Turbine hydraulique. La présente invention est relative à une forme constructive perfectionnée de turbine hydraulique à réaction qui est principalement aménagée pour donner du travail à grande vitesse spécifique, tout en réalisant légalement des caractéristiques d'applications plus géné rales. .
. Suivant'l'invention, la roue de la turbine qui présente une forme appropriée pour cou rant centrifuge (c'est-à-dire pour le passage de l'eau de l'intérieur à l'extérieur de la cou ronne mobile d'aubes) est combinée avec un arrangement de guidage ou de direction im primant à l'eau, avant son entrée dans l'es pace entouré par la couronne d'aubes de la roue de turbine, un mouvement tourbillonnant- dont le résultat est la production d'une forme de courant dans et à travers cette roue de nature à donner un grand rendement et une grande vitesse spécifique de travail.
Lorsqu'on veut produire cette forme avan tageuse de courant, les parties constructives de la turbine qui se combinent pour entourer l'espace dans lequel l'eau coule depuis les aubes directrices jusqu'aux aubes de la roue de turbine sont façonnées de manière à don ner aux limites de cet espace une forme hy- perboloïdale et l'arrangement de guidage ou de direction est tel qu'il imprime à l'eau un courant qui se rapproche de la ligne droite depuis le canal d'adduction jusqu'aux aubes de la roue de turbine.
La direction requise de courant clans la roue de turbine est donnée à l'eau par l'ar rangement de guidage ou de direction et elle persiste grâce à l'établissement d'un tourbil lon stable. Les lignes de courant sont alors formées de parties de spirales, mais celles-ci sont choisies de telle sorte qu'elles se coin- binent pour donner titi parcours qui se rap proche bien prés d'une ligne droite. Cette forme de courant a pour résultat de produire un court trajet pour l'eau et de réduire les frottements et les pertes par tourbillonne- ment.
Des formes d'exécution de l'objet de l'in- vention sont représentées a titre d'exemple au dessin ci-annexé dans lequel: La fig. 1 est une coupe axiale de la roue à aubes et des passages d'adduction d'une turbine qui est arrangée pour un seul afflux (c'est-à-dire pour afflux d'une direction axiale seulement) et dont l'arbre est vertical ; Les fig. 2 et 3 sont des vues par bout de roues de turbines ; Les fig. 4 et 5 sont des vues schémati ques faites dans le but d'indiquer le genre de trajet que décrit l'eau en affluant dans la roue de turbine et en traversant celle-ci;
La fig. 6 est une vue axiale en coupe partielle suivant la ligne 6-6 de la fig. 7 indiquant une forme constructive d'aube 1:é- glable de roue de turbine, et la fig. 7 est une coupe transversale faite suivant la ligne 7-7 de la fig. 6 ; Le fig. 8 est une vue axiale en coupe par tielle d'une autre forme constructive d'aube réglable de roue de turbine, et la fig. 9 est une vue en coupe transversale partielle faite suivant la ligne 9-9 de la fig. 8 ;
Les fig. 10 et 11 sont des coupes axiale et transversale faites respectivement suivant les lignes 10-10 et 11-11 et montrent en core une autre forme constructive de roue de turbine à aubes réglables; La fig. 12 est une coupe axiale représen tant l'arrangement d'une turbine à double afflux qui se monte sur un arbre vertical.
D'après la description donnée ci-après et par l'examen des dessins, on se rendra bien compte que, bien que les dessins indiquent des turbines Ù, arbre vertical, les constructions que l'on va décrire sont en majeure partie applicables également sur des turbines à arbre horizontal.
L'arrangement adopté pour la forme d'exé cution que représente la fig. l est celui dans lequel la chambre d'admission 20 est disposée au-dessous de la roue de turbine 21, ce qui procure l'avantage de réduire la poussée non équilibrée sur le palier de la turbine.
La roue de turbine est du genre repré senté fig. \? et 3, consistant en un corps en forme de disque qui comporte une couronne d'aubes 22 placées approximativement à angle droit sur lui. Ce disque peut être entaillé entre les aubes, par exemple comme indiqué fig. 2, dans le but de réduire le frottement par surface et le poids. La position des au bes directrices 23 dans la chambre d'admis sion 20 peut se modifier dans les limites con venables. Toutefois, il est désirable de les tenir écartées de quelque distance du plan d'entrée sur l'espace qu'entourent -les aubes 22 de la roue de turbine 21 ; car, sur ce plan, la section de passage de l'eau est mi nimum.
