WO2013053900A1 - Systeme de guidage d'un arbre vertical de machine tournante et installation de conversion d'energie incorporant un tel systeme - Google Patents

Systeme de guidage d'un arbre vertical de machine tournante et installation de conversion d'energie incorporant un tel systeme Download PDF

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WO2013053900A1
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housing
pad
axis
shaft
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PCT/EP2012/070287
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Alain Mathieu
Luc Melet
Emmanuel GODEC
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Alstom Hydro France
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Definitions

  • the invention relates to an adjustable system for guiding a shaft, rotating about a vertical axis.
  • the invention may, in particular, be implemented with a hydraulic machine which may comprise a turbine, a pump or a pump turbine used in a hydraulic energy conversion installation into electrical energy, or vice versa.
  • the invention intends to remedy more particularly by proposing an adjustable system for guiding a machine shaft which makes it possible to obtain improved rigidity of the support of its skids and to limit, consequently, the deformed shapes. of the tree in use.
  • the invention also aims at reducing the transverse dimensions of the labyrinth wheel seals used in a hydraulic installation incorporating this guidance system.
  • the invention also aims to reduce the cost and simplify the adjustment of the play of the roller bearing with the consequence of assembly and maintenance time reducing downtime of the machine.
  • the invention relates to an adjustable system for guiding a shaft, in rotation about a vertical axis, this system comprising pads each provided with a surface intended to form a bearing with the shaft and, for each shoe, a wedge provided with a cam surface whose trace, in a radial plane relative to the vertical axis of rotation, is inclined relative to this axis.
  • each pad is in direct support, by a portion of its outer radial face, against the cam surface of the wedge, while each cam is provided with an elongated housing whose largest dimension is parallel to the vertical axis of rotation and in which is housed a prison nut guided in translation by the longitudinal edges of the housing and whose position in the housing is controlled by means of a threaded rod engaged with an internal thread of the nut prisoner.
  • axial or radial are defined with reference to the vertical axis of rotation of the shaft for which the guide system is envisaged.
  • a direction is said to be axial if it is parallel to this axis, a surface is said to be axial if it is perpendicular to this axis.
  • a direction is called radial if it is perpendicular to, and secant with, this axis.
  • a surface is said to be radial if it is centered on this axis.
  • a plane is said to be radial if it includes a radial direction and the axis of rotation.
  • the position of each pad, in a radial direction is defined by the direct cooperation between this pad and the cam surface of the hold, without the need to use a joint with a ball joint and a force recovery block as in the equipment of the prior art.
  • the invention thus takes the opposite of the technique used in systems comprising a ball with an outer surface in a sphere section, insofar as, in these known systems, a sliding contact between the ball and the force recovery block is favored. .
  • the direct support provided in the invention between the portion of the outer radial face of the shoe and the cam surface of the wedge induces a possible matting of the surfaces in abutment against each other, which is accommodates during the life of the hydraulic machine equipped with the adjustable guide system of the invention.
  • the guidance of the pads with the nut trapped in the oblong housing is accurate, while the adjustment elements of the position of the pads undergo acceptable mechanical stresses.
  • such a guidance system may incorporate one or more of the following features, taken in any technically permissible combination:
  • each wedge makes it possible to adjust the radial position of the pad bearing against this surface, by a vertical translation of the cam.
  • the aforementioned housing is preferably a light which passes through the shim of its cam surface to an opposite surface by which the shim is in abutment against the fixed member.
  • Each pad is in direct support against the cam surface of the corresponding shim, on either side of the housing of this wedge, in a horizontal direction.
  • Each pad is provided on its outer radial face, a heel which defines a direct bearing surface located against the cam surface of the corresponding shim.
  • the bearing surface of the heel is polygonal contour, including square. As a variant, this bearing surface is circular in outline.
  • the heel is provided with a housing for receiving a portion of the prisoner nut.
  • the parts in direct support of a pad and the corresponding wedge are provided to be matted one by the other during use of the guidance system.
  • the system comprises a fixed force recovery ring, an inner radial surface facing the vertical axis of rotation is cut grooves in each of which is engaged a shim, with the possibility of vertical sliding.
  • the captive nut comprises a head which protrudes from the cam surface of the wedge and which is engaged in a housing of the pad bearing against this surface.
  • the housing is drilled in the heel of the pad and the localized direct bearing surface surrounds the outlet of the housing.
  • the wedge is pierced with two orifices aligned along the largest dimension of the elongated housing, while the threaded rod is successively engaged in a first hole among these two orifices, in an internal thread of the captive nut and in the second orifice.
  • the invention also relates to a plant for converting hydraulic energy into electrical energy, or vice versa, which comprises a turbine wheel, pump or pump impeller integral, in rotation about a vertical axis, a shaft guided by skates.
  • this installation comprises a system for guiding a tree as mentioned above.
  • FIG. 1 is a diagrammatic representation, in axial section, of an installation according to the invention
  • FIG. 2 is a perspective view, partially broken away, corresponding to detail II in FIG. 1;
  • FIG. 3 is an enlarged view of detail III in FIG. 2,
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of certain elements of a skid guide system according to the invention.
  • FIG. 5 is a basic section along line V-V in FIG. 2, in a radial plane with respect to the axis of rotation of the wheel of the installation,
  • FIG. 6 is a section along line VI-VI in FIG. 5;
  • FIG. 7 is a section along the line VII-VII in FIG. 5, and
  • FIG. 8 is a section along line VIII-VII I in Figure 5.
  • the installation 200 shown in the figures comprises a Francis-type turbine 1 whose wheel 2 is intended to be rotated around a vertical axis X2 by a forced flow of water E coming from a water reservoir. not shown.
  • a shaft 3 is integral, in rotation about the axis X2, with the wheel 2.
