FR2484025A1

FR2484025A1 - Pump turbine for pumped storage system - has water under pressure injected into stage for starting as pump

Info

Publication number: FR2484025A1
Application number: FR8012580A
Authority: FR
Inventors: Pierre Boussuges
Original assignee: Neyrpic SA
Current assignee: Neyrpic SA
Priority date: 1980-06-06
Filing date: 1980-06-06
Publication date: 1981-12-11
Also published as: AR224073A1; CA1205682A; BR8103231A; FR2484025B1

Abstract

The machine has a pump inlet (1) and a first stage with impeller blades (2) and guide vanes (3) on the outlet. This is followed by two further stages (5,6;8,9) the last of which discharges into a volute (11) from which the outflow (12) is taken. A bypass (20) has an inlet valve (24) with a connection (22) downstream of the main stop valve (13). The bypass takes water under pressure to a header (17) round the first stage. A ring of nozzles (16) injects the water into the annular gap (16) between the first stage impeller blades (2) and the guide vanes (3). This reduces the idling load as the pump comes up to full speed.

Description

La présente invention se rapporte aux pompes et turbinespompes multiétagesà diffuseur fixe utilisées dans les installations hydroélectriques, et concerne plus spécialement un dispositif permettant d'en faciliter le démarrage. The present invention relates to pumps and turbine turbinespumps with fixed diffuser used in hydroelectric installations, and more specifically relates to a device making it possible to facilitate starting.

Le démarrage des pompes ou des turbines-pompes en pompe, lorsque ces machines sont à plusieurs étages et à diffuseurs fixes, s'effectue actuellement toujours roues noyées, autant en raison des difficultes que rencontrerait dans l'autre cas l'implantation de e tuyauteries de vidange d'eau et d'amenee d'air comprime, qu'en raison des problèmes que créeraient les instabilités qui seraient dues à l'évacuation brutale de l'air sous la poussée de l'eau au moment du renoyage. The start-up of pumps or pump-pumps in pump, when these machines are multi-stage and with fixed diffusers, is currently always carried out with flooded wheels, as much because of the difficulties that would meet in the other case the installation of piping of water drainage and air supply compresses, that because of the problems that would create the instabilities which would be due to the brutal evacuation of the air under the push of the water at the time of the re-watering.

La séquence classique de demarrage de telles pompes ou turbines-pompes consiste, le robinet de garde étant fermé, à démarrer la pompe soit à l'aide d'un moteurasynchrone auxiliaire, soit à l'aide de son moteur synchrone fonctionnant alors, grâce à des équipements speciaux ou à un surdimensionnement des bobinages du rotor, en moteur asynchrone. On augmente alors progressivement la vitesse jusqu'à parvenir à la vitesse de synchronisme. On couple alors le moteur synchrone et l'on ouvre progressivement le robinet de garde jusqu'à ce que l'on obtienne le débit nominal. La puissance fournie à débit nul au voisinage de la vitesse de synchronisme, appelée "puissance de barbotage" est souvent, dans le cas des pompes à diffuseurs fixes, une fraction non négligeable de la puissance nominale, et peut atteindre 90% de celle-ci.Il en resulte d'une part un échauffement de l'eau à débit nul qui risque d'entrainer, par une dilatation différentielle de certaines pièces de la turbine entre parties fixes et parties mobiles, l'endommagement de certaines de ces pièces, et d'autre part une nécessité de surdimensionnement du moteur utilise pour le démarrage, que celui-ci soit un moteur auxiliaire, le moteur principal de la turbinepompe, ou le moