WO2013182210A1 - Distributeur mobile a deux degres de liberte - Google Patents

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WO2013182210A1
WO2013182210A1 PCT/EP2012/002368 EP2012002368W WO2013182210A1 WO 2013182210 A1 WO2013182210 A1 WO 2013182210A1 EP 2012002368 W EP2012002368 W EP 2012002368W WO 2013182210 A1 WO2013182210 A1 WO 2013182210A1
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radius
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Jean-Marc Fermé
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Ferme Jean-Marc
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the present invention relates to a turbomachine for converting the energy of a fluid under pressure and in motion into a mechanical energy available on a shaft driven by a rotational speed and capable of transmitting a torque.
  • the invention relates to the addition of a degree of freedom to the movement of the directors of their mobile distributor.
  • Francis turbines or radial pump turbines are hydraulic machines in which the flow of the working fluid is controlled by a specialized equipment called a mobile distributor.
  • This mobile distributor with a degree of freedom consists of a series of rotating guides in their main axis and arranged circularly and regularly in the space between the output of the fixed vanes of the front distributor and the entrance of the turbomachine wheel.
  • the guides 22 Fig 2a are interconnected by means of fixed levers 24 and hinged 23 making the connection with turning ring 20, so that the opening angle is identical for all the directors.
  • a system of hydraulic servomotors associated with a position control loop makes it possible to position all the directors according to the needs of the operation.
  • the opening angle of the guides is such that it allows the fluid to flow in order to produce the desired power or fluid flow rate.
  • the object of the invention is to extend the operating ranges with hydraulic efficiency. 75 maximum and also improve the partial load utilization of Francis turbines or radial pump turbines.
  • turbomachine and other means of varying the orientation of the fluid leaving the trailing edge of the directors.
  • a control strategy using a law of conjugation between the 80 parameters of the two degrees of freedom makes it possible to obtain for all the falls, a
  • the new degree of freedom is created by a device allowing to vary
  • the object of the invention is also to allow an optimization of the opening of the directors as a function of the drop, at a constant rate.
  • the orientation angle of the fluid leaving the trailing edge of the guides, that of the velocity vector V 0 33 is dependent on the value of the available fall.
  • the implementation of the invention must be applicable not only for new turbomachines, but also in modernization of existing turbomachines.
  • the object of the invention is also to allow an adaptation of the characteristics of the 110 pump turbines in their pump mode of operation, such as the improvement of the stability (S-curve) or simply hydraulic efficiency. Indeed, in pump mode and constant rotation speed, these turbomachines have virtually no possibility of adjusting the fluid flow without deterioration of hydraulic efficiency.
  • Fig 1 The mobile director 1 is guided in rotation in the mobile eccentric bearing
  • the movable eccentric bearings 2 and 3 are themselves rotatable and housed in two cylindrical bores of the wear plates 5 and 4 equipped with self-lubricating thrust bearings 11 and 12.
  • a control lever 6 controls the rotation of the director 1 by means of a key 13.
  • the bearings 2 and 3 are
  • crank rod
  • Fig 2a Partial view of a mobile distributor with a degree of freedom.
  • a director 22
  • a connecting rod 23 is used to connect the control lever
  • the partial view shows a dispenser in the open position.
  • Fig 2b Partial view of a mobile distributor with a degree of freedom in the closed position.
  • Fig 2c Cinematic of a mobile distributor with a degree of freedom.
  • the angle of rotation ⁇ makes it possible to identify the angular rotation of the turning circle 20 Fig 2a of radius R 2 and the angle ⁇ gives a measurement of the angular position of the lever 24 Fig 2a of length ai.
  • the lever 23 Fig 2a is represented by the segment BA 29 of length bi.
  • the radius of the implantation circle of the directors 27 is characterized by Ru
  • FIG. 3a angle ⁇ of opening 31 of the mobile heads, ie the angle formed between the tangent to the implantation circle of the directors and the principal direction of the blading of the director 145, and diameter Diai 32 of passage offered to the fluid between two related guidelines.
  • the orientation of the fluid threads on the trailing edge of the guides determines the orientation of the velocity vector V 0 33 of the fluid on the leading edge of the blades of the turbomachine wheel, and this vector can be decomposed into a component Uo tangent to the wheel of the turbomachine and a component Wo tangent to the profile of the wheel blading.
  • the radius Rd of the implantation circle 27 of the directors plays an important role on the
  • FIG. 3b Increased value of the diameter Diai 34 obtained by an increase in the value of the radius Rd of the implantation circle of the directions and influence on the modulus of the vector 155 speed Vo.
  • Fig 3c Allure of the relationship between the opening angle ⁇ of the directors and the value of the passage diameter Diai offered to the fluid between two related guidelines. At a constant angle ⁇ , the curve 35 for a radius Rd 350 gives a value of the diameter Diai
  • Fig 4a Pace of the typical relationship between the hydraulic efficiency ⁇ 43 of a
  • the characteristic 40 is of rather sharp shape and the zone X2 of the best 165 yields restricted between Q2 and Q3
  • the mobile distributor with two degrees of freedom allows to obtain the characteristic 41 thanks to a widening of the range of flow
  • the characteristic curves 44 and 45 are obtained at a constant distributor opening angle.
  • FIG. 4b Perspective view of a director of a mobile distributor with two degrees of freedom equipped with the upper mobile eccentric bearing 2 and the lower mobile eccentric bearing 3.
  • the lever 6 makes it possible to control the angle of opening of the director, and the synchronized rods 175 and 7 make it possible to vary the angle of positioning of the bearings
  • Fig 5a Mobile distributor with two degrees of freedom and median rotation of eccentric bearings.
  • the connecting rod 7 connected to the upper control circle 53 makes it possible to vary 180 angle of rotation of the upper mobile eccentric bearing 2.
  • a similar device equips the lower mobile eccentric bearings.
  • FIG. 5b Mobile distributor with two degrees of freedom and maximum rotation of the eccentric bearings giving a maximum guide implantation diameter.
  • Fig 5c Cinematic of a mobile distributor with two degrees of freedom.
  • the eccentricity e 50 of the movable eccentric bearing which gives a location of the principal axis of the director situated on a circular arc 51 of center 0 "and of radius e must be considered.
  • Fig 6a Principle of the control of a mobile distributor with two degrees of freedom.
  • the regulator 60 calculates an opening setpoint of the mobile distributor ⁇ as a function of different states (reference and measurement of rotation speed or frequency 69, power measurement 70, power setpoint, flow measurement 71, flow setpoint, limitation 195 opening, permanent droop, etc.).
  • a compensation ⁇ ' is calculated by 62 and added to the setpoint ⁇ .
  • the positioner 61 drives the servomotors 66 so as to position the winch circle at an angle ⁇ + ⁇ '.
  • the setpoint ⁇ is injected into the three-dimensional conjugation cam 63 with the fall 200 h 73, so as to develop the optimal setpoint of the rotation angle ⁇ 72 of the mobile eccentric bearings,
  • a servo-control 64 drives the upper servomotors 67 and the servomotors lower 68 so as to synchronously realize the angle ⁇ .
  • FIG. 6b Trend of a conjugation law 77 between the angle of rotation of the turning circle 205 and the angle of rotation ⁇ of the eccentric bearings causing three radii of implantation of the distributor 74, 75, 76, and giving the value of the optimum opening angle ⁇ for a given fall h.
  • FIG. 7a Variation of moving bearing of linear displacement director using a sole plate 82 sliding linearly in a groove 85 machined in the wear plates so as to provide a change in value of the implantation radius of the directors.
  • the position location of the director's axis is located on axis 80.
  • FIG. 7b Detail of the linear motion moving bearing variant showing the upper bearing 82 equipped with a link 87 to the position control and the lower bearing 83 equipped with a link 88 to the position control. .
  • the upper eccentric bearing 2 and the lower eccentric bearing 3 are implanted in cylindrical bores in the wear plates 5 and 4, and the synchronization of the rotations of the upper eccentric bearing 2 and the lower eccentric bearing 3 is performed by a function the servo 64 Fig 6a angular position of these bearings.
  • the rotation angles of eccentric bearings 2 and 3 are always identical and synchronized, in order to avoid
  • the eccentric bearings of all the directions of the turbomachine are mechanically synchronized with each other, since the other end of the upper links is secured to an upper control ring 53 and the other end of the lower links is secured to a circle of lower control, each circle being controlled by a system of
  • the link-crank mechanism 23 and 24 which connects each director to the winch circle 20 is influenced by the change in value of the implantation radius 27 of the guides when the rotation angle ⁇ of the eccentric bearings is changed. It is necessary to introduce a correction term in the servocontrol of the opening angle of the guides, as a function of the angle of rotation ⁇ of the bearings
  • the binding relation ⁇ , ⁇ , a is obtained by projecting the components of the kinematic elements of FIG. 5c on a vertical axis and on a horizontal axis. We obtain the following expression:
  • the operation of the turbomachine equipped with a mobile distributor with two degrees of freedom can be done by using a three-dimensional law of conjugation between the opening angle of the direction ⁇ and the angle of rotation of the eccentric bearing ⁇ , for a fall h, as
  • Curve 77 shows the transition between two extreme distributor sizing radii, whose parameters are derived from model tests of the turbomachine. For values of fluid flow rate 42 greater than that giving the maximum yield max Fig 4a for a given fall h, it is necessary to reduce the opening angle ⁇ of the distributor and simultaneously to increase the radius R d
  • 300 machine control system positions dispenser opening and radius
  • the single system of servomotors for the upper and lower control circles provides a mechanical synchronization of the two control circles, insofar as it is possible to bring the movement by a set of levers.
  • Another way to achieve the angular rotation control of the eccentric bearings is to use an electric or hydraulic servomotor individual to each director.

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Abstract

Distributeur mobile à deux degrés de liberté destiné à équiper des turbomachines de type Francis ou turbine-pompe radiale, permettant de faire varier par une action combinée deux rotations, d'une part l'angle d'ouverture des directrices, et d'autre part l'angle d'ouverture de paliers excentrés affectant le valeur du rayon d'implantation des directrices, dans le but de pouvoir modifier l'angle des filets fluides au bord de fuite des directrices et le débit de fluide à l'entrée de la roue de la turbomachine. Une loi de conjugaison tridimensionnelle permet de piloter l'asservissement du rayon d'implantation des directrices en fonction de la consigne d'ouverture des directrices et de la valeur de la chute, en vue d'élargir la caractéristique de rendement en fonction du débit, de stabiliser le fonctionnement à charge partielle, et de retarder l'apparition de cavitation sur les aubages de la roue de la turbomachine.

Description

Distributeur mobile à deux degrés de liberté
GENERALITES ET DOMAINE TECHNIQUE :
La présente invention est relative à une turbomachine visant à convertir l'énergie d'un fluide sous pression et en mouvement en une énergie mécanique disponible sur un arbre animé d'une vitesse de rotation et susceptible de transmettre un couple.
Parmi les turbomachines concernées, on ne considère que les turbines de type Francis et les turbines-pompes radiales pour l'application de l'invention.
L'invention concerne l'ajout d'un degré de liberté au mouvement des directrices de leur distributeur mobile.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE :
Les turbines Francis ou les turbines pompes radiales sont des machines hydrauliques dans lesquelles le débit du fluide moteur est contrôlé par un équipement spécialisé appelé distributeur mobile. Ce distributeur mobile à un degré de liberté est constitué d'une série de directrices mobiles en rotation selon leur axe principal et arrangées circulairement et régulièrement dans l'espace situé entre la sortie des aubages fixes de l'avant-distributeur et l'entrée de la roue de turbomachine. Les directrices 22 Fig 2a sont interconnectées par l'intermédiaire de leviers fixes 24 et articulés 23 faisant la liaison avec cercle de vannage 20, de manière à ce que l'angle d'ouverture soit identique pour toutes les directrices. Un système de servomoteurs hydrauliques associé à une boucle d'asservissement en position permet de positionner toutes les directrices selon les besoins de l'exploitation. Ainsi à l'arrêt de la turbomachine, toutes les directrices sont fermées Fig 2b et le fluide ne peut s'écouler. En production, l'angle d'ouverture des directrices est tel qu'il permet au fluide de s'écouler de manière à produire la puissance ou le débit de fluide recherchés. Dans le principe de fonctionnement du distributeur, il faut décomposer deux principales actions lorsque la turbomachine est en production:
■ La limitation du débit du fluide qui résulte de l'espace disponible entre directrices connexes pour un angle d'ouverture β 31 donné, espace qui peut être caractérisé par le diamètre du cylindre le plus grand pouvant passer entre deux directrices connexes 32 Fig 3a; la valeur du rayon Rd 27 d'implantation des directrices est déterminée au stade de la conception de la turbomachine. • L'angle d'orientation du fluide quittant le bord de fuite des directrices, soit celui du vecteur vitesse V0 33, orientation qui est déterminante pour l'obtention du couple hydraulique maximum pour un débit de fluide donné tout en évitant les chocs au point d'arrêt de l'écoulement du fluide sur le bord d'attaque de l'aubage de la roue de la turbomachine.
Comme le mouvement des directrices n'a qu'un seul et unique degré de liberté, la rotation selon l'axe principal de chaque directrice, force est de constater que l'action de limitation du débit du fluide et l'orientation du fluide quittant le bord de fuite sont physiquement étroitement liés. Il n'est donc pas possible de modifier l'orientation du fluide quittant le bord de fuite sans modifier le débit de fluide et vice versa.
En conséquence, il n'est pas possible d'effectuer en fonctionnement une maximisation du rendement hydraulique ou de la puissance de la turbomachine par recherche de l'optimum de l'orientation du fluide quittant le bord de fuite des directrices en fonction de la chute présente, tout en maintenant constant le débit du fluide turbiné.
