WO2021048132A1 - Roue de type francis pour machine hydraulique à stabilité améliorée - Google Patents

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

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WO2021048132A1
WO2021048132A1 PCT/EP2020/075089 EP2020075089W WO2021048132A1 WO 2021048132 A1 WO2021048132 A1 WO 2021048132A1 EP 2020075089 W EP2020075089 W EP 2020075089W WO 2021048132 A1 WO2021048132 A1 WO 2021048132A1
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WO
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vane
francis
wheel
type wheel
blades
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/075089
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English (en)
Inventor
Eric Gaudin
Renaud Guillaume
Original Assignee
Supergrid Institute
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Publication date
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Classifications

    • 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
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F03B3/125—Rotors for radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side, e.g. for Francis-type turbines
    • 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
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to hydraulic energy conversion machines, and in particular hydraulic machines equipped with Francis type wheels.
  • Such hydraulic machines include such a Francis-type wheel, intended to be traversed by a forced flow of water, to operate in turbine mode, and for some of them in pump mode.
  • a hydraulic machine is used to convert hydraulic energy into electrical or mechanical energy.
  • Some hydraulic machines are fitted with Francis type wheels.
  • the fluid enters at high pressure and transmits its energy to the blades of the wheel, integral with the rotor of the machine.
  • Some of the hydraulic power is transmitted by the fluid to the impeller vanes, due to the change in pressure and the change in direction of the fluid, while some is lost in turbulence.
  • an emergency stop In turbine mode of the machine, it is essential to be able to control an emergency stop.
  • the emergency shutdown of a hydraulic machine in turbine mode may involve the disconnection of a synchronous machine from an electrical network. It is important to be able to manage the transient phenomena of the hydraulic machine during such an emergency stop.
  • An emergency stop induces a large transient increase in the drop, with an increase in the pressure upstream of the wheel and a decrease in the pressure downstream of the wheel.
  • the increase in pressure can indeed damage the mechanical structure of the hydraulic machine, reducing its service life.
  • the decrease in pressure can induce the creation of a vacuum in certain sections of the hydraulic system, increasing the risk of damaging structures.
  • an emergency stop induces an increase in the group's rotational speed and thus the centrifugal force exerted on the poles of the rotor, again reducing its service life.
  • connection to an electrical network of a generator driven by the hydraulic machine requires the rotor of the hydraulic machine to be accelerated to the synchronous speed of the electrical network and the stabilization of the rotor and the wheel at this speed of synchronism.
  • the duration wheel speed stabilization and acceleration is high and requires complex control of the wheel controls. It turns out to be difficult to be able to connect such a generator to an electrical network within a sufficiently short period of time to respond to power calls from the electrical network with high dynamics.
  • the invention aims to solve one or more of these drawbacks.
  • the invention thus relates to a Francis-type wheel for a hydraulic machine intended to be traversed by a flow of water, as defined in claim 1.
  • the invention also relates to the variants of the dependent claims.
  • Those skilled in the art will understand that each of the characteristics of the description or of a dependent claim can be combined independently with the characteristics of an independent claim, without constituting an intermediate generalization.
  • the invention also relates to a hydraulic machine, as defined in the appended claims.
  • FIG.1 is a schematic top view of a hydraulic machine including a Francis type wheel
  • FIG.2 is a schematic sectional view at the level of the axis of rotation of the wheel illustrated in Figure 1;
  • FIG.3 is a conformal projection of several blades on a surface resting on the threads of the wheel;
  • FIG.4 is a view in projection on a meridian plane of a vane between a ceiling and a belt of a wheel;
  • FIG.5 is a comparative diagram of the S-shaped characteristic for the maximum opening of the guidelines
  • FIG.6 is a comparative diagram of an S-shaped characteristic for a minimum opening of the guidelines
  • FIG.7 is a comparative diagram of the profile of the passage section between adjacent blades as a function of the curvilinear abscissa between these blades;
  • FIG.8 is a conformal projection of several blades on a surface resting on the threads of the impeller for a particular configuration of the blades of the turbine.
  • FIG 1 is a schematic top view of a hydraulic machine 1 including a Francis-type wheel 4, including reversible Francis machines.
  • Figure 2 is a schematic sectional view of the hydraulic machine 1 at the level of the axis of rotation of the wheel 4 illustrated in Figure 1, the axis of rotation of the wheel 4 being generally substantially vertical.
  • the hydraulic machine 1 comprises a spiral pipe or spiral sheet 2.
  • the spiral sheet 2 comprises an orifice 21, forming a forced water inlet in turbine mode of the hydraulic machine 1.
  • the orifice 21 is for example connected to a forced pipe. not shown.
  • the spiral sheet 2 has ferrules or pipes 22 of section decreasing from the orifice 21, winding around a double grid 3.
  • the double grid 3 has a central bore, in which a wheel 4 is housed.
  • the double grid 3 places the fluid in communication between the tubing 22 and the wheel 4.
  • the double grid 3 can comprise fixed front guides 31 disposed at its radially periphery, and movable guides 32 disposed nearby. of the wheel 4.
  • Several fixed front guides (for stay vanes in English language) 31 can be distributed angularly around the axis of rotation of the wheel 4.
  • Several guides 32 (for guide vanes in English language) can be distributed angularly around the axis of rotation of the wheel 4.
  • the position of the guidelines 32 can be controlled in a manner known per se to control the operation of the hydraulic machine 1.
  • the guidelines 32 are generally mounted to pivot about an axis parallel to the axis. 'axis of rotation of the wheel 4.
  • the level of opening of the guidelines 32 makes it possible to modify the passage section between the spiral cover 2 and the wheel 4. It is thus possible to control the flow between the cover sp irale 2 and the wheel 4, and therefore the overall flow through the hydraulic machine 1.
  • An orifice 23 is provided under the wheel to evacuate the water in turbine mode.
  • the orifice 23 is for example connected to a vacuum cleaner in the form of a vertical cone.
  • the Francis-type wheel 4 is fixed on a shaft 11 integral with the rotor of the hydraulic machine 1.
  • the shaft 11 is for example integral with a rotor of a synchronous electrical machine configured to be coupled to an electrical network alternative.
  • the shaft 11 passes through an upper flange 10 (for head cover in English language) partially illustrated and comprising for example a bearing for guiding this shaft in rotation 11.