Il convient de donner à ces aubes directrices 23 des positions telles que celles représentées en traits pleins et en traits mixtes sur la fig. 1.
Sur la partie adjacente à la roue de tur bine 21, la chambre d'admission 20 présente une forme annulaire et, comme représenté, elle s'incline de sorte que l'eau qui afflue pour la traverser décrit un mouvement com prenant à la fois des composantes axiales et radiales, ainsi que l'indiquent les flèches sur la fig. 1. Ces flèches montrent aussi que les composantes sont choisies de telle sorte qu'un très faible changement de direction, comme on le voit par projection rectiligne dur un plan de coupe axiale (c'est-à-dire sur un plan contenant l'axe de la turbine), se produit en tre la sortie des aubes directrices 23 et l'af flux sur les aubes 22 de la roue de turbine.
En examinant les fig. 4 et 5; on consta tera qu'il y a aussi un très faible change ment de direction, comme on le voit en pro jetant les lignes de courant sur un plan trans versal, c'est-à-dire sur un plan à angle droit par rapport à l'axe.
Dans ces figures, la structure en question n'est représentée que d'une façon fragmen taire, car ce que l'on vise ici, c'est tout sim plement de donner des indications suffisantes pour permettre de bien se rendre compte du trajet moyen de courant d'eau qui franchit les aubes directrices 23 et qui traverse l'es pace intermédiaire pour venir sur les aubes 22 de la roue.
Les lignes droites et les ares de cercle indispensables pour indiquer la projection de points sont montrés par des lignes en traits interrompus tracées sur les deux fig. 4 et 5 ou .rattachant ces deux figures.
Le corps hyperboloïdal central 24 est formé par les parois internes des passages de guidage et par le moyeû de la roue de turbine dont la configuration correspondra ap proximativement à une forme de ce genre.
Le trajet moyen que décrit l'eau pour traverser les aubes directrices 28 et pour ve nir de là sur les aubes 22 de la roue de tur bine est représenté par trois projections dif férentes. La ligne 25 est la projection ortho gonale du trajet sur un plan axial qui est parallèle à la direction générale du trajet d'un bout à l'autre de la turbine. La ligne 26 est la projection du trajet sur le même plan axial que celui de la ligne 25, de ma nière à ne montrer que les composantes axiales et radiales combinées du trajet. La ligne 27 est la projection orthogonale du trajet sur un plan normal à l'axe.
Les mêmes chiffres de référence tracés sur ces lignes indiquent des points correspon dants de celles-ci. Les points 28 et 29 indi quent les positions d'une particule d'eau au moment où elle entre et au moment oii elle quitte l'anneau des aubes directrices dans la région située à mi-chemin entré une paire d'aubes et environ au milieu de la hauteur de l'aube. Le point 31 indique la position at teinte par cette particule lorsqu'elle est dans la région dans laquelle elle rencontre les au bes de la roue de turbine. Le point 20 in dique une position intermédiaire dans le tra jet de mouvement de la particule d'eau entre les aubes directrices et les aubes de la roue de turbine.
Le sens de rotation de la roue de turbine est indiqué par la flèche tracée au près du centre de cette roue. Si l'on consi dère l'hypothèse oii une aube 22 de la roue de turbine n'exerce point d'action sur cette particule d'eau, le trajet de celle-ci se pour suivra au-delà du point 31 comme indiqué par la ligne courbe 32. La rencontre de cette particule avec l'aube de la roue de turbine en vitesse normale a pour effet de détourner cette particule du trajet 32 pour l'amener sur le trajet 33.
La ligne courbe 34 montre le trajet décrit par la particule d'eau par rap port à l'aube de la roue de turbine avant de rencontrer cette aube et la ligne 35 indique le trajet suivi par la particule d'eau par rap port à l'aube au moment oii la particule d'eau quitte l'aube, l'effet de l'aube étant de détourner la particule du trajet relatif 36 (qui est une continuation du trajet 34 pour l'en voyer sur 1e trajet 35).
_ La ligne de projection 26 montre que l'es pace situé entre les lignes-limites hyperboloï- dales 37 et 38 peut se diviser en une série de lignes telles que 26 de forme semblable qui indiquent la configuration en coupe ra diale des surfaces que franchissent les parti cules d'eau pour passer des aubes directrices aux aubes de la roue de turbine.
