WO2013164005A1 - Turbo-generateur francis quadruple - Google Patents

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WO2013164005A1
WO2013164005A1 PCT/EP2012/001921 EP2012001921W WO2013164005A1 WO 2013164005 A1 WO2013164005 A1 WO 2013164005A1 EP 2012001921 W EP2012001921 W EP 2012001921W WO 2013164005 A1 WO2013164005 A1 WO 2013164005A1
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WO
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turbine
turbines
assembly
francis
generator
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PCT/EP2012/001921
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English (en)
Inventor
Jean-Marc Fermé
Original Assignee
Ferme Jean-Marc
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Publication 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
    • 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
    • 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
    • F03B3/16—Stators
    • F03B3/18—Stator blades; Guide conduits or vanes, e.g. adjustable
    • F03B3/186—Spiral or volute casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/40—Use of a multiplicity of similar components
    • 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 present invention relates to a quadruple Francis turbo-generator for producing electrical energy from liquid water under pressure and in motion, and for which the available drop is greater than 30 m.
  • the invention also relates to the use of at least one Francis quadruple turbo-generator in the same hydroelectric plant.
  • Francis turbines are today available whose wheel exit diameter varies between 50 cm and 10 m, a diameter of 10 m being close to the current limits of industrial means of manufacture and handling.
  • FIG. 2a shows a conventional vertical Francis turbine whose wheel 20 with a plurality of vanes is coupled to the turbine shaft 21.
  • the spiral cover 22 comprises a series of front guides 23, followed by the mobile guides 25 connected to the servomotor 26 by the winnowing circle above the turbine cover 24.
  • the mass of the spiral cover 22 Fig 2a of a turbine sized for a nominal flow rate 40 is about twice as large as that of four small turbines whose spiral cover would be
  • the individual rated energy efficiency of a modern Francis turbine can reach and even exceed 95% with excellent stability of hydraulic flows at this point of operation. It is the same for the generator and other necessary electrical components, which are also optimized for this load, with individual efficiencies higher than 98%.
  • partial load ie between 0 and 50% at 75% of their nominal load
  • the Francis turbine is subject to an individual energy efficiency varying between 20% and 90%, and the flow hydraulic is accompanied by severe hydraulic instabilities, which lead to not operating continuously in these areas of operation.
  • the mobile distributor of the turbine is partially closed and effectively limits the passage section available for water, which has the effect of limiting the flow, but the angle of attack of the water on the entry of the vanes of the wheel is no longer optimal, and the vacuum is found
  • the object of the invention is to improve the energy efficiency and partial load utilization of hydroelectric plants equipped with one or more vertical Francis turbines while reducing the investment cost of electromechanical equipment and those of infrastructures such as that the cost of the excavation required for the installation of the 95 vacuum cleaners or handling equipment such as cranes in the factory
  • hydro-electric or means of access such as roadways and structures used during the transport of equipment.
  • the invention aims to integrate on the same ground surface an assembly of many turbo-generators of reduced size compared to the traditional design of implementing a small number of large turbo-generators.
  • the invention proposes a new periodic arrangement of turbines grouped into pairs, or a multiple of pairs, forming an assembly without increasing the major dimensions of the hydroelectric plant.
  • the invention also covers the methods necessary for
  • each turbine of an assembly is equipped with an individual watertight member, it is possible to use without modification a type of conventional Francis turbine as shown in FIG. 2a.
  • the idea of using the turbines of an assembly only at their nominal operating point makes it possible to question the use of their mobile distributor, because it would then only be used for
  • Fig 1 General view of a quadruple Francis turbine assembly composed of two pairs of vertical Francis turbines 170a, b and 171a, b.
  • the turbines 170a and 171a are disposed on the upper level, while 170b and 171b are located on a lower level.
  • the turbines 170a and 170b rotate in a direction identical to that of the turbines 171a and 171b.
  • the upstream inlet 176 of the turbine 170a is shown as well as the downstream outlet 177.
  • Fig 2 State of the art: view in a horizontal plane of the Linear implementation on a single level of vertical Francis turbines in a typical hydro-electric plant.
  • Fig 2a State of the art: Partial section of a vertical Francis turbine equipped with its wheel.
  • Fig 3 Comparison between the silhouette in a vertical plane of a turbo-generator 172 sized for a water flow equal to 4Q with that of turbo-generators 170a and 170b sized for an individual flow Q.
  • the comparison of the dimensions of each solution makes it possible to apprehend the consequences in each case on the depth of excavation and the height of the building of the electrical plant
  • Fig 3a Traditional form of vacuum cleaner whose orientation of the length of the outlet 178 is horizontal.
  • Fig 3b adapted form of vacuum cleaner whose orientation of the outlet length 179 is vertical.
  • FIG. 4 Quadruple Francis turbine assembly composed of pairs of vertical counter-rotating Francis turbines.
  • the turbines 175a and 175b rotate in a direction opposite to that of the turbines 171a and 171b.
  • FIG. 4a Four-part Francis turbine assembly composed of pairs of vertical Francis turbines placed on the same level thanks to the use of an assembly 176 of alternating elbows for feeding the downstream turbine.
  • FIG. 5 Half-cut of the turbine and its components, in particular the sealing cylinder 180 119 and its servomotor 120. Obviously, this Francis turbine does not have
  • FIG. 6 Radial cross-section of the guide cross-members 130, 131, 132 and other crosspieces of the type 133 and the operculum cylinder 134.
  • FIG. 6a Detail of the translational guide of the operculum cylinder 135 along the guide crosspieces 136 and the anti-friction pad 137, as well as the flow limitation plate 138.
  • Fig 7 Environment of a turbo-generator 0 composed of the turbine 1, the electric generator 190 5, and some auxiliary equipment necessary for operation.