  • the wheel 4 comprises a cap 41 (designated by crown in English terminology) and a belt 42 (designated by band in English terminology).
  • the vanes 43 are distributed around the axis of rotation of the wheel 4 (for example 7, 8 or 9 in number).
  • the vanes 43 connect the ceiling 41 to the belt 42.
  • the Francis-type wheel 4 according to the invention is advantageously a wheel configured to be used selectively as a turbine or as a pump in the hydraulic machine 1.
  • the vanes 43 of such a wheel 4 have a different geometry from the vanes of a Francis-type impeller intended and optimized to be used only in turbine mode.
  • Figure 3 is a conformal view along a thread of several blades 43 projecting onto a surface resting on the threads of the wheel.
  • a flow net of a blade is generally defined as a curve on the blade 43 following a percentage of distance between its ceiling 41 and its belt 42.
  • the flow net at 0% corresponds for example to a junction line between a vane and the ceiling, the 100% flow net corresponding to a junction line between a vane and the belt.
  • Each vane 43 has an outer radial edge 431, close to the periphery of the ceiling 41 and of the belt 42, which is a leading edge of the vane in the direction of turbine rotation.
  • Each blade 43 also has an edge 432, close to the axis of rotation of the wheel 4, which is a trailing edge in the direction of turbine rotation.
  • Each vane 43 has an intrados 434 (pressure side in English) and an extrados (suction side in English) 433.
  • the vanes 43 here have the same geometry and each vane 43 is typically comparable to the transformation of another vane 43 by a rotation around the axis of rotation of the wheel 4.
  • the following relationship is verified for at least 40% of the flow threads (preferably 70% of these flow threads, and advantageously for 100% of these flow threads) between two blades 43: DÎ2 / DÎ1 30.4, with Dii the distance between the leading edges 431 of successive blades for the same thread, and D12 the distance between the upper surface of one blade and the leading edge of the other blade for that same net.
  • the measurement of the D11 values can be carried out for different evenly distributed flow streams or determined continuously along a leading edge.
  • the passage section between at least two blades is configured to verify the relationship S2 / S1> 0.4, advantageously S2 / S1> 0.44, and preferably S2 / S1 30.5, with S1 the area of a minimum surface between the leading edges 431 of the successive blades and S2 the minimum passage section between a blade 43 and the leading edge 431 of the other blade.
  • the minimum area between two leading edges is the minimum area of a closed contour including these two leading edges and two segments connecting the ends of these leading edges.
  • the minimum passage section between the leading edge of a blade and another blade is the surface of a closed contour including the leading edge of a blade (first curve), the orthogonal projection of this edge of attack on the other blade (second curve), and two segments connecting the ends of the first and second curves.
  • One or more preceding relationships will advantageously be verified for successive blades having the same geometry, with leading edges traversing the same surface of revolution and trailing edges traversing the same surface of revolution.
  • One or more blades having a different geometry could be interposed between such successive blades.
  • one or more preceding relationships will be verified for two adjacent or successive blades. Consideration will be given to the succession of the blades in relation to their displacement during a rotation of the turbine around its axis of rotation.
  • one or more previous relationships will be verified for all of the successive blades 43.
  • the minimum surface having the area S1 passes through the straight line 436 connecting the leading edges of two successive blades 43.
  • the passage section having the area S2 passes by the straight line 435, corresponding to a straight line perpendicular to the upper surface of one blade and passing through the leading edge 431 of the other blade.
  • Area S2 is sometimes referred to as the area of the pass.
  • Such straight lines 436 and 435 can be defined whatever the level of the cutting plane along the axis of rotation of the wheel 4, or equivalently whatever the thread chosen to construct the conformal view.
  • the straight lines 435 and 436 can also be defined at different levels of the threads or flow lines of the blades 43.
  • the hydraulic machine 1 will subsequently be described in its mode of operation as a turbine, the flow of water through the hydraulic machine 1 corresponding to the arrows shown in FIG. 1.
  • the hydraulic machine 1 can also have a reversible operation with potential use in pump mode, the water flow then being in the opposite direction to the arrows shown in Figure 1.
  • FIG. 5 is a comparative diagram of an S-shaped characteristic for the opening of the guide lines corresponding to the maximum power of the turbine.
  • This S-shaped characteristic is defined by a speed factor n11 on the abscissa and the flow factor Q11 on the ordinate.
  • the quantity n11, designated as the speed factor is a characteristic speed expressed in revolutions per minute according to the definition of standard IEC 60193. This quantity is proportional to the ratio of the speed of rotation of the wheel to the square root of the height fall.
  • the quantity Q11, designated as the flow factor is a characteristic flow expressed in m 3 / second according to the definition of standard IEC 60193. This quantity is proportional to the flow and inversely proportional to the square root of the height of fall.
  • the solid line curve corresponds to the characteristic of the wheel 4 according to the invention.
  • the dotted line curve corresponds to the characteristic of a wheel according to the state of the art.
  • the operating points 51 and 52 correspond to the operating points in turbine mode of the wheels at their speed of synchronism with an electrical network, corresponding to a maximum flow factor Q11.
  • the wheels can be operated on these respective operating points among the most critical if an emergency stop occurs causing the synchronous machine to be disconnected from the network when the hydraulic machine is in turbine mode.
  • the operating points of the wheels initially follow the characteristic curves 53 and 54 respectively. This results in an increase in the speed factor n11 of the turbines with a decrease in the flow factor Q11, still according to the profiles 53 and 54 respectively.
  • Profiles 53 and 54 correspond to the wheel runaway transient after the emergency stop.
  • the speed factors n11 of the wheels reach maximum values n11max, at points 55 and 56 respectively.
  • the maximum speed factor of the wheel 4 according to the invention is slightly lower than that of the wheel according to the state of the art. This reduces the mechanical stresses linked to the increase in the speed of rotation of the wheel of the hydraulic machine during an emergency stop. A wheel 4 according to the invention therefore undergoes less centrifugal force at the end of the runaway and can therefore have a less restrictive mechanical dimensioning.
  • the wheels After passing the respective points 55 and 56, the wheels respectively follow the profiles 57 and 58, with a decrease in their flow factor Q11 and their speed factor n11.
  • the decrease in speed factor n11 for profile 57 (corresponding to the wheel according to the invention) is less than the decrease in speed factor n11 for profile 58 (corresponding to the wheel according to the state of the art ).
