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"Turbo-Machine et spécialement Turbine Hydraulique avec réglage par orientation des aubes de la roue".
Dans -boites les turbines à réaction avec roue motrice a aubes orientables, on emploie généralement un distributeur normal à aubes directriues orientables qui sont déplacées en même temps que les aubes de la roue mo- trice si la charge de la turbine varie. De plus on sait qu'il est possible de renoncer à la mobilité des directrices et d'employer seulement un distributeur à aubes fixes, le réglage du débit de la turbine se faisant dans ce cas seulement par orientation des pales de la roue.
Si
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l'eau est amenée par une bâche spirale, on peut disposer, dans l'intérieur de celle-ci un distributeur à aubes mobiles ou plus simplement un seul organe de réglage dans la première partie du parcours spiraloide de l'eau dans l'intérieur de la bâche, organe qui influence l'écoulement spirale et est commandé lors du réglage en même temps que les aubes de la roue motrice. Dans tous ces cas, la grandeur, le poids et les efforts de réglage du distributeur au de l'organe de réglage augmentent rapidement avec la grandeur des turbines, si bien que ces pièces, qui représentent toujours une partie considérable du poids et du prix de la turbine, donnent lieu à des difficultés constructives.
Pour toutes ces raisens on avait déjà envisagé la possibilité de supprimer tout distributeur fixe ou mobile eh amenant l'eau simplement par une bâche spirale, mais on ne s'était pas rendu compte qu'une bâche spirale d'une forme connue ne donne qu'un seul angle bien déterminé d'entrée dans la roue en réalisant un écoulement à faibles pertes et qu'elle ne donne donc des conditions favorables d'écoulement que pour un régime bien déterminé, correspondant à cet angle d'entrée.
A ce régime particulier de la bâche spirale, l'écoulement est semblable à celui réalisé avec distributour fixe ou mobile et il en résulte un bon rendement de la turbines
Si l'on change le régime, en agissant par exemple sur la roue, en faisant varier l'orientation des aubes mobiles ou en faisant varier la vitesse de rotation, au nouveau régime correspondrait un autre angle d'entrée, qui n'est plus celui que la bâche spirale peut donner, L'écoulement dans la bâche est ainsi troublé par réaction de la roue et le rendement global d3 la turbine est inférieur à celui qu'elle pourrait donner, avec amenée d'eau
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sous l'angle correct au moyen d'un distributeur à aubes mobiles par exemple.
Inapplication, de cette possibilité d'emploi d'une bâche spirale classique sans distributeur n'a donc pas pu se développer dans la pratique.
L'invention présente fait tomber les difficultés susdites. Elle concerne une turbo-machine avec une bâche spirale, sans distributeur ou organe de réglage dans l'intérieur, remplie entièrement par le fluide, laquelle bâche produit aux différents régimes un écoulement vers la roue avec angles d'entrée variables, écoulement très semblable à celui qui s'établirait en utilisant un distributeur à directrices mobiles.
Cet.effet est réalisé par le fait que la bâche spirale (G) sans distributeur ou organe de réglage, grâce à un espace (R) ménagé entre le bec (S) et la roue motrice (L) permet un écoulement à faibles pertes en spires qui sont plus ou moins nombreuses selon le régime déterminé par la roue, la dernière spire pouvant être complète ou incomplète, et ceci en évitant les remous, les décollements et la formation d'espaces d'eau morte.
La bâche elle-même ne possédant aucun organe de réglage, les différents régimes sont déterminés par la roue seule, ou par orientation des aubes motrices ou par une variation de la valeur nI ¯ n étant la vitesse de la roue et H la chute sous laquelle elle travaille.
L"objet de l'invention est donc une turbine lu pompe avec bon rendement à toutes charges, réglées par la roue seule sans autre organe de réglage. En employant une roue à pales fixes on obtient une turbine ou pompe sans distributeur ou organe de réglage, qui travaille avec des rendements élevés dans le cas de variations rela-
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tives de la vitesse de la roue par rapport à la chûte, par excomple sous une chute constante à vitesse variable ou avec vitesse constante sous une chûte variable.
Em se basant sur les propriétés indicauées, on peut construire selon l'invention, une machins réversible, c'est-à-dire par exemple une turbine qui peut aussi travailler àbon rendement comme pompe.
Dans les figures 1 à 18 différents moes d'exécution de la présente invention sont dessinés, apnli- qués à l'exemple d'une turbine à eau avec roue à pales orientables.