  • FIG. 8 Simplified single-line diagram introducing the additional starter 154 necessary for the normal start-up of a turbine of an assembly not equipped with a mobile distributor. Traditional protections are not represented
  • FIG. 8a Simplified single-line diagram variant, in which the additional starter 154 is placed on the medium voltage side of the step-up transformer 151, for example in the case of the use of multiple groups on the same step-up transformer.
  • the sequences are identical to those relating to FIG.
  • FIG. 205 An assembly consisting of two pairs of turbo-generators as shown in Fig 1 has many advantages. This assembly has a compact shape, the rotation axes of the turbines being practically arranged at the top of a square, and the rotation directions of the turbine shafts being all identical, the provision of spare parts can be reduced.
  • the upstream turbines 170a and 171a are placed on a level greater than
  • the level difference 175 between the median planes of the turbines is of the order of the diameter of the straight supply line of the downstream turbines.
  • All the aspirators 173a, b and 174a, b have their outlet section oriented vertically according to 179 Fig 3b.
  • the vacuum cleaners 173a and 174a Upstream turbines are designed to bypass the aspirators 173b 215 and 174b without intersection, and are linearly extended to open into the plane common to the outlet sections of the aspirators 173b and 174b.
  • the downstream turbines 170b and 171b benefit from a sink greater than that of the upstream turbines 170a and 171a, which predisposes them to operate primarily when the downstream water level is close to its minimum.
  • the turbine shown in Fig 5 comprises a wheel 110 assembled to the turbine shaft 111, the other end is rigidly connected to the alternator.
  • the turbine shaft can have or not
  • crossmembers 18 which give it its rigidity and which guide the water at the inlet of the turbine wheel under the optimum incidence for the nominal operating point of the turbine.
  • the cover of the turbine 114 and the turbine bearing 115 with the graphite gasket 116 are fixed on the spiral tank by means of the sealing ring 117, the removal of which allows during
  • the sealed cylindrical seal valve is composed of the seal cylinder 119, the hydraulic servomotor 120 in communication with the water of the spiral cover.
  • the control of the differential displacement 121 makes it possible to control the closure by placing it in a discharge mode, or to control the opening by pressurization.
  • a position measurement 123 of the operculum cylinder makes it possible to inform the control-command and also to authorize a closed-loop control of the position of the operculum cylinder 250 119 if necessary.
  • the guiding of the operculum cylinder 119 is carried out by the servomotor itself but also by the machined generatrices of the crosspieces 118.
  • FIG. 6 shows the guide cross members 130, 131, 132, the number of which is at least three regularly distributed around the circumference, and the non-guiding cross members.
  • a guide pad made of brass or Teflon 137 FIG. 6a fixed on the end of each guide crosspiece 136 makes it possible to avoid the friction forces and the wear of the guide surface in contact with the operculum cylinder 135.
  • the range of the metal or polymer gasket 124 between the cylinder 119 and the sealing ring 117 ensures the sealing of the guard member.
  • the sealing cylinder 119 can also be deposited when the turbine is open and the ring 122 has been deposited.
  • the start-up energy is supplied by the network and the generator 150 operates in motor mode.
  • the excitation device 153 under-draw the HT transformer. 151 also has another power source to control the de-excitation switch
  • a start command of the group is given by the control-command 8.
  • the stator of the generator is then fed in under-pull on the network by a device for limiting the stator current 154 according to a sequence function of the angular acceleration and the desired time for synchronizing the group.
  • the group therefore starts in asynchronous mode, and when the speed has reached a certain threshold of the order of 30% and the force
  • the group 152 is closed and the starter switch 154 is open.
  • the group quickly finishes its rise to synchronism, while the excitement is put into operation and that the loop current charging load 155 is suppressed.
  • the group is already coupled to the network and automatically finds itself in synchronous compensator, ready to switch to 285 turbine mode.
  • the duration of this procedure is of the order of a minute
  • the cylinder 119 operculum opens with a variable speed and controlled over its entire stroke in order not to cause pressure variations incompatible with the circuit
  • sealing cylinder 119 will be controlled in partial opening so as to control the rotation of the unit, as would be the mobile distributor of a conventional Francis 300 turbine:
  • Algorithms control the commissioning of electrical protections and auxiliaries 310 of the synchro-coupler function which adjusts the position of the operculum cylinder 119 and the excitation current.
  • the rotation speed and the phase angle and the amplitude of the stator voltage are brought under conditions which allow the closing of the group circuit breaker.
  • the duration of this procedure is several minutes.
  • a full opening order of the seal cylinder 119 causes the load of the group to rise to the nominal value below the existing drop.
  • a system associated with the sensor 123 detects the complete opening of the guard member and communicates the information to the control system 8.
  • the normal stop of a group is obtained by the execution of a complete closing order of the operculum cylinder 119, with an optimized closure speed to limit the amplitude of the overpressures in the upstream duct slope or multiple slopes) or depressions in the downstream pipe.
  • the group circuit breaker is then either open in order to obtain the complete shutdown of the group as soon as the protection system detects an active power consumption by the generator, is kept closed and the wheel is disconnected in order to get the synchronous compensator step and / or keep the group rotating, ready to go back into production.
  • a system associated with the sensor 123 detects the complete opening of the guard member and communicates the information to the control system 8.
  • the Francis turbine unit without a mobile distributor can supply the reactive nominal power because the integrated guard is sealed and the dewatering system provides the necessary protection for as long as necessary.
  • the triggering of the emergency stop of a group producing a nominal load causes the opening of the group circuit breaker 152.
  • a complete closing command of the cylinder opclamp 119 limits the amplitude and duration of the 340 passage in overspeed of the group.
  • the closing speed of the operculum cylinder 119 is optimized to avoid overpressure in the upstream duct (law with a slope or with multiple slopes) or depressions in the downstream duct.
