Dispositif de régulation d'une turbine hydraulique. On sait que l'instabilité de fonctionnement d'une turbine hydraulique munie d'lin dispo sitif de régulation, comprenant un appareil de commande agissant sur le vannage de la tur bine, provient entre autres causes de l'inertie de l'eau dans la conduite d'amenée. Au mo ment d'une fermeture du régulateur que com prend cet appareil, par exemple, il se produit une surpression quia pour effet d'augmenter la puissance et de faire fermer le régulateur plus qu'il est nécessaire.
Ces variations de pression dues aux mouvements du vannage sont responsables pour une grande part des phénomènes de pompage du régulateur qui font osciller l'ouverture du vannage et la vi tesse de la turbine entre des limites variables avec la charge moyenne de la machine.
De nombreux dispositifs de régulation ont déjà été imaginés pour limiter le pompage et améliorer la stabilité. On peut distinguer en gros deux catégories principales: les disposi tifs comprenant un régulateur tachy-acéélé- rométrique, d'une part, et les dispositifs com prenant un régulateur à asservissement tem poraire, d'autre part. On peut également citer pour mémoire les dispositifs comprenant des régulateurs manuels dans lesquels un homme remplace l'automate des régulateurs indirects.
L'expérience montre cependant que dans tous les cas, on observe des phénomènes d'ins tabilité et de pompage lorsqu'on cherche à asservir le vannage de la turbine à sa vitesse de rotation. La présente invention a pour objet un dispositif de régulation d'une turbine hydrau lique visant à diminuer cette instabilité.
Ce dispositif de régulation, objet de l'in vention, comprend un appareil de commande agissant sur le vannage de la turbine réglant l'alimentation en fluide moteur de la turbine, cet appareil de commande agissant sur ce vannage en fonction d'une norme de réglage telle que la vitesse de la turbine, il est carac térisé en ce que ledit appareil de commande est asservi à un appareil manométrique sen sible à la vitesse de variation de la pression du fluide réglé par ledit vannage, les indi cations dudit appareil manométrique étant transmises à l'appareil de commande du -van nage, de manière à modifier l'action dudit appareil de commande sur le vannage en fonction de ladite variation de pression,
une surpression à l'amont du vannage de la tur bine agissant dans le sens de l'ouverture et une dépression dans le sens de la fermeture dudit vannage.
Ce dispositif permet une vitesse de ré ponse beaucoup plus grande pour une même stabilité ou une stabilité bien plus grande pour lune même vitesse de réponse, ou à la fois l'un et l'autre effet. Le pompage sera atténué, le couplage et les prises de charge d'un alternateur, par exemple, entraîné par la turbine pourront être plus rapides; en d'autres termes, l'exploitation d'un groupe turboalternateur, ou, au cas où plusieurs groupes seraient équipés de ce dispositif, le fonctionnement même du réseau, seront amé- liorés dans de grandes proportions.
Des formes d'exécution du dispositif objet de l'invention sont décrites, à titre d'exemple, en regard du dessin annexé, dans lequel: Les fig. 1 et 2 représentent schématique ment à titre de rappel et respectivement, un dispositif de régulation comprenant un régu lateur taehy-accélérométrique et un dispositif de .régulation comprenant un régulateur à asservissement temporaire.
La fig. 3 montre schématiquement aine première forme d'exécution du dispositif objet de l'invention.
La fig. 4 représente schématiquement une seconde forme d'exécution du dispositif objet de l'invention.
Les fig. 5, 6, 7 et 9 montrent des appareils manométriques susceptibles d'être montés dans les dispositifs des fig. 3 et 4.
La fig. 8 montre une prise de pression pour l'appareil manométrique de la fig. 6. Les fig. 10 et 11 représentent des relais faisant partie de ces appareils manométriques.