  • the mechanical deterioration induced by the emergency stop on the wheel is therefore less with a wheel 4 according to the invention.
  • FIG. 6 is a comparative diagram of the characteristic curves in S corresponding to the minimum loads of the turbines. These S-shaped characteristics are illustrated here by the ratio n11 / n11opt on the abscissa and the torque factor C11 on the ordinate.
  • the quantity C11, designated as the torque factor, is a characteristic torque expressed in Nm according to the definition of standard IEC 60193. This quantity is proportional to the torque delivered by the turbine and inversely proportional to the height of fall.
  • the value n11opt corresponds to the optimum characteristic speed of the wheel.
  • the ratio n11 / n11opt is one way of expressing the speed factor n11.
  • the solid line curve corresponds to the stable characteristic having the greatest value of n11 of the wheel 4 according to the invention.
  • the dotted line curve corresponds to the stable characteristic having the greatest value of n11 of a wheel according to the state of the art.
  • the ratio n11 / n11 opt corresponding to stable operation is greatly increased with the wheel 4 according to the invention.
  • the maximum value of this ratio n11 / n11 opt is notably greatly increased with the wheel 4 according to the invention.
  • Such a wheel 4 is therefore more stable at very low loads, which allows easier synchronization of the synchronous machine with the electrical network when starting the machine.
  • a wheel 4 according to the invention for the minimum opening of the steering is significantly greater than that of a wheel according to the state of the art.
  • a wheel 4 according to the invention can therefore more easily be accelerated and stabilized at its synchronous speed. Therefore, such a wheel 4 according to the invention can be stabilized at a synchronous speed in a short time.
  • the invention makes it possible to couple the hydraulic machine 1 to a synchronous electrical network with low sensitivity to the height of water applied to the orifice 21.
  • the hydraulic machine 1 can thus be coupled to an electrical network quickly , to allow energy to be supplied to this electrical network with rapid dynamics.
  • a wheel 4 according to the invention being more hydraulically stable both for the openings of the guide lines corresponding to the maximum production powers and for the minimum openings of the guide lines corresponding to the synchronism loads, the control of such a wheel 4 at Directional means can be greatly simplified, without compromising operational safety or the ability to stabilize the rotational speed.
  • Such a wheel 4 can be integrated into a hydraulic machine 1, with a control structure 3 whose guide lines 32 can be controlled by an appropriate control circuit (not illustrated).
  • the wheel 4 is also a Francis type wheel which can be associated with a spiral tarpaulin 2 and with a control structure 3, as described above.
  • the wheel 4 according to these other aspects of the invention is fixed to a shaft integral with the rotor of the hydraulic machine 1.
  • the shaft may be integral with a rotor of a synchronous electrical machine configured to be coupled to an AC electrical network.
  • the wheel 4 includes a cap and a belt.
  • the vanes are distributed around the axis of rotation of the wheel 4 (for example 7, 8 or 9 in number).
  • the vanes connect the ceiling to the belt.
  • Each vane has an outer radial leading edge, close to the periphery of the ceiling and the belt.
  • Each vane also has a trailing edge, close to the axis of rotation of wheel 4.
  • Each vane has a lower surface and an upper surface.
  • Lmo.s> Lmo, 95 the following relationship is verified: Lmo.s> Lmo, 95.
  • Lmo.s / Lmo, 95> 1.02 the following relationship is verified, Lmo.s / Lmo, 95> 1.05.
  • An Lrm value corresponds to the mean width between the intrados of a vane and the extrados of an adjacent vane for a standardized curvilinear abscissa Xc of value i.
  • Lrrimax / Lmo, 95> 1.02 advantageously Lrrimax / Lmo, 95> 1.05, preferably Lrrimax / Lmo, 95> 1.1, with Lrrimax the maximum average width between the lower surface of a vane and the upper surface of an adjacent vane.
  • Lmo, 95 is a good reference, since it makes it possible to avoid the influence of particular shapes of the leading edge 431 of the blades 43.
  • the following relation is advantageously verified: dLm (Xc) / dXc ⁇ 0 for a value of Xc between 0.8 and 0.95.
  • the value of the normalized curvilinear abscissa Xc is zero starting from the trailing edge 432 in the turbine direction of a blade to reach 1 at the level of the leading edge 431 in the turbine direction.
  • the average width Lm for a given curvilinear abscissa corresponds to the average of the widths between the lower surface of a vane and the upper surface of the adjacent vane for the different net values (for stream line or line of flow in English language) to this curvilinear abscissa.
  • FIG. 7 is a comparative diagram of the average width Lm expressed as a function of the standardized curvilinear abscissa Xc.
  • the solid line curve corresponds to the average width of the wheel 4 according to the invention.
  • the dotted line curve corresponds to the average width of a wheel 4 according to the state of the art.
  • the following relationship is verified: Lio, 8> Lio, 95 for at least 40% of the flow lines between two blades.
  • the following relationship is verified, Lio.s / Lio, 95> 1.02, and preferably, the following relationship is verified, Lio.s / Lio, 95> 1.05, for at least 40% of the fillets. 'flow between two blades (and preferably for at least 70% of the flow threads, and advantageously for 100% of the flow threads).
  • a value Lij corresponds to the width between the lower surface of one blade and the upper surface of another blade for a rule i and a normalized curvilinear Xc of value j.
  • the following relationship is verified: Lima x / Lio, 95> 1.02, advantageously Lima x /
  • Lio 95> 1.05, preferably Lima x / Lmo, 95> 1.1, with Limax the maximum width between the underside of one vane and the upper surface of an adjacent vane.
  • FIG. 8 is a conformal view along a thread of several blades projecting onto a surface resting on the threads of the wheel.
  • the wheel 4 here comprises blades 43 having the same geometry, distributed around the axis of rotation of the wheel 4. This configuration of the blades of the wheel 4 is called an intermediate paddle wheel (for splitter blades in English).
  • the blades 43 have the same geometry here as in the example of FIG. 3. Between two successive blades 43, a blade 44 is positioned.
  • Each vane 44 has an outer radial edge 441, close to the periphery of the ceiling 41 and of the belt 42, which is a leading edge of the vane 44 in the direction of turbine rotation.
  • Each blade 44 also has an edge 442, close to the axis of rotation of the wheel 4, which is a trailing edge in the direction of turbine rotation.
  • Each vane 44 has an intrados 443 and an extrados 444.
