Procédé pour convertir de l'énergie hydraulique en travail utile et turbine<B>à</B> action <B>pour</B> son application. Les turbines hydraulique,-, dites turbines a action, présentent des avantages sur les turbines a réaction<B>à</B> de nombreux points de vue<B>et</B> cil particulier en ce sens qu'elles ont un bon rendement clans des conditions de<B>dé-</B> bit variable et évitent la corrosion nuisible qui se produit fréq#eininent dans les turbines <B>à</B> réaction.
Toutefois, l'application des tur bines<B>à</B> aetion a été, limitée aux installations à hauteur de chute relativement élevée en rai son de leurs nombres de tours spécifiques relativement faibles, étant donné que ces faibles nombres de tours spécifiques auginen- tent les dimensions des pièces et rendent exeessif le coût initial de l'installation en in fluençant, non seulement les turbines, mais, en outre, les génératrices ou autres machines actionnées par elles, et <B>la</B> station de force mo trice entière.
Par le terme ,turbine<B>à</B> action' on en tend une turbine dans laquelle un jet libre agit sur les aubes du rotor, l'énergie dûe <B>à</B> la hauteur de charge étant convertie en éner gie cinétique avant que l'eau pénètre dans le rotor et dans laquelle l'eau comporte des sur- fa,ces libres et exposées<B>à</B> l'air pendant son passage<B>à</B> travers le rotor.' Or la présente invention concerne'un pro <B>cédé</B> et une turbine<B>à</B> action pour convertir de l'énergie hydraulique cil travail utile -aussi bien dans le cas de chutes élevées' que de chutes moyennes,
la turbine pouvant avoir un nombre de tours spécifique élevé,'Ilii per mettant de remplacer les turbines<B>à</B> réaption dans un grand nombre d'installations dans lesquelles, selon la pratique antérieure, on il aurai it utilisé que des turbines <B>à</B> réaction.
Le procédé suivant l'invention consiste en ce<B>-</B>qu'on donne au courant d'eau la forme d'un jet annulaire libre, et interpose des aubes de rotor dans ce jet de f açon que les aubes soient soumises d'une façon continue <B>à</B> l'action dudit jet d'un bout<B>à</B> Fa-ut#e de leur révolution.
La turbine<B>à</B> action suivant l'invention comporte un rotor muni d'une série circu- laÏre d'aubes et un conduit d'amenée présen tant un orifice annulaire qui 'dirige ùn jet annulaire continu vers toutes les aubes, si_ multanément.
Diverses formes d'exécution de l'objet de l'invention sont représentées,<B>à</B> titre d'exem ple, au dessin annexé dans lequel: La fig. <B>1</B> est une coupe verticale d'une première forme d'exécution suivant la ligne (fig. la) d'une turbine<B>à</B> arbre vertical; La fig. la est un plan de la turbine<B>de</B> la fig. 1; Les fig. 2 et<B>3</B> représentent d'autres for mes d'exécution en coupe; La fig. 3a est -un plan de la turbine re présentée<B>à</B> la fig. <B>3;</B> La fig. <B>3b</B> est une coupe d'un rotor de cette turbine;
La fig. 3e est un plan du rotor; La fig. 3(l est une- coupe cylindrique des aubes du rotor suivant la ligne I-1 de la fig. <B>3b;</B> Les fig. 3e et<B>3f</B> sont respectivement des coupes coniques (lu rotor suivant les lignes 11-Il et 111-III de la fig. 3b; La fig. 4 est une coupe verticale d'une autre forme d'exécution d'une turbine munie d'un mécanisme déviaieur;
La fig. 4a est un plan représentant le dispositif déviateur de<B>la</B> fig. 4 et son mé canisme de commande; La fig. <B>5</B> est une coupe verticale d'une turbine<B>à</B> arbre horizontal; La fig. <B>6</B> est une coupe verticale d'une turbine double<B>à</B> arbre horizontal.
Dans la forme d'exécution représentée<B>à</B> la fig. <B>1,</B> le rotor<B>B</B> est muni d'un arbre verti cal<B>8</B> et d'un moyeu<B>E</B> portant les aubes B disposées entre le cercle interne<B>7</B> et l'enve loppe ou cercle externe<B>8.</B> Le passage de l'eau dans ces aubes s'effectue de haut en bas clans une direction qui, dans le cas des turbines établies pour des vitesses spécifiques très élevées, n'est inclinée que d'un angle mo déré par rapport<B>à</B> la direction axiale. Dans ces turbines<B>à</B> vitesse très élevée, les aubes sont inclinées vers l'avant, dans le sens 'de la rotation du rotor,<B>à</B> leurs bords d'entrée.
Dans les turbines<B>à</B> vitesse spécifique plus modérée, le jet est incline suivant un angle plus grand par rapport<B>à</B> la direction axiale, et les aubes sont recourbées de façon que leur direction, aux bords d'entrée, soit presque axiale, comme le montrent les fig. <B>3d à</B> 3f.
L'eau est dirigé sur les aubes<B>à</B> la façon d'un jet libre<B>J</B> ayant la forme d'une nappe d'eau annulaire contenue entre une surface interne et une surface externe de révolution et continue sur la périphérie<B>(_</B> mtière du rotor. Le jet<B>J</B> est formé par une tuyère annulaire <B>N</B> constituée par une boîte<B>9</B> passant autour de l'arbre S et présentant un orifice annu laire<B>10</B> débouchant vers le rotor<B>B.</B> Le cou rant d'eau peut être introduit dans cette boîte de toute manière désirée et, dans l'exemple particulier représenté, cette boîte a la forme ,enérale d'une,
spirale on volute dont la sec tion transversale varie autour de la eircon- férenee. Les bords de guidage extrêmes<B>11,</B> 12 de la boite font avec, l'orifice<B>1.0</B> des angles suffisants pour obliger le jet<B>J<I>à</I></B> se contrac ter cri section en aval dudit orifice par la cenvergence des lignes de courant. De cette façon, dans la section de. vitesse maximum, <B>le</B> jet est libre et n'est pas en contact avec des surfaces de guidage.
Les directions des lignes de courant du jet<B>J</B> peuvent être telles que leurs composan tes méridiennes soient parallèles<B>à</B> l'axe du rotor, inclinées vers l'intérieur ou inclinées vers l'extérieur. Dans l'un et l'autre des deux derniers cas. le jet affecte une forme géné ralement conique, au lien de la forme ap proximativement cylindrique représentée sur les figures.
Le rotor de la turbine décrite est particulièrement établi pour des vitesses de rotation spécifiques élevées, et, lorsqu'il P4 établi pour des vitesses<I>très</I> élevées, ses au bes<B>B</B> sont inclinés suivant des angles rela tivement grands par rapport et transversale ment aux lignes de courant de façon qu'un faible accroissement de mouvement déterminé du jet dans une direction faisant un angle faible avec l'axe corresponde<B>à</B> un mouvement de rotation relativement grand<B>du</B> rotor.
Les composantes de courant tangentielles du jet kn délivré sont obtenues<B>à</B> l'aide d'aubes direc trices 14,<B>16,</B> disposées dans la boîte<B>9</B> en amont de. l'orifice<B>10,</B> ces aubes présentent dans la fig. <B>1</B> la forme d'aillettes courbes ou inclinées faisant saillie sur les parois interne et externe. Quoique les composantes de cou rant tangentielles du jet libre soient en<B>géné-</B> ral modérées en grandeur, elles sont néces saires pour permettre au rotor de développer le couple désiré tout en permettant<B>à</B> l'eau de quitter le rotor dans des directions aussi rapprochées que possible de plans méridiens, c'est-à-dire de plans passant par l'axe de la turbine.
En construisant la rotor pour des vitesses circonférentielles élevées et pour un couple faible correspondant, les composantes de mouvement tangentielles du jet peuvent être maintenues<B>à</B> des valeurs modérées en comparaison des composantes axiales du courant.
On règle la turbine en faisant varier l'épaisseur du jet<B>J,</B> par exemple en augmen tant ou diminuant la section transversale de l'orifice<B>10,</B> par exemple<B>à</B> l'aide d'un plon geur annulaire P conformé de façon<B>à</B> pré senter un bord circulaire s'engageant dans l'orifice et pouvant se mouvoir de façon<B>à</B> faire varier la quantité d'eau traversant cet orifice.
Dans la, forme -d'exécution représen tée<B>à</B> la fig. <B>1,</B> le plongeur P peut être appli qué eontre les bords de l'orifice<B>10</B> de façon <B>à</B> couper complètement liadmission, ce plon geur étant actionné par plusieurs pistons<B>17</B> actionnés par du fluide sous pression et se mouvant dans des cylindres<B>18</B> montés sur la boîte<B>9,</B> ces cylindres étant reliés au plon geur par des barres<B>19.</B> Le fluide sous pres sion destiné<B>à,</B> ces pistons est contrôlé par le dispositif régulateur -de la turbine.