  • the guard member In the case where the guard member remains in a non-closing position, the group is in runaway condition. In this case the decision to isolate the penstock must be considered.
  • the continuous primary and secondary settings as they can be achieved with a Francis turbine equipped with a mobile distributor are not advantageous with a Francis turbine without a mobile distributor.
  • a discontinuous primary adjustment and a secondary adjustment can be obtained by temporal modulation of the production of at least one Francis turbine without a mobile distributor.
  • the operational results are similar and the contribution of the rotating masses remains the same in both cases.
  • the use of at least one Francis turbine without a mobile distributor can be combined with any other type of machine, in particular at least one Francis turbine with a mobile distributor.
  • a load distributor at the hydro-electric plant allows to control the production start or the withdrawal of the production of each turbo-generator, according to various optimization criteria for the operation of the hydroelectric plant such as the primary and secondary settings of all the groups, or the recorded flow, the 365 recorded power, or any other quadratic and / or non-linear criterion (for example the instantaneous price of the energy on the market).

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Abstract

Assemblage de quatre turbines hydrauliques de type Francis et générateurs électriques à axe vertical formant une unité coordonnée et intégrée de production d'énergie électrique optimisée pour le fonctionnement à 25%, 50%, 75%, et 100% de sa charge nominale. Les turbines de l'assemblage sont regroupées par paires sur deux niveaux distincts dans l'usine hydro-électrique, la projection orthogonale des axes de rotation dans un plan horizontal occupant les sommets d'un quadrilatère légèrement plus long que large, et pour lequel l'aspirateur de chaque turbine possède une forme géométrique étudiée pour éviter les intersections avec les éléments des autres turbines et offrir une sortie de l'eau avec un V2/2g réduit. Les turbines de l'assemblage sont équipées exclusivement soit d'un distributeur mobile, soit d'une vanne à opercule cylindrique étanche. Pour le démarrage d'une turbine équipée exclusivement d'une vanne à opercule cylindrique étanche, on peut de préférence utiliser son générateur électrique fonctionnant alors temporairement en moteur, la roue de la turbine étant dénoyée. Le système de commande de l'assemblage de quatre turbo-générateurs fait en sorte que l'assemblage se comporte comme s'il s'agissait d'une machine unique.

Description

Turbo-générateur Francis Quadruple
GENERALITES ET DOMAINE TECHNIQUE :
La présente invention est relative à un turbo-générateur Francis quadruple visant à produire de l'énergie électrique à partir d'eau liquide sous pression et en mouvement, et pour laquelle la chute disponible est supérieure à 30 m. L'invention est aussi relative à l'utilisation d'au moins un turbo-générateur Francis quadruple dans une même usine hydro-électrique.
Présentement, la majeure partie de la production mondiale d'énergie hydro-électrique est fournie par des turbines de type Francis à axe vertical. La taille des turbines Francis dépend de la chute, mais aussi du débit à turbiner, de la puissance et de la vitesse de rotation nominales, ainsi que du choix de répartition du débit sur un nombre fini de turbines constituant l'usine hydro-électrique. On trouve aujourd'hui des turbines Francis dont le diamètre de sortie de roue varie entre 50 cm et 10 m, un diamètre de 10m étant proche des limites actuelles des moyens industriels de fabrication et de manutention.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE :
Il est intéressant de mettre en relation les trois principales constatations suivantes propres au domaine de la production d'énergie hydro-électrique: · Premièrement, la disposition naturelle des turbines Francis à axe de rotation vertical dans une usine hydro-électrique suit un alignement linéaire selon un axe longitudinal unique 10, sur un seul niveau, comme illustré par Fig 2, l'amont de chaque groupe étant relié au travers d'un organe de garde individuel à une conduite forcée, la sortie de chaque groupe débouchant sur le bassin aval de restitution. Par raison de symétrie de rôle, les turbines sont en général identiques, mais pour des raisons historiques ou industrielles, on peut trouver des installations où des turbines peuvent présenter quelques différences de taille, d'enfoncement ou de fournisseur. La Fig 2a montre une turbine Francis verticale classique dont la roue 20 à pluralité d'aubages est accouplée à l'arbre turbine 21. La bâche spirale 22 comprend une série d'avant-directrices 23, suivies par les directrices mobiles 25 reliées au servomoteur 26 par le cercle de vannage placé au dessus du couvercle de turbine 24. • Deuxièmement, en réponse à la volonté d'exploiter de sites hydrauliques de taille de plus en plus importante associée à une maîtrise étendue des moyens de conception et de fabrication, la tendance des cinquante dernières années a été de construire des turbines de plus en plus larges, avec pour conséquence l'utilisation de générateurs électriques adaptés de plus en plus larges.
Cependant, l'étude des paramètres de dimensionnement d'une turbine montre que pour une chute donnée et pour un choix de vitesse d'écoulement dans la roue de la turbine, le produit de la vitesse de rotation nominale de la turbine et de la racine carrée du débit nominal est constant. Ce qui veut dire que la vitesse de rotation optimale d'une grosse turbine dimensionnée pour un débit 4Q sera la moitié de celle d'une turbine plus petite dimensionnée pour le débit Q. La comparaison du coût d'un générateur électrique adapté à une turbine dimensionnée pour un débit 4Q à la vitesse de rotation N avec le coût de quatre générateurs adaptés à des turbines dimensionnées pour un débit individuel Q à la vitesse de rotation 2N donne un très net avantage économique aux quatre petits générateurs.
On peut montrer de même que pour une chute donnée, la masse de la bâche spirale 22 Fig 2a d'une turbine dimensionnée pour un débit nominal 4Q est environ deux fois plus grande que celle de quatre petites turbines dont la bâche spirale serait
dimensionnée individuellement pour le débit nominal Q.