On peut aussi penser qu'à charge partielle, c'est à dire en dessous de 70% d'ouverture du distributeur mobile à un degré de liberté, l'orientation du fluide quittant le bord de fuite des directrices s'écarte significativement de l'angle optimum pour le débit souhaité, et que ceci contribue pour une part à l'apparition de phénomènes hydrauliques perturbateurs tels que des tourbillons locaux ou des phénomènes de cavitation locale sur les aubages de la roue de la turbomachine.
Il ressort de l'exposé, que l'utilisation actuelle de turbomachines équipés de distributeurs mobiles à un degré de liberté ne permet pas d'atteindre le meilleur rendement en dehors de la zone nominale X∑ Fig 4a pour laquelle la machine a été conçue. Finalement, il existe une réelle difficulté technique à introduire des modifications
mécaniques à un distributeur mobile, dans une zone des turbomachines où la pression du fluide est élevée, ce qui pourrait occasionner des fuites de fluide ou un manque de rigidité mécanique.
EXPOSE DE L'INVENTION :
Grâce à l'ajout d'un nouveau degré de liberté au mouvement du distributeur mobile, le but de l'invention est d'étendre les plages de fonctionnement à rendement hydraulique 75 maximum et aussi d'améliorer l'utilisation à charge partielle des turbines Francis ou turbines pompes radiales.
Ainsi on pourra disposer d'un moyen de contrôle du débit de fluide utilisé par la
turbomachine et d'un autre moyen de variation de l'orientation du fluide quittant le bord de fuite des directrices. Une stratégie de commande utilisant une loi de conjugaison entre les 80 paramètres des deux degrés de liberté permet d'obtenir pour toutes les chutes, une
commande optimale de la turbomachine.
Le nouveau degré de liberté est créé par un dispositif permettant de faire varier
dynamiquement le rayon Rd 27 d'implantation des directrices. En effet, à angle d'ouverture
85 31 de directrices constant, une variation de 5% du rayon Rd 27 d'implantation des
directrices comme montré en Fig 3c donne une variation de même signe du débit de l'ordre de 10%. L'amplitude de la variation de débit recherchée doit permettre de limiter l'impact des modifications apportées à la turbomachine tout en apportant un résultat économiquement favorable. La longueur des directrices et leur espace environnant doivent
90 être étudiés et adaptés en conséquence pour éviter les interférences avec les autres
composants, ainsi qu'un moyen d'asservissement du rayon Rd 27 d'implantation du distributeur mobile à deux degrés de liberté.
Les calculs d'écoulement du fluide et les essais du modèle de la turbomachine équipée 95 d'un distributeur mobile à deux degrés de liberté permettent d'établir, en plus des
habituelles caractéristiques de rendement hydraulique en fonction de l'angle d'ouverture de directrices et de la chute, de nouvelles caractéristiques donnant la valeur du rendement hydraulique de la turbomachine en fonction de la valeur du rayon d'implantation Rd 27 du distributeur mobile, de l'angle d'ouverture β 31 des directrices et de la chute.
100
Le but de l'invention est aussi de permettre une optimisation de l'ouverture des directrices en fonction de la chute, à débit constant. L'angle d'orientation du fluide quittant le bord de fuite des directrices, soit celui du vecteur vitesse V0 33 est dépendant de la valeur de la chute disponible.
105
L'implémentation de l'invention doit être applicable non seulement pour des turbomachines neuves, mais aussi en modernisation de turbomachines existantes.
Le but de l'invention est aussi de permettre une adaptation des caractéristiques des 110 turbines-pompes dans leur mode de fonctionnement en pompe, comme l'amélioration de la stabilité (courbe en S) ou simplement du rendement hydraulique. En effet, en mode pompe et à vitesse de rotation constante, ces turbomachines ne disposent pratiquement pas de possibilité de réglage du débit du fluide sans détérioration du rendement hydraulique.
115
DESCRIPTION SOMMAIRE DES DESSINS :
Fig 1 : La directrice mobile 1 est guidée en rotation dans le palier excentré mobile
120 supérieur 2 et le palier excentré mobile inférieur 3 par l'intermédiaire de paliers-butées autolubrifiants 9 et 10. Les paliers excentrés mobiles 2 et 3 sont eux-même mobiles en rotation et logées dans deux alésages cylindriques des plaques d'usure 5 et 4 équipés de paliers-butées autolubrifiants 11 et 12. Un levier de commande 6 permet de commander la rotation de la directrice 1 par l'intermédiaire d'une clavette 13. Les paliers 2 et 3 sont
125 commandés par l'intermédiaire des bielles 7 et 8 et des paliers autolubrifiants 14 et 15 montés dans la tête des bielles 7 et 8, l'ensemble fonctionnant sur le principe
bielle-manivelle.