  • This shaft 3 is coupled to an alternator 4 which delivers an alternating current to a not shown network, as a function of the rotation of the wheel 2.
  • the installation 200 thus makes it possible to convert the hydraulic energy of the flow E into electrical energy.
  • the plant 200 may comprise one or more turbines 1 fed from the same water reservoir.
  • the turbine Francis 1 can be replaced by a pump turbine which, when it operates as a pump, is driven by an electric motor installed in place of the alternator 4 and converts the electrical energy into hydraulic energy of a flow set in motion by the pump wheel.
  • a supply line 5 makes it possible to bring the flow E to the wheel 2 and extends between the water reservoir and a tank 6 equipped with guides 61 which regulate the flow E.
  • a duct 8 is provided downstream of the turbine 1 to evacuate the flow E and return it to the bed of a river or river from which the water reservoir is fed.
  • This duct 8 is sometimes called suction duct.
  • the conduit 8 comprises an upstream portion 81 substantially vertical, frustoconical and centered on the axis X2, and a downstream portion 82 centered on a substantially horizontal axis X82.
  • a bend 83 at 90 ° connects the parts 81 and 82 of the condu 8.
  • the shaft 3 is held in position relative to a masonry structure not shown by two oil bearings 100 and 101 formed respectively in the upper part and in the lower part of the shaft 3, around it.
  • three oil bearings may be used to guide the shaft 3.
  • a skid-mounted hydraulic bearing can be implemented, with a guiding system according to the invention, at the level of the alternator 4.
  • the fixed structure of the installation 200 comprises a ring 102 of force recovery disposed around the shaft 3 and which is secured to the masonry of the installation 200 which is not shown.
  • This force recovery ring 102 is metallic and is welded to a ferrule 103A itself welded to a strip 103B bolted to a not shown flange and itself fixed on the masonry by other parts not shown.
  • the outer radial surface 32 of the shaft 3 is stepped and comprises, in the vicinity of the ring 102, a circumferential band 34 around which several pads 104 are arranged, the number of which varies according to the size of the shaft 3. In the example of the figures, the skates are ten in number.
  • Each pad 104 comprises an inner radial surface 1042 which faces the axis X2 in the mounted configuration of the installation 200 and which is in a cylinder section centered on this axis X2, with a radius substantially equal to, or slightly greater than, that of the band 34. It is thus possible to define, between each shoe 104 and the surface 34 a portion of the hydraulic bearing 100 in which a film of oil provides lubrication and recovery of the shoe force.
  • Y104 denotes a radial axis with respect to the axis X2 and which passes through the center of the surface 1042 of a shoe 104.
  • a shoe 104 extends between its surface 1042 and a radial surface external plane 1044 which is turned away from the axis X2.
  • the surface 1044 of a shoe 104 is equipped with a heel 1046 which is integral with the rest of the shoe 1044 and which projects from the surface 1044.
  • heel 1046 is square. Alternatively, it may be circular or rectangular, or polygonal with another form.
  • the heel 1046 is pierced with a housing 1048 which is blind, circular section and centered on the axis Y104.
  • the surface 1047 surrounds the outlet of the housing 1048.
  • a shim 106 is associated with each pad 104.
  • Each shim 106 is of generally parallelepipedal shape with an inner radial surface 1062 intended to be turned towards the axis X2 in the mounted configuration of the installation 200, and an outer radial surface 1064, oriented opposite the surface 1062 and which bears against the surface 1022 of the force recovery ring 102, in the mounted configuration of the installation 200.
  • the surfaces 1062 and 1064 are flat but not parallel. Indeed, these surfaces form between them an angle whose value is less than 5 °.
  • the surfaces 1062 and 1064 move toward each other in a downward direction when the shim 106 is in place in the installation 200. More precisely, in the plane of FIG. 5 which is radial with respect to the X2 axis, the trace of the surface 1062 is inclined, with respect to this axis, the angle a.
  • the surface 1062 converges towards the X2 axis towards the top of FIG. 5, while the surface 1064 is parallel to the X106 axis.
  • the surface 1062 of the shim 106 forms a cam surface which allows to adjust the radial position of the pad 104 bearing against this surface by a vertical translation of the shim 106.
  • the shim 106 may be described as "wedge".
  • the surface 1022 is cut with ten flat-bottomed grooves 1024, in each of which a shim 106 is engaged, with the possibility of vertical sliding.
  • the shim 106 is pierced with an oblong opening 1066 along the generally rectangular axis X106 and whose largest dimension is centered on an axis X106 parallel to the axis X2 in mounted configuration and perpendicular to the axis Y104 .
  • 1066A and 1066B respectively denote the large edges of the opening 1066 which are parallel to the axis X106.
  • the opening 1066 is formed by a lumen which passes through the shim 106 of the surface 1062 to the surface 1064. Alternatively, the lumen 1066 may be replaced by a hollow housing opening on the surface 1062 but not on the surface 1064.
  • the length of the light 1066 along the axis X106 is adapted to allow the assembly of the assembly 150 and the adjustment of the bearing clearance
  • the shim 106 is pierced with two orifices 1067 and 1068 aligned on the axis X106.
  • a nut 107 is mounted prisoner in the oblong opening 1066 of each shim 106 and comprises two flats 1072 and 1074 slidingly bearing on the sides 1066A and 1066B of this opening.
  • the nut 107 is also provided with an internal thread 1076 intended to cooperate with the threaded portion 1086 of a screw 108 whose head 1082 abuts against a lower surface of the shim 106 in which the orifice 1068 opens.
  • 1084 end of the screw 108 opposite the head 1082 is square section, which allows to drive it in rotation about the axis X106 when the screw 108 is in place in the orifices 1067 and 1068.
  • the captive nut 107 comprises a head 1078 protruding from the surface 1062 of the shim 106 and which is engaged in the housing 1048 of the associated shoe 104.