En -raison du mouvement giratoire com muniqué au jet par les aubes directrices in clinées 14,<B>15,</B> il faut avoir-soin de donner <B>à,</B> la tuyère une contraction suffisante pour qu'il n'y ait pas de diffusion du jet avant le point où il pénètre clans le rotor R. En par ticulier, la contraction doit être considérable <B>à la,</B> surface externe du<B>jet,</B> étant donné que le profil du jet, dans le cas d'une série de lignes droites inclinées, serait un hyperboloïde de révolution.
Le jet doit être formé de fa çon<B>à</B> se contracter en section jusqu'au mo ment où il pénètre dans le rotor<B>B.</B> E con vient que le ,cercle de gorge" de l'hyper boloïde soit situé au point d'entrée du rotor ou au-dessous de ce point et, d'autre part, que par suite de la contraction donnée au jet par la tuyère le profil du jet tombe<B>à</B> l'ex térieur de l'Uypeîboloïde et entre graduelle ment en coïncidence avec lui ou s'en approclie <B>à</B> l'entrée du rotor.
La turbine décrite est capable de pro duire des vitesses spécifiques extrêmement élevées,<B>à</B> savoir de cinq<B>à</B> dix fois plus grandes que celles réalisées jusqu'à ce jour dans les turbines<B>à</B> action, et l'on obtient en même temps des rendements élevées. Les pertes dfies- au frottement superficiel sont considérablement diminuées en comparaison d'une turbine<B>à</B> réaction, étant donné que le jet, quoique se mouvant<B>à</B> une vitesse plus élevée que celle communément usitée dans les turbines<B>à</B> réaction, c'est-à-dire<B>à</B> une vitesse correspondant, dans ce casa<B>à</B> la hauteur de charge initiale entière, n'est pas en contact avec des surfaces fixes au moment où il se meut<B>à</B> sa vitesse élevée.
La tuyère étant établie de façon que sa contraction soit con sidérable, l'eau n'atteint sa vitesse entière qu'au moment où elle s'est écartée de la sur- face de la tu- yère, et se meut alors au contact de l'air jusqu'au moment où elle pénètre dans le rotor.
Dans celui-ci, elle n'est en contact qu'avec les faces des aubes<B>B,</B> car elle est en contact avec l'air sur trois des côtés du jet lûrsque celui-ci passe<B>à</B> travers le rotor, les aubes étant formées de façon que leurs faces arrière soient, écartées du courant d'eau. On se propose d'obtenir des vitesses de rotation élevées du rotor et on aura, par conséquent, des vitesses relatives élevées entre l'eau et les aubes du rotor, mais la diminution de l'étendue de la, surface exposée<B>à</B> Peau em- jAchera la perte par frottement superficiel de devenir exagérée.
'Un (les avantages de la tui#bine <B>à</B> action décrite est que, tout en assurant les avan- ta.-es hydrauliques qui viennent d'être dé- ci-ifs, elle conserve nue des propriétés avan- tageuses de la turbine<B>à</B> action comportant des tuyères<B>à</B> pointeau<B>à</B> jet circulaire,<B>à</B> sa voir de l'emploi d'une tuyère pouvant être usinée exactement par des opérations<B>de</B> per çage et de tournage et agencée de telle façon (lue le plongeur puisse être appliqué contre ses sièges avec une pression considérable et assurer ainsi une fermeture étanche.
La fur- bine est de construction simple, capable d'être fabriquée économiquement et ne comporte qu'un petit nombre de pièces mobiles. Cette foi-me, de turbine permet d'obtenir des nom bres de tours spécifiques de<B>33,5</B> et plus, #.ons que ceci implique des facteurs quelcon ques qui rendraient impossible un rendement élevé.<B>Il</B> sera même possible d'obtenir des nombres de tours spécifiques ai-teignant <B>50</B> sans porter atteinte au rendement d'une fa- çc;n exagérée.
Ceci rend possible d'employer des turbines<B>à</B> action dans un grand nombre de lieux oit les turbines<B>à</B> réaction étaient actuellement le seul type de turbine pouvant être employé.<B>Il</B> sera fréquemment très dési rable d'employer des turbines<B>à</B> action au lieu de turbines<B>à</B> réaction pour des chutes modérées.