Fig 2a : Vue partielle d'un distributeur mobile à un degré de liberté. Une directrice 22
130 implantée sur un cercle 27 de rayon fixe est reliée à un levier 24 équipé d'un limiteur de couple à rupture de doigt 25 et à friction 26 par action sur le tourillon de directrice 21. Une bielle 23 permet de relier le levier de commande 24 au cercle vannage 20. La vue partielle montre un distributeur en position ouverte.
135 Fig 2b : Vue partielle d'un distributeur mobile à un degré de liberté en position fermée.
Fig 2c : Cinématique d'un distributeur mobile à un degré de liberté. L'angle de rotation φ permet de repérer la rotation angulaire du cercle de vannage 20 Fig 2a de rayon R2 et l'angle a donne une mesure de la position angulaire du levier 24 Fig 2a de longueur ai. Le 140 levier 23 Fig 2a est représenté par le segment BA 29 de longueur bi. Le rayon du cercle d'implantation des directrices 27 est caractérisé par Ru
Fig 3a : Angle β d'ouverture 31 des directrices mobiles, c'est à dire l'angle formé entre la tangente au cercle d'implantation des directrices et la direction principale de l'aubage de la 145 directrice, et diamètre Diai 32 de passage offert au fluide entre deux directrices connexes. L'orientation des filets de fluide sur le bord de fuite des directrices détermine l'orientation du vecteur vitesse V0 33 du fluide sur le bord d'attaque des aubages de la roue de la turbomachine, et ce vecteur peut se décomposer en une composante Uo tangentente à la roue de la turbomachine et une composante Wo tangente au profil de l'aubage de la roue. 150 Le rayon Rd du cercle 27 d'implantation des directrices joue un rôle important sur les
paramètres β et Diai.
Fig 3b : Valeur augmentée du diamètre Diai 34 obtenue par une augmentation de la valeur du rayon Rd du cercle d'implantation des directrices et influence sur le module du vecteur 155 vitesse Vo.
Fig 3c : Allure de la relation entre l'angle β d'ouverture des directrices et la valeur du diamètre de passage Diai offert au fluide entre deux directrices connexes. A angle β constant , la courbe 35 pour un rayon Rd 350 donne une valeur du diamètre Diai
160 relativement supérieure à celle obtenue par la courbe 36 pour un rayon Rd 315.
Fig 4a : Allure de la relation typique entre le rendement hydraulique η 43 d'une
turbomachine et le débit du fluide 42. Dans une turbomachine à distributeur mobile à un seul degré de liberté, la caractéristique 40 est de forme plutôt pointue et la zone X2 des 165 meilleurs rendements restreinte entre Q2 et Q3 Le distributeur mobile à deux degrés de liberté permet d'obtenir la caractéristique 41 grâce à un élargissement de la plage de débit
Figure imgf000007_0001
Les courbes caractéristiques 44 et 45 sont obtenues à angle d'ouverture de distributeur constante.
170
Fig 4b : Vue en perspective d'une directrice 1 de distributeur mobile à deux degrés de liberté équipée du palier excentré mobile supérieur 2 et du palier excentré mobile inférieur 3. Le levier 6 permet de commander l'angle d'ouverture de la directrice, et les bielles 175 synchronisées 7 et 8 permettent de faire varier l'angle de positionnement des paliers
excentrés 2 et 3, et en conséquence le rayon du cercle d'implantation des directrices.
Fig 5a : Distributeur mobile à deux degrés de liberté et rotation médiane des paliers excentrés. La bielle 7 reliée au cercle de commande supérieur 53 permet de faire varier 180 l'angle de rotation du palier excentré mobile supérieur 2. Un dispositif similaire équipe les paliers excentrés mobiles inférieurs.
Fig 5b : Distributeur mobile à deux degrés de liberté et rotation maximum des paliers excentrés donnant un diamètre d'implantation des directrices maximum.
185
Fig 5c : Cinématique d'un distributeur mobile à deux degrés de liberté. En plus des éléments de Fig 2c, on doit considérer l'excentricité e 50 du palier excentré mobile qui donne un lieu de l'axe principal de la directrice situé sur un arc de cercle 51 de centre 0" et de rayon e.
190
Fig 6a : Principe de la commande d'un distributeur mobile à deux degrés de liberté. Le régulateur 60 calcule une consigne d'ouverture du distributeur mobile φ en fonction de différents états (consigne et mesure de vitesse de rotation ou de fréquence 69, mesure de puissance 70, consigne de puissance, mesure de débit 71, consigne de débit, limitation 195 d'ouverture, statisme permanent, etc.). En fonction de l'angle de rotation Θ 72 des paliers excentrés, une compensation φ' est calculée par 62 et ajoutée à la consigne φ. Le positionneur 61 pilote les servomoteurs 66 de manière à positionner le cercle de vannage à un angle φ + φ'.
