LA HOUILLE B L A N C H E
J . RE Y, Éditeur,
G R E N O B L EA b o n n e m e n t pour u n e A n n é e \ F r a n c e . . . 30 francs / / É t r a n g e r . 40 francs S Compte Chèques Postaux LYON 5-84
S O M M A I R E
Le N u m é r o : 5 francs
L E S F O R C E S H Y D R A U L I Q U E S . — Q u e l q u e s i n s t a l l a t i o n s r e m a r q u a b l e s d e T u r b i n e s m o d e r n e s , p a r R . H O F M A N N , I n g é - n i e u r en (IlieT d e s A t e l i e r s d e C o n s t r u c t i o n s M é c a n i q u e s de V e v e y . - — Les g r a n d s a m é n a g e m e n t s h y d r a u l i q u e s t r a n s a l p i n s :
L a r u p t u r e d u b a r r a g e d u G l e n o , p a r .1. B O U D E T , I n g é n i e u r A.-.M., m e m b r e d e la S o c i é t é d e s I n g é n i e u r s c i v i l s d e F r a n c e e t d e 1' « A s s o c i a z i o n e E l e t t r o t e c n i c a I t a l i a n o » (Se/., d e T o r i n o ) .
É L E C T R I C I T É . —- S u r la m i s e en p a r a l l è l e a u t o m a t i q u e des M a c h i n e s s y n c h r o n e s e t d e s C e n t r a l e s é l e c t r i q u e s . — C o u r t - c i r c u i t d a n s les T r a n s f o r m a t e u r s à '.'< e n r o u l e m e n t s , p a r
MM. B A K R È R E , I n g é n i e u r a u x E t a b l i s s e m e n t s S c h n e i d e r , chef, d e t r a v a u x é l e c t r o - t e c h n i q u e s à l ' E c o l e C e n t r a l e d e s A r t s e t .Métiers, e t R . E S C H A P A S S E , a n c i e n é l è v e d e l ' E c o l e P o l y t e c h - n i q u e . — A l t e r n a t e u r s d e 6 5 . 0 0 0 K V A d e la N i a g a r a F a l l s P o w e r C o m p a n y .
L É G I S L A T I O N . — L a t a x a t i o n d e la force m o t r i c e d e s c h u t e s d ' e a u à l ' i m p ô t f o n c i e r , p a r P a u l B O T O A U L T , a v o c a t à la C o u r d ' A p p e l d e L y o n .
D O C U M E N T A T I O N . B I B L I O G R A P H I E .
LES FORCES HYDRAULIQUES
Quelques Installations remarquables de Turbines modernes
P a r R . H O F M A N N , Ingénieur en chef des Ateliers de Constructions Mécaniques de Vevey.
Les turbines à hélice de l'Usine Hydroélectrique de Wynau.
L ' a n c i e n n e centrale de W y n a u , située sur la rive droite de l'Aar, é t a n t insuffisante p o u r faire face a u x besoins de la con- sommation, les propriétaires de c e t t e centrale décidèrent la création, sur la rive gauche, d'une usine équipée pour une puis- sance de 10.000 c h e v a u x et desservie par le même b a r r a g e que l'usine de la rive droite.
Les t u r b i n e s de l'ancienne' centrale d é v e l o p p a n t 860 chevaux e n t r a î n e n t les a l t e r n a t e u r s p a r l'intermédiaire d'engrenages coniques v o l u m i n e u x . P o u r s'affranchir des inconvénients multiples i n h é r e n t s à ces engrenages, les E n t r e p r i s e s électriques de W y n a u m e t t a n t à profit les r e m a r q u a b l e s progrès réalisés, ces dernières années, dans le d o m a i n e des turbines à grande vitesse, grâce à l'adoption de roues en forme d'hélice de. navire, ont résolu d'équiper la nouvelle usine de p u i s s a n t e s turbines de ce t y p e . Le principe de ce système de turbines est d'ailleurs fort ancien, c o m m e le p r o u v e le bref historique suivant. Les anciennes t u r b i n e s J o n v a l possédaient déjà des roues motrices p o r t a n t a u t o u r de la couronne intérieure une seconde couronne en forme d'hélice sans couronne extérieure.