Les figures la et 2a montrent une coupe longitudinale à travers la bâche spirale avec représenta- tion de l'écoulement dans l'intérieur de celle-ci pour dif- férents régimes, les figures lb et 2b montrent les sections traversées par l'eau dans son parcours, les figures le et 2c montrnt en représentation graphique la variation de la surface des dites sections traversées. La figure ld donne une coupe axiale à traverr la bâche spirale des figures la et 2a. Les figures 3a et 3b montrent en représentation graphiue une compardison des sections, qui sont traversées par l'eau pendant l'alimentation de la roue pour différents régimes. Les figures 4 à 18 centrent les coupes axiales à travers la bâche spirale d'après l'invention pour différentes formes.
La figure la montre l'écoulement dans une bâche spirale avec des parois latérales coniques et avec spirale plane comme génératrice, d'après la présente invention, pour un régime qui correspond à un grand débit. La figure Id donne la coupe axiale de cette hache. Dans ces figures les lettres ont la signification suivante :
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G : la bâche spirale
S : le bec
B : la largeur du bec
R : l'espace libre entre le bec S et la roue L
A : l'antichambre de la roue
L : la roue motrice 1 - 2 - 3 - 4 sur le côté gauche de la figure ld sont les coupes de la bâche, rabattues les unes sur les autres, dans les plans 1 - 2 - 3 - 4 de la figure la. Le fluide entre dans la bâche par la section 1 en constituant le courant d'amenée x.
L'alimentation de la roue est terminée lorsque le fluide a exécuté un tour et demi en passant par les espaces R et A qui précèdent la roue.
De part et d'autre du bec S par lecuel l'enveloppe de la bâche se raccorde à l'entrée de celle-ci se rencontrent deux courants : le courant x qui vient de pénétrer dans la bâche. et le courant y qui tourne encore dans celle-ci.
La direction dans laquelle ils coulent ensemble après leur rencontre est déterminée par les conditions de pression existant des deux cotés du bec et par la quantité de mouvement qui contient ahaque courant, c'est-à-dire par le produit de sa masse par sa vitesse. La direction des deux courants réunis est représentée par ZL dans la figure la. Afin que le bec ne produise pas de décollement à la paroi et de pertes par des remous, sa direction moyenne doit se rapprocher de la direction Z1. Afin que pendant l'action réciproque dos deux courants x et y tous les filets liquides puissent réagir les uns sur les autres de même manière, le courant tournant y doit épouser le courant d'entrée x suivant la même largeur.
Pour la m6me raison. les parois latérales de la bâche spirale ne doivent pas
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présenter de discontinuité à cet endroit.
La figure Ib contre les sections 1 - 2 - 3 - 4 - l' et 2' traversées par le fluide sur son parcoure déplie l'entrée dans la bâche 1 jusqu'à la section où
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l'alimentation d la roue motrice ect ti:=1=n5=.
La fiGure le èO"l:2 U-=-..'J rr;-::-::"<:8 .tJ.-r;-1):- L:'""1&..?hiue de la diminution des surfaces d? ces '5ect''.crc t:.:.v:-;r: 02±: ro représente la gr-andpur .- lu section ,,l''nt;re 1. Comice on le voit sur la figure la, l'eau. oo:.i.i3nc3 à alimenter la roue à partir C la section t o 1,= satface, qui avait la valeur F1 dans la section 3 diminue
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jusqu'à 0 pendant le dernier tour, qui corresond la période d'alimentation marqués de la lettre p sur la figure le. Toute la quantité d'eau qui passe à travers FI entre pendent ce parcours p dans la roue. La surface de la section F1 détermine alors les conditions d'écouleront avant la roue et les angles d'entrée dans celle-ci.
La figure 2a montre l'écoulement dans la même bâche spirale pour un autre régime, qui correspond à un faible débit. Le courant d'amenée x qui entre en 1 commence à couler dans la bâche spirale. Mais, étant donné que la roue motrice débite moins (parce cue, par exemple, ses aubes motrices présentent une inclinaison moindre ) le courant d'entrée tout entier, après avoir décrit un tour dans la bâche, poursuit son chemdin avec une vitesse accrue, constituant maintenant le courant y qui tend à rejeter vers la gauche la direction comune des deux cou-
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ra.-'1.t::: x et y 7-lân,,e après uns deuxiE3.,,;e tour le courant fluide n'a pas encore pu alimenter la roue, mais la troisième spire y' du courant se superpose à la deuxième spire y.
Ce n'est qu'après un parcours supplémentaire d'un cuart de tour, que l'alimentation de la roue commence (fans la
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section 2" ; elle se poursuit pendant tout un tour et se termine en 2''; L'action réciproque de courant d'amenée x et des spires successives y et y' est déterminée comme dans le cas de la figure la par les conditions de pression et par les quantités de mouvement contenues dans les courants x, y et y'.