Dans la fig. 1, l'appareil de commande du dispositif de régulation comprend un servo moteur de vannage 1 commandant le vannage 2 d'une turbine hydraulique (non représen tée), une came d'asservissement permanent 3 accompagnant les mouvements du servomo teur 1, une soupape ou relais de distribution 4 commandant le servomoteur 1, cette sou pape .étant elle-même actionnée par un levier flottant 5,
un régulateur tachy-accélérométri- que 6 imposant à l'extrémité gauche du levier flottant une élongation fonction linéaire de la vitesse de rotation et de l'accélération de la turbine. L'extrémité droite de ce levier est commandée par un galet suiveur coopérant avec la came 3.
Si la vitesse dépasse une valeur correspon dant au réglage du régulateur 6. celui-ci fait monter l'extrémité gauche du levier 5, dépla çant ainsi la soupape de distribution 4 vers le haut et lui faisant admettre du fluide sous pression au servomoteur 1, de sorte que celui- ci déplace le vannage 2 dans le sens de fer- meture. Dans ce mouvement, la came 3 agit sur le galet suiveur et abaisse l'extrémité droite du levier 5, ramenant ainsi la soupape 4 à sa position initiale.
La fig. 2 montre un autre dispositif de régulation connu dont. l'appareil de com mande comprend un régulateur à asservisse- ment temporaire. Des éléments similaires à ceux de la fig. 1 portent les mêmes numéros de référence.
Une came 7 dite d'asservissement tempo raire est prévue ici en phis de la came d'as servissement permanent 3. Cette came est plus raide que la came 3 et agit sur l'extrémité droite du levier 5 par l'intermédiaire du dash-pot 8. La came d'asservissement perma nent 3 agit sur l'extrémité droite du levier 5 par une liaison élastique. Lorsque le vannage 2 s'ouvre, c'est la came d'asservissement tem poraire 7 qui détermine d'abord la position de l'extrémité droite du levier 5, du fait de sa pente plus forte.
Un ressort se comprime au cours de cette opération dans la liaison élastique, la réaction de ce ressort tendant. à déplacer le piston du dash-pot 8 et à faire revenir ainsi l'extrémité droite du levier 5 à la position déterminée par la came 3.
On voit donc que la came 7 et le dash-pot 8 -provoquent un déplacement temporaire du levier 5 qui est supprimé après un intervalle de temps fonction des caractéristiques du dash-pot 8.
La plupart des dispositifs de régulation à action indirecte connus peuvent se ramener à l'un ou l'autre de ces deux dispositifs des fig. 1 et 2. Cependant, il existe des dispositifs de régulation ne comprenant pas de levier flottant par exemple, mais ils comprennent toujours un dispositif capable d'additionner les mouvements du tachymètre et de l'asser vissement.
L'appareil de commande du dispositif de réggilation représenté à la fig. 3 comprend le régulateur tachy-accélérométrique de la fig. 1, mais ce régulateur tachy-accélérométrique, au lieu d'agir directement sur l'extrémité du le vier flottant 5, agit sur un palonnier auxi liaire 9 dont le point milieu est relié au levier flottant, si bien que son action sur ce dernier est. la même que précédemment, tant que l'ex trémité droite du palonnier 9 demeure immo bile.
Cette extrémité droite peut être déplacée an moyen du relais 1.0 que comprend un appareil manométrique qui lui assigne une élongation fonction d'une variation de pres sion à l'amont du vannage 2 mesurée au moyen d'un manomètre différentiel 11 que comprend également cet. appareil.
Une surpression à l'amont du vannage fait alors baisser l'extrémité droite de 9, ce qui tend à provoquer l'ouverture du vannage ou à limiter la fermeture de ce vannage suivant sa valeur.
Dans le dispositif de régulation de la fig. 4, l'appareil de commande comprend un régulateur à asservissement temporaire ana logue à celui de la fig. 2. Ici le relais 10 de l'appareil manométrique agit entre le vannage et le dash-pot de l'asservissement temporaire. Le galet de la came 7, au lieu de provoquer directement le déplacement du dash-pot, est relié au point milieu du palonnier 12, dont l'extrémité gauche est reliée au dash-pot 8 et l'extrémité droite au relais 10; ce dernier ajoute donc son action à celle de l'asservisse ment temporaire.