  • the vane 44 can be positioned closer to one of the two successive vanes 43 or midway between these vanes.
  • the blades 44 have a different geometry from that of the blades 43, its trailing edge 442 possibly for example being further from the axis of rotation of the wheel 4 than the trailing edge 432 of a blade 43.
  • the passage section between at least two blades 43 is further configured to verify the relationship DÎ2 / Dii> 0.4, advantageously DÎ2 / Dii> 0.44, and preferably DÎ2 / Dii> 0.5.
  • the passage section between at least two blades 43 is also advantageously configured to verify the relationship S2 / S1> 0.4, advantageously S2 / S1> 0.44, and preferably S2 / S1> 0.5.
  • the passage section between a blade 43 and a blade 44 is configured to verify the relationship S4 / S3> 0.4, with S3 the area between the leading edges of a blade 43 and of a vane 44 and S4 the minimum passage section between this vane 43 and the leading edge of this vane 44 or between this vane 44 and the leading edge of the vane 43.
  • the relationship can for example be verified between a blade 43 and a blade 44, or between two blades 43, or between two blades 44.

Abstract

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

Description

Description
Titre de l'invention : Roue de type Francis pour machine hydraulique à stabilité améliorée
[0001] L’invention concerne les machines hydrauliques de conversion d’énergie, et en particulier les machines hydrauliques équipées de roues de type Francis. De telles machines hydrauliques comprennent une telle roue de type Francis, destinée à être traversée par un écoulement forcé d’eau, pour fonctionner en mode turbine, et pour certaines d’entre elles en mode pompe.
[0002] Une machine hydraulique est utilisée pour convertir de l’énergie hydraulique en énergie électrique ou mécanique. Certaines machines hydrauliques sont équipées de roues de type Francis. Dans une telle machine en mode turbine, le fluide entre à haute pression et transmet son énergie aux aubes de la roue, solidaire du rotor de la machine. Une partie de l'énergie hydraulique est transmise par le fluide aux aubes de la roue, en raison du changement de pression et du changement de direction du fluide, tandis qu’une autre est perdue en turbulence.
[0003] En mode turbine de la machine, il est essentiel de pouvoir contrôler un arrêt d’urgence. En effet, l’arrêt d’urgence d’une machine hydraulique en mode turbine peut impliquer la déconnexion d’une machine synchrone d’un réseau électrique. Il est important de pouvoir gérer les phénomènes transitoires de la machine hydraulique lors d’un tel arrêt d’urgence. Un arrêt d’urgence induit une importante augmentation transitoire de la chute, avec une augmentation de la pression en amont de la roue et une diminution de la pression en aval de la roue. L’augmentation de la pression peut en effet induire un endommagement de la structure mécanique de la machine hydraulique, réduisant sa durée de vie. La diminution de pression peut induire la création de vide dans certaines sections du circuit hydraulique, augmentant le risque d’endommager les structures. Enfin, un arrêt d’urgence induit une augmentation de la vitesse de rotation du groupe et ainsi de la force centrifuge exercées sur les pôles du rotor, réduisant là aussi sa durée de vie.
[0004] Par ailleurs, la connexion à un réseau électrique d’une génératrice entraînée par la machine hydraulique nécessite d’accélérer le rotor de la machine hydraulique jusqu’à la vitesse de synchronisme du réseau électrique et la stabilisation du rotor et de la roue à cette vitesse de synchronisme. La durée d’accélération et de stabilisation de la vitesse de la roue est élevée et requiert un contrôle complexe des commandes de la roue. Il s’avère difficile de pouvoir connecter une telle génératrice à un réseau électrique dans un délai suffisamment réduit pour répondre à des appels de puissance du réseau électrique avec une dynamique élevée.
[0005] L’invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L’invention porte ainsi sur une roue de type Francis pour machine hydraulique destinée à être traversée par un écoulement d’eau, telle que définie dans la revendication 1.
[0006] L’invention porte également sur les variantes des revendications dépendantes. L’homme du métier comprendra que chacune des caractéristiques de la description ou d’une revendication dépendante peut être combinée indépendamment aux caractéristiques d’une revendication indépendante, sans pour autant constituer une généralisation intermédiaire.
[0007] L’invention concerne également une machine hydraulique, telle que définie dans les revendications annexées.
[0008] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
[0009] [Fig.1 ] est une vue schématique de dessus d’une machine hydraulique incluant une roue de type Francis ;
[0010] [Fig.2] est une vue en coupe schématique au niveau de l’axe de rotation de la roue illustrée à la figure 1 ;
[0011] [Fig.3] est une projection conforme de plusieurs aubes sur une surface s’appuyant sur les filets de la roue ;
[0012] [Fig.4] est une vue en projection sur un plan méridien d’une aube entre un plafond et une ceinture d’une roue ;
[0013] [Fig.5] est un diagramme comparatif de la caractéristique en S pour l’ouverture maximale des directrices ;
[0014] [Fig.6] est un diagramme comparatif d’une caractéristique en S pour une ouverture minimale des directrices ; [0015] [Fig.7] est un diagramme comparatif du profil de la section de passage entre des aubes adjacentes en fonction de l’abscisse curviligne entre ces aubes ;
[0016] [Fig.8] est une projection conforme de plusieurs aubes sur une surface s’appuyant sur les filets de la roue pour une configuration particulière des aubes de la turbine.
[0017] La figure 1 est une vue schématique de dessus d’une machine hydraulique 1 incluant une roue 4 de type Francis, incluant les machines Francis réversibles. La figure 2 est une vue en coupe schématique de la machine hydraulique 1 au niveau de l’axe de rotation de la roue 4 illustrée à la figure 1 , l’axe de rotation de la roue 4 étant généralement sensiblement vertical. La machine hydraulique 1 comprend une conduite spirale ou bâche spirale 2. La bâche spirale 2 comporte un orifice 21 , formant une entrée d’eau forcée en mode turbine de la machine hydraulique 1. L’orifice 21 est par exemple connecté à une conduite forcée non illustrée. La bâche spirale 2 présente des viroles ou tubulures 22 de section décroissante depuis l’orifice 21 , s’enroulant autour d’une double grille 3. La double grille 3 présente un alésage central, dans laquelle une roue 4 est logée.