  • the introduction of the head 1078 in the housing 1048 ensures that the nut 107 does not slide vertically relative to the pad 104 when the shim 106 slides around the nut 107 parallel to the axis X106.
  • the screw 108 is rotated about its axis X108, then coincides with the axis X106, the shim 106 slides, upwards or downwards, along the surfaces 1047 and 1022 against which it is supported sliding, respectively by its surfaces 1062 and 1064.
  • the pad 104 is in direct abutment against the surface 1062, at its surface 1047 which protrudes from to the rest of the surface 1044. More specifically, the surface 1047 is in localized support against the surface 1062, on either side of the opening 1066 in a horizontal direction D106 defined in the shim 106 as perpendicular to the axis X106 and parallel to surfaces 1062 and 1064.
  • each pad 104 is in direct abutment on the surface 1062 of the associated shim 106, which is supported by its surface 1064 against the stress-absorbing ring 102, the radial position of each pad 104, that is to say to say its position along its axis Y104, is precisely controlled by the vertical translation of the corresponding shim 106, without manufacturing tolerances of the elements 104, 106 and 102 inducing significant positional variations.
  • the inclined nature of the surface 1062 makes it possible to adjust the radial position of the pad 104 by a vertical translation of the shim 106.
  • the direct support of the surfaces 1062 and 1047 against each other ensures a transmission of effort without play and by flat surfaces. This is a substantial advance over known devices in which ball joints and force-absorbing blocks were interposed between the pads and a part comparable to the ring 102 of the invention.
  • the mounting of the head 1078 in the housing 1048 is performed with a slight clearance, so that the possible sliding of the shoe 104 around the head 1078, parallel to the axis Y104, does not risk be limited to interfere with the support of the surface 1047 on the surface 1062.
  • the material of the elements 104, 106 and 107 may be chosen to support, or even facilitate, such matting. These parts may, for example, be made of carbon steel, especially in the European grade S275, S355 or equivalent.
  • the constituent material of the shim 106 is chosen so that its surface 1062 is matted under the effect of contact with the heel 1046 of the associated shoe before the surface 1047 of this heel is itself matted. The material of the shim 106 is thus more flexible than the material of the pad 104. In fact, in case of important matting following abnormal stresses or vibrations, it is easier and less expensive to change a shim 106 than a pad 104.
  • the gray portion of the surface 1062 represents a portion 1062A of this matted surface under the effect of the pressure exerted by the surface 1047 of the heel 1046.
  • the surface 1047 can also be matted. This is not required, however.
  • the transmission of radial forces between the parts 104 and 106 is achieved by means of the surfaces 1047 and 1062 which are flat, which is substantially easier to implement than in the case where surfaces in section spheres must be made, with large radii, as in the joints of the prior art.
  • D108 denotes a line orthoradial with respect to the axis X2 and passing through the axis X106 of the shim 106 associated with each pad 104.
  • the tangential force exerted between the shaft 3 and the pad 104 tends to move the nut 107 and the shim 106 along the line 108, downwards in FIG. 6.
  • this tangential force is transmitted thanks to the contact pressure between the surfaces 1047 and 1062, in support of the head 1078 in the housing 1048 and bearing the flat 1072 against the side 1066A of the opening 1066.
  • This tangential force is taken up by the side of the groove 1024 against the bottom of which rests the surface 1064 of the hold 6.
  • the invention is shown in the figures in the case where the surface 1047 has a square contour.
  • a circular contour can be envisaged as mentioned above.
  • the geometry of the portion 1062A of the surface 1062 changes accordingly.
  • the geometry of the heel 1046 and surfaces 1062 and 1064 is adapted according to the intensity of the forces to be transmitted.
  • the geometry of the head 1078 and the housing 1048 can be changed. They may, alternatively, be square or rectangular section.
  • the invention also has an advantage in terms of safety. Indeed, even if, under the effect of vibrations, the counter-nut 109 is loosened, to the point that the screw 108 is driven out of the orifices 1067 and 1068, the shim 106 is not likely to slide completely downwards or upwards because the prisoner nut 107 forms a stop to the vertical movement of the shim 106. The pad 104 can not therefore become completely free and disengaged from the support 102, causing serious damage if that were the case.
  • the invention makes it possible to envisage a standardization of the elements 104 to 110 constituting the system 150 for guiding the shaft 3, which can be designed according to the intensity of the forces to be transmitted.
  • the constituent parts of the system 150 are easily accessible for inspection, including after complete assembly, which facilitates the monitoring and maintenance operations.
  • the invention can be implemented at the lower bearing 100, the upper bearing 101 or an intermediate bearing of the installation 200.
  • the invention is described above when it is implemented in a hydraulic installation. However, it can be used in any rotating machine with vertical axis, provided with at least one roller bearing. It can, for example, be an alternator or a motor.

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Abstract

Ce système (150) réglable de guidage d'un arbre, en rotation autour d'un axe vertical, comprend des patins (104) pourvus chacun d'une surface (1042) destinée à former un palier avec l'arbre et, pour chaque patin, une cale (106) pourvue d'une surface de came (1062) dont la trace, dans un plan radial par rapport à l'axe vertical de rotation, est inclinée (α) par rapport à cet axe. Chaque patin (104) est en appui direct, par une portion (1046) de sa face radiale externe (1044), contre la surface de came (1062) de la cale (106). Une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique selon l'invention comprend une roue solidaire en rotation d'un arbre guidé par un tel système réglable (150).

Description

Système de guidage d'un arbre vertical de machine tournante et installation de conversion d'énergie incorporant un tel système
L'invention a trait à un système réglable de guidage d'un arbre, en rotation autour d'un axe vertical.
L'invention peut, en particulier, être mise en œuvre avec une machine hydraulique qui peut comprendre une turbine, une pompe ou une turbine pompe utilisée dans une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique, ou inversement.