La forme des filets liquides tels que la ligne 26 est déterminée d'après les principes connus d'hydrodynamique par la forme des lignes-limites 37 et 38 que l'on choisit de telle sorte que ces lignes soient approxinia- tivement des hyperboles. Quand on a fixé cette forme, on peut obtenir des lignes comme indiqué en 27 en fixant les angles et les po sitions des aubes directrices et en tenant compte du fait que le produit de la compo sante circonférentielle de vitesse que l'on mul tiplie par le rayon est constant d'une façon très approximative dans la région située en tre les aubes directrices et les aubes de la roue de turbine.
En procédant ainsi, on ob tient pour l'eau un mouvement qui se rap proche de la ligne droite, ainsi qu'il a été mentionné plus haut, et oii se rend bien compte que les arrangements indiqués éta blissent un tourbillon dans lequel les parti cules d'eau se meuvent dans la région com prenant les aubes directrices et les aubes de la roue de turbine en décrivant des trajets approxiinativeinent en ligne droite sur les surfaces qui sont à peu de chose près des hyperboloïdes de révolution.
four des turbines du genre que l'on exa mine ici, il est possible d'adopter un procédé de réglage ci) usage avec d'autres types de turbines qui consiste à ajuster angulaire ment les aubes directrices dans le but d'opé- rer, tout en ayant des changements survenant dans la charge ou dans le niveau. Toutefois, un ajustage de ce genre a pour effet de mo difier la forme du tourbillon et d'occasionner titi écart des trajets les plus avantageux de courant pour les particules d'eau entre les aubes directrices et les aubes de la roue de turbine.
C'est pourquoi., suivant la présente invention, le réglage est effectué en agissant sur les aubes de la roue de turbine, en lais sant fixes les aubes directrices, de sorte que la forme du tourbillon reste pratiqïtement constante pour toutes les conditions qui se présentent; alors, ce qui varie c'est la vi tesse de mouvement des particules d'eau, mais non la forme des trajets que décrivent ces particules.
Comme on l'a indiqué plus haut, la-roue de turbine sera également constituée soit par titi disque, soit une série de bras, soit par quelque autre arrangement équivalent, s'éten dant vers le dehors à partir du moyeu sur lequel s'attache l'arbre de la- turbine et por tant à sa partie extérieure une couronne d'aubes qui se dressent approximativement à angle droit sur le plan du disque ou série de bras et qui sont situées sur Min de ses côtés ou sur ses deux côtés, suivant qu'il s'agit d'afflux unique ou de double afflux.
Pour une roue de turbine à grande vitesse spécifique, chacune de ces aubes formera avec un plaie radial un angle voisin de 90 .
Il va sans dire que l'angle changera d'un point à l'autre de l'aube ; mais, dans leur ensemble, les aubes ne s'écarteront pas de beaucoup d'un cercle décrit autour d'un cen tre au voisinage du centre de la roue de turbine. Par exemple, dans l'arrangement in diqué fig. 5, la ligne centrale de l'aube 22 de la roue de turbine fait partie d''uu cercle qui se tire du centre 39.
LTtie forme constructive d'aube qui sem ble très bien convenir, c'est celle présentant une section analogue à celle des ailes d'aéro planes. C'est-à-dire, une forme, dans laquelle l'aube présente une courbure comparativement faible, s'arrondit et s'épaissit sur soit bord d'admission et s'effile ensuite d'une façon continue pour former une arête affinée sur son extrémité de sortie.
Pour des roues de turbine à. grande vi tesse, il semble préférable d'employer titi ar rangement comparativement ouvert pour l'au- bage. On entend par là indiquer que la Lon gueur circonférentielle totale des aubes est seulement une fraction du cercle décrit par les parties extérieures des aubes autour de l'axe. _Un arrangement qui se prête bien à ces conditions, c'est celui oit quatre aubes sont utilisées sur une roue de turbine et oie chaque aube occupe environ la huitième partie du cercle.
La fig. 2 représente titi arrangement de ce genre. Lorsque les conditions, comme par exemple la chute avec laquelle fonctionne la turbine, rendent désirable d'avoir titi espace ment plus resserré pour les aubes, oit peut employer une forme constructive telle que celle représentée fig. 3. Dans cette dernière, chaque aube a son bord d'entrée dans le voi sinage du plan radial clans lequel est situé le bord d'écoulement de l'aube précédente.