Bien que cette comparaison ne soit pas exhaustive à ce composant de turbine, elle vise à montrer l'intérêt économique à utiliser un plus grand nombre d'éléments plus standards et de taille réduite.
• Troisièmement, le rendement énergétique individuel à charge nominale d'une turbine Francis d'aujourd'hui peut atteindre et même dépasser 95% avec une excellente stabilité des écoulements hydrauliques en ce point de fonctionnement. Il en est de même pour le générateur et autres composants électriques nécessaires, qui sont eux aussi optimisés pour cette charge, avec des rendements individuels supérieurs à 98%. Par contre, à charge partielle, c'est à dire entre 0 et 50% à 75% de leur charge nominale, la turbine Francis fait l'objet d'un rendement énergétique individuel variant entre 20% et 90%, et l'écoulement hydraulique est accompagné d'instabilités hydrauliques sévères, qui conduisent à ne pas l'exploiter de manière continue dans ces zones de fonctionnement. A charge partielle, le distributeur mobile de la turbine est partiellement fermé et limite effectivement la section de passage disponible pour l'eau, ce qui a pour conséquence de limiter le débit, mais l'angle d'attaque de l'eau sur l'entrée des aubages de la roue n'est plus optimal, et l'aspirateur se trouve
sur-dimensionné pour un écoulement à charge partielle. Principalement, la formation de 75 perturbations non stationnaires telles qu'un volumineux vortex tournant en sortie de roue, ou l'apparition de multiples phénomènes de cavitation sont des signes
observables de ce fonctionnement inadéquat.
De même pour un alternateur en fonctionnement à charge partielle, les pertes constantes telles que les pertes fer dégradent son rendement énergétique. D'où l'intérêt 80 économique à n'exploiter une turbine que dans une zone proche du point de
fonctionnement nominal.
Il ressort de l'exposé, que l'utilisation actuelle de turbo-générateurs de grande taille alignés sur une seule rangée dans une centrale hydro-électrique ne constitue pas toujours le 85 meilleur optimum économique global.
EXPOSE DE L'INVENTION
90
Le but de l'invention est d'améliorer le rendement énergétique et l'utilisation à charge partielle des usines hydro-électriques équipées d'une ou plusieurs turbines Francis verticales tout en réduisant le coût d'investissement des équipements électromécaniques et ceux des infrastructures tels que le coût de l'excavation exigée pour l'implantation des 95 aspirateurs ou les moyens de manutention tels que les ponts roulants dans l'usine
hydro-électrique ou les moyens d'accès comme les chaussées et ouvrages d'art utilisés lors du transport des équipements.
L'invention vise à intégrer sur une même surface au sol un assemblage de nombreux 100 turbo-générateurs de taille réduite par rapport à la conception traditionnelle qui consiste à implanter un nombre réduit de turbo-générateurs de grande taille. L'invention propose une nouvelle disposition périodique de turbines regroupées en paires, ou en un multiple de paires, formant un assemblage sans augmenter pour autant les principales dimensions de l'usine hydro-électrique. L'invention couvre aussi les méthodes nécessaires au
105 remplacement des turbines Francis verticales alignées selon l'axe longitudinal d'une usine électrique par un ou plusieurs assemblages d'un nombre de paires de turbines Francis verticales de plus petite taille. Les turbo-générateurs d'un assemblage fonctionnent principalement à leur charge nominale, ce qui donne pour un assemblage à 2 paires de turbines un étalement de la puissance continue sur 4 valeurs, soit 25%, 50%, 75% et 100% 110 de la puissance totale de l'assemblage, ce avec un rendement turbine avoisinant 95%. En introduisant une distribution des turbines sur deux rangées parallèles à l'axe longitudinal d'une usine hydro-électrique et en définissant un nouveau cheminement des équipements d'alimentation et d'évacuation de l'eau utilisée par les turbines, l'invention apporte aussi une
115 solution alternative à la construction de machines aux limites des moyens industriels de fabrication. Par exemple, il est encore aujourd'hui pratiquement impossible de construire un turbo-générateur hydraulique d'une puissance nominale de 1200 MW alors qu'un assemblage à deux paires de turbo-générateurs de 300 MW est parfaitement réalisable sur une empreinte au sol aussi grande que celle de la turbine unique, conservant en
120 conséquence une dimension longitudinale de l'usine électrique réduite.
Le remplacement d'un turbo-générateur de grande taille par un assemblage de 2 paires de turbo-générateurs de petite taille impose de redéfinir certains composants comme l'aspirateur, dont l'un des rôles est de réduire les pertes hydrauliques dues à la grande 125 vitesse de l'eau en sortie de roue. Ce composant impose traditionnellement par sa forme très horizontalement aplatie en sortie la largeur de l'espace occupé sur l'axe longitudinal d'une usine hydro-électrique ainsi que la profondeur de l'excavation. Il a donc fallut repenser la géométrie de l'aspirateur sans pour cela dégrader sa fonctionnalité hydraulique.
130 Dans la mesure où chaque turbine d'un assemblage est équipée d'un organe de garde étanche individuel, on peut utiliser sans modification un type de turbine Francis classique comme montré en Fig 2a. Cependant, l'idée visant à utiliser les turbines d'un assemblage uniquement à leur point nominal de fonctionnement permet de remettre en question l'utilisation de leur distributeur mobile, car celui-ci serait alors seulement utilisé pour les
135 manoeuvres de démarrage et d'arrêt. Il est possible alors de supprimer ce composant et de le remplacer par un organe de garde étanche intégré dans le corps de la turbine. L'idée nouvelle force donc à transférer les autres fonctionnalisés du distributeur mobile sur un nouvel organe de garde étanche intégré, appelé opercule cylindrique inférieur 119 Fig 5 asservi en position, et par l'usage de nouvelles procédures d'exploitation. Sont concernés
140 la mise en rotation de la turbine, la synchronisation et le couplage du générateur sur un réseau, et aussi la mise à l'arrêt de turbine, et le fonctionnement en compensateur synchrone. DESCRIPTION SOMMAIRE DES DESSINS
Fig 1 : Vue générale d'un assemblage à turbine Francis quadruple composé de deux paires de turbines Francis verticales 170a,b et 171a,b. Les turbines 170a et 171a sont disposées sur le niveau supérieur, tandis que 170b et 171b sont implantées sur un niveau inférieur. Les turbines 170a et 170b tournent dans un sens identique à celui des turbines 171a et 171b. L'entrée amont 176 de la turbine 170a est représenté ainsi que la sortie aval 177.