La consigne φ est injectée dans la came de conjugaison tridimensionnelle 63 avec la chute 200 h 73, de manière à élaborer la consigne optimale de l'angle de rotation Θ 72 des paliers excentrés mobiles, Un asservissement 64 pilote les servomoteurs supérieurs 67 et les servomoteurs inférieurs 68 de manière à réaliser de manière synchrone l'angle Θ.
Fig 6b : Allure d'une loi de conjugaison 77 entre l'angle de rotation du cercle de φ vannage 205 et l'angle de rotation Θ des paliers excentrés occasionnant trois rayons d'implantation du distributeur 74, 75, 76, et donnant la valeur de l'angle d'ouverture optimal β pour une chute donnée h.
Fig 7a : Variante de palier mobile de directrice à déplacement linéaire utilisant une semelle 210 82 coulissant linéairement dans une rainure 85 usinée dans les plaques d'usure de manière à procurer un changement de valeur de rayon d'implantation des directrices. Le lieu de position de l'axe de la directrice est situé sur l'axe 80. Fig 7b : Détail de la variante de palier mobile de directrice à déplacement linéaire montrant 215 le palier supérieur 82 équipé d'une liaison 87 vers l'asservissement de position et le palier inférieur 83 équipé d'une liaison 88 vers l'asservissement de position.
220 MEILLEURE MANIERE DE REALISER L'INVENTION :
Le remplacement du système de paliers simples de directrices par un système de paliers excentrés mobiles 2 et 3 Fig 1 offre d'une part la possibilité de conserver le contrôle traditionnel de l'angle d'ouverture β 31 des directrices par action du système de
225 servomoteurs 66 et du cercle de vannage 20 sur les leviers 23 et 24, et d'autre part le contrôle du rayon 27 d'implantation des directrices par un asservissement de l'angle Θ de rotation des paliers excentrés 2 et 3 entre deux valeurs extrêmes à 180° en agissant sur les bielles intermédiaires 7 et 8, permettant aussi d'obtenir toute valeur intermédiaire de rayon d'implantation de directrices à l'intérieur de l'intervalle des valeurs extrêmes.
230 Le palier excentré supérieur 2 et le palier excentré inférieur 3 sont implantés dans des alésages cylindriques pratiqués dans les plaques d'usure 5 et 4, et la synchronisation des rotations du palier excentré supérieur 2 et du palier excentré inférieur 3 est réalisée par une fonction de l'asservissement 64 Fig 6a de position angulaire de ces paliers. Les angles de rotation des paliers excentrés 2 et 3 sont toujours identiques et synchronisés, afin d'éviter
235 un coincement des directrices au cas où ou les axes de rotation des paliers excentrés 2 et
3 ne seraient plus coaxiaux.
Les paliers excentrés de toutes les directrices de la turbomachine sont mécaniquement synchronisés entre eux, car l'autre extrémité des bielles supérieures est solidaire d'un cercle de commande supérieur 53 et l'autre extrémité des bielles inférieures est solidaire 240 d'un cercle de commande inférieur, chaque cercle étant piloté par un système de
servomoteurs 67 et 68.
Le principe de contrôle de l'angle d'ouverture des directrices reste similaire à celui du distributeur mobile à un degré de liberté, mais il faut intégrer dans la commande de rotation
245 angulaire φ du cercle de vannage 20 un terme de découplage φ' provenant de l'angle de rotation Θ des paliers excentrés. En effet, le mécanisme bielle-manivelle 23 et 24 qui relie chaque directrice au cercle de vannage 20 est influencé par le changement de valeur du rayon d'implantation 27 des directrices lorsque l'angle de rotation Θ des paliers excentrés est modifié. Il est nécessaire d'introduire un terme correcteur dans l'asservissement de 250 l'angle d'ouverture des directrices, terme fonction de l'angle de rotation Θ des paliers
excentrés et de la consigne de l'angle de rotation φ du cercle de vannage 20.
La relation liant φ, Θ, a est obtenue en projetant les composantes des éléments de la cinématique de la figure Fig 5c sur un axe vertical et sur un axe horizontal. On obtient l'expression suivante:
oC C D t · (¾*sin(p)-e»cos(g)+ai »sin(a)) . , ~
255 Rd— e - a\ * cos(a) = R2 * cos(ç?) + b\ * cos(arcsin f ) + e * sm(ff)
Cette expression peut être résolue en temps réel ou à l'avance sous forme d'une table d'interpolation et ensuite programmée à l'intérieur du bloc 62. L'angle d'ouverture β des directrices se déduit de l'angle a avec l'expression suivante :
β = -α +βο
260 On obtient ainsi une commande découplée des deux degrés de liberté β (φ) et Θ du
distributeur mobile, c'est à dire qu'une rotation Θ des paliers excentrés mobiles 2 et 3 occasionnera une correction automatique de l'angle de rotation φ du cercle de vannage 20 et en conséquence l'angle d'ouverture β restera constant.