La double grille 3 met en communication le fluide entre la tubulure 22 et la roue 4. De façon connue en soi, la double grille 3 peut comprendre des avant- directrices fixes 31 disposées à sa périphérie radialement, et des directrices mobiles 32 disposées à proximité de la roue 4. Plusieurs avant-directrices fixes (pour stay vanes en langue anglaise) 31 peuvent être réparties angulairement autour de l’axe de rotation de la roue 4. Plusieurs directrices 32 (pour guide vanes en langue anglaise) peuvent être réparties angulairement autour de l’axe de rotation de la roue 4. La position des directrices 32 peut être commandée de façon connue en soit pour commander le fonctionnement de la machine hydraulique 1. Les directrices 32 sont généralement montées pivotantes autour d’un axe parallèle à l’axe de rotation de la roue 4. Le niveau d’ouverture des directrices 32 permet de modifier la section de passage entre la bâche spirale 2 et la roue 4. On peut ainsi commander le débit entre la bâche spirale 2 et la roue 4, et donc globalement le débit à travers la machine hydraulique 1. Un orifice 23 est ménagé sous la roue pour évacuer l’eau en mode turbine. L’orifice 23 est par exemple connecté à un aspirateur sous la forme d’un cône vertical. [0018] La roue 4 de type Francis est fixée sur un arbre 11 solidaire du rotor de la machine hydraulique 1. L’arbre 11 est par exemple solidaire d’un rotor d’une machine électrique synchrone configurée pour être couplée à un réseau électrique alternatif. L’arbre 11 traverse un flasque supérieur 10 (pour head cover en langue anglaise) illustré partiellement et comportant par exemple un palier de guidage en rotation de cet arbre 11. La roue 4 comprend un plafond 41 (désigné par crown en terminologie anglaise) et une ceinture 42 (désignée par band en terminologie anglaise). Des aubes 43 sont réparties autour de l’axe de rotation de la roue 4 (par exemple au nombre de 7, 8 ou 9). Les aubes 43 relient le plafond 41 à la ceinture 42.
[0019] La roue 4 de type Francis selon l’invention est avantageusement une roue configurée pour être utilisée sélectivement en turbine ou en pompe dans la machine hydraulique 1. Les aubes 43 d’une telle roue 4 présentent une géométrie différente des aubes d’une roue de type Francis destinée et optimisée pour être utilisée uniquement en mode turbine.
[0020] La figure 3 est une vue conforme le long d’un filet de plusieurs aubes 43 en projection sur une surface s’appuyant sur les filets de la roue. Un filet d’écoulement d’une aube est généralement défini comme une courbe sur l’aube 43 suivant un pourcentage de distance entre son plafond 41 et sa ceinture 42. Le filet d’écoulement à 0% correspond par exemple à une ligne de jonction entre une aube et le plafond, le filet d’écoulement à 100% correspondant à une ligne de jonction entre une aube et la ceinture. Chaque aube 43 comporte un bord radial externe 431 , proche de la périphérie du plafond 41 et de la ceinture 42, qui est un bord d’attaque de l’aube en sens de rotation turbine. Chaque aube 43 comporte également un bord 432, proche de l’axe de rotation de la roue 4, qui est un bord de fuite en sens de rotation turbine. Chaque aube 43 présente un intrados 434 (pressure side en langue anglaise) et un extrados (succion side en langue anglaise) 433. Les aubes 43 présentent ici la même géométrie et chaque aube 43 est typiquement assimilable à la transformation d’une autre aube 43 par une rotation autour de l’axe de rotation de la roue 4.
[0021] Selon l’invention, la relation suivante est vérifiée pour au moins 40% des filets d’écoulement (de préférence 70% de ces filets d’écoulement, et avantageusement pour 100% de ces filets d’écoulement) entre deux aubes 43 : DÎ2/DÎ1 ³0,4, avec Dii la distance entre les bords d’attaque 431 des aubes successives pour un même filet, et D12 la distance entre l’extrados d’une aube et le bord d’attaque de l’autre aube pour ce même filet. La mesure des valeurs D11 pourra être réalisée pour différents filets d’écoulement équirépartis ou déterminée en continu le long d’un bord d’attaque.
[0022] Selon un aspect plus avantageux de l’invention, la section de passage entre au moins deux aubes est configurée pour vérifier la relation S2/S1>0,4, avantageusement S2/S1>0,44, et de préférence S2/S1 ³0,5, avec S1 l’aire d’une surface minimale entre les bords d’attaque 431 des aubes successives et S2 la section de passage minimale entre une aube 43 et le bord d’attaque 431 de l’autre aube. La surface minimale entre deux bords d’attaque est la surface minimale d’un contour fermé incluant ces deux bords d’attaque et deux segments reliant les extrémités de ces bords d’attaque. La section de passage minimale entre le bord d’attaque d’une aube et une autre aube est la surface d’un contour fermé incluant le bord d’attaque d’une aube (première courbe), la projection orthogonale de ce bord d’attaque sur l’autre aube (deuxième courbe), et deux segments reliant les extrémités des première et deuxième courbes.
[0023] Une ou plusieurs relations précédentes seront avantageusement vérifiées pour des aubes successives présentant une même géométrie, avec des bords d’attaque parcourant une même surface de révolution et des bords de fuite parcourant une même surface de révolution. Une ou plusieurs aubes présentant une géométrie différente pourront être interposées entre de telles aubes successives. Avantageusement, une ou plusieurs relations précédentes seront vérifiées pour deux aubes adjacentes ou successives. On considérera la succession des aubes relativement à leur déplacement lors d’une rotation de la turbine autour de son axe de rotation. Avantageusement, une ou plusieurs relations précédentes seront vérifiées pour l’ensemble des aubes 43 successives.
[0024] La relation S2/S1>0,4 sera aussi plus simplement vérifiée en remplaçant la surface S1 par une surface S5, afin de potentiellement simplifier le calcul de cette relation. S5 est définie pour des aubes successives présentant une même géométrie, par la surface balayée par un bord d’attaque d’une aube lors d’une rotation angulaire correspondant au décalage angulaire avec l’aube successive. [0025] L’effet technique obtenu par ces règles géométriques sera exposé par la suite en lien avec des résultats de simulation et d’essais sur des modèles réduits.
Dans la vue conforme illustrée en figure 3, la surface minimale ayant l’aire S1 passe par la droite 436 reliant les bords d’attaque de deux aubes successives 43. Dans la vue conforme illustrée, la section de passage ayant l’aire S2 passe par la droite 435, correspondant à une droite perpendiculaire à l’extrados d’une aube et passant par le bord d’attaque 431 de l’autre aube. L’aire S2 est parfois désignée comme l’aire du col. De telles droites 436 et 435 peuvent être définies quel que soit le niveau du plan de coupe le long de l’axe de rotation de la roue 4, ou de manière équivalente quel que soit le filet choisit pour construire la vue conforme. Les droites 435 et 436 peuvent également être définies à différents niveaux des filets ou lignes d’écoulement des aubes 43.
[0026] La machine hydraulique 1 sera par la suite décrite dans son mode de fonctionnement en turbine, l’écoulement de l’eau à travers la machine hydraulique 1 correspondant aux flèches illustrées à la figure 1. La machine hydraulique 1 peut également présenter un fonctionnement réversible avec une utilisation potentielle en mode pompe, l’écoulement d’eau étant alors en sens inverse des flèches illustrées à la figure 1.
[0027] La figure 5 est un diagramme comparatif d’une caractéristique en S pour l’ouverture des directrices correspondant à la puissance maximale de la turbine. Cette caractéristique en S est définie par un facteur de vitesse n11 en abscisse et le facteur de débit Q11 en ordonnée. La grandeur n11 , désignée comme le facteur de vitesse, est une vitesse caractéristique exprimée en tour/minute selon la définition de la norme CEI 60193. Cette grandeur est proportionnelle au rapport de la vitesse de rotation de la roue sur la racine carrée de la hauteur de chute. La grandeur Q11 , désignée comme le facteur de débit, est un débit caractéristique exprimé en m3/seconde selon la définition de la norme CEI 60193. Cette grandeur est proportionnelle au débit et inversement proportionnelle à la racine carrée de la hauteur de chute. La courbe en trait plein correspond à la caractéristique de la roue 4 selon l’invention. La courbe en trait discontinu correspond à la caractéristique d’une roue selon l’état de la technique.
[0028] Les points de fonctionnement 51 et 52 correspondent aux points de fonctionnement en mode turbine des roues à leur vitesse de synchronisme avec un réseau électrique, correspondant à un facteur de débit Q11 maximal. Les roues peuvent être opérées sur ces points de fonctionnement respectifs parmi les plus critiques s’il advient un arrêt d’urgence provocant la déconnexion de la machine synchrone du réseau lorsque la machine hydraulique est en mode turbine. Lors d’un tel arrêt d’urgence, les points de fonctionnement des roues suivent dans les premiers instants les courbes caractéristiques 53 et 54 respectivement. Cela se traduit par une augmentation du facteur de vitesse n11 des turbines avec décroissance du facteur de débit Q11 , toujours selon les profils 53 et 54 respectivement. Les profils 53 et 54 correspondent au transitoire d’emballement des roues postérieur à l’arrêt d’urgence. Les facteurs de vitesse n11 des roues atteignent des valeurs maximales n11max, au niveau des points 55 et 56 respectivement. On peut noter que le facteur de vitesse maximal de la roue 4 selon l’invention est légèrement inférieur à celui de la roue selon l’état de la technique. On réduit ainsi les contraintes mécaniques liées à l’augmentation de la vitesse de rotation de la roue de la machine hydraulique lors d’un arrêt d’urgence. Une roue 4 selon l’invention subit donc une force centrifuge moindre à l’issue de l’emballement et peut donc présenter un dimensionnement mécanique moins contraignant.
[0029] Après avoir franchi les points respectifs 55 et 56, les roues suivent respectivement les profils 57 et 58, avec une décroissance de leur facteur de débit Q11 et de leur facteur de vitesse n11. On constate que la décroissance du facteur de vitesse n11 pour le profil 57 (correspondant à la roue selon l’invention) est inférieure à la décroissance du facteur de vitesse n11 pour le profil 58 (correspondant à la roue selon l’état de la technique). Le rapport entre la valeur n11 max et la valeur n11 pour Q11 =0 est donc fortement réduit avec une roue 4 selon l’invention. Par conséquent, la surpression due à l’arrêt d’urgence est moindre avec une roue 4 selon l’invention qu’avec une roue selon l’état de la technique, du fait d’une limitation de l’effet coup de bélier. La détérioration mécanique induite par l’arrêt d’urgence sur la roue est donc moindre avec une roue 4 selon l’invention.
[0030] Une telle configuration de roue 4 selon l’invention permet ainsi de réduire la pente du profil 57, ce qui signifie que la stabilité hydraulique de la roue 4 est améliorée, indépendamment de son mode de commande. [0031] La figure 6 est un diagramme comparatif des courbes caractéristiques en S correspondant aux charges minimales des turbines. Ces caractéristiques en S sont ici illustrées par le rapport n11/n11opt en abscisses et le facteur de couple C11 en ordonnée. La grandeur C11 , désignée comme le facteur de couple, est un couple caractéristique exprimé en N.m selon la définition de la norme CEI 60193. Cette grandeur est proportionnelle au couple délivré par la turbine et inversement proportionnelle à la hauteur de chute. La valeur n11opt correspond à la vitesse caractéristique optimale de la roue. Ainsi, le rapport n11/n11opt est une façon d’exprimer le facteur de vitesse n11. La turbine est stable à la charge nulle si sa courbe caractéristique en S coupe l’axe C11=0 avec une pente négative ou nulle. Au contraire, la turbine est instable à la charge nulle si la pente est positive. La courbe en trait plein correspond à la caractéristique stable ayant la plus grande valeur de n11 de la roue 4 selon l’invention. La courbe en trait discontinu correspond à la caractéristique stable ayant la plus grande valeur de n11 d’une roue selon l’état de la technique.
[0032] On constate que le rapport n11/n11 opt correspondant à un fonctionnement stable est fortement accru avec la roue 4 selon l’invention. La valeur maximale de ce rapport n11/n11 opt est notamment fortement accrue avec la roue 4 selon l’invention. Une telle roue 4 est donc plus stable aux charges très basses, ce qui permet une synchronisation plus aisée de la machine synchrone au réseau électrique lors du démarrage de la machine.
[0033] Par conséquent, la stabilité d’une roue 4 selon l’invention pour l’ouverture minimale des directrices est nettement supérieure à celle d’une roue selon l’état de la technique. Une roue 4 selon l’invention peut donc plus facilement être accélérée et stabilisée à sa vitesse de synchronisme. Par conséquent, une telle roue 4 selon l’invention peut être stabilisée à une vitesse de synchronisme en un temps réduit.