L a c o u r b u r e des aubes é t a i t cependant, très accentuée à cause de la vitesse périphérique r e l a t i v e m e n t faible en usage à cette époque. D ' a u t r e p a r t , l'eau é t a i t amenée au rotor par un dis- tributeur axial mal approprié au réglage des aubes. U n e inté- ressante proposition fut faite en 1860 p a r l'Américain T r u a x qui a fait b r e v e t e r une lurbine avec roue à hélice c o m p o r t a n t 4 aubes sans couronne extérieure. L ' e a u également était amenée à la roue p a r une c h a m b r e en forme de spirale. Le. réglage était fait p a r la v a n n e d'admission. H o r t o n et Williams proposèrent respectivement en 1877 et 1893 des roues motrices d'une, forme presque i d e n t i q u e à celle d ' u n e hélice, de navire, munies d'aubes
plus courtes que l'intervalle circonférenciel entre deux aubes consécutives ; mais la turbine à hélice, s u p p l a n t é e p a r la t u r b i n e Francis à admission centripète et à sortie axiale, fut a b a n d o n n é e p e n d a n t quelque t e m p s .
L e but. poursuivi p a r t o u s les c o n s t r u c t e u r s é t a i t l'accroisse- m e n t de. la vitesse, des turbines en v u e de l'accouplement direct des alternateurs, lequel réalise u n e notable réduction des dépenses d'établissement. A cet effet, la vitesse périphérique qui, il y a une dizaine d'années ne dépassait guère 1,0 / / 2 gH a été portée à 2 ( / 2 gH et m ê m e à 3 ] / 2 gH. P o u r diminuer le f r o t t e m e n t dû à c e t t e vitesse élevée, on- a r é d u i t le n o m b r e e t la longueur des aubes et, pour prévenir les remous, on a donné a u x aubes u n e forme plus simple, moins incurvée. Grâce enfin à la réduction progressive du d i a m è t r e du disque-moyeu, sur lequel s o n t fixées les aubes, on revint, peu à peu, à la forme en hélice préconisée il y a longtemps, nous l'avons déjà relevé, p a r H o r t o n et Wil- liams.
C'est principalement à l'ingénieur Nagler, à Mihvaukee et au Dr K a p l a n , professeur à Brunrt, que revient le m é r i t e d'avoir perfectionné ce genre de t u r b i n e . E n s u i t e des r é s u l t a t s excel- lents obtenus et publiés par le Dr K a p l a n la p l u p a r t des cons- t r u c t e u r s reprirent la construction des roues à hélice. Les A t e - liers de Constructions Mécaniques de Vevey, qui p o u r s u i v a i e n t aussi depuis l o n g t e m p s l'étude des t u r b i n e s à g r a n d e vitesse, expérimentaient, à leur station d'essais, des roues à hélice d'un d i a m è t r e de 380 m m . C'est sur la c o n s t a t a t i o n des r é s u l t a t s t o u t à l'ait favorables p r o d u i t s p a r une de ces roues, que les E n t r e - prises électriques de W y n a u passèrent a u x dits Ateliers de Vevey la c o m m a n d e de 2 turbines à hélice destinées à utiliser une chute, v a r i a n t de 2, 4 à 5,2 mètres e t calculées chacune pour développer une puissance m a x i m u m de 2.700 c h e v a u x à u n e Article published by SHF and available athttp://www.shf-lhb.orgorhttp://dx.doi.org/10.1051/lhb/1924033
vitesse de 107 t o u r s p a r m i n u t e . Les turbines de l'ancienne cen- trale, qui sont pourtant, d'un modèle récent développent, sous la même chute, et à la vitesse de 42 t o u r s par m i n u t e , une puis- sance de 860 c h e v a u x seulement.
Turbines.