Dans ce dispositif, une aug mentation de pression à l'amont du vannage 2 a pour effet de faire descendre l'extrémité droite du levier 12 et de faire monter le dash- pot 8, comme le ferait un mouvement d'ouver ture du vannage par l'intermédiaire de la came 7.
Ledit. appareil manométrique comprend donc un manomètre différentiel 11 qui est disposé à l'amont du vannage de la turbine et peut être placé, par exemple, sur la conduite d'amenée à l'amont de la turbine, sur la bâche même de la turbine, ait moyen d'une prise de pression. Il peut, également en variante, être placé à l'aval de la turbine, sur l'aspirateur par exemple, à condition que le sens des com mandes soit. inversé, étant donné qu'à une surpression à l'amont du vannage correspond une dépression à l'aval dans l'aspirateur, et inverseraient.
Sur la fig. 5, le manomètre différentiel 11 comprend deux éléments manométriques 11 et 18 reliés à deux prises de pression dyna mique 13 et 16 placées par exemple à l'entrée de la bâche de la turbine. La prise de pres sion 13 est reliée à l'élément manométrique 14 susceptible de transmettre sa position à un balancier 15. Cette prise de pression est cal culée de manière à transmettre à l'élément manométrique 14 non pas exactement la pres sion instantanée en tout instant, mais la moyenne des pressions en éliminant les fluc tuations rapides de pression dues à la turbu lence.
La rapidité de réponse d'une telle prise de pression (le temps de réponse ou constante de temps étant le temps nécessaire au mano mètre pour suivre une variation de pression minimuun donnée) doit alors être la plupart du temps nettement inférieure à une seconde; elle pourra cependant être élevée si la période de pompage de la turbine est elle-même très élevée. On pourra aisément régler ce temps de réponse au moyen d'un diaphragme ou d'un robinet 17. Ce temps de réponse pourra être réglé à ime valeur comprise entre la pé riode de fluctuation de turbulence et la pé riode de pompage de la turbine.
L'autre prise de pression 16 est analogie à la première, mais comprend un diaphragme 17' (ou tout autre moyen susceptible de ralentir l'écoule ment) beaucoup plies étroit que le précédent, de manière à donner à l'élément manométri que 18 -Lui temps de réponse assez grand de- vaut la période de pompage de la turbine. Celle-ci s'étageant par exemple entre 5 et 20 secondes, l'élément manométrique 18 devra avoir un temps de réponse (ou période pro pre) de 4 à 10 fois la précédente, par exem ple d'une minute ou plus.
D'autre part, le tube manométrique de la prise 16 est relié à une chambre à air 19 de .dimensions suffisantes. Dans ces conditions, si on suppose que -le point central du palonnier 15 est fixe et porte un. levier 20 relié au palonnier, on voit que l'extrémité de ce levier aura une élongation proportionnelle à la différence des élongations des deux éléments manométriques 14 et 18, c'est-à-dire précisément à la variation de pres sion à détecter.
En effet, à partir d'un état d'équilibre, les deux éléments manométriques donnent la même indication et le levier 20 occupe sa position médiane; s'il se produit une surpression suffisamment rapide, par exemple, consécutive à un début de fermeture du vannage, cette surpression déplace aussitôt l'élément manométrique 14 alors qu'elle ne se transmet qu'insensiblement à l'élément 18 à cause de la perte de charge importante causée par 17'.
La pression dans la chambre à air ne varie donc sensiblement pas à cause de la sur pression dans la conduite et- l'élément mano métrique 18 peut s'enfoncer sous l'action de la poussée de l'élément 14 sur le palonnier 15;
celui-ci s'arrête lorsque l'augmentation de pression dans la chambre à air<B>19</B> égale celle de la conduite; étant donnée l'élasticité des dent éléments 14 et 18, le levier 20 se déplace donc d'un angle sensiblement proportionnel à la pression. Bien entendu, s'il s'agissait d'une lente augmentation de pression, celle-ci se trans mettrait presque en même temps aux deux éléments manométriques 14 et 18 ainsi que dans la chambre à air et le levier 20 resterait immobile.