Dans le cas de chutes de<B>60</B> mètres, par exemple, il se, produit quelquefois une oc--rrosion dangereuse dans les turbines<B>à</B> n'action. Une des causes -principales de la (#f#rros]oII réside dans le fait que l'eau se meut à une vitesse élevée dans des conduit' s fer- niés, de sections<B>et</B> de courbures wriables. Dans des conduits de et, genre,
il existe fré quemment clés points où la vitesse locale est élevée et où la pression, d'une façon eorres- pondante est faible, et, il en résulte des cou- difions favorables<B>à.</B> la corrosion hydraulique. Dans la turbine à action, le courant est ex- I)n:,é -Û, l'atmosphère ou<B>à</B> l'air sous une pres- sinii qui ne diffère pas beaucoup de la, prés- sÀon atmosphérique et il ne se produit pas une grande, corrosion hydraulique.
Cette fur- bine est en outre avantageuse dans le cas où elle est appliquée<B>à</B> des groupes moteurs ex trêmement puissants travaillant sous de,% chutes modérées, par exemple dans<B>le</B> cas de chutes comprises entre<B>150</B> et<B>300</B> mètres et de groupes moteurs voisins de<B>50,000</B> HP. Dans ces conditions, les turbines<B>à</B> action an térieures ont des nombres de tours spécifi ques trop faibles pour pouvoir être utilisées, étant donné que la vitesse réelle serait si faible qu'elle exigerait une installation très coriteuse. Dans les mêmes conditions,
on em ploie communément des turbines<B>à</B> réaction niais celles-ci présentent des inconvénients dans un grand nombre de cas en raison de la corrosion, de l'usure rapide et<B>de</B> la perte de rendement qui résulte de l'accroisse ment des fuites pendant la durée de la tur bine.
Dans la forme d'exécution représentée<B>à</B> la fig. 2, le plongeur P' est constitué par un anneau creux comportant un coin annulaire 20 se mouvant de façon<B>à</B> régler l'admission par l'orifice<B>10.</B> Le corps du plongeur forme un piston annulaire s'adaptant entre les pa rois 21,<B>-92</B> du cylindre constitué par la boîte, ce piston étant aetionné par une pression de fluide régnant dans l'espace situé au-dessus de lui. Une capacité de cylindre seconda-ire <B>26</B> est prévue pour faciliter l'ouverture du plongeur.
Lorsqu'on admet<B>du</B> fluide sous pression dans cette capacité, ce fluide agit sur le rebord externe<B>27 du</B> plongeur P' et son action s'ajoute<B>à</B> la force ascendante exer cée par l'eau sur la, face inférieure du plon geur. La hauteur de l'assemblage coulissant prévu entre le plongeur et les rebords peut être faite aussi élevée qu'il est désirable pour éviter que le plongeur s'incline ou se coince. Des aubes directrices 9-4,<B>25</B> s'étendent de la boîte aux parois 21, 22 transversalement aux lignes de courant et communiquent le mou- veinent giratoire désiré, au jet.
Dans la fig. <B>3,</B> la boîte<B>29</B> présente un orifice<B>M</B> dirigé radialement vers l'intérieur et en travers duquel se meut un plongeur P2 dont l'e-.##trémité inférieure<B>31</B> est recour bée de façon<B>à</B> faire tourner le jet pour le diriger axialement; vers le rotor R placé au- dessous. Le mouvement axial du plongeur P2 a pour effet de faire varier la section de l'orifice<B>30</B> et, par suite, la section du jet, qui continue<B>à</B> formet une nappe d'eau cir culaire et varie simplement d'épaisseur.
Le plongeur P' s'adapte par sa partie supérieure <B>32 à</B> l'intérieur d'une chambre 33 de façon. qu'il soit contrôlé par du fluide sous pression., Dans l'un et l'autre exemples des fig. <B>-9</B> et<B>3,</B> le mouvement ascendant du plongeur peut être<B>dû à</B> la pression exercée par Peau.sur la face du plongeur, la pression exercée au- dessus étant supprimée et, dans le but<B>d'é-</B> carter initialement<B>le</B> plongeur de son siège, ce plongeur peut être établi de façon que, lorsqu'il est fermé, il se prolonge au delà de son siège 34.
Comme représentë, on peut encore prévoir une capacité secondaire<B>35</B> pour obtenir ou augmenter la force ascen sionnelle nécessaire.
Dans les fig. <B>3 à 3f,</B> on a représenté une forme de rotor comportant des aubes B pro pres<B>à</B> être utilisées dans une turbine du genre décrit. Si l'on désirait une vitesse spéci fique extrêmement élevée, on modifierait la forme des sections d'aubes représentées dans les fig. 3(l <B>à</B> 3f cri inclinant les bords d'en trée vers l'avant, dans le sens de la rotation.
