Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
La présente invention a pour objet un disposi-
tif de garde pour la protection de turbo-machines hydrau-
liques et,plus particulierement, un tel dispositif utili~
sant une vanne c~lindrique autoclave, aussi appelée vanne
fourreau autoclave.
Lorsque c'est requis, les installatiolls hydro
électriques comportent des vannes de pied placées a la
fin des conduites d~alimantation, en amont des machines
pour proteger les centrales et assurer l'étanch~ité
pendant les periodes d'arrêt. Il est connu que les solu-
tions classiques, tels robinet papillon et robinet sphe-
rique, sont assez couteusesD La vanne cylindrique assure
adéquatement la protection et l'etancheite a un prix
moindre; elle est situee autour de la turbo-machine et
est logée entre le distributeur et l'avant distributeur
ou en aval des directrices ou encore en amont des avant-
directrices. Elle peut être manoeuvree de haut en bas
ou de bas en haut sur les groupes a axe vertical et de
maniere analogue transposee sur les groupes dont l'axe
est incline ou hori~ontal.
La présente invention a pour objet une vanne
cylindrique et son dispositif de manoeuvre susceptibles
d'effectuar, sans apport d'energie motrice exterieure,
toute manoeuvre de fermeture, tant en eau morte que sous
ecoulement~ d'etablir et de maintenir l'etancheite dans
des installations hydro electriques comportan-t des tur-
bines Francis, Kaplan ou Helice, des pompes ou des
turbines-pompes dont l'alimentation ou le refoulement
est radial. Parce qu'elle peut, sans apport d'energie
motrice exterieure, effectuer toute manoeuvre de ferme-
ture en eau morte et sous écoulement, établir et maînte-
nir l'étanchéité, la vanne est dite autoclave. Cette
autonomie de fermeture est particulierement intéressante
pour c~ dispositif utilise comme organe de garde pour la
protection des turbo-machines hydrauliques parce qu'il
garantit la fermeture de la vanne meme en cas d'incident
,~
27~
o~ la centxale serait privée dienergie courante ou accumu-
lee nécessaire a la motorisation dlune vanne qui ne serait
pas autoclave.
L'autoclavite de la vanne cylindrique faisant
l'objet de Ia présente invention découle de la réalisa-
tion des deux points suivants:
1) Obtention d'un effort de manoeuvre résultant des
poussees hydrauliques et du poids des pièces en
mouvement toujours dirigés dans le sens de la
fermeture.
2) Utilisation d'un dispositif de manoeuvre réversible,
c'est a-dire pouvant atre actionné par la charge,
et ce, pour toutes les valeurs des efforts de ma-
noeuvre rencontrés.
Le dispositif de garde de la présente invention
comprend un logement definissant une chambre servant a
recevoir la vanne cylindrique en position ouverte.
L'effort de manoeuvre résulte de la somme
algébrique de la poussée exercee par la pression de la
chambre de la vanne sur la surfacè nette exposee du
dessus de la vanne, aussi appelée arête supérieure, de
la poussée exercee sur le dessous, aussi appelee arêta
inferieure, par la pression moyenne a cet endroit, du
poids de la vanne et des pieces contribuantes de ses
mecanismes de manoeuvre.
La géométrie du dessous de la vanne n'est pas
enti~rement déterminante en elle-mema sur le sens de la
resultante des efforts de manoeuvre. En efet, la
poussee a cet endroit ne constitue qu'une partie de ces
efforts. Toutefois, elle affecte la distri~ution de
pression sur le dessous de la vanne et determine par
conséquent, la poussee a cet endroit. Son choix decoule
en principe de considérations telles les pertes d'énergie,
la cavitation et la réalisation d'un scellement inférieur.