Dans ce type d'installation, il est connu de repartir plusieurs patins sur la circonférence d'un arbre tournant autour d'un axe vertical. Ces patins forment ensemble un palier supportant les efforts provenant de l'arbre tournant, grâce à la création d'un film d'huile entre l'arbre et la surface portante des patins. La position radiale de ces patins doit être ajustée précisément pour que le palier conserve une épaisseur minimale de film d'huile, sans risque de serrage ou de choc entre l'arbre tournant et les patins. D'autre part, en cours de rotation, l'arbre tournant présente une déformée qui est d'autant plus importante que le maintien radial des patins n'est pas suffisamment rigide.
Tel est notamment le cas lorsque les paliers sont équipés, sur leur surface radiale externe, d'un système rotulant pourvue d'une surface périphérique externe en forme de tronçon de sphère destinée à coopérer avec un bloc de reprise d'effort présentant une cavité dont le fond est en forme de tronçon de sphère également. Les rayons respectifs des surfaces en tronçon de sphère prévues, d'une part, sur la rotule et, d'autre part, au fond de la cavité du bloc de reprise d'effort sont importants, généralement de l'ordre de plusieurs mètres pour une turbine dont l'arbre support à un diamètre compris entre 80 cm et 2 m. La réalisation de surfaces en tronçon de sphère avec un rayon important est compliquée à mettre en œuvre, ce qui renchérit le prix de revient d'une installation incorporant un tel mécanisme.
En outre, dans les systèmes connus, plusieurs pièces sont associées pour définir la position radiale des patins, à savoir, pour chaque patin, une rotule, un bloc de reprise d'effort, une cale biaise et un organe de support fixe. Cet empilage de pièces induit une accumulation de souplesses, telle que la rigidité de l'ensemble de patins n'est pas maximisée. Il en résulte que des déformées relativement importantes de l'ensemble formé de l'arbre et de palier peuvent être observées en cours de fonctionnement d'une machine hydraulique, ce qui impose de dimensionner avec des tolérances importantes les joints de roue à labyrinthe, prévus au voisinage de la zone d'écoulement du flux principal d'eau au sein de la machine hydraulique,. Ceci induit des fuites non négligeables sur cet écoulement principal et donc une perte de performances et de production effective de la machine hydraulique.
Des problèmes comparables se posent, de façon générale, dans les machines tournantes à axe vertical. Tel est notamment le cas dans les alternateurs avec paliers à patins.
Dans le domaine des paliers en général, il est connu de US-A-1 880 353 d'utiliser des patins pour supporter un arbre en rotation autour d'un axe dont l'orientation n'est pas spécifiée. Ces patins sont mobiles chacun en rotation autour d'un axe défini par une tige filetée et reposent par un talon contre une partie inclinée d'un boîtier. Le guidage des patins est peu précis et le boîtier risque de se déformer sous l'effet des efforts radiaux exercés par les patins.
C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un système réglable de guidage d'un arbre de machine qui permet d'obtenir une rigidité améliorée du support de ses patins et de limiter, en conséquence, les déformées de l'arbre en cours d'utilisation. L'invention vise également à réduire les dimensions transversales des joints de roue à labyrinthe utilisés dans une installation hydraulique incorporant ce système de guidage. L'invention vise également à diminuer le coût et à simplifier le réglage du jeu du palier à patins avec pour conséquence des temps de montage et de maintenance réduisant l'immobilisation de la machine.
A cet effet, l'invention concerne un système réglable de guidage d'un arbre, en rotation autour d'un axe vertical, ce système comprenant des patins pourvus chacun d'une surface destinée à former un palier avec l'arbre et, pour chaque patin, une cale pourvue d'une surface de came dont la trace, dans un plan radial par rapport à l'axe vertical de rotation, est inclinée par rapport à cet axe. Conformément à l'invention, chaque patin est en appui direct, par une portion de sa face radiale externe, contre la surface de came de la cale, alors que chaque came est pourvue d'un logement oblong dont la plus grande dimension est parallèle à l'axe vertical de rotation et dans lequel est logé un écrou prisonnier guidé en translation par des bords longitudinaux de ce logement et dont la position dans le logement est commandée au moyen d'une tige filetée en prise avec un taraudage interne de l'écrou prisonnier.
Dans la présente description, les termes « axial » ou « radial » sont définis en référence à l'axe vertical de rotation de l'arbre pour lequel le système de guidage est envisagé. Une direction est dite axiale si elle parallèle à cet axe, une surface est dite axiale si il elle est perpendiculaire à cet axe. Une direction est dite radiale si elle est perpendiculaire à, et sécante avec, cet axe. Une surface est dite radiale si elle est centrée sur cet axe. Un plan est dit radial s'il inclut une direction radiale et l'axe de rotation.
Grâce à l'invention, la position de chaque patin, selon une direction radiale, est définie par la coopération directe entre ce patin et la surface de came de la cale, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser une articulation avec une rotule et un bloc de reprise d'effort comme dans les matériels de l'art antérieur. L'invention prend donc le contrepied de la technique utilisée dans les systèmes comprenant une rotule à surface extérieure en tronçon de sphère dans la mesure où, dans ces systèmes connus, on privilégie un contact glissant entre la rotule et le bloc de reprise d'effort. Au contraire, l'appui direct réalisé dans l'invention, entre la portion de la face radiale externe du patin et la surface de came de la cale induit un possible matage des surfaces en appui l'une contre l'autre, ce dont on s'accommode au cours de la durée de vie de la machine hydraulique équipée du système réglable de guidage de l'invention. En outre, le guidage des patins grâce à l'écrou prisonnier dans le logement oblong est précis, alors que les éléments de réglage de la position des patins subissent des sollicitations mécaniques acceptables.