La f i g u r e j ^ r e p r é s e n t e u n e coupe et la i'ig. 2 une vue d ' u n e t u r b i n e de W y n a u . C h a q u e g r o u p e t u r b o - a l t e r n a t e u r possède 3 paliers p r i n c i p a u x d o n t 2 font p a r t i e de l ' a l t e r n a t e u r . L e palier de guidage de la t u r b i n e , m o n t é sur le couvercle du distribu- teur, est m u n i de coussinets en m é t a l blanc graissés p a r de
gic résiduelle par le moyen de la transformation graduelle de la vitesse en dépression à la sortie de la roue, La roue motrice, d'une seule pièce, en acier coulé, livrée p a r les Aciéries Fischer à Schaffouse, est constituée, par un moyeu p o r t a n t 4 aubes sans couronne extérieure. Elle a la forme d ' u n e hélice de n a v i r e . En v u e de réduire la vitesse r e s t a n t e , le d i a m è t r e de la r o u e est plus g r a n d à la sortie q u ' à l'entrée. Les aubes sont r e l a t i v e m e n t lon- gues pour améliorer le guidage de la veine liquide et prévenir les r e m o u s nuisibles. La roue, boulonnée sur le p l a t e a u d'accou- p l e m e n t venu de forge avec l ' a r b r e de turbine, tourne dans une enveloppe en fonte facilement d é m o n t a b l e . Lors du d é m o n t a g e
Fig. 1. — Coupe d'une des [turbines de W y n a u , construites p a r les « Ateliers de Constructions Mécaniques de Yevey ».
Echelle 1 : 150.
l'huile circulant sous l'action d'une petite p o m p e à engrenages c o m m a n d é e p a r l'arbre de la t u r b i n e au moyen d'engrenages intermédiaires. L a circulation de l'huile est visible à distance.
L'eau est amenée au distributeur p a r une bâche spirale en béton d o n t l'entrée a été disposée s y m é t r i q u e m e n t en vue de faciliter par l'élimination des remous, le jaugeage du débit au m o y e n du moulinet. Le b â t i de la turbine, d'une construction très robuste, composé de deux a n n e a u x de scellement en fonte reliés p a r dix colonnes venues de fonderie avec eux, supporte la turbine, l'alternateur, une p a r t i e du plancher ainsi que la charge p r o v e n a n t du pivot.
L a forme à donner au t u b e d'aspiration a été l'objet d'une a t t e n t i o n t o u t e spéciale en r-aison de la vitesse très considérable que l'eau possède encore à la sortie de la roue motrice et qui cor- respond à 1/4 et m ê m e 1/3 de l'énergie totale. L ' a s p i r a t e u r (dif- fuseur) p e r m e t de récupérer la plus g r a n d e p a r t i e de c e t t e éner-
de l ' a l t e r n a t e u r , la roue avec l'arbre p e u t être appuyée, sur deux t r a v e r s e s en fers profilés q u ' o n i n t r o d u i t dans des cchancrures p r a t i q u é e s dans les parois de l'aspirateur en béton. Le rotor de l ' a l t e r n a t e u r p e u t être a p p u y é sur son croisillon inférieur à l'aide de vérins p r é v u s à cet effet. Le distributeur, d'une cons- truction semblable à celui d ' u n e turbine Francis, est formé d'un a n n e a u inférieur p o r t a n t l'enveloppe conique de la roue motrice, d ' u n couvercle supérieur et de 30 aubes p i v o t a n t e s en acier coulé.
B â t i et distributeur sont divisés a x i a l e m c n t . Les aubes pivo- tantes sont d ' u n e seule pièce avec leurs tourillons qui t o u r n e n t dans des douilles en bronze. Les tourillons supérieurs traversent le couvercle du distributeur et p o r t e n t à leur e x t r é m i t é les le- viers de réglage qui sont reliés a u x cercles de v a n n a g e par des biellettes en bronze. Ces dernières sont flexibles en v u e de préve- nir la détérioration des aubes au cas où un corps étranger péné- trerait, e n t r e elles au m o m e n t de leur fermeture.
Pivol.
Le pivot, m o n t é sur le croisillon de l'alternateur, supporte non seulement le poids des masses t o u r n a n t e s de la turbine et de l'alternateur, mais encore la poussée axiale de l'eau sur la roue motrice, La charge totale p e u t a t t e i n d r e 82 tonnes. Les fig. 3 à 5 représentent ce pivot, breveté, exécuté p a r les Ateliers de Vevey.