Fig 2 : Etat de la technique existante : vue dans un plan horizontal de l'Implantation linéaire sur un niveau unique de turbines Francis verticales dans une usine hydro-électrique type.
Fig 2a : Etat de la technique existante : Coupe partielle d'un turbine Francis verticale équipée de sa roue.
Fig 3 : Comparaison entre la silhouette dans un plan vertical d'un turbo-générateur 172 dimensionné pour un débit d'eau égal à 4Q avec celle de turbo-générateurs 170a et 170b dimensionnés pour un débit individuel Q. La comparaison des dimensions de chaque solution permet d'appréhender les conséquences dans chaque cas sur la profondeur d'excavation et sur la hauteur du bâtiment de l'usine électrique Fig 3a : Forme traditionnelle d'aspirateur dont l'orientation de la longueur de la sortie 178 est horizontale.
Fig 3b : Forme adaptée d'aspirateur dont l'orientation de la longueur de sortie 179 est verticale.
Fig 4 : Assemblage à turbine Francis quadruple composé de paires de turbines Francis verticales contrarotatives. Les turbines 175a et 175b tournent dans un sens opposé à celui des turbines 171a et 171b. Fig 4a : Assemblage à turbine Francis quadruple composé de paires de turbines Francis verticales placées sur un même niveau grâce à l'utilisation d'un ensemble 176 de coudes alternés pour l'alimentation de la turbine aval. Fig 5 : Demi-coupe de la turbine et de ses composants, en particulier le cylindre opercule 180 119 et son servomoteur 120. A l'évidence, cette turbine Francis ne dispose pas de
distributeur mobile.
Fig 6 : Coupe radiale des traverses de guidage 130, 131, 132 et autres traverses type 133 et cylindre opercule 134.
185
Fig 6a : Détail du guidage en translation du cylindre opercule 135 le long des traverses de guidage 136 et le patin antifriction 137, ainsi que la plaque de limitation de débit 138.
Fig 7 : Environnement d'un turbo-générateur 0 composé de la turbine 1 , du générateur 190 électrique 5, et de certains équipements auxiliaires nécessaires au fonctionnement.
Fig 8 : Schéma unifilaire simplifié introduisant le starter additionnel 154 nécessaire au démarrage normal d'une turbine d'un assemblage non équipé de distributeur mobile. Les protections traditionnelles ne sont pas représentées
195
Fig 8a : Variante de schéma unifilaire simplifié, dans laquelle le starter additionnel 154 est placé du côté moyenne tension du transformateur élévateur 151, par exemple dans le cas de l'usage de groupes multiples sur un même transformateur élévateur. Les séquences sont identiques à celles relatives à Fig 8.
200
MEILLEURE MANIERE DE REALISER L'INVENTION
205 Un assemblage constitué de deux paires de turbo-générateurs comme montré en Fig 1 présente de nombreux avantages. Cet assemblage a une forme compacte, les axes de rotation des turbines étant pratiquement arrangés au sommet d'un carré, et les sens de rotation des arbres des turbines étant tous identiques, la dotation en pièces de rechanges peut être réduite. Les turbines amont 170a et 171a sont placées sur un niveau supérieur à
210 celui des turbines aval 170b et 171b au niveau inférieur, et l'écart de niveau 175 entre les plans médians des turbines est de l'ordre du diamètre de la conduite d'alimentation rectiligne des turbines aval. Tous les aspirateurs 173a, b et 174a, b ont leur section de sortie orienté verticalement selon 179 Fig 3b. De plus les aspirateurs 173a et 174a des turbines amont sont conçus de manière à contourner sans intersection les aspirateurs 173b 215 et 174b, et sont prolongés linéairement pour déboucher dans le plan commun aux sections de sortie des aspirateurs 173b et 174b.
Les turbines aval 170b et 171b bénéficient d'un enfoncement supérieur à celui des turbines amont 170a et 171a, ce qui les prédispose à fonctionner prioritairement lorsque le niveau d'eau aval est proche de son minimum.
220 La mise en service séquentielle et à plein régime chacun des turbo-générateurs d'un
assemblage constitué de deux paires de turbo-générateurs, permet l'échelonnement de la puissance produite de 25%, 50%, 75%, et 100% de la puissance nominale de cet assemblage avec un rendement maximum garanti et une stabilité hydraulique garantie. Dans ce type d'exploitation, on utilisera un seul organe de garde commun en amont des
225 quatre turbines, identique à celui qui serait utilisé pour une machine unique de puissance nominale égale à celle de l'assemblage. Dans la grande majorité des cas, il s'agit d'une vanne papillon.
Il est donc nécessaire de pouvoir individuellement mettre en service ou arrêter les turbines de l'assemblage, et pour cela il faut d'adjoindre un organe individuel étanche de réglage du 230 débit de chaque turbine. Le distributeur mobile traditionnel n'étant pas un moyen de
coupure de débit suffisamment étanche, on va utiliser un opercule cylindrique mobile installé en partie inférieure des turbines.