Selon des aspects avantageux mais non obligatoires, un tel système de guidage peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible :
- La surface de came de chaque cale permet de régler la position radiale du patin en appui contre cette surface, par une translation verticale de la came.
- Le logement précité est avantageusement une lumière qui traverse la cale de sa surface de came jusqu'à une surface opposée par laquelle cette cale est en appui contre l'organe fixe.
- Chaque patin est en appui direct contre la surface de came de la cale correspondante, de part et d'autre du logement de cette cale, selon une direction horizontale.
- Chaque patin est pourvu, sur sa face radiale externe, d'un talon qui définit une surface d'appui direct localisé contre la surface de came de la cale correspondante.
- La surface d'appui du talon est à contour polygonal, notamment carré. En variante, cette surface d'appui est à contour circulaire.
- Le talon est pourvu d'un logement de réception d'une partie de l'écrou prisonnier.
- Les parties en appui direct d'un patin et de la cale correspondante sont prévues pour être matées l'une par l'autre en cours d'utilisation du système de guidage. - Le système comprend un anneau fixe de reprise d'effort dont une surface radiale interne tournée vers l'axe vertical de rotation est entaillée de gorges dans chacune desquelles est engagée une cale, avec possibilité de coulissement vertical.
- L'écrou prisonnier comprend une tête qui dépasse de la surface de came de la cale et qui est engagée dans un logement du patin en appui contre cette surface.
- Le logement est percé dans le talon du patin et la surface d'appui direct localisé entoure le débouché du logement.
- La cale est percée de deux orifices alignés selon la plus grande dimension du logement oblong, alors que la tige filetée est engagée successivement dans un premier orifice parmi ces deux orifices, dans un taraudage interne de l'écrou prisonnier et dans le deuxième orifice.
- Les cales, les écrous prisonniers et les tiges filetées associés aux différents patins sont interchangeables.
L'invention concerne également une installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique, ou réciproquement, qui comprend une roue de turbine, de pompe ou de turbine pompe solidaire, en rotation autour d'un axe vertical, d'un arbre guidé par des patins. Conformément à l'invention, cette installation comprend un système de guidage d'un arbre tel que mentionné ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'une installation hydraulique et d'un système de guidage conformes à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique de principe, en section axiale, d'une installation conforme à l'invention,
- la figure 2 est une vue en perspective, avec arrachement partiel, correspondant au détail II à la figure 1 ,
- la figure 3 est une vue à plus grande échelle du détail III à la figure 2,
- la figure 4 est une vue en perspective éclatée de certains éléments d'un système de guidage de patins conforme à l'invention,
- la figure 5 est une coupe de principe selon la ligne V-V à la figure 2, dans un plan radial par rapport à l'axe de rotation de la roue de l'installation,
- la figure 6 est une coupe selon la ligne VI-VI à la figure 5,
- la figure 7 est une coupe selon la ligne VII-VII à la figure 5, et
- la figure 8 est une coupe selon la ligne VIII-VII I à la figure 5. L'installation 200 représentée sur les figures comprend une turbine 1 de type Francis dont la roue 2 est destinée à être mise en rotation, autour d'un axe vertical X2 par un écoulement forcé d'eau E provenant d'une retenue d'eau non représentée. Un arbre 3 est solidaire, en rotation autour de l'axe X2, avec la roue 2. Cet arbre 3 est couplé à un alternateur 4 qui délivre un courant alternatif à un réseau non représenté, en fonction de la rotation de la roue 2. L'installation 200 permet donc de convertir l'énergie hydraulique de l'écoulement E en énergie électrique. L'installation 200 peut comprendre une ou plusieurs turbines 1 alimentées à partir de la même retenue d'eau.
Selon une autre variante, la turbine Francis 1 peut être remplacée par une turbine- pompe qui, lorsqu'elle fonctionne en tant que pompe, est entraînée par un moteur électrique installé à la place de l'alternateur 4 et convertit l'énergie électrique en énergie hydraulique d'un écoulement mis en mouvement par la roue de la pompe.
Une conduite d'alimentation 5 permet d'amener l'écoulement E à la roue 2 et s'étend entre la retenue d'eau et une bâche 6 équipée de directrices 61 qui régulent d'écoulement E.
Un conduit 8 est prévu en aval de la turbine 1 pour évacuer l'écoulement E et le renvoyer vers le lit d'une rivière ou d'un fleuve à partir de laquelle ou duquel est alimentée la retenue d'eau. Ce conduit 8 est parfois qualifié de conduit d'aspiration. Le conduit 8 comprend une partie amont 81 sensiblement verticale, tronconique et centrée sur l'axe X2, ainsi qu'une partie avale 82 centrée sur un axe X82 sensiblement horizontale. Un coude 83 à 90° relie les parties 81 et 82 du condut 8.
L'arbre 3 est maintenu en position par rapport à une structure maçonnée non représentée grâce à deux paliers à huile 100 et 101 formés respectivement en partie haute et en partie basse de l'arbre 3, autour de celui-ci. En variante, trois paliers à huile peuvent être utilisés pour guider l'arbre 3.
Selon une autre variante, un palier hydraulique à patins peut être mis en œuvre, avec un système de guidage conforme à l'invention, au niveau de l'alternateur 4.
La structure fixe de l'installation 200 comprend un anneau 102 de reprise d'effort disposé autour de l'arbre 3 et qui est solidarisé à la maçonnerie de l'installation 200 qui n'est pas représentée. Cet anneau de reprise d'effort 102 est métallique et il est soudé à une virole 103A elle-même soudée sur une bande 103B boulonnée sur un flasque non représenté et lui-même fixé sur la maçonnerie par d'autres pièces non représentées.