La lentille a un d i a m è t r e de 940 mm. Les segments p i v o t a n t s qui glissent sur une mince couche d'huile admise e n t r e eux et la lentille s ' a p p u i e n t sur des a n n e a u x flexibles en acier a u ' c h r o m e -
sous une pression de 15 a t m . dans la c h a m b r e d'air ; un réservoir central d'huile m u n i d'une p e t i t e p o m p e centrifuge c o m m a n d é e p a r un m o t e u r électrique qui p e r m e t de remplir e t de vider les réservoirs d'huile de c h a q u e régulateur, en cas de revision.
Les régulateurs, m o n t é s dans la salle des a l t e r n a t e u r s , sont de construction semblable à ceux de la J o g n e décrits dans le Bulle- tin technique de la Suisse Romande, n u m é r o du 24 m a i 1924.
Chaque t u r b i n e est m u n i e de deux dispositifs de sûreté : l'un p r o v o q u e la fermeture a u t o m a t i q u e j i e la t u r b i n e dès q u e le
nickel grâce auxquels on assure une r é p a r t i t i o n uniforme de la charge sur tous les segments et sur t o u t e leur largeur, même au cas où le m o n t a g e et l'exécution ne seraient pas rigoureusement exacts.
Réglage.
Au sous-sol sont logés près de c h a q u e turbine :
La p o m p e à huile à engrenages à 2 étages qui refoule l'huile
t a c h y m è t r e du régulateur s'arrête, soit p a r suite de la c h u t e de la courroie, soit p o u r cause de grippage. L ' a u t r e dispositif consiste en u n régulateur centrifuge fixé sur l ' a r b r e de la t u r b i n e et qui, dès que la vitesse dépasse 120 t o u r s p a r m i n u t e , déclenche un cliquet qui agit, par l'intermédiaire d'un appareil approprié, sur le distributeur d'huile du régulateur, p r o v o q u a n t la fermeture de la turbine.
Pig, i . _ pian d'installation des turbines de W y n a u . — Echelle 1 : 150.
Essais.
Les deux premières turbines qui ont été mises en m a r c h e en octobre 1923 ont donné d'emblée entière satisfaction à tous les points de vue, de sorte que les Entreprises électriques de W y n a u ont passé a u x Ateliers de Vevey la c o m m a n d e de 2 a u t r e s tur- bines identiques.
nuaienf l e n t e m e n t d'environ 3 % après la mise en m a r c h e . Il est vrai que cette petite turbine a été expérimentée sous u n e chute presque aussi h a u t e que celle de W y n a u . Les g r a n d e s turbines de cette centrale n'ont présenté aucun p h é n o m è n e de ce genre- L e s essais de réception o n t eu lieu du 9 au 16 janvief 1924 sous la direction du B u r e a u h y d r a u m é t r i q u e du Service fédéral des E a u x . L a puissance développée par l ' a l t e r n a t e u r é t a i t mesurée -par les soins de la Stations d'esai et d'étalonnage de l'Association suisse des Electriciens. Les r é s u l t a t s o b t e n u s au c o u r s de ces
14—> ^
F i g . 3. — C o u p e d u p i v o t . — 1 : 2 5 .
F i g . 4 . — V u e p a r d e s s o u s d e s s e g m e n t s p i v o t a n t s . — 1 : 2 5 .
F i g . 5. — C o u p e p a r les s e g m e n t s p i v o t a n t s . — 1 : 1 0 .