Dans bien des cas. il est avantageux d'avoir recours à une forme constructive d'aube telle que celle qui est représentée par exemple en coupe axiale sur les fig. .f tt 10. Dans cette forme constructive, l'aube se porte. vers le dehors en sens radial en allant de sa base ou de son bout large (qui est la partie oie elle repose sur son disque ou sur son bras) à soit bout qui la termine en arrête.
Ceci résulte du fait qu'en général la vitesse des particules d'eau dans la région située près de la surface 38, fig. 4, est plus grande que dans la région située près de la surface <B>37,</B> de sorte qu'il faut que l'aube soit animée à soit sommet d'une vitesse périphérique plus grande qu'à sa base.
Cette forme de construction offre égale ment l'avantage<B>de</B> réduire la force centrifuge qui agit sur chaque aube, puisque la vitesse maximum n3 se produit que sur les parties pour lesquelles les conditions de travail exi gent cette vitesse.
Dans les paragraphes précédents, on vient de décrire particulièrement certaines formes constructives et certains arrangements qui se prêtent bien à servir sur roues de turbines à grande vitesse ; toutefois, il est bien en tendu que l'on peut adopter d'autres formes constructives et arrangements dans le cas où l'on y introduit des roues de, turbines dont la vitesse spécifique est plus faible.
La forme constructive de roue de turbine employée suivant la présente invention est particulièrement bien aménagée pour servir de moyen à l'aide duquel on fait varier en marche la courbure des surfaces des aubes ou la disposition des aubes, pour l'adapter par exemple aux variations de charge ou de niveau. Tout en étant en mesure d'ajuster également les angles d'entrée et de sortie. on estime que dans bien des cas il suffit d'ajuster uniquement les angles de sortie. Des arrangements convenables pour ce der nier mode d'ajustage impliquent l'introduction d'une connexion flexible ou articulation entre les parties antérieures et les parties posté rieures des aubes.
Les fig. 6 et 7 montrent une forme de construction dans laquelle on emploie une connexion flexible. Le disque 40 de la roue de turbine est alors constitué par une paire de pièces semblables venues de fonte qui forment simultanément un noyau et un plateau, ainsi que les parties antérieures 41 des aubes. Les parties postérieures des au bes sont formées d'une feuille de métal 42 qui s'étend sur tout le dehors de chaque aube et qui s'attache sur les parties 41 près de leurs bords antérieurs, par exemple par rivure ou soudure.
Sur la partie postérieure de la feuille 42 s'attache l'extrémité exté rieure 43 d'un bras 44 qui est aménagé pour être engagé à son extrémité postérieure par une bague 45 ; celle-ci est mobile autour de l'arbre d'une amplitude correspondant à l'an gle indiqué sur la fig. 7 et, en se déplaçant ainsi, elle fait fléchir la feuille métallique 42 qui se porte alors de la position représentée en traits pleins à la position indiquée eu traits interrompus.
En faisant titi choix Judi cieux de l'épaisseur de la feuille en métal 42 et en maintenant aussi écartés ' que possible entre eux les points d'attache sur les parties 43 et 41, on peut bien obtenir la valeur né cessaire de fléchissement dans les limites d'élasticité de la matière.
Grâce à l'adoption d'une forme cotistrue- tive d'aube dans laquelle il y a, comme in diqué précédemment, une épaisseur considé rable de métal près du bord d'entrée, on est en mesure de former dans le corps de l'aube un joint articulé, tel qu'il est indiqué par exemple sur les fig. 8 et 9 ;
les parties an térieures 41 des aubes qui sont portées par un disque 46 sont alors jointes aux parties postérieures 47 par une broche d'articulation 48. Sur ces parties postérieures 47 sont at tachés des bras 94 qui sont engagés par une bague mobile telle que 45, fig. 7, par l'inter- niédiaire de pièces d'attaches permettant de les faire tourner de la position représentée en traits pleins à la position indiquée en traits interrompus.
Lorsqu'on emploie ce type de construction, il se peut qu'il soit désirable de renforcer la roue de turbine en reliant entre eux les sommets des parties antérieures 41 des aubes au moyen d'un anneau 49 qui qui est indiqué à titre d'exemple dans la partie du bas de la fig. 8 ; mais il est bien entendu qu'une bague de ce genre peut être établie à chaque extrémité des aubes. .1 la place des pièces d'attaches l'on pourrait aussi prévoir des broches coulissant dans des fentes pour engager les bras 94 dans la bague mo bile 4.5.