On note 1022 la surface radiale interne de l'anneau 102, c'est-à-dire la surface de cet anneau tournée vers l'axe X2. La surface radiale externe 32 de l'arbre 3 est étagée et comprend, au voisinage de l'anneau 102, une bande circonférentielle 34 autour de laquelle sont disposés plusieurs patins 104 dont le nombre varie en fonction de la taille de l'arbre 3. Dans l'exemple des figures, les patins sont au nombre de dix.
Chaque patin 104 comprend une surface radiale interne 1042 qui est tournée vers l'axe X2 en configuration montée de l'installation 200 et qui est en tronçon de cylindre centré sur cet axe X2, avec un rayon sensiblement égal, ou légèrement supérieur, à celui de la bande 34. Il est ainsi possible de définir, entre chaque patin 104 et la surface 34 une partie du palier hydraulique 100 au sein duquel un film d'huile assure la lubrification et la reprise d'effort du patin.
On note Y104 un axe radial par rapport à l'axe X2 et qui passe par le centre de la surface 1042 d'un patin 104. Le long de son axe Y104, un patin 104 s'étend entre sa surface 1042 et une surface radiale externe plane 1044 qui est tournée à l'opposé de l'axe X2.
Comme cela ressort plus particulièrement des figures 4 à 6, la surface 1044 d'un patin 104 est équipée d'un talon 1046 qui est monobloc avec le reste du patin 1044 et qui est en saillie par rapport à la surface 1044. Le contour du talon 1046 est carré. En variante, il peut être circulaire ou rectangulaire, voire polygonal avec une autre forme.
On note 1047 la surface du talon 1046 tournée à l'opposé de la surface 1042, c'est-à-dire orientée radialement vers l'extérieur d'un patin 104 en configuration montée de l'installation 200.
Le talon 1046 est percé d'un logement 1048 qui est borgne, à section circulaire et centré sur l'axe Y104. La surface 1047 entoure le débouché du logement 1048.
Une cale 106 est associée à chaque patin 104. Chaque cale 106 est de forme globalement parallélépipédique avec une surface radiale interne 1062 destinée à être tournée vers l'axe X2 en configuration montée de l'installation 200, et une surface radiale externe 1064, orientée à l'opposé de la surface 1062 et qui est en appui contre la surface 1022 de l'anneau de reprise d'effort 102, en configuration montée de l'installation 200.
Les surfaces 1062 et 1064 sont planes mais non parallèles. En effet, ces surfaces forment entre elles un angle a dont la valeur est inférieure à 5° . Les surfaces 1062 et 1064 se rapprochent l'une de l'autre en allant vers le bas lorsque la cale 106 est en place dans l'installation 200. Plus précisément, dans le plan de la figure 5 qui est radial par rapport à l'axe X2, la trace de la surface 1062 est inclinée, par rapport à cet axe, de l'angle a. La surface 1062 converge vers l'axe X2 vers le haut de la figure 5, alors que la surface 1064 est parallèle à l'axe X106. Ainsi, la surface 1062 de la cale 106 forme une surface de came qui permet de régler la position radiale du patin 104 en appui contre cette surface par une translation verticale de la cale 106. La cale 106 peut être qualifiée de « cale biaise ».
Comme il ressort des figures 4 et 6, la surface 1022 est entaillée de dix gorges 1024 à fond plat, dans chacune desquelles est engagée une cale 106, avec possibilité de coulissement vertical.
La cale 106 est percée d'une ouverture oblongue 1066 le long de l'axe X106 à section globalement rectangulaire et dont la plus grande dimension est centrée sur un axe X106 parallèle à l'axe X2 en configuration montée et perpendiculaire à l'axe Y104. On note respectivement 1066A et 1066B les grands bords de l'ouverture 1066 qui sont parallèles à l'axe X106. L'ouverture 1066 est formée par une lumière qui traverse la cale 106 de la surface 1062 jusqu'à la surface 1064. En variante, la lumière 1066 peut être remplacée par un logement creux débouchant sur la surface 1062 mais pas sur la surface 1064.
La longueur de la lumière 1066 le long de l'axe X106 est adaptée pour permettre le montage de l'ensemble 150 et le réglage du jeu du palier
La cale 106 est percée de deux orifices 1067 et 1068 alignés sur l'axe X106.
Un écrou 107 est monté prisonnier dans l'ouverture oblongue 1066 de chaque cale 106 et comprend deux méplats 1072 et 1074 en appui glissant sur les côtés 1066A et 1066B de cette ouverture. L'écrou 107 est également pourvu d'un taraudage interne 1076 destiné à coopérer avec la partie filetée 1086 d'une vis 108 dont la tête 1082 vient en butée contre une surface inférieure de la cale 106 dans laquelle débouche l'orifice 1068. L'extrémité 1084 de la vis 108 opposée à la tête 1082 est à section carrée, ce qui permet de l'entraîner en rotation autour de l'axe X106 lorsque la vis 108 est en place dans les orifices 1067 et 1068. Il est ainsi possible, en faisant plus ou moins tourner la vis 108 autour de son axe longitudinal X108 alors confondu avec l'axe X106, de déplacer, parallèlement à l'axe X106 la cale 106 par rapport à l'écrou 107 qui reste engagé dans la lumière oblongue 1066. Les bords 1066A et 1066B interagissant alors avec les méplats 1072 et 1074 de l'écrou 107 pour guider la cale 106 en translation parallèlement à l'axe X106. Lorsque la position voulue de la cale 106 le long de l'axe X106 a été atteinte, il est possible d'immobiliser la vis 108 en rotation grâce au serrage d'un contrécrou 109 sur la face supérieur de 106 par l'intermédiaire d'un appui sur une rondelle autobloquante 1 10.
