autre part, constitue des moyens de charge élastique du segment 201 en direction du bord 231 de la ceinture 23. Les vis 601 et 602 forment également des moyens de retenue du segment 201 à rencontre d'un effort subi par ce segment sous l'action de la roue 2 qui aurait tendance à se soulever, c'est-à-dire à un effort dirigé vers le haut à la figure 4.
A la place des rondelles Belleville 801 et 802, on pourrait utiliser des ressorts ou d'autres moyens élastiques équivalents. Par ailleurs, le bord 231 de la ceinture 23 est pourvu d'une encoche périphérique 234 de réception d'une portion 201A du segment 201 qui fait saillie radialement vers la roue 2 par rapport à la structure 9. Le bord 231 forme une surface 235 globalement plane contre laquelle vient porter une surface 201 B, également globalement plane de la portion 201 A. En d'autres termes, un appui surfacique est créé, sous l'effet de l'effort de serrage des vis 601 et 602, entre les surfaces 201 B et 235 qui forment des surfaces d'étanchéité du joint Ji de ce mode de réalisation.
Si la roue 2 monte par rapport à la structure 9, elle entraîne le segment 201 vers le haut, ce qui est possible du fait du coulissement possible des inserts 701 et 702 dans les logements 203 et 204 et moyennant la compression des rondelles 801 et 802. Si la roue 2 descend par rapport à la structure 9, les rondelles 801 et 802 plaquent le segment 201 contre la surface 201 B. Les vis 601 et 602 servent également à vaincre l'effort de réaction exercé par la surface 235 sur la surface 201 B qui résulte de l'appui du segment 201 sur le bord 231.
Le segment 201 peut être réalisé en matière synthétique, notamment en matériau polymère et constitue une pièce d'usure pour le joint J1. Toutefois, ce segment peut être réalisé dans d'autres matériaux, notamment en alliage de métal ou en céramique.
Pour éviter un échauffement préjudiciable du segment 201 , des rainures sont ménagées dans le bord 231 , autour de la portion 201 A, ces rainures étant espacées sur la périphérie du bord 231. Deux de ces rainures sont visibles à la figure 5 avec la référence 236. Elles sont réalisées par usinage de la surface 235 et se prolongent chacune par une cheminée 237 qui a son embouchure au niveau de la surface 238 du bord 231 léchée par l'écoulement E dans la roue 2. Ainsi, une faible partie de l'écoulement E peut s'écouler dans le canal formé par les rainures 236 et les cheminées 237 précitées, au contact du segment 201 , ce qui permet de refroidir ce segment. L'écoulement qui transite par les cheminées et rainures précitées représente moins de 0,01 %, de l'écoulement E, de sorte qu'aucune perte significative n'est induite par la présence des moyens de refroidissement du segment 201.
Dans le troisième mode de réalisation représenté partiellement à la figure 6, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation porte des références identiques. Comme dans les modes de réalisation précédents, la ceinture 23 de la roue 2 porte des aubes 21 et tourne, autour d'un axe vertical non représenté, par rapport à une structure fixe 9. Un joint Ji permet d'isoler une chambre Ci de l'écoulement forcé E qui interagit avec les aubes 21 de la roue 2 pour l'entraîner en rotation. Le joint Ji comprend un patin annulaire 201 monté dans un renfoncement 236 formé par le bord amont 231 de la ceinture 23. Ce patin vient en appui contre plusieurs segments en forme de tronçon d'anneau, dont un est représenté à la figure 6 avec la référence 101. Le patin 201 est chargé élastiquement en direction des anneaux 101 grâce à plusieurs ressorts 401 répartis dans le renfoncement 236. Les segments 101 et équivalents sont immobilisés sur la structure fixe 9 au moyen de vis, dont une est représentée à la figure 6 avec la référence 601 , chacune de ces vis étant serrée dans un taraudage 901 de la partie fixe 9.
Le patin 201 est équipé d'une couche 201 C de revêtement anti- friction destinée à faciliter son glissement contre la surface 101 C des patins 101 tournée vers la chambre Ci .
Le patin 201 est pourvu d'une rainure radiale interne 201 D dans laquelle est reçu un joint torique 203 qui vient en appui entre une surface 236A du renfoncement 236 qui est parallèle à l'axe de rotation de la roue 2 et perpendiculaire à la surface 101 C. Le joint 203 empêche ou limite fortement les fuites d'eau de l'écoulement E vers la chambre Ci.
Selon une variante non représenté de l'invention, le ressort 401 pourrait être remplacé par des joints toriques reçus entre le patin 201 et la surface 236B du renfoncement 236 qui est perpendiculaire à la surface 236A. De tels joints toriques permettent également de charger élastiquement le patin 201 en direction des segments 101 , lesquels peuvent également être montés avec possibilité de déplacement, parallèlement aux axes des vis 601 , grâce à des moyens d'amortissement tels que des rondelles Belleville, selon une approche similaire à celle du mode de réalisation des figures 4 et 5.
Une structure similaire à celles représentées pour le joint Ji aux figures 4 à 6 peut être adaptée pour le joint J2 de la chambre Ci . De même, une telle structure peut être adoptée pour les joints Ji et/ou J2 de la chambre C2. L'invention a été représentée dans le cas où chaque chambre Ci ou
C2 est équipée de deux joints Ji et J2 et de moyens d'alimentation en air sous pression. Ceci n'est toutefois pas obligatoire et une amélioration sensible du fonctionnement d'une machine hydraulique peut être observée dès lors qu'un joint permet d'éviter qu'une proportion significative de l'écoulement E transitant par la roue 2 soit dirigé vers l'une des chambres Ci ou C2.