La chambre de la vanne communique avec le
conduit hydraulique de la turbo-machine par deux acces
3~
et situes respectivemen~ à l'amont et a l'aval de la
vanne et definissant des orifices amont et aval. La
pression de la chambre de la vanne prend une valeur se
~ituant entre la pression a l'amont de la vanne et la
pression a l'aval de la vannea La difference de pression
a l'amont et a l'aval de la vanne r~sulte de la variation
de la section de passage du conduit a l'amont et à l'aval
de la vanne au voisinage de celle-ci ainsi que de la
perte de charge causée par la presence de la vanne dans
l'ecoulement pendant une coupure de debitO
La pression dans la chambre de la vanne est
fonction du coefficient de perte de charge et de la
géometrie (forme et section~ de chacun des acces. La
section de l'orifice amont est determinee par le jeu
entre la paroi amont de la chambre et la face amont de
la vanne. La .section de l'orifice aval est déterminee
par le jeu entre la paroi aval de la chambre et la face
aval de la vanne.
Dans la présente invention, le rapport des
orifices amont et aval est soigneusement choisi pour
obtenir la valeur intermédiaire desirée entre les
pressions amont et aval dans la chambre de la vanne.
De cette maniere~ on peut obtenir ~ue la pression appli-
~uée sur le dessus de la vanne soit egale ou plus grande
que la pression moyenne s'exerçant sur le dessous et ce,
pour toutes les positions de la vanne et toutes les
condi~ions d'ecoulement.
La présente invention se rapporte donc à un
dispositif de garde pour la protection d'une turbo-
machine hydraulique pourvu d'un conduit hydraulique,
comprenant: une vanne cylindrique autoclave obstruant,
en position fermée, le conduit hydraulique, la vanne
cylindrique comportant une face amont et une face aval,
une arête supérieure et une arête inférieure; .et un
logement servant a recPvoir la vanne cylindrique en
position ouverte, le logement comportant deu~ parties
:~53~
pres du conduit hydrauli~ue et communiquant avec le
conduit hydraulique par deux orifices situes respective-
ment a l'amont et a l'aval de la vanne, les orifices
ayant chacun une section de passage et un coefficient
d'orifice; la pression sur l'arête supérieure prenant
une valeur intermédiaire entre les pressions amont et
aval du conduit h~draulique au voisinage des orifices;
ladite valeur étant déterminée par le rapport du produit
du coefficient dlorifice et de la section de passage à
l'amont sur le produit du coefficient d'orifice et de la
section de passage à l'aval de manière a produire une
poussée sur l'arête supérieure de la vanne permettant
d'obtenir un effort de manoeuvre résultant dirigé dans
le sens de la fermeture dans le conduit hydraulique.
Une autre caractéristique de la présente
i.nvention est qu'il est possible de varier le rapport
des orifices amont et aval de la chambre de la vanne
en fonction de la position de la vanne en effectuant des
dégagements et/ou des renflements sur les faces amont et
ou aval et/ou sur les pa.rois amont et/ou aval de la cham-
bre. L'interêt d'exercer ainsi un contrôle variable de
la pression dans la chambre de la vanne en tout point de
la course de la vanne pour obtenir une résultante dans le
sens de la fermeture estla possibilité de moduler l'effort
de manoeuvre résultant en fonction de la position de la
vanne pour limiter la capacité du dispositif de maneouvre
en fermeture. En effet, la pression en tout point de la
course de la vanne peut être contrôlée pour obtenir une
résultante d'amplitude suffisante pour obtenir un effort
de manoeuvre résultant dans le sens de la fermeture mais
d'amplitude contrôlee. Il découle aussi de la disposi-
tion de contrôle variable de la pression de la chambre
de la vanne en fonction des pressions amont et aval de
la vanne, la possibilité de faire varier la vitesse de
fermeture de la vanne en fonction de sa position puisque
l'effort de manoeuvre se traduit par une contre-pression
~5~
dans la chambre inférieure des servomoteurs hydrauliques
linéaires à simple effet utilisés dans le mécanisme de
manoeuvre et qui sont reliés a la vanne par des tiges de
manoeuvre. Cette possibilité de régler le taux de
descente permet de limiter les surpressions consécutives
a des manoeuvres de fermeture de la vanne en écoulement.