L'écrou prisonnier 107 comprend une tête 1078 qui dépasse de la surface 1062 de la cale 106 et qui est engagée dans le logement 1048 du patin 104 associé. L'introduction de la tête 1078 dans le logement 1048 assure que l'écrou 107 ne coulisse pas verticalement par rapport au patin 104 lorsque la cale 106 coulisse autour de l'écrou 107 parallèlement à l'axe X106. Ainsi, lorsque la vis 108 est mise en rotation autour de son axe X108, alors confondu avec l'axe X106, la cale 106 glisse, vers le haut ou vers le bas, le long des surfaces 1047 et 1022 contre lesquelles elle est en appui glissant, respectivement par ses surfaces 1062 et 1064. Lors de ce glissement de la cale 106 le long de la surface 1062, le patin 104 est en appui direct contre sur la surface 1062, au niveau de sa surface 1047 qui est en saillie par rapport au reste de la surface 1044. Plus précisément, la surface 1047 est en appui localisé contre la surface 1062, de part et d'autre de l'ouverture 1066 selon une direction horizontale D106 définie dans la cale 106 comme perpendiculaire à l'axe X106 et parallèle aux surfaces 1062 et 1064.
Comme chaque patin 104 est en appui direct sur la surface 1062 de la cale 106 associée, laquelle est en appui par sa surface 1064 contre l'anneau de reprise d'effort 102, la position radiale de chaque patin 104, c'est-à-dire sa position le long de son axe Y104, est contrôlée précisément par la translation verticale de la cale 106 correspondante, sans que les tolérances de fabrication des éléments 104, 106 et 102 n'induisent des variations de position significatives. En effet, le caractère incliné de la surface 1062 permet d'ajuster la position radiale du patin 104 par une translation verticale de la cale 106. L'appui direct des surfaces 1062 et 1047 l'une contre l'autre assure une transmission d'effort sans jeu et par des surfaces planes. Ceci constitue un progrès substantiel par rapport aux dispositifs connus dans lesquels des rotules et des blocs de reprise d'effort étaient intercalés entre les patins et une pièce comparable à l'anneau 102 de l'invention.
A cet égard, on remarque que le montage de la tête 1078 dans le logement 1048 est effectué avec un léger jeu, de sorte que le coulissement éventuel du patin 104 autour de la tête 1078, parallèlement à l'axe Y104, ne risque pas d'être limité au point de gêner l'appui de la surface 1047 sur la surface 1062.
Comme les surfaces 1047 et 1062 sont en appui l'une contre l'autre, sous des pressions importantes, il est possible qu'un matage ait lieu entre ces surfaces, ce qui n'est pas rédhibitoire. A cet égard, le matériau des éléments 104, 106 et 107 peut être choisi pour supporter, voire faciliter, un tel matage. Ces pièces peuvent, par exemple, être réalisées en acier au carbone, notamment dans la nuance européenne S275 , S355 ou équivalent. En pratique, on choisit le matériau constitutif de la cale 106 pour que sa surface 1062 soit matée sous l'effet du contact avec le talon 1046 du patin associé avant que la surface 1047 de ce talon ne soit elle-même matée. Le matériau de la cale 106 est ainsi plus souple que le matériau du patin 104. En effet, en cas de matage important consécutif à des efforts anormaux ou des vibrations, il est plus facile et moins coûteux de changer une cale 106 qu'un patin 104.
A la figure 8, la partie grisée de la surface 1062 représente une portion 1062A de cette surface matée sous l'effet de la pression exercée par la surface 1047 du talon 1046. Dans ce cas, la surface 1047 peut également être matée. Ceci n'est toutefois pas obligatoire.
Grâce à l'invention, la transmission d'efforts radiaux entre les pièces 104 et 106 est réalisée au moyen des surfaces 1047 et 1062 qui sont planes, ce qui est sensiblement plus facile à mettre en œuvre que dans le cas où des surfaces en tronçon de sphère doivent être réalisées, avec des rayons importants, comme dans les rotules de l'art antérieur.
Les efforts de frottement entre l'arbre 3 et chacun des patins 4 tendent à faire tourner ces patins autour de l'axe X2. En effet, ces efforts de frottement se transmettent de la surface 34 à la surface 1042. Ainsi, lorsque l'arbre 3 tourne dans le sens horaire à la figure 6, les efforts de frottement tendent à entraîner le patin 104 dans le même sens, vers le bas sur cette figure.
On note D108 une droite orthoradiale par rapport à l'axe X2 et passant par l'axe X106 de la cale 106 associée à chaque patin 104. L'effort tangentiel exercé entre l'arbre 3 et le patin 104 tend à déplacer l'écrou 107 et la cale 106 le long de la droite 108, vers le bas à la figure 6. En fait, cet effort tangentiel est transmis grâce à la pression de contact entre les surfaces 1047 et 1062, à l'appui de la tête 1078 dans le logement 1048 et à l'appui du méplat 1072 contre le côté 1066A de l'ouverture 1066. Cet effort tangentiel est repris par le côté de la gorge 1024 contre le fond de laquelle repose la surface 1064 de la cale 6. Lorsque l'arbre 3 tourne en sens inverse, c'est-à-dire dans le sens antihoraire à la figure 3, la cale 6 vient en butée contre le côté de la gorge 1024 qui est partiellement visible à la figure 4, à la jonction entre la surface 1022 et la gorge 1024. Ainsi, quel que soit le sens de rotation de l'arbre 3, les gorges 1024 permettent de bloquer en rotation les cales 106 autour de l'axe X2 et de s'opposer ainsi aux efforts tangentiels à l'intérieur du palier 100.
L'invention est représentée sur les figures dans le cas où la surface 1047 est à contour carré. En variante, un contour circulaire peut être envisagé comme mentionné ci- dessus. Dans ce cas, la géométrie de la portion 1062A de la surface 1062 change en conséquence. La géométrie du talon 1046 et des surfaces 1062 et 1064 est adaptée en fonction de l'intensité des efforts à transmettre. De même, la géométrie de la tête 1078 et du logement 1048 peut être modifiée. Ils peuvent, en variante, être à section carrée ou rectangulaire.