[0034] L’invention permet de coupler la machine hydraulique 1 à un réseau électrique synchrone avec une faible sensibilité à la hauteur d’eau appliquée sur l’orifice 21. La machine hydraulique 1 peut ainsi être couplée à un réseau électrique de façon rapide, pour permettre de réaliser un apport d’énergie à ce réseau électrique avec une dynamique rapide. [0035] Une roue 4 selon l’invention étant plus stable hydrauliquement à la fois pour les ouvertures des directrices correspondant aux puissances maximales de production et pour les ouvertures minimales des directrices correspondant aux charges de synchronisme, le contrôle d’une telle roue 4 au moyen des directrices peut être fortement simplifié, sans nuire à la sécurité de fonctionnement ou la capacité de stabilisation de la vitesse de rotation.
[0036] Une telle roue 4 peut être intégrée dans une machine hydraulique 1 , avec une structure de commande 3 dont les directrices 32 peuvent être commandées par un circuit de commande approprié (non illustré).
[0037] Selon d’autres aspects indépendants de l’invention, on a également une augmentation de la stabilité d’une roue 4 en mode turbine pour l’ouverture maximale des directrices et pour l’ouverture minimale des directrices en respectant d’autres règles géométriques pour les aubes 43 de la roue.
[0038] Selon ces autres aspects de l’invention, la roue 4 est également une roue de type Francis pouvant être associée à une bâche spirale 2 et à une structure de commande 3, telles que décrites précédemment. La roue 4 selon ces autres aspects de l’invention est fixée sur un arbre solidaire du rotor de la machine hydraulique 1. L’arbre peut être solidaire d’un rotor d’une machine électrique synchrone configurée pour être couplée à un réseau électrique alternatif. La roue 4 comprend un plafond et une ceinture. Des aubes sont réparties autour de l’axe de rotation de la roue 4 (par exemple au nombre de 7, 8 ou 9). Les aubes relient le plafond à la ceinture. Chaque aube comporte un bord d’attaque radial externe, proche de la périphérie du plafond et de la ceinture. Chaque aube comporte également un bord de fuite, proche de l’axe de rotation de la roue 4. Chaque aube présente un intrados et un extrados.
[0039] Selon un de ces aspects de l’invention, la relation suivante est vérifiée : Lmo.s > Lmo,95. De préférence, la relation suivante est vérifiée, Lmo.s / Lmo,95>1 , 02, et préférentiellement, la relation suivante est vérifiée, Lmo.s / Lmo,95>1 , 05. Une valeur Lrm correspond à la largeur moyenne entre l’intrados d’une aube et l’extrados d’une aube adjacente pour une abscisse curviligne normalisée Xc de valeur i. Avantageusement, la relation suivante est vérifiée : Lrrimax / Lmo,95>1 , 02, avantageusement Lrrimax / Lmo,95>1 , 05, de préférence Lrrimax / Lmo,95>1 ,1 , avec Lrrimax la largeur moyenne maximale entre l’intrados d’une aube et l’extrados d’une aube adjacente. La valeur Lmo,95 est une bonne référence, puisqu’elle permet d’éviter l’influence de formes particulières du bord d’attaque 431 des aubes 43. Selon un autre aspect, la relation suivante est avantageusement vérifiée : dLm(Xc)/dXc<0 pour une valeur de Xc comprise entre 0,8 et 0, 95.
[0040] La valeur de l’abscisse curviligne normalisée Xc est nulle en partant du bord de fuite 432 en sens turbine d’une aube pour atteindre 1 au niveau du bord d’attaque 431 en sens turbine.
[0041] La largeur moyenne Lm pour une abscisse curviligne donnée correspond à la moyenne des largeurs entre l’intrados d’une aube et l’extrados de l’aube adjacente pour les différentes valeurs de filet (pour stream line ou line of flow en langue anglaise) à cette abscisse curviligne.
[0042] La figure 7 est un diagramme comparatif de la largeur moyenne Lm exprimée en fonction de l’abscisse curviligne normalisée Xc. La courbe en trait plein correspond à la largeur moyenne de la roue 4 selon l’invention. La courbe en trait discontinu correspond à la largeur moyenne d’une roue 4 selon l’état de la technique.
[0043] Selon un autre de ces aspects de l’invention, la relation suivante est vérifiée : Lio,8 > Lio,95 pour au moins 40% des filets d’écoulement entre deux aubes. De préférence, la relation suivante est vérifiée, Lio.s / Lio,95>1 ,02, et préférentiellement, la relation suivante est vérifiée, Lio.s / Lio,95>1 ,05, pour au moins 40% des filets d’écoulement entre deux aubes (et de préférence pour au moins 70% des filets d’écoulement, et avantageusement pour 100% des filets d’écoulement). Une valeur Lij correspond à la largeur entre l’intrados d’une aube et l’extrados d’une autre aube pour un filet i et une abscisse curviligne normalisée Xc de valeur j. Avantageusement, pour au moins 40% des filets d’écoulement, la relation suivante est vérifiée : Lima x / Lio,95>1 ,02, avantageusement Lima x /
Lio,95>1 ,05, de préférence Lima x / Lmo,95>1,1, avec Limax la largeur maximale entre l’intrados d’une aube et l’extrados d’une aube adjacente.
[0044] La figure 8 est une vue conforme le long d’un filet de plusieurs aubes en projection sur une surface s’appuyant sur les filets de la roue. La roue 4 comporte ici des aubes 43 présentant la même géométrie, réparties autour de l’axe de rotation de la roue 4. Cette configuration des aubes de la roue 4 est appelée roue à aubes intercalaires (pour splitter blades en langue anglaise). Les aubes 43 présentent ici la même géométrie que dans l’exemple de la figure 3. Entre deux aubes 43 successives, une aube 44 est positionnée. Chaque aube 44 comporte un bord radial externe 441 , proche de la périphérie du plafond 41 et de la ceinture 42, qui est un bord d’attaque de l’aube 44 en sens de rotation turbine. Chaque aube 44 comporte également un bord 442, proche de l’axe de rotation de la roue 4, qui est un bord de fuite en sens de rotation turbine. Chaque aube 44 présente un intrados 443 et un extrados 444. L’aube 44 peut être positionnée plus proche de l’une des deux aubes 43 successives ou à mi-distance entre ces aubes. Les aubes 44 présentent une géométrie différente de celle des aubes 43, son bord de fuite 442 pouvant par exemple être plus éloigné de l’axe de rotation de la roue 4 que le bord de fuite 432 d’une aube 43.