La turbine présentée Fig 5 comprend une roue 110 assemblée à l'arbre turbine 111 dont l'autre extrémité est reliée rigidement à l'alternateur. L'arbre turbine peut disposer ou non
235 d'un tuyau central d'aération de roue. La bâche spirale 112 est assemblée avec les
traverses 18 qui lui confèrent sa rigidité et qui guident l'eau à l'entrée de la roue turbine sous l'incidence optimale pour le point de fonctionnement nominal de la turbine. Le couvercle de la turbine 114 et le palier turbine 115 avec le joint graphite 116 sont fixés sur la bâche spirale au moyen de l'anneau d'étanchéité 117 dont la dépose permet lors des
240 opérations de maintenance d'extraire la roue turbine montée sur l'arbre turbine.
La vanne à opercule cylindrique étanche est composée du cylindre opercule 119, du servomoteur hydraulique 120 en communication avec l'eau de la bâche spirale. Le pilotage de la cylindrée différentielle 121 permet de commander la fermeture par mise en décharge, ou bien de commander l'ouverture par mise en pression. Un dispositif mécanique de
245 verrouillage en position fermé permet d'augmenter le niveau de sécurité de l'organe de garde et de maintenir l'opercule cylindrique en position fermée même en l'absence d'eau dans la bâche spirale de la turbine. Une mesure de position 123 du cylindre opercule permet d'informer le contrôle-commande et aussi d'autoriser une commande en boucle fermée de la position du cylindre opercule 250 119 si nécessaire.
Le guidage du cylindre opercule 119 est réalisé par le servomoteur lui-même mais aussi par les génératrices usinées des traverses 118.
L'absence de directrices permet de réduire les dimensions de la bâche spirale, le diamètre extérieur du couvercle 114.
255 La figure Fig 6 présente les traverses de guidage 130, 131 , 132, dont le nombre est d'au moins trois réparties régulièrement sur la circonférence, et les traverses non guidantes
133. Un patin de guidage en laiton ou Téflon 137 Fig 6a fixé sur l'extrémité de chaque traverse de guidage 136 permet d'éviter les efforts de frottement et l'usure de la surface de guidage en contact avec le cylindre opercule 135.
260 La portée du joint métallique ou en polymère 124 Fig5 entre le cylindre opercule 119 et l'anneau d'étanchéité 117 garantit l'étanchéité de l'organe de garde.
Le cylindre opercule 119 peut aussi être déposé lorsque la turbine est ouverte et que l'on a déposé l'anneau 122.
265 On dispose de deux façons pour démarrer la turbine et amener le groupe en production.
La méthode préférentielle, qui utilise les éléments de la Fig 8 est la suivante:
L'énergie de démarrage est fournie par le réseau et le générateur 150 fonctionne en mode moteur. Le dispositif d'excitation 153 en sous-tirage du transformateur HT. 151 dispose aussi d'une autre source d'alimentation permettant de piloter le contacteur de désexcitation
270 155 lors du démarrage du groupe.
La turbine étant à l'arrêt, le conduit aval libre, les auxiliaires en service et toute autre condition réalisée, la roue de turbine complètement dénoyée, le cylindre opercule 119 déverrouillé mais en fermeture complète, le rotor du générateur au préalable pré magnétisé et son bobinage rebouclé sur lui-même par la fermeture du contacteur de désexcitation
275 155, un ordre de démarrage du groupe est donné par le contrôle-commande 8. Le stator du générateur est alors alimenté en sous-tirage sur le réseau par un dispositif de limitation du courant stator 154 selon une séquence fonction de l'accélération angulaire et du temps souhaité pour la mise au synchronisme du groupe. Le groupe démarre donc en mode asynchrone, et lorsque la vitesse a atteint un certain seuil de l'ordre de 30% et que la force
280 contre-électromotrice de l'alternateur-moteur est de l'ordre de 30%, le disjoncteur de
groupe 152 est fermé et le contacteur du starter 154 est ouvert. Le groupe achève rapidement sa montée au synchronisme, tandis que l'excitation est mise en service et que la charge de bouclage du courant rotor 155 est supprimée. Le groupe est donc déjà couplé au réseau et se retrouve automatiquement en compensateur synchrone, prêt à passer en 285 mode turbine.
Typiquement la durée de cette procédure est de l'ordre de la minute, et la
synchronisation-couplage intrinsèquement réalisée.
Le cylindre opercule 119 s'ouvre avec une vitesse variable et contrôlée sur toute sa course afin de ne pas occasionner de variations de pression incompatibles avec le circuit
290 hydraulique. L'air de dénoyage est naturellement chassé dans le conduit de sortie par l'arrivée progressive d'eau. Dès que l'organe de garde a atteint sa butée d'ouverture, le groupe produit sa puissance nominale sous la chute existante. Un système associé au capteur 123 détecte l'ouverture complète de l'organe de garde et communique l'information au système de commande 8.
295
La méthode alternative de démarrage de la turbine sans distributeur mobile consiste à prélever l'énergie nécessaire au démarrage sur la conduite forcée:
Dans ce cas, le cylindre opercule 119 sera commandé en ouverture partielle afin contrôler la mis le groupe en rotation, comme le serait le distributeur mobile d'une turbine Francis 300 classique:
La turbine étant à l'arrêt, le conduit aval libre, les auxiliaires en service et toute autre condition réalisée, le système de dénoyage de roue désactivé, le cylindre opercule 119 étant déverrouillé mais complètement fermé, un ordre d'ouverture partielle du cylindre opercule 119 est donné. La turbine se trouvant alors sous le contrôle de son régulateur de 305 vitesse ouvre progressivement le cylindre opercule 119 et ajuste ensuite son ouverture en fonction de l'accélération angulaire et du temps souhaité pour la mise au synchronisme du groupe, et la vitesse d'ouverture est limitée de manière à éviter les surpressions dans la conduite forcée.