L'invention présente en outre un avantage en termes de sécurité. En effet, même si, sous l'effet de vibrations, le contrécrou 109 se desserre, au point que la vis 108 est chassée des orifices 1067 et 1068, la cale 106 ne risque pas de glisser complètement vers le bas ou vers le haut car l'écrou prisonnier 107 forme une butée au mouvement vertical de la cale 106. Le patin 104 ne peut donc pas devenir complètement libre et désolidarisé du support 102, entraînant de graves dégâts si tel était le cas.
On note 150 le système formé des différents patins 104, des différentes cales 106, des différents écrous prisonniers 107, des différentes tiges 108 et de leurs accessoires 109 et 1 10. Ce système permet de caler précisément les patins 104 de façon réglable, en déplaçant les écrous 107 dans les lumières oblongues 1066, tout en demeurant facile à fabriquer et à mettre en œuvre sur le site de montage de l'installation 200, sans nécessiter d'usinage sur site.
L'invention permet d'envisager une standardisation des éléments 104 à 1 10 constitutifs du système 150 de guidage de l'arbre 3, qui peuvent être conçus en fonction de l'intensité des efforts à transmettre.
On relève par ailleurs que les différents éléments 106, 107, 108, 109 et 1 10 associés aux différents patins 104 sont interchangeables, ce qui facilite le travail des monteurs lors de l'assemblage de l'installation 200.
Enfin, les parties constitutives du système 150 sont aisément accessibles pour contrôle, y compris après montage complet, ce qui facilite les opérations de surveillance et de maintenance.
L'invention peut être mise en œuvre au niveau du palier inférieur 100, du palier supérieur 101 , voire d'un palier intermédiaire de l'installation 200.
L'invention est décrite ci-dessus lors de sa mise en œuvre dans une installation hydraulique. Elle peut toutefois être utilisée dans toute machine tournante à axe vertical, munie d'au moins un palier à patins. Il peut, par exemple, s'agir d'un alternateur ou d'un moteur.

Claims

REVENDICATIONS
1 .- Système (150) réglable de guidage d'un arbre (3), en rotation autour d'un axe vertical (X2), ce système comprenant des patins (104) pourvus chacun d'une surface (1042) destinée à former un palier (100) avec l'arbre (3) et, pour chaque patin, une cale (106) pourvue d'une surface de came (1062) dont la trace, dans un plan radial par rapport à l'axe vertical de rotation (X2), est inclinée (a) par rapport à cet axe, caractérisé en ce que, chaque patin (104) est en appui direct, par une portion (1046) de sa face radiale externe (1044), contre la surface de came (1062) de la cale (106) et en ce que chaque came (106) est pourvue d'un logement oblong (1066) dont la plus grande dimension (X106) est parallèle à l'axe vertical de rotation (X2) et dans lequel est logé un écrou prisonnier (107), guidé en translation par des bords longitudinaux (1066A, 1066B) de ce logement et dont la position dans le logement est commandée au moyen d'une tige filetée (108) en prise avec un taraudage interne (1076) de l'écrou prisonnier.
2.- Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la surface de came
(1062) de chaque cale (106) permet de régler la position radiale du patin (104) en appui contre cette surface, par une translation verticale de la came.
3. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le logement est une lumière (1066) qui traverse la cale de sa surface de came (1062) jusqu'à une surface opposée (1064) par laquelle cette cale est en appui contre l'organe fixe (102).
4. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque patin (104) est en appui direct contre la surface de came (1062) de la cale correspondante (106), de part et d'autre du logement (1066) de cette cale selon une direction horizontale (D106).
5. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque patin (104) est pourvu, sur sa face radiale externe (1044), d'un talon (1046) définissant une surface (1047) d'appui direct localisé contre la surface de came (1062) de la cale correspondante (106).
6.- Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface d'appui
(1047) du talon (1046) est à contour polygonal, notamment carré.
7. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface d'appui (1047) du talon (1046) est à contour circulaire.
8. - Système selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le talon (1046) est pourvu d'un logement (1048) de réception d'une partie (1078) de l'écrou prisonnier (107).
9. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parties (1047, 1062) en appui direct d'un patin (104) et de la cale correspondante (106) sont prévues pour être matées l'une par l'autre en cours d'utilisation du système de guidage (150).
10. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un anneau fixe (102) de reprise d'effort dont une surface radiale interne (1022) tournée vers l'axe vertical de rotation (X2) est entaillée de gorges (1024) dans chacune desquelles est engagée une cale (106), avec possibilité de coulissement vertical.
1 1 . - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écrou prisonnier (107) comprend une tête (1078) qui dépasse de la surface de came (1062) de la cale (106) et qui est engagée dans un logement (1048) du patin (104) en appui contre cette surface.
12. - Système selon les revendications 5 et 1 1 , caractérisé en ce que le logement (1048) est percé dans le talon (1046) du patin (104) et en ce que la surface (1047) d'appui direct localisé entoure le débouché du logement.
13. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cale (106) est percée de deux orifices (1067, 1068) alignés selon la plus grande dimension du logement oblong (1066) et en ce que la tige filetée (108) est engagée successivement dans un premier orifice (1068) parmi ces deux orifices, dans un taraudage interne (1076) de l'écrou prisonnier (107) et dans le deuxième orifice (1067).
14. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cales (106), les écrous prisonniers (107) et les tiges filetées (108) associés aux différents patins (104) sont interchangeables.
15. - Installation de conversion d'énergie hydraulique en énergie électrique, ou réciproquement, comprenant une roue (2) de turbine (1 ), de pompe ou de turbine pompe solidaire, en rotation autour d'un axe vertical (X2), d'un arbre (3) guidé par des patins (104), caractérisé en ce que cette installation comprend un système (150) de guidage de l'arbre (3) selon l'une des revendications précédentes.
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