En eau morte et lorsque le différentiel de
pression amont-aval est insuffisant pour obtenir avec
les autres composantes de l'effort de manoeuvre une
résultante dans le sens de la fermeture due a la présence
des tiges de manoeuvre, une ou des aires de compensation
peuvent etre aménagees pour annuler les effets de cette
présence~
Dans une réalisation de l'invention, un dispo-
sitif de synchronisation est utilisé reliant un certain
nombre de servomoteurs entre-eux maintenant ainsi le plan
de manoeuvre de la vanne~
S~lon une variante de la présente invention,
des aires de compensation sont prevues au-dessus de la
vanne afin de compenser une pouss~e hydraulique qui
s'oppose a la fermeture et qui résulte de l'action de la
pression de la chute sur la surface des tiges de manoeu-
vre. Ainsi, on prévoit des organes distincts des servo-
moteurs agissant sur la vanne, odeuséOuore, selon une
variante, la chambre supérieure/de quelques servomoteurs
est amenagee en vue de cette compensation.
D'autres caract~ristigues et avantages de
l'invention ressortiront de la description qui va suivre
d'un mode de réalisation d'un dispositif de garde de
turbo-machine hydraulique, faite en se référant aux
dessins annexés sur lesquels:
La Figure 1 est une vue en elevation et en
section de la vanne cylindrique et de deux servomoteurs
reliés a la vanne;
La Figure 2 est une vue en section agrandie
de la vanne en position mi-ouverte dans le conduit
~3~7~
hydraulique; et
La Figure 3 est une demie-vue en perspective
montrant la disposition d'une partie des servomoteurs
montés au~dessus de la vann~ cylindrique.
Sur la figure 1, une vanne cylindrique 1 est
montrée en position fermee placée entre l'avant-distribu-
teur 2 et le distributeur 3 d'une turbo-machine hydrauli-
que (non illustrée). La manoeuvre de cette vanne est
assurée par des servomoteurs hydrauliques linéaires à
simple effet disposés au-dessus de la circonférence de
la vanne; la figure 1 montre deux de ces servomoteurs
de manoeuvre 4 et 5. Les pistons 6 et 7 des servomoteurs
4 et 5 sont relies a la vanne 1 par des tiges de manoeu-
vre 8 qui traversent un logement ou puits cylindrique
disposé au-dessus de la vanne definissant une chambre
cylindrique 9.
La chambre 9 de la vanne communique avec le
conduit hydraulique de la turbo-machine par deux acces
12 et 13 situés, respectivementr ~ l'amont et a l'aval
de la vanne.
Se référant ~ la figure 2, la vanne comporte
une face amont lA et une face aval lC, de même qu'une
arête inferieure lB et une arête supérieure lD. Ainsi,
l'effort de manoeuvre résulte de la somme algébrique de
la poussee exercée par la pression de la chambre 9 de la
vanna sur la surface nette de l'arete supérieure lD, de
la poussée exercée sur l'arete infe,rieure lB par la
pression moyenne a cet endroit, du poids de la vanne et
des pieces contribuantes de ses mecanismes de manoeuvre.
La pression de la chambre 9 de la vanne prend une valeur
se situant entre la pression à l'amont de la vanne et la
pression a l'aval de la vanne. La différence de pression
a l'amont et a l'aval de la vanne résulte de la variation
de la section de passage de l'avant-distributeur 2 et du
distributeur 3 au voisinage de la vanne et de la perte
de charge causée par la vanne lorsqu'elle est engagée
:`
7~
-- 7 --
dans l'écoulement. La pression de la chambre de la vanne
est fonction de la géometrie (forme et section) de chacun
des passages 12 et 13. La section de l'orifice 12 est
determinée par la pièce fixe 14 de la paroi amont et la
face amont lA de la vanne. La section de l'orifice 13
est déterminée par le jeu entre la pièce fixe 15 de la
paroi aval et la face aval lC de la vanne.