La structure des joints Ji et J2 représentée sur les figures n'est pas limitative et tout type de joint permettant d'assurer une séparation étanche ou quasi-étanche, au niveau de la roue 2 et de la structure fixe 9, entre l'espace dédié à l'écoulement E et une chambre Ci ou C2 remplie d'air, peut être utilisé avec l'invention.
Au sens de l'invention, un joint tel que les joints Ji et J2 n'est pas forcément rigoureusement étanche aux liquides puisque, comme mentionné ci-dessus, il peut laisser passer un léger débit de fuite, notamment dans le cas où l'on souhaite refroidir un segment 201. Toutefois, un tel joint peut être considéré comme globalement étanche aux liquides, dans la mesure où il empêche qu'une partie significative de l'écoulement E ne soit détournée vers la chambre Ci ou C2 qu'il isole de cet écoulement.
L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et peut être mise en œuvre avec des turbines, des pompes ou des turbines-pompes autres qu'une turbine Francis. En fait, l'invention trouve application avec toutes les turbines, pompes et turbines-pompes à réaction radiale.

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine hydraulique (1 ) comprenant une roue (2), mobile en rotation par rapport à une structure fixe (9, 92, 93, 192, 193A, 193B) et destinée à être traversée par un écoulement forcé (E) d'eau, alors qu'au moins une chambre (Ci, C2) est délimitée à la fois par la roue et par la structure fixe, caractérisée en ce que la chambre est isolée de l'écoulement (E) passant à travers la roue par un premier joint (Ji) disposé entre la roue (2) et la structure fixe (9), au voisinage d'une première portion (221 , 231 ) de la roue.
2. Machine selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le premier joint (Ji) comprend deux parties (101 , 201 ) solidaires respectivement de la roue (2) et de la structure fixe (9), ces deux parties étant en appui et glissant l'une contre l'autre sous l'effet de la rotation de la roue.
3. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre (Ci, C2) est également isolée de l'écoulement de la roue (2) par un deuxième joint (J2) disposé entre la roue et la structure fixe, au voisinage d'une deuxième portion (222, 232) de la roue, et en ce que la machine comprend des moyens (95, 96, 195, 196) de remplissage de la chambre (Ci, C2) avec de l'air sous pression.
4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que le premier joint (J1) isole la chambre (Ci, C2) de l'écoulement (E) avant que cet écoulement traverse la roue (2), alors que le deuxième joint (J2) isole la chambre de l'écoulement après que cet épaulement a traversé la roue.
5. Machine selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que la première portion (221 , 231 ) de la roue (2) est située en amont d'un conduit hydraulique (IA) d'écoulement forcé ménagé par la roue, alors que la deuxième portion (222, 232) de la roue est située en aval du conduit.
6. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier joint (Ji) et/ou le deuxième joint (J2) comprend au moins un organe (201 , 202) porté par un premier élément, parmi la roue (2) et la structure fixe (9), et mobile par rapport à cet élément, ainsi que des moyens (401 , 402 ; 601 , 602, 801 , 802) de charge élastique de cet organe en direction d'une partie (101 , 102, 231 , 232, 221 , 222 ; 235) solidaire du deuxième élément, parmi la roue et la structure fixe.
7. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'organe (201 , 202) est monté mobile sur la partie fixe (9) et en ce que les moyens de charge élastique (401 , 402 ; 601 , 602, 801 , 802) poussent cet organe en direction d'une partie (101 , 102 ; 231 ) de la roue (2).
8. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'organe (201 ) est monté mobile sur la roue (2) et en ce que les moyens de charge élastique (401 ) poussent cet organe en direction d'une partie (101 ) de la structure fixe (9).
9. Machine selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le premier joint (Ji) et/ou le deuxième joint (J2) comprend un organe (201 ) porté par un premier élément parmi la roue (2) et la structure fixe (9) et des moyens (601 , 602) de retenue de cet organe à rencontre d'un effort de réaction exercé sur l'organe par l'autre élément, parmi la roue et la structure fixe.
10. Machine selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que le joint (Ji, J2) comprend au moins un conduit (236, 237) de circulation d'eau de refroidissement du segment (201 ), à faible débit devant le débit de l'écoulement (E) passant à travers la roue (2).
11. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (97, 98, 197, 198) d'évacuation d'eau présente dans la chambre (Ci, C2) du fait d'une fuite à travers l'un des joints (Ji, J2) ou les deux.
12. Machine selon la revendication 11 , caractérisée en ce que les moyens d'évacuation comprennent un conduit (97, 197) reliant la chambre (Ci, C2) à l'extérieur à travers une vanne de restriction (98, 198).
13. Machine selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce que l'embouchure (971 ) des moyens (97) d'évacuation est disposée en partie basse (931 ) de la chambre (Ci).
14. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de remplissage de la chambre en air sous pression comprennent un conduit (96, 196) d'amenée d'air sous pression à travers la structure fixe (9).
15. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la roue comprend une ceinture (23) et un plafond (22) entre lesquels sont disposées plusieurs aubes (21 ) et en ce que la chambre (Ci, C2) est délimitée entre la ceinture et la structure fixe ou entre le plafond et la structure fixe.
16. Machine selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle comprend deux chambres (Ci, C2) délimitées respectivement entre la ceinture (23) et la structure fixe (9) et entre le plafond (22) et la structure fixe.
17. Installation (I) de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique comprenant une machine (1 ) selon l'une des revendications précédentes.
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