265 Du point de vue du comportement dynamique, les manoeuvres principales d'ouverture et de fermeture restent assurées par la commande traditionnelle des directrices soit le cercle de vannage 20, et les manoeuvres des paliers excentrés mobiles ne nécessitent pas une telle dynamique, et en conséquence on peut utiliser des actionneurs 67 et 68 de puissance réduite pour piloter le cercle de commande supérieur 53 et le cercle de commande
270 inférieur .
L'exploitation de la turbomachine équipée d'un distributeur mobile à deux degrés de liberté peut se faire en utilisant une loi tridimensionnelle de conjugaison entre l'angle d'ouverture des directrices β et l'angle de rotation des palier excentrés Θ, pour une chute h, comme
275 représenté en Fig 6b. La courbe 77 montre la transition entre deux rayons d'implantation de distributeur extrêmes, dont les paramètres sont issus des essais modèle de la turbomachine. Pour des valeurs de débit de fluide 42 supérieures à celle donnant le maximum de rendement max Fig 4a pour une chute h donnée, il convient de réduire l'angle d'ouverture β du distributeur et simultanément d'augmenter le rayon Rd
280 d'implantation du distributeur par un changement de l'angle de rotation Θ des paliers excentrés. Inversement pour des valeurs de débit de fluide 42 inférieures à celle donnant le maximum de rendement tymax Fig 4a pour une chute h donnée, il convient de
d'augmenter l'angle d'ouverture β du distributeur et simultanément de réduire le rayon Rd d'implantation du distributeur par une diminution de l'angle de rotation Θ des paliers
285 excentrés.
Il est aussi possible d'explorer le domaine de transition sur la machine en production. Ainsi, pour un débit de fluide donné et pour une chute donnée, on fixe le rayon Rd 27
d'implantation du distributeur mobile en fixant l'angle de rotation Θ des paliers excentrés, et 290 on fait varier l'angle d'ouverture des directrices β 31 dans un domaine et on note la valeur de ? qui donne soit la puissance électrique maximum, soit le rendement maximum. Cette méthode s'apparente à la méthode à hélice bloquée qui est utilisée pour les turbines Kapian ou bulbes, mais elle est nouvelle ici pour les turbomachines Francis ou Turbines-pompes radiales équipées de distributeur mobile à deux degrés de liberté.
295 On peut aussi procéder en bloquant l'angle d'ouverture des directrices β 31 à une valeur donnée et on fait varier la valeur du rayon d'implantation Rd 27 du distributeur par action sur l'angle de rotation Θ des paliers excentrés 2 et 3. On obtient des courbes 44, 45 Fig 4a qui montrent une amélioration du rendement (ou de la puissance) en fonction de l'angle de rotation des paliers excentrés 2 et 3. Une fois l'analyse du lieu de l'optimum réalisée, le
300 système de commande de la machine positionne l'ouverture du distributeur et le rayon
d'implantation du distributeur sur la meilleure position, pour une chute donnée.
305 AUTRES MANIERES DE REALISER L'INVENTION
Lin seul système de servomoteurs pour les cercles de commande supérieur et inférieur apporte une synchronisation mécanique des deux cercles de commande, dans la mesure où il est possible d'amener le mouvement par un jeux de leviers.
310
Une autre manière de réaliser la commande de rotation angulaire des paliers excentrés est d'utiliser un servomoteur électrique ou hydraulique individuel à chaque directrice.