Des algorithmes contrôlent la mise en service de protections électriques et des auxiliaires, 310 de la fonction synchro-coupleur qui règle la position du cylindre opercule 119 et le courant d'excitation. Ainsi la vitesse de rotation et l'angle de phase et l'amplitude de la tension stator sont amenés dans des conditions qui permettent la fermeture du disjoncteur de groupe.
Typiquement, la durée de cette procédure est de plusieurs minutes.
315 Le groupe étant couplé au réseau, un ordre d'ouverture complète du cylindre opercule 119 provoque la monté de la charge du groupe jusqu'à la valeur nominale sous la chute existante. Un système associé au capteur 123 détecte l'ouverture complète de l'organe de garde et communique l'information au système de commande 8.
320
L'arrêt normal d'un groupe s'obtient par l'exécution d'un ordre de fermeture complète du cylindre opercule 119, avec une vitesse de fermeture optimisée pour limiter l'amplitude des surpressions dans le conduit amont (loi de fermeture à une pente ou à pentes multiples) ou les dépressions dans le conduit aval.
325 Selon les cas, le disjoncteur de groupe est alors soit ouvert en vue d'obtenir l'arrêt complet du groupe dès que le système de protection constate une consommation de puissance active par le générateur, soit conservé fermé et la roue dénoyée en vue d'obtenir la marche en compensateur synchrone et/ou de conserver le groupe en rotation, prêt à retourner en production.
330 Un système associé au capteur 123 détecte l'ouverture complète de l'organe de garde et communique l'information au système de commande 8.
Dans le mode compensateur synchrone, le groupe hydraulique à turbine Francis sans distributeur mobile peut fournir la puissance nominale réactive car l'organe de garde intégré est étanche et le système de dénoyage assure aussi longtemps que nécessaire le
335 dénoyage de la roue.
Le déclenchement de l'arrêt d'urgence d'un groupe en production à charge nominale provoque l'ouverture du disjoncteur de groupe 152. Dans ce cas une commande de fermeture complète du cylindre opercule 119 permet de limiter l'amplitude et la durée du 340 passage en survitesse du groupe. La vitesse de fermeture du cylindre opercule 119 est optimisée pour éviter les surpressions dans le conduit amont (loi à une pente ou à pentes multiples) ou les dépressions dans le conduit aval.
Au cas où l'organe de garde reste dans une position de non-fermeture, le groupe est en condition d'emballement. Dans ce cas la décision d'isolement de la conduite forcée doit être 345 envisagée.
Au niveau unitaire, les réglages primaire et secondaire continus tel qu'ils peuvent être réalisés avec une turbine Francis équipée de distributeur mobile ne sont pas avantageux avec une turbine Francis sans distributeur mobile.
350 Par contre, un réglage primaire et un réglage secondaire discontinus peuvent être obtenus par une modulation temporelle de la production d'au moins une turbine Francis sans distributeur mobile. Pour les groupes de production de base, les résultats opérationnels sont similaires et la contribution des masses tournantes reste la même dans les deux cas. Par contre, il n'est pas envisagé de tenir un réseau isolé avec une turbine sans distributeur 355 mobile, à moins de piloter son cylindre opercule en conséquence.
Dans un même assemblage, l'utilisation d'au moins une turbine Francis sans distributeur mobile peut être combinée avec tout autre type de machine, notamment au moins une turbine Francis à distributeur mobile.
360
Un répartiteur de charge au niveau de la usine hydro-électrique permet de commander la mise en production ou le retrait de la production de chaque turbo-générateur, en fonction de différents critères d'optimisation d'exploitation de l'usine hydro-électrique tels que les réglages primaire et secondaire de l'ensemble des groupes, ou bien le débit consigné, la 365 puissance consignée, ou tout autre critère quadratique ou/et non linéaire (par exemple le prix instantané de l'énergie sur le marché).
370 Manières de réaliser l'invention
Il est aussi possible d'utiliser dans un assemblage deux paires Fig 4 dont le sens de rotation des turbines est contrarotatif. Cela présente l'avantage de pouvoir équilibrer deux à deux les couples des stators de paires connexes. Le calcul de la force de Coriolis appliqué 375 à l'écoulement montre que la perte de rendement pour l'une des paires de l'assemblage serait de l'ordre de 0,01%, ce qui est techniquement négligeable. En dépit de cela, cette disposition est intéressante économiquement, car dans cette configuration, l'adduction en eau des turbines est simplifiée, les conduits étant tous extrêmement rapprochés les uns des autres. La configuration des aspirateurs 174a, b, 179a, b est aussi bien équilibrée.