En général, il sera convenable d'effectuer l'ajustage angulaire des lames en donnant un déplacement additionnel à titi manchon qui entoure l'arbre de la turbine et tourne avec lui. Cette opération peut être effectuée en faisant intervenir du fluide sous pression. Dans l'arrangement que montrent les fil-.
10 et 11, on a représenté un ajustage de ce genre et on se rend bien compte par là coin- ment titi ajustage semblable pourrait s'appli quer sur des arrangements du genre que l'on a décrit plus haut pour le-, fig. <B>(3</B> et<B>9.</B>
Dans la construction représentée fig. l0 et 11, l'ajustage angulaire est effectué par le mouvement lie l'aube agissant comme un tout. La pièce par laquelle s'opère l'ajustage c'est la tige 50 qui effectue son travail dans l'arbre creux 51 de la turbine et qui est mise en mouvement en sens axial par l'admission de fluide sous pression dans un cylindre formé dans cet arbre.
Cette tige 50 porte à son extrémité une pièce transversale 52 dont les branches radiales 53 traversent des fentes pratiquées dans un manchon 54 pour s'en gager dans des gorges présentées par un man chon extérieur 55 fixé sur le corps 56 de la roue de turbine qui s'attache sur l'arbre 51 par un collier 57. Les gorges de ce manchon sont en hélice et les évidements de l'autre sont droits. Par conséquent, le mouvement longitudinal de la tige 50 fait tourner le man chon 54 par rapport à l'arbre et au corps de la roue de turbine.
Près d'une extrémité, ce manchon 54 comporte un collier<B>58</B> d'oit sor tent une série de tourbillons 61 s'engageant dans des biellettes 60 dans chacune desquelles vient également s'engager un tourillon 59 faisant saillie de l'extrémité interne d'un bras 62 qui porte une aube ?\'. Dans chaque bras est pratiquée une ouverture 63 traversée par une pièce portante 64 qui s'engage et se fixe dans les deux moitiés du corps 56 de la roue de turbine. Dans l'extrémité interne de l'ou- vérture 64 est formé un évidement à surface portante 65.
Entre cette surface et la surface adjacente de la pièce 64 s'adapte une pièce de roulement 66 à surfaces destinées à rou ler sur les deux surfaces portantes que l'on vient de mentionner. Le mouvement de la tige 50 provoque la rotation du manchon 54 par rapport au corps 56 de la roue de tur bine d'un angle tel que l'aube 22 et le bras 62 oscillant de la position représentée en traits pleins à, la position indiquée en traits interrompus.
Par un choix correct des pro portions et de la disposition des parties, on peut arriver à ce que la force résultante due à la combinaison de la pression de l'eau sur l'aube et de l'effort centrifuge agisse toujours sur une ligne qui passe #oit à travers, soit dans le voisinage immédiat des points de con tact entre la pièce de roulement 66 et les surfaces portantes sur lesquelles s'effectue son travail.' La fig. 12 montre comment les caracté ristiques avantageuses de construction que l'on a mentionnées plus haut peuvent se com biner pour former une installation à grande vitesse, spécifique et à basse chute.
On y emploie un arrangement à arbre vertical et on y aménage la roue de turbine 21 plus bas que le niveau de l'eau dans le canal de fuite 67. L'eau est alors envoyée directe ment dans nue chambre de décharge<B>68</B> qui présente une forme semi-ovale en coupe Ho rizontale, et qui décharge directement dans le canal de fuite. L'eau afflue en franchis sant le passage principal 69 pour venir dans les chambres d'admission 70 et 71 arrangées au-dessus et en dessous de la roue de tur bine. De ces chambres, l'eau passe par les aubes directrices 23 pour arriver à la roue de turbine de la manière quia déjà été ex pliquée pour l'arrangement représenté sur les fig. 4 et 5. Le trajet général que décrit l'eau est indiqué par des flèches.
Cet arrangement que représente la fig. 12 donne, dans nu es pace comparativement peu étendu et dans une forme qui peut s'exécuter aisément, une tur bine dont le débit est relativement grand. Le court trajet et. l'écoulement favorable don nés à l'eau pour franchir les chambres d'ad mission, la roue et la chambre de décharge montrent qu'on est en mesure d'obtenir un rendement élevé.