Lorsque le réglage de la turbine par lit contraction du courant est susceptible de don ner lieu<B>à</B> des variations de pression exagérées <B>à</B> cause des variations brusques de la charge, on peut prévoir un dispositif déviateur ser vant<B>à</B> détourner temporairement une partie du jet. Les fig. 4 et 4a représentent la tur bine munie d'un dispositif déviateur annu laire<B>D</B> comprenant un anneau<B>d</B> qui peut être déplacé axialement et introduit dans<B>le</B> jet dans le but de faire dévier une nappe d'eau annulaire et de lui faire contourner le rotor.
Dans le cas de variations. de charge brusques, le dispositif déviateur agirait tem porairement de façon<B>à</B> régler l'admission au rotor, l'action de ce dispositif étant suivie du réglage du plongeur<B>à</B> mouvement plus lent. Dans la forme d'exécution particulière représentée, l'organe déviaieur <B>d</B> est supporté par un anneau 40<B>à</B> l'aide de nervures d'en- tretoisement 41, et l'anneau 40 est actionné par le cylindre<B>à</B> fluide comprimé 42 et le mécanisme de transmission représenté. L'an- neau 40 est guidé par des<B>goujons</B> verticaux 43 qui sont portés par la boîte de la turbine.
Au lieu d'un organe déviateur, la turbine peut être munie d'une valve de décharge ou d'une tuyère<B>à</B> communication directe sà-Pa,- rée, reliée, au canal d'amenée ou<B>à</B> la boîte.
Dans la fig. <B>5</B> est représentée une turbine <B>à</B> arbre horizontal, l'eau pénétrant par la base dans la boîte d'admission 49 en forme de volute, passant<B>à</B> travers le rotor e et étant reçue par la boîte d'évacuation<B>52</B> et conduite vers le bas<B>à</B> travers le plancher de la station. L'arbre horizontal<B>S'</B> est sup porté par des paliers<B>50, 51,</B> l'un d'eux,<B>50,</B> étant un palier de butée destiné<B>à</B> supporter la composante axiale de l'impulsion du jet. La boîte d'évacuation<B>52</B> a la forme d'une spirale double, Yeau sortant du rotor étant entraînée dans des directions approximative ment tangentielles par deux surfaces héli coïdales qui se développent dans. la direction axiale.
Les deux spirales ou hélicoidales s'étendent depuis une arête séparatrice en forme de coin<B>53</B> disposée verticalement au- dessus de l'axe de la turbine et délivrent l'eau vers le -bas<B>à</B> un conduit 54 prévu dans la fondation. La fig. <B>6</B> représente une turbine<B>à</B> arbre liorizonial 12 comportant une boîte com mune<B>59</B> délivrant des jets annulaires dans des directions opposées<B>à</B> deux rotors R' dis posés symétriquement. Deux boîtes d'éva cuation<B>62,</B> similaires<B>à</B> celle de la fig. <B>5,</B> reçoivent l'eau sortant du rotor.
Les pous sées axiales des deux rotors sont équilibrées, ce qui constitue un avantage de la turbine <B>à</B> arbre horizontal en ce sens qu'on évite ainsi la nécessité de prévoir un palier de bu tée de grandes dimensions.
Dans les conditions usuelles, la turbine décrite est établie pour un jet d'une épaisseur égale environ au dixième de son rayon ex terne mais, dans le cas de nombres<B>-</B> de tours spécifiques très élevées, la turbine sera éta blie pour une épaisseur de jet atteignant le quart et même le tiers du rayon e:kterne <B>du</B> jet.
Dans la turbine<B>à</B> injection du genre<B>dé-</B> crit l'admission<B>à</B> toutes les aubes du rotor cst obtenue et réglée d'une façon continue par un jet unique et un dispositif de réglage <B>à</B> plongeur unique, qui accomplissent ainsi le travail d'un certain nombre (le jets et des dispositifs de réglage correspondants usuels des turbines<B>à</B> action coniries, dans lesquelles les jets agissaient tout au plus sur les aubes du rotor pendant une faible partie de leur mouvement. On évite ainsi la perte résul tant de la course<B>à</B> vide des aubes.
La tur bine décrite est en outre avantageuse en rai- son-de sa construction simple et compacte et de ]!obtention d'un nombre de tours spéci fique considérablement augmenté, permettant de diminuer les dimensions de l'installation entière et, par suite, le coût de cette installa tion pour une production de puissance donnée.