Etant donné que la vitesse des courants y et y' est beaupoup plus grande que celle du courant d'amenée x (les vitesses sont dans le rapport inverse des sections 1, 1' et 1") et que le débit des diverses spires est toujours le même, la quantité de mouvement des courants y et y' est plus grande que celle du courant xo La direction commune d'écoulement Z2 est déterminée presque entièrement par l'action des courants y et y' : il est donc nécessaire qu'on prévoie le section R entre le bec S et la roue L (figure ld), section que les courants y et y' doivent traversera assez grande pour ne pas créer des pertes par étranglement. En outre le courant y doit épouser suivant la même largeur le courant d'amenée x comme- dans le cas de la figure la et la direction moyenne du bec S doit se rapprocher de la direction Z2.
Pour donner des conditions favorables pour tous les régimes, la direction moyenne du bec doit être située entre les directions extrêmes de Z1 et Z2 pour les différents régimes envisagés. Pour éviter des remous et des pertes par tourbillonnements, le bec doit être construit de telle manière que des espaces d'eau morte ne puissent se former à la réunion des courants x et y. Il doit donc être terminé par une arête effilée (en cas de turbine ) ou doit commencer avec une arête arrondie (en cas de pompe).
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La figure 2b montre la forme des sections traverséespar le fluide depuisson entrée dans la bâche jusqu'à$de la section où l'alimentation terminée, la roue est Eo 1,
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2, 3, 4, bzz' 2f, 3, 41, 1", 2", 5", 4" et 1111
La figure 2c montre en représentation graphique la variation des surfaces des sections traversées.
Fo est la section d'entrée dans la section 1. On reconnaît que cette section y diminue rapidement dans les sections 2 et 3 à cause de l'action des courants y1 et comme décrit plus haut. A partir de la section 5 les surf aces des sections restent sensiblement de la même grandeur pendant plusieurs tours et présentent seulement des ondulations décroissantes.
L'eau qui tourne dans l'intérieur de la bâche réalise un écoulement avec potentiel de vitesse ; elle est successivement un peu accélérée (au
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passage des sections 4 et 4' ) ou ratardée(au7-pass--ge des sections 2' et 2").Pour éviter des décollements et des tourbillonements du fluide pendant que l'eau tourne dans la bâche, celle-ci doit être constituée de monière que les variations des sections traversées se fassent sans discontinuités et que la divergence des filets liquides pendant les périodes de retardemnt ne dopasse pas une valeur admissible, A partir de la section 2" l'alimentation
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de la roue, CO.lence t38RÉiaR.s-t#-.s81:l!l;
!,et sc poursuit pendant un tour, c'est-à-dire penant la période d'alimentation po La section F2 détermine l'écoulement avant la roue motrice et l'angle d'entrée dans la roue.
Les figures 3a et 5b montrent la comparaison des périodes d'alimentation p pour les régimes des figures la et 2ao La figure 3a correspond au cas de la figure la, c'est-à-dire à un régime à grandedibit, la figure 3b au cas de la figure 2a, c'est-à-dire au
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petit débit. La rapidité du décroissements des sections parcourues est une grandeur qui daract6rise qhaque bâche spirale et qui détermine tout l'écoulement avant la roue et les angles d'entrée dans celle-ci. Dans la figure 3a la section initiale F1 est à peu près trois fois plus grande que la section initiale F2 dans la figure 3b.
Les vitesses d'écoulement étant dans les deux cas du même ordre de grandeur, on voit donc que pendant la période d'alimentation, la roue est, dans les cas de la figure 3a, une alimenté avec/quantité d'eau qui est sensiblement le triple de celle mise en jeu dans le cas de la figure 3b ; en conséquences, les angles d'entrée sont plus grands dans le cas de la figure 3a que dans le cas de la figure 3b.
Dans le cas de la figure 3a l'eau fait un tour et demi jusqu'à ce que l'alimentation de la roue motrice soit terminé, dans le cas de la figure 3b elle fait au contraire trois tours et quart. Si toate la quantité d'eau qui entre, devait alimenter la roue pendant un seul tour comme ceci est le cas dans les bâches spirales clae- siques avec distributeur, les sections traversées par l'eau suivraient la courbe pointillée des figures 3a et 3b.
Toute la section d'entré Fo devrait tomber à 0 pendant un seul tour.