Le debit d'un fluide incompressible a travers
un orifice s'exprime en fonction du differentiel de
pression a travers cet orifice par la relation:
~ = Co~o ~ (1)
où
Q : Débit
Co : Coefficient d'orifice
Ao : Section de passage de l'orifice
~P : Differentiel de pression à travers l'orifice
p : Masse specifique du fluide
Dans le présent systeme, les variables
suivantes sont choisies:
Plb Pression moyenne sur le dessous de la vanne
P2 Pression à l'amont de la vanne au voisinage de
l`orifice 12
P3 Pression à l'aval de la vanne au voisinage de
l'orifice 13
Pg Pression dans la chambre de la vanne
C12 Coefficient d'orifice de l'orifice 12
Cl3 Coefficient d'orifice de l'orifice 13
A12 Section de passage de l'orifice 12
A13 Section de passage de l'orifice 13
~i3~
Le debit à travers l'orifice 12 est éyal au
debit a travers l'orifice 13 ce qui permet d'écrire:
C12 A12 ~P2 P9 C13 ~13 ~ P3 (2)
Ce qui permet d'exprimer la pression dans la chambre de
la vanne en fonction des pressions P2 et P3 et des
orifices 12 et 13.
P + y P
p = 3 _~ (3)
1 ~ y
avec y = ( 12 1 ~ (4~
Dans la présente invention, le parametre y
est choisi pour que la pression dans la chambre de la
vanne soit plus grande ou egale à la pression moyenne
sur le dessous de la vanne. Cette condition s'ecrit:
Plb - P3
P2 ~ Plb
~3Ls~L~ 3
Donnees:
- Vanne fermee à 50%
P = 100 P = 80 P b ~ 90
en portant ces valeurs dans l'equation (5), on trouve;
Y 2
- Vanne fermee à 90%
P2 ~ 100 P - 20 Plb = 25
On trouve
y > 1
Lorsque les orifices sont constants, il faut
trouver y qui satisfasse l'equation (5) pour toutes les
positions de la vanne et toutes les conditions d'ecoule-
~ :~5i3~
g .
ment~ Ainsi, dans llexemple numérique donne ci avant,
il faudrait au moins prendre y ~ 1. Lorsque la vanne
est fermée ~ 90%, la pression dans la chambre calculée
avec l'équation (3) est alors:
P = 20 ~ 1 x 100 - 60
9 1 ~ 1
L'effort hydraulique s'exerçant sur la vanne
est donc beaucoup plus important à 90~ qu'à 50~ de
fermeture.
Selon une variante de la présente invention,
il est possible de faire varier y en pratiquant des déga-
gements et/ou renflements sur les faces amont et/ou aval
et/ou sur les parois amont et/ou avà ~ tels ~ue lA', lC',
lC", montr~s à la figure 2.
Ainsi, dans l'exemple numéri~ue qui précède,
on pourrait réaliser un y ~ 1 qui satisferait l'équa-
tion (5) ~ 90~ de fermeture et obtenir le meme effort de
manoeuvre qu'a 50~.
Lorsque la manoeuvre de fermeture est effectuée
en eau morte, la pression est equilibrée tout autour de
la vanne. Dans cette condition, il résulte de la poussée
sur le dessus et sur le dessous de la vanne un effort
éyal au produit de la pression de la chute par la surface
interceptée par le~ tiges de manoeuvre rattachées au-
dessus de la vanne. D~s conditions similaires se produi-
sent en début de fermeture sous écoulement lorsque le
différentiel pression amont-aval est presqu'inexistant.
Dans le cas de la presente vanne dont la ferme-
ture se fait de haut en bas et dont les servomoteurs de
manoeuvre sont situés au~dessus de la vanne, cette poussée
se soustrait aux poids des pieces submergées et s'oppose
a la fermeture. La résultante doit toutefois demeurée
suffisante pour vaincre les frottements, si petits
soient-ils, des mécanismes de manoeuvre.
3~7~
-- 10 --
Pour les équipements de basse chute, la vanne
est lourde parce que les passages hydxauliques sont de
grande dimension en raison du fort débit et la pression
étant relativement faible, il est généralement possible
de maintenir une resultante vers le bas. Pax contre,
sur les équipements de haute chute~ la vanne est plu5
legère parce que le passage à obstruer est petit et, la
pression étant elevée, il n'est pas toujours possible
d'obtenir une résultante suffisante vers le bas. Cepen-
dant, on pourrait faire des vannes artificiellement
épaisses et Iourdes mais au détriment du prix et de la
rigidité du flasque logeant la vanne. On pourrait égale-
ment employer des poids pour pousser sur la vanne mais
l'espace n'est pas toujours disponible.