On voit que le levier 20 n'est écarté de sa position normale que si les changements de pression s'effectuent avec une rapidité supé rieure à une valeur prédéterminée par les di mensions des diaphragmes 17 et 17' et de la chambre à air 19. En outre, la déviation du levier 20 est proportionnelle à la quantité dont la vitesse de variation de la pression dé passe ladite valeur prédéterminée.
Les deux éléments manométriques 14 et 18 peuvent également être montés en sens inverse aux extrémités du palonnier 15, comme il est montré sur la fig. 6. Le point milieu 15, au lieu d'être fixe, est relié directement dans ce cas au relais 10 par l'intermédiaire d'une tige 21. On voit alors que les déplacements de cette tige sont proportionnels à la différence des élongations des éléments 14 et 18.
A titre de variante, les prises de pression 13 et 16 représentées dans cette fig. 6 sont des prises statiques.
On peut envisager de multiples autres formes du manomètre différentiel 11, par exemple au lieu de relier les deux éléments manométriques 14 et 18 au moyen d'un pa lonnier, on peut simplement mettre ces élé ments en opposition, comme on l'a représenté à la fig. 7: les deux éléments sont. juxtaposés ici de part et d'autre d'un fond mobile coni- miui. dont la position est fonction de la sur pression. Ici aussi il faut une chambre à air 19.
Dans le cas de prises de pression statiques, au lieu de transmettre la pression par l'eau (fluide moteur) alimentant la turbine, on peut interposer à l'entrée de chaque prise 13 ou 16 une membrâne élastique 22 (fig. 8), transmettant intégralement les variations de pression de l'eau à un fluide situé de l'autre côté qui peut, par exemple, être avantageuse ment de l'huile;
cette disposition permet d'em pêcher toute introduction d'impuretés dans les éléments manométriques. Cette membrane pourrait aussi être disposée en -un point inter médiaire de la canalisation, et ainsi être dis posée même dans une prise de pression dyna mique.
Dans la plupart des exemples cités ci-des sus, et comme il a été représenté schématique ment sur le dessin, les éléments manométri- ques peuvent être constitués avantageu sement par des enveloppes élastiquement déformables en boudins superposés, du genre de celles employées dans certains baro mètres; on sait que ces enveloppes agissent à la façon d'un ressort, c'est-à-dire oppo sent une certaine force au déplacement. Cette caractéristique est nécessaire, car, c'est grâce à elle que ses éléments occupent. une position bien déterminée en fonction de la pression.
On pourrait utiliser des manomètres diffé rentiels à liquide, par exemple des mano mètres à mesure agissant sur des relais électri ques ou tout autre système de manomètre dif férentiel approprié. Le deuxième élément ma- nométrique 18 pourrait être raccordé à un indicateur de niveau de la retenue ou même être remplacé par un élément à réglage manuel travaillant à une pression de ré férence constante; dans ce .dernier cas, le manomètre différentiel de la fig. 5 à palon nier ne conviendrait pas tel quel, l'élément 18 devrait être remplacé par exemple par un res sort de raideur convenable dont on ferait va rier manuellement la tension initiale suivant le réglage cherché.
Par contre, le manomètre (le la fig. 7 conviendrait tel quel.
Au lieu de prévoir deux prises de pression distinctes, on peut en disposer une seule avec une bifurcation, comme dans la fig. 9, dans laquelle les mêmes chiffres de référence dési gnent les mêmes organes que dans la. fig. 5. Toutes les variantes indiquées peuvent ne comporter qu'une seule prise de pression avec une bifurcation, comme montré à cette fig. 9.
Au lieu d'utiliser une prise unique (fig. 9) ou double (fig. 5, 6 on 7) installées en un point donné de la périphérie d'une conduite, il peut être avantageux ou nécessaire dans certains cas de répartir plusieurs telles prises autour de la conduite et les faire. agir en pa rallèle sur les éléments manométriques, de ma nière à appliquer sur ceux-ci la moyenne des pressions ainsi relevées autour de la conduite.