Au contraire dans une bâche spirale sans distri- buteur ni organe de réglage, d'après la présente invention on trouve une loi de décroissance des sections tout à fait différente et variable diaprés le régime, comme représenté dans les figures 3a et 3b et décrite ci-dessus, cette loi correspondant d'une part à la réaction de la roue et d'autre part au fait que l'écoulement se produit en spires plus ou moins nombreuses suivant les régimes.
On vient donc de montrer qu'une bâche réalisée selon l'invention produit des effets tout fait
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différents selon les régimes. On arrive ainsi à réaliser uns bâche donnant un angle d'entrée variable dans la roue et agissant donc sensiblement comme une bâche avec distributeur à directioes mobiles.
La direction d'écoulement Z à l'aval du bec S résulte de l'action réciproque des courants x et y.
Ellà peut varier dans une assez grande proportion suivant les conditions de pression et de quantité de mouvement dans les courants x et y. Il se produit un " écart angulaire " dans un sens ou dans l'autre par rapport à la direction géométrique du bec, analogue à celui connu à la sortie de l'aubage d'une roue de turbine par exemple ; c'est-à-dire que la direction du courant y s'écarte de la direction géométrique du dernier élément du bec à l'aval de celui-ci.
Cet écart angulaire rend 1'écoulement régulier dans la bâche, bien que les pressions et les vitesses puissent'être assez différentes de part et d'autre du bec So
Il importe que cet écart angulaire soit sensiblement le même sur toute la hauteur de l'arête du bec S, sans quoi par suite de l'orientation différente des vitesses, des tourbillons parasitaires viendraient se greffer sur l'écouelement principal. Ces tourbillons secondaires présentent une grande analogie avec les tourbillons marginaux qui se produisent dans les ailes d'avions ou dans les hélices, mais ces tourbillons ici étant ramenés dans l'écoulement principal après un tour dans la bâche, c'est une fraction très importante de l'écou- lement qui serait perturbée par leur présence.
Dans une bâche spirale réalisé suivant l'inven- tion l'écart ahgulaire sans tourbillons, variable avec le
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régime peut être comparé à l'effet que produirait une pale régulatrice au voisinage du bec S et c'est pourquoi les résultats obtenus sont très voisins de ceux que l'on obtient avec un distributeur à aubes mobiles.
L'écoulement qui se produit dans une bâche spirale réalisé d'après la présente invention en suivant les principes expliqués ci-dessus, est sensiblement un écoulement avec potentiel des vitesses à faibles pertes.
Il est donc sans remous bien qu'il ne soit plus rigureusement giratoire mais, au contraire plus ou moins ovaloïde, Dans l'espace R entre le bec S et la roue motrice L cet écoulement se transforme à peu près en un écoulement giratoire, de telle manière que l'alimentation de la roue motrice se fait dans des conditions favorables. Les pertes par frottement dans la bâche spirale restent petites pour la raison suivante : - A pleine charge la vitesse est grande, mais le fluide n'exécute qu'un seul tour., - A faible charge; le fluide exécute plusieurs tour mais l'eau glisse sur l'eau. Les pertes par frottement res- tent ainsi faibles en tous les cas.
De plus, on réalise l'avantage que les peretes par frottement et tourbillonnements, qui sont inhérentes à un distributeur à aubes fixes ou mobiles ou à un organe de réglage dans l'intérieur de la bâche, sont supprimées dans une bâche d'après l'invention. Enfin la possibilité d'obstruction par des corps flottants est très réduite,
En gardant les propriétés de la présente invention, la " bâche spirale (G) sans distributeur ni organe de réglage, permettant grâce à un espace (R) ménagé entre le bec (S) et la roue (L) un écoulement à faibles pertes en spires qui sont plus ou'moins nombreuses
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selon le régime déterminé par la roue ". peut être construite tout à fait différemment suivant les sections choisies et le trajet qui est imposé aux filets liquides moyens.
Dans les figures 4 à 18 plusieurs possibilités scat re- présentées pour le cas d'une turbine à eau , à savoir :
Figure 4 - Bâche spirale avec spirale plane comme généra- trice et sections rectangulaires de hauteurs constantes.
Figure 5 - Bâche spirale avec spirale conique comme géné- ratrice, et sections rectangulaires de hauteurs constantes.
Cette forme répond au cas connu du distributeur conique.
Figure 6 - Bâche spirale à spirale cylindrique comme géné- ratrice et des sections rectangulaires de hauteurs constantes.
Figure 7 - Bâche spirale avec spirale conique montante comme génératrice et sections rectangulaires de hauteurs con- stantes.
Figure 8 - Bâche spirale avec spirale comme génératrice et sections trapézoïdales de hauteurs croissantes. plane
Figure 9 - Bâche spirale avec spirale/comme génératrice et sections trapézoïdales de hauteurs décroissantes.