[0045] La section de passage entre au moins deux aubes 43 est encore configurée pour vérifier la relation DÎ2/Dii>0,4, avantageusement DÎ2/Dii>0,44, et de préférence DÎ2/Dii>0,5. La section de passage entre au moins deux aubes 43 est aussi avantageusement configurée pour vérifier la relation S2/S1>0,4, avantageusement S2/S1>0,44, et de préférence S2/S1>0,5.
[0046] Avantageusement, la section de passage entre une aube 43 et une aube 44 est configurée pour vérifier la relation S4/S3>0,4, avec S3 l’aire entre les bords d’attaque d’une aube 43 et d’une aube 44 et S4 la section de passage minimale entre cette aube 43 et le bord d’attaque de cette aube 44 ou entre cette aube 44 et le bord d’attaque de l’aube 43. La relation peut par exemple être vérifiée entre une aube 43 et une aube 44, ou entre deux aubes 43, ou entre deux aubes 44.

Claims

Revendications
[Revendication 1 ] [Roue de type Francis (4) pour machine hydraulique (1 ) destinée à être traversée par un écoulement d’eau, comprenant :
-un plafond (41 ) fixé à un arbre (11 ) présentant un axe de rotation ;
-une ceinture (42) ; caractérisée en ce qu’elle comprend en outre :
-plusieurs aubes (43) réparties autour dudit axe de rotation et reliant le plafond (41) et la ceinture (42), chaque aube comportant un bord d’attaque (431) radial externe, dans laquelle la relation suivante est vérifiée pour au moins 40% des filets d’écoulement entre des première et deuxième aubes : DÎ2/Dii>0,4, avec Dii la distance entre les bords d’attaque (431) des première et deuxième aubes pour un même filet, et D12 la distance entre la première aube et le bord d’attaque de la deuxième aube pour ce même filet.
[Revendication 2] Roue de type Francis (4) selon la revendication 1, dans laquelle ladite relation DÎ2/Dii>0,4 est vérifiée pour au moins 70% des filets d’écoulement entre les première et deuxième aubes.
[Revendication 3] Roue de type Francis (4) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la relation suivante est vérifiée pour au moins 40 % des filets d’écoulement entre les première et deuxième aubes : Lio.s / Lio,95>1 ,02, avec Lio,8 la largeur entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube pour l’abscisse curviligne normalisée 0,8 pour la valeur de filet considérée, et Lio,95 la largeur entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube pour l’abscisse curviligne normalisée 0,95 pour la valeur de filet considérée.
[Revendication 4] Roue de type Francis (4) selon la revendication 3, dans laquelle la relation suivante est vérifiée :
Lio.s / Lio,95>1 ,05 pour au moins 40 % des filets d’écoulement entre les première et deuxième aubes.
[Revendication 5] Roue de type Francis selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la relation suivante est vérifiée : l_mo,8 > l_mo,95 avec Lmo.s la largeur moyenne entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados la première aube pour l’abscisse curviligne normalisée 0,8 pour les différentes valeurs de filet d’écoulement à cette abscisse curviligne, et l_mo,95 la largeur moyenne entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube pour l’abscisse curviligne normalisée 0,95 pour les différentes valeurs de filet d’écoulement à cette abscisse curviligne normalisée.
[Revendication 6] Roue de type Francis (4) selon la revendication 5, dans laquelle la relation suivante est vérifiée :
Lrrimax / l_mo,95>1 , 02, avec Lrrimax, avec Lrrimax la largeur moyenne maximale entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube.
[Revendication 7] Roue de type Francis (4) selon la revendication 6, dans laquelle la largeur moyenne décroît de façon continue entre l’abscisse curviligne normalisée correspondant à la largeur moyenne maximale Lrrimax et l’abscisse curviligne normalisée 0,95.
[Revendication 8] Roue de type Francis (4) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans laquelle la relation suivante est vérifiée : dl_m(Xc)/dXc<0 pour une valeur d’abscisse curviligne Xc comprise entre 0,8 et 0, 95, avec Lm(Xc) la fonction associant la largeur moyenne entre l’intrados de la deuxième aube et l’extrados de la première aube en fonction de l’abscisse curviligne Xc.
[Revendication 9] Roue de type Francis (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la section de passage entre les première et deuxième aubes est configurée pour vérifier la relation S2/S1>0,4, avec S1 la surface minimale entre les bords d’attaque des première et deuxième aubes et S2 la section de passage minimale entre la première aube et le bord d’attaque de la deuxième aube.
[Revendication 10] Roue de type Francis (4) selon la revendication 9, dans laquelle la section de passage entre des première et deuxième aubes (43) est configurée pour vérifier la relation S2/S1>0,44.
[Revendication 11] Roue de type Francis (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la roue de type Francis comprend entre 7 et 40 aubes (43) vérifiant ladite relation DÎ2/Dii >0,4.
[Revendication 12] Roue de type Francis (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la deuxième aube est la transformée de la première aube par une rotation autour dudit axe de rotation.
[Revendication 13] Roue de type Francis (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdites première et deuxième aubes sont successives autour de l’axe de rotation.
[Revendication 14] Roue de type Francis (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une troisième aube (44) positionnée entre les première et deuxième aubes (43) et présentant une géométrie différente de celle des première et deuxième aubes (43). [Revendication 15] Roue de type Francis (4) selon la revendication 14, dans laquelle la section de passage entre les première et troisième aubes est configurée pour vérifier la relation S4/S3>0,4, avec S3 la surface minimale entre les bords d’attaque des première et troisième aubes et S4 la section de passage minimale entre la première aube et le bord d’attaque de la troisième aube ou entre la troisième aube et le bord d’attaque de la première aube. [Revendication 16] Machine hydraulique (1), comprenant :
- une roue de type Francis (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes ;
- une bâche spirale (2) ceinturant la roue (4) et présentant un orifice (21) destiné à être raccordé à une conduite forcée ;
- une structure de commande (3) comportant des directrices mobiles (32) interposées entre la bâche spirale (2) et la roue (4) et configurées pour modifier la section de passage entre la bâche spirale (2) et la roue (4). ]
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