380
Dans les cas où il est impératif que toutes les turbines de l'assemblage soit sur un même niveau, il faut utiliser une adduction coudée pour la turbine aval, comme cela est représenté Fig 4a;

Claims

REVENDICATIONS
1. Turbo-générateur Francis multiples pour la production d'énergie électrique à partir d'eau en mouvement sous une chute supérieure à 30m, formé d'un assemblage incluant :
• une pluralité de turbines hydrauliques Francis de même puissance à axes de rotation 390 verticaux et une pluralité identique de générateurs électriques synchrones ou
asynchrones individuels adaptés au sens de rotation de l'arbre de chaque turbines Francis de l'assemblage;
• un moyen en amont permettant de couper totalement le débit d'eau alimentant les
turbines de l'assemblage;
395 · Un dispositif assurant la transmission de la puissance mécanique entre chaque turbine
Francis de l'assemblage et son générateur électrique, soit par une liaison mécanique individuelle directe entre l'arbre de chaque turbine et le rotor de chaque générateur électrique et dont l'effet est de rendre le rotor isochrone avec l'arbre turbine, soit par un multiplicateur de vitesse individuel intercalé entre l'arbre de chaque turbine et le rotor de
400 chaque générateur électrique et dont l'effet est de donner au rotor du générateur une vitesse de rotation supérieure à celle de l'arbre turbine;
• des batardeaux ou vannes d'isolement montés en sortie de l'aspirateur de chaque
turbine de l'assemblage;
• Un équipement de contrôle-commande commun aux turbines et générateurs, des 405 protections et auxiliaires permettant de coordonner le fonctionnement de tous les
composants de chaque assemblage;
• Des équipements de dénoyage de la roue de chaque turbine; et caractérisé par :
410 · Une organisation périodique de la disposition des turbines par paire, fonction du sens de rotation de chaque turbine, chaque assemblage incluant un multiple entier de paires de turbines, la projection orthogonale des axes de rotation d'une paire de turbines dans un plan horizontal occupant les extrémités d'un segment, dont l'orientation par rapport à la perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'usine hydro-électrique est constante et
415 comprise entre -45° et +45°, la turbine amont étant celle dont l'axe de rotation vertical est le plus proche de l'amont, et la turbine aval étant celle dont l'axe de rotation vertical est le plus proche de l'aval;
• Un moyen d'alimentation en eau distinct pour chaque turbine adapté à l'altitude
individuelle de chaque turbine;
420 · Un moyen de réglage individuel du débit d'eau pour chaque turbine Francis de
l'assemblage; * La forme gauche de l'aspirateur de la turbine amont d'une paire, qui est telle qu'elle permet son passage dans l'espace libre situé à côté de l'aspirateur et sous la bâche spirale de la turbine aval, un canal prolongeant la sortie de l'aspirateur pour déboucher 425 dans le même plan que la sortie de l'aspirateur de la turbine aval, la longueur de la section de sortie est orientée verticalement;
2. Turbo-générateur Francis multiples selon 1 , caractérisé par le fait que les sens de rotation des turbines Francis de l'assemblage sont tous identiques.
430
3. Turbo-générateur Francis multiples selon 1 , caractérisé par le fait que les sens de rotation des turbines de l'assemblage ne sont pas identiques, permettant ainsi d'équilibrer par des moyens de liaison mécanique les couples des stators des générateurs de paires deux à deux connexes.
435
4. Turbo-générateur Francis multiples selon 1, caractérisé par le fait que le moyen d'alimentation en eau de la turbine aval d'une paire est une conduite rectiligne passant sous la bâche spirale de la turbine amont, occasionnant une différence de niveau au moins égale au diamètre de cette conduite.
440
5. Turbo-générateur Francis multiples selon 1 , caractérisé par le fait que le moyen d'alimentation en eau de la turbine aval d'une paire est une conduite rectiligne passant sous la bâche spirale de la turbine amont et prolongée d'une jonction à double coude alterné d'angle inférieur à 45° permettant d'annuler ou réduire la différence de niveau entre
445 la turbine amont et la turbine aval.
6. Turbo-générateur Francis multiples selon 1 , pour lequel le moyen en amont permettant de couper totalement le débit d'eau alimentant les turbines de l'assemblage est constitué de vannes de garde étanches et individuelles, permettant ainsi d'isoler les turbines de
450 l'assemblage indépendamment les unes des autres turbines.
7. Turbo-générateur Francis multiples selon 6, pour lequel le moyen de réglage individuel du débit d'eau turbinée par une turbine est un distributeur à directrices mobiles.
455 8. Turbo-générateur Francis multiples selon 1 , pour lequel le moyen en amont permettant de couper totalement le débit d'eau alimentant les turbines de l'assemblage est une vanne de garde étanche unique et commune aux turbines de l'assemblage et dont le moyen de réglage individuel du débit d'eau turbinée par une turbine est une vanne à opercule cylindrique étanche pour au moins une turbine constituant l'assemblage.
460
9. Turbo-générateur Francis multiples selon 8, caractérisé par une commande hydraulique de l'opercule cylindrique étanche dont les positions extrêmes sont d'une part la fermeture complète en butée et d'autre part l'ouverture complète sur une butée réglable et possédant un moyen de limitation du débit d'eau maximum traversant la turbine.
465
10. Turbo-générateur Francis multiples selon 9, dans lequel le moyen de limitation du débit maximum est réalisé par l'adjonction sur l'intrados ou l'extrados des traverses de plaques métalliques soudées aux traverses de la bâche spirale visant à réduire la lumière du passage de l'eau entre traverses.
470
11. Turbo-générateur Francis multiples selon 9, dans lequel le moyen de limitation du débit maximum est réalisé par une butée réglable sur l'ouverture de l'opercule cylindrique.
12. Turbo-générateur Francis multiples selon 9, caractérisé par un dispositif de démarrage 475 électrique des turbines équipées de cylindre opercule prélevant sont énergie sur le réseau ou sur les autres turbo-générateurs de l'assemblage déjà en production.
13. Méthode de remplacement des turbines Francis verticales alignées selon l'axe longitudinal d'une usine électrique par un ou plusieurs assemblages d'un nombre de paires
480 de turbines Francis verticales de plus petite taille, méthode caractérisée par :
• Le regroupement d'un nombre de paires de turbines en un assemblage intégré de puissance cumulée équivalente;
• La disposition périodique d'au moins une paire de turbines selon un axe différent de l'axe longitudinal de l'usine hydro-électrique;
485 · Le cheminement des conduites d'alimentation des turbines et l'implantation sur deux niveaux;
• L'arrangement des aspirateurs des turbines de l'assemblage;
490
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR540077A (fr) * 1917-05-14 1922-07-05 Installation de puissance hydraulique
GB2471699A (en) * 2009-07-09 2011-01-12 Technelec Ltd Electrical generation by multiple turbines

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