Figure 10 - Bâche spirale avec spirale conique montante comme génératrice et sections librement choisies de hauteurs décroissantes.
Figure 11 - Bâche avec spirale conique comme génératrice et sections arrondies de hauteurs constantes.
Figure 12 - Bâche spirale avec spirale cylindrique comme génératrice et sections arrondies de hauteurs constantes.
Figure 13 - Bâche spirale avec spirale conique comme géné- ratrice, sections courbes de hauteurs décroissantes et avec arête du bec courbe.
Figure 14-Bâche spirale avec spirale conique comme géné- ratrice , sections rectangulaires de hauteurs décroissantes et avec arête du bec ployée suivemt un angle.
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Figure 15 - Bêche spirale avec spirale plane comme génératrice , sections rectangulaires de hauteurs décroissantes et avec arête du bec ployée suivant deux angles.
Figure 16 - Bâche spirale avec spirale plane comme génératrice, sections arrondies de hauteurs décroissantes et avec arête du bec arrondie.
Figure 17 - Bâche spirale avec spirale plane comme génératrice, sections rectangulaires de hauteurs décroissantes, avec arête du bec ployée suivant deux angles et parois latérales con- sti tuées par des surfaces cônoïdes (et non par des surfaces de révolution).
Figure 18 - Bâche spirale avec spirale plane comme génératrice , sections ovales de hauteurs décroissantes, avec arête du bec ovale et parois latérales constituées par des surfaces @ coniques ovales ( et non par des surfaces de révolution).
Pour arriver au but et à l'effet de la présente invention, il n'est pas nécessaire que le plan bissecteur du bec passe entre les directions extrêmes des vitesses Z1 et Z2 pour autant que les limites admissibles de l'écart angulaire ne soient pas dépassées.
De plus, il n'est pas nécessaire, que la bâcha spirale possède une hauteur constante comme dans les figures 4 - 5 - 6 -7 et 11 et 12. Elle peut être construite avec hauteur variable d'après les figures ld - 8 - 9 - 10 - 13 - 14 - 15 - 16 - 17 et 18.
L'arête du bec n'est pas obligatoirement rectiligne, comme dans les figures 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 et 10. Elle peut être courbe, comme d'après les figures 11 - 15 - 17 et 18, ou ployée en présentant un angle ou deux angles ou enun contour polygonal, comme sur les figures 14 - 15 - 17 et 18. Dans ces derniers cas, la partie finale de la spirale, c'est-à-dire le bec, a la forme d'une cuillère qui pénètre dans la tubulure d'entrée. Il est
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essentiel que cette partie en forme de cuillère soit baignée par le fluide sur la même longueur des deux côtés.
Les parois latérales de la bâche sont généralement des surfaces de révolution mais ceci n'est pas absolument nécessaire.
On peut choisir comme paroi latérale une surface quelconque qui épouse l'écoulement d'un certain régime, par exemple me surface se rapprochant d'un cône, comme dans la figure 17,on ovaloïde comme dans la figure 18.
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La possibilité de variations de formes, n'est point épuisée avec les exemples mentionnés. On peut s'éloigner complètement de la tradition des bâches spirales classiques et établir les formes les plus favorables au point de vue hydraulique pourvu que l'on applique les principes de la présente inventionp Les formes géométriques les plus compliquées sont facilement applicables, parce qu'aucun distributeur,fixe ou mobile, n'est situé dans lespace A avant la roue, ni aucun organe de réglage à l'intérieur de la bâche spirale au commencement du parcour spiraloide de l'eau., On n'est donc jamais forcé de renoncer à la forme reconnue la meilleur au point de vue hydraulique pour une raison de fabrication ou de montage de différents organes de réglage.
La bâche spirale ne doit pas être entièrement fermée, mais peut posséder d'un côté une surface lib re.
Par exemple, on pourrait supprimer la paroi supérieure dans la figure 4 ou 8 et faire couler le fluide dans la spirale avec surface libre.
Pour des raisons de résistance des matériaux il peut être nécessaire de placer dans l'espace A avant la roue, des entretoises, mais celles-ci doivent âtre profilées et orientées soignausement pour troubler les moins possible l'écoulement.
Il se comprend de soi-même que la bâche spirale d'après l'invention est applicable non seulement pour des turbines, mais aussi pour des turbo-pompes à régime variable. Dans ce cas tous les écoulements dans la bâche se produisent à l'inverse comme de ceux décrits ci-dessus.
De plus on peut employer comme agent moteur tout fluide : liquide, gaz ou vapeur.