Pour contourner ces difficultés, il faut que
la poussée hydraulique en eau morte ou en début de
fermeture soit toujours dirigée vers le bas et s'ajoute
aux poids des pièces. On peut alors disposer les servo-
moteurs en-dessous de la vanne qui ferme de haut en bas.
Toutefois, cette solution présente l'inconvénient d'avoir
les tiges de manoeuvre dans l'écoulement pendant l'exploi-
tation de la turbo-machine.
Pour les vannes installées sous de hautes chutes,
si la résultante des efforts de manoeuvre est dirigée
vers le haut, les servomoteurs peuvent aussi être disposes
au-dessus de la vanne qui fermerait de bas en haut. Cette
solution presente encore l'inconvénient d'avoir les tiges
de manoeuvre dans l'écoulement pendant l'exploitation de
la turbo-machine.
Sur une vanne qui serait installée sur un groupe
a axe horizontal, il faudrait compter uniquement sur la
poussée exercée sur la surface des tiges puisque le poids
n'apparaît pas dans la direction de la manoeuvre ou
encore il faudrait faire appel a des contre~poids.
Dans la présente invention, la poussée hydrau-
lique s'opposant a la fermeture et résultant de l'action
`
~C~3~
11 --
de la pression de la chute sur la surface des tiges de
manoeuvre est compensée lors~ue c'est necessaire pour
obtenir un effort de manoeuvre toujours dirige dans le
sens de la fermeture et suffisant pour vaincre ces
frottements des mécanismes de manoeuvre.
La compensa~ion de ces poussees esk effeckuée
en admettant la pression de la chute sur des aires de
compensation qui sont aménagées au-dessus de la vanne
dans des organes distincts des servomoteurs de manoeuvre
~,., ~
ou encore dans la chambre supérieure~'de quelques servo-
moteurs de manoeuvre eux~mêmes qui deviennent, dans ce
cas, a double ~ffet.
Sur la figure 3, on peut voir un cylindre 18
dans lequel on admet la pression de la chute par un
orifice 20' pratiquée au bas de la tige 20. On pourrait
aussi avoir une alimentation par une conduite piquée sur
la pression amont~ Le piston 19, sur lequel agit la
pression et constituant l'aire de compensation pousse
sur la vanne par l'intermédiaire de la tige 20.
L'établissement et le m,aintien de l'étanchéité
sont assurés par l'action de la pression de la chute
agissant sur la surface du cercle défini par l'arete
de scellement du joint inférieur moins la surface
du cercle défini par l'arete de scellement du ~oint
supérieur ajouté algébriquement au poids de la vanne
et a la poussée sur les tiges de manoeuvre.
On peut voir sur la figure 1 que le diametre
du joint d'étanchéité supérieur 11 monté sur une partie
fixe à l'aval de la vanne est plus petit que le diamètre
du joint d'etancheité inférieur 10 qui est monté dans le
seuil 28 de la vanne. On pourrait aussi avoir en
variante:
- Un joint supérieur monté sur la vanne avec un joint
inférieur fixe dans le seuil
- ou~ un joint supérieur monté sur la vanne et un
~oint inférieur monté dans l'arête inférieure de la
~5~
- 12 -
vanne
- ou, un joint superieur monte sur les parties fixes
et un joint inférieur monte sur la vanne.
L'etablissement de l'etanchéité est effectuée
de la façon suivante: à l'approche du joint d'etancheite
superieur 11 de son arête de scellement, la pression monte
dans la.chambre de la vanne jusqu'a la pression amont
tandis qu'au seuil 28 la pression de la chute est
convertie en tout ou en partie en energie de vitesse.
Les diametres de lO et ll sont choisis pour obtenir la
force r~sultante nécessaire a l'etablissement de l'etan-
cheite aux deux joints et son maintien grâce a l'action
de la chute.
Le mecanisme de manoeuvre associe à la presente
vanne sera maintenant decrit. La vanne est manoeuvre par
un ensemble de N servomoteurs à simple effet (minimum
trois) disposes de façon ~ repartir l'effort de manoeuvre
uniformement de preference, mais non obligatoirement.