Dans certains cas simples, où les plages de fonctionnement de la turbomachine sont 315 fonctionnellement réduites et que la chute a un effet prédominant sur le rendement hydraulique de la turbomachine, il est possible de positionner l'angle optimal de rotation des paliers excentrés 2 et 3 à l'arrêt de la turbomachine et de verrouiller mécaniquement cette position mécaniquement pour l'exploitation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Turbomachine pour la production d'énergie mécanique sur un arbre tournant à partir d'un fluide en mouvement et sous pression, incluant :
• une bâche spirale équipée d'un avant-distributeur à pluralité d'aubages fixes, d'une roue 325 de turbomachine équipée d'une pluralité d'aubages et reliée mécaniquement à l'arbre turbomachine, d'un palier guide et butée, de joints d'étanchéité, d'un aspirateur en sortie de turbomachine ;
• Un distributeur comprenant une pluralité de directrices mobiles en rotation selon leur axe et équipées de dispositifs de freinage angulaire, de dispositifs de limitation de
330 couple, de dispositifs d'étanchéité, de paliers et butées auto-lubrifiants;
• Un dispositif d'asservissement de l'angle d'ouverture des directrices;
• un dispositif assurant la transmission de la puissance mécanique produite au dispositif de charge relié à l'arbre turbomachine;
• un équipement de contrôle-commande, des protections et auxiliaires permettant de 335 coordonner le fonctionnement de tous les composants de la turbomachine; et caractérisée par :
• Un distributeur équipé d'un moyen permettant, pendant le fonctionnement de la
turbomachine ou à l'arrêt, de faire varier le rayon d'implantation des directrices mobiles
340 dans le but de faire varier le débit de fluide le traversant à l'aide d'un moyen de
commande découplée de l'angle d'ouverture des directrices et de rechercher et/ou sélectionner automatiquement la combinaison d'angle d'ouverture des directrices et de débit de fluide qui produit la plus grande valeur de rendement hydraulique quelle que soit la valeur de la chute disponible.
345
2. Turbomachine selon 1 pour laquelle le moyen de commande découplée de l'angle d'ouverture des directrices est un algorithme de calcul basé sur la cinématique du distributeur dont l'effet automatique est de maintenir constant l'angle d'ouverture des directrices lorsque le rayon d'implantation des directrices mobiles est modifié.
350
3. Turbomachine selon 1 pour laquelle le moyen permettant de faire varier le débit de fluide traversant le distributeur indépendamment de l'angle d'ouverture des directrices est un système de paliers excentrés étanches et asservis en rotation par un moyen motorisé, guidés dans des alésages cylindriques équipés de paliers butée auto-lubrifiants et de joints
355 d'étanchéité, mis en place dans les plaques d'usure supérieure et inférieure.
4. Turbomachine selon 3 pour laquelle le moyen motorisé permettant d'asservir la rotation des paliers excentrés est un système de servomoteurs hydrauliques ou électriques agissant sur un cercle de commande supérieur et un cercle de commande inférieur, eux-mêmes 360 agissant par l'intermédiaire de bielles équipées de paliers autolubrifiants sur l'axe des
directrices selon le principe de mouvement bielle-manivelle, la rotation angulaire des cercles supérieurs et inférieurs étant synchronisée par l'intermédiaire de l'asservissement des servomoteurs.
365 5. Turbomachine selon 3 pour laquelle le moyen motorisé permettant d'asservir la rotation des paliers excentrés est un système de servomoteurs individuels hydrauliques ou électriques agissant sur l'axe des directrices selon le principe de mouvement
bielle-manivelle, la rotation angulaire des directrices étant synchronisée par l'intermédiaire de l'asservissement des servomoteurs.
370
6. Turbomachine selon 3 pour laquelle le moyen motorisé permettant d'asservir la rotation des paliers excentrés est un système de servomoteurs hydrauliques ou électriques agissant de manière commune sur un cercle de commande supérieur et un cercle de commande inférieur, eux-mêmes agissant par l'intermédiaire de bielles équipées de paliers
375 autolubrifiants sur l'axe des directrices.
7. Turbomachine selon 3 pour laquelle le moyen motorisé permettant d'asservir la rotation des paliers excentrés est un système de verrouillage mécanique permettant de figer la valeur du rayon d'implantation du distributeur lors du fonctionnement.
380
8. Turbomachine selon 1 pour laquelle le moyen permettant de faire varier le débit de fluide traversant le distributeur indépendamment de l'angle d'ouverture des directrices est un système de paliers étanches coulissants et asservis en position par un moyen motorisé, guidés dans des rainures adaptées des plaques d'usure supérieure et inférieure.
385
9. Turbomachine selon 1 dont le type de turbine est soit Francis, soit turbine-pompe radiale en mode turbine et aussi en mode pompe.
10. Méthode de commande d'une turbomachine équipée d'un distributeur mobile à deux 390 degrés de liberté par un moyen permettant d'une part d'établir à partir d'essais sur modèle réduit, de calculs de simulation, d'essais sur prototype, une loi de conjugaison
tridimensionnelle combinant angle d'ouverture des directrices, rayon d'implantation des directrices, chute, dans le but de maximiser le rendement hydraulique de la turbomachine dans son domaine de fonctionnement et d'autre part un moyen permettant d'utiliser la loi 395 de conjugaison tridimensionnelle obtenue pour la commande optimale de la turbomachine.
11. Méthode de commande selon 10 dans laquelle le moyen d'établir une loi de
conjugaison tridimensionnelle est une analyse de l'influence du rayon d'implantation des directrices sur le rendement hydraulique ou la puissance fournie, influence mesurée en 400 même temps que les autres paramètres hydrauliques.
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