En ce qui concerne le relais 10, bien des relais peuvent être employés. A titre d'in dication, on peut employer le relais connu représenté sur la fig. 10. Dans ce cas, la tige 21 de la fig. 6 ou l'organe similaire se ter mine par un pointeau 23 obturant plus ou moins l'orifice d'un conduit 24 pratiqué dans un piston différentiel 25. Celui-ci peut se dé placer dans un cylindre 26, lequel est. ali menté à sa partie supérieure et'inféiieure par- deux canalisations d'huile 27 et 28 alimentées à la même pression par une conduite 29; la première comportant un étranglement 30.
Une fuite permanente s'établit par le conduit 24 dont le débit est contrôlé par le pointeau 23. La pression régnant en dessous du piston dif férentiel est supérieure à celle régnant au dessus, à cause de la perte de charge créée par l'étranglement 30, mais la surface Rupé- rieure du piston est plus grande, ce qui per met l'équilibre. La pression au-dessus du pis ton est, en outre, réglée par l'obturation plus ou moins grande de l'orifice par le pointeau 23.
Si -le pointeau 23 monte par exemple, le débit de l'orifice augmente et la pression au- dessus du piston tombe à cause de la diminu tion de perte de charge à la sortie et de l'aug- inentation de la perte de charge due à 30, due à l'augmentation de débit. Le piston monte et l'équilibre ne peut. être rétabli que lors qu'il se retrouve à la même distance du poin teau: il suit donc fidèlement tous les mouve ments de ce dernier. Il n'y a pas amplifica tion du déplacement, mais amplification con sidérable de l'énergie du déplacement, si bien que le piston peut actionner le palonnier 9 ou 12, même s'il rencontre des résistances im portantes.
Comme autre relais à fuite d'huile, on peut envisager un relais comprenant une pa lette 30 mobile entre deux orifices 31 et 32 (fig. 11), également mobiles, montés sur une tige 33 reliée par un levier 34 à la tige d'un piston 35, cette dernière tige étant reliée au palonnier 9 ou 12. Les deux orifices sont re liés aux deux extrémités du cylindre fixe 36 par des éléments de canalisations souples 37 et 38. Le cylindre est lui-même alimenté par des canalisations 39 et 40 comportant des étran glements 41 et. 42. La pression de part et d'autre du piston 35 est la même tant que le débit des deux orifices 31 et 32 est. le même.
Le piston est alors immobile lorsque la pa lette se trouve exactement au milieu entre les deux orifices, car les débits sont égaux; si la palette se rapproche de l'un des deux orificës, la pression augmente dans la canalisation cor respondante, baisse dans l'autre, et la diffé rence peut agir sur le piston; en se déplaçant, celui-ci déplace les orifices dans le même sens que la plaque, et s'arrête lorsque celui-ci est de nouveau au milieu; cela constitue tin asser vissement. liant. la position du piston à. celle de la plaque avec toute l'amplification voulue, tant pour l'effort que pour la course.
Les éléments de canalisations souples 3 7 et 38 ont pour but de permettre le déplace- ment des orifices 31 et 32 par rapport ait ey- lindre fixe 36; bien entendu, ils pourraient être remplacés par un système à fourrure approprié.
On pourrait aussi employer des relais mix tes hydrauliques et électriques à asservissement continu et comportant ainsi, non seulement une amplification de puissance, mais encore une amplification du déplacement; toutefois, l'amplification du déplacement peut aisément s'obtenir aussi à partir d'un relais tel que celui de la fig. 10, par un système mécanique approprié, par exemple un simple levier.
Dans les figures précédentes, on a supposé que les deux éléments manométriques combi naient leur action avant d'agir sur le relais; il est bien entendu qu'on pourrait prévoir que chaque élément manométrique puisse agir sur un relais séparé, quitte à combiner en suite les actions des deux relais séparés. Dans ce cas, le temps de réponse de chaque prise de pression peut être réglé par le relais cor respondant et non par la prise. .
Comme autres variantes, on peut placer les éléments manométriques et les relais tout près de la prise de pression, puis transmettre l'énergie des relais à distance au moyen d'un transmetteur de position, ou bien situer les éléments manométriques et les relais dans le régulateur même, en amenant.la pression Jus que là au moyen de canalisations appropriées.