Sur la figure 3, on voit que chacun des servomoteurs
comporte un piston 6 ou 7, relie ~ la vanne l par une
tige de manoeuvre 8
En manoeuvre d'ouverture~ le fluide sous
pression, eau ou huile par exemple, alimente la chambre
inferieure 16 des servomoteurs en parallele. En ferme-
ture, le fluide est chasse de la chambre inferieure 16
des servomoteurs par le piston 6 ou 7, sur lequel s'exerce
l'effort de manoeuvre resultant. Un orifice 17 contrôlant
la vitesse de fermeture est incorporé a la sortie de
chacun des servomoteurs. Ces orifices sont, en principe,
tous identiques et l'huile est evacuée dans un collecteur
commun (non illustre).
Au moins trois des N servomoteurs sont relies
entre eux par un dispositif de synchronisation maintenant
le plan de manoeuvre de la vanne l. Ces -trois servo-
moteurs doivent etre disposes de Eaçon preferablement,
mais non obligatoirement, uniforme.
:`~
~532~
- 13 -
On pourxait aussi avoir tous les servomoteurs
de manoeuvre relies par le dispositif de synchronisation.
Si tel n'est pas le cas, la synchronisation des servo-
moteurs non reliés par le dispositif de synchronisation
est assurée par la vanne elle-meme.
Le servomoteur 4 de la figure 1 comporte un
ecrou a rouleaux 21 fixé au piston 6 qui l'entraine en
translation mais l'empêche de tourner. Au travers de
l'écrou 21 passe une tige filetée 22 qui est maintenue
sur le couvercle 23 du servomoteur par des butées 24 qui
empêchent le déplacement axial de la tige mais la laisse
libre de tourner. La translation du piston 6 impose
une rotation a la tige 22 par l'action de l'ecrou 21.
On pourrait aussi avoir en variante la tige
filetée fixée au piston pour suivre sa translation et
empecher sa rotation avec un écrou maintenu axialement
par des butées et libre de tourner. Dans cette disposi-
tion, la translation de la tige f:iletee forcee par le
piston imposerait une rotation a :LI~crouO
Sur la figure 3, on peu~ voir des roues
dentées 25 solidaires des tiges f:iletées 22. Des
boucles de chalnes 26 tendues par des tendeurs 27
relient les servomoteurs 4 entre eux pour assurer la
manoeuvre uniforme de la vanne 1 grâce au systeme vis-
écroux 21, 22.
En variante, le lien de synchronisatlon de
l'organe en rotation pourrait aussi être réalisee par:
- Rouesdentéeset chaînes continues
Rouesdenteeset courroiescrantées
- Engrenageset arbrestournantsrigides ou flexibles.
En plus de maintenir le plan de translation
de la vanne en manoeuvre de fermeture ou d'ouverture,
le dispositif de synchronisation permet de transférer
des efforts entre les servomoteurs inter-reliés pour
assister ceux parmi eux qui sont les plus chargés.
~5;3;~
- 14 -
La description a ete faite plus haut en se
referant a une vanne cylindrique fonctionnant verticale~
ment de haut en bas avec les servomoteurs disposes au-
dessus de la vanne. Les servomoteurs peuvent aussi être
disposes au-dessous de la vanne. De même, la presente
invention se rapporte aussi, comme il l'est mentionne
dans l~s paragraphes d'ouverture de cette demande, à
une vanne cylindrique fonctionnant verticalement de bas
en haut alors que la chambre dans laquelle s'exerce la
pression serait sous le conduit hydraulique et les
efforts s'exerceraient sur l'arete inferieure de la
vanne, les servomoteurs pouvant être disposés au-dessus
ou au-dessous de la vanne. De meme, la presente inven-
tion se rapporte a une vanne cylindrique qui se deplace-
rait selon un axe horizontal ou incline plutôt que
vertical. Ainsi, il est souhaité que la présente inven-
tion ne soit interprétée de façon restrictive que par
l'ampleur des revendications suivantes.