Le couple de d é m a r r a g e est élevé et la stabilité du régime très bonne, c o n t r a i r e m e n t à ce qui se passe pour les turbines à hélice munies d'aubes courtes. Au cours des expériences exécutées sur la petite roue d'essai on a pu constater une certaine stabilité de, régime : en m a i n t e n a n t la c h u t e et la vitesse constantes, le débit, la puissance et dans une certaine mesure le r e n d e m e n t dimi-
%
90 80 70 60 50 40 1] 30
- 1 1
max 89 %
H = 5 2 m
1 0 7 r
- n -1 0 7 g;
r
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Tj 30 20 10 0
Rendements obtenus
6arantie avec 2 % de tolérance Garantie sans tolérance
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H > 4 , 7 107
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Rendements obtenus
Garantie avec 2 % de tolérance 'Garantie sans tolérance
~H = 4,25 m.-|
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l''ig. 6. — D i a g r a m m e s d ' e s s a i s d e r é c e p t i o n .
ossais s o n t exprimés g r a p h i q u e m e n t dans les t a b l e a u x fig. 6 et 7 élaborés par ledit b u r e a u . Le r e n d e m e n t m a x i m u m atteint sous 5,2 m. de c h u t e est de, 89 % c o r r e s p o n d a n t au n o m b r e de fours spécifique de 728. Ces r é s u l t a t s sont d ' a u t a n t plus remar- quables que le r e n d e m e n t est déjà de 8 5 % sous la c h u t e réduite à 4 mètres, c'est-à-dire avec un n o m b r e de fours spécifique de 862. Bien q u e la c h u t e varie e n t r e 2,5 et 5,2 mètres, les variations du débit sont minimes, 8 % environ. Cette p r o p r i é t é est d'une
g r a n d e i m p o r t a n c e vu que, grâce à elle, la puissance diminue b e a u c o u p moins, lors des crues, que pour les turbines Francis.
Afin de faciliter l ' i n t e r p r é t a t i o n du d i a g r a m m e des « carac- téristiques principales » à ceux de nos lecteurs qui ne sont pas familiers avec ce genre de représentation, nous considérons l'exemple s u i v a n t : sous la c h u t e de 5 m . le r e n d e m e n t corres- p o n d a n t à la pleine charge, soit 2.730 c h e v a u x (intersection de la courbe « pleine charge » avec l'ordonnée 5 m.) est de 8 6 % t a n - dis qu'il est de 8 7 , 7 % pour 7/s de la "charge.
4/4 de la charge. Le r e n d e m e n t des a l t e r n a t e u r s est aussi plus élevé par suite de leur plus g r a n d e vitesse angulaire.
3° L a puissance s'abaisse moins q u e ce n'est le cas pour les turbines Francis lorsque la chute diminue, les t u r b i n e s à hélice sont donc particulièrement bien a d a p t é e s à l ' a m é n a g e m e n t des chutes de h a u t e u r variable.
4° L a roue n ' a y a n t q u ' u n p e t i t n o m b r e d'aubes, la distance entre celles-ci est au moins 3 fois plus g r a n d e que pour les t u r - bines F r a n c;s , ce qui exclut toute possibilité d'obstruction. D e
Fig. 7. — Caractéristiques principales des turbines de "Wynau construites par tes
« Ateliers de Constructions Mécaniques de Vevey ».
Avantages des turbines à hélice.
Les turbines à hélice conviennent spécialement bien pour utiliser avec le m i n i m u m de frais la puissance disponible dans les rivières de plaine d o n n a n t de gros débits sous faibles chutes.
P a r r a p p o r t a u x turbines F r a n c i s leurs a v a n t a g e s sont les sui- v a n t s :
1° N o m b r e de fours très g r a n d donc coût et encombrement de l ' a l t e r n a t e u r réduits. Salle des machines moins large.
2° R e n d e m e n t élevés pour des régimes compris entre 3/4 et
plus, l'écartentent des b a r r e a u x des grilles p e u t être a u g m e n t é , ce qui réalise une économie sur le coût de ces grilles, une diminu- tion des pertes de charge à t r a v e r s ces appareils et une réduction de la dépense de n e t t o y a g e .
5° L ' a l t e r n a t e u r est moins lourd, le p o n t r o u l a n t m o i n s ' p u i s - sant, donc les m u r s du b â t i m e n t moins épais.
6° L a roue n ' é t a n t m u n i e que d'un p e t i t n o m b r e d'aubes et coulées d'une, seule pièce avec le moyeu est plus robuste que la roue Francis.
H = Chute n e t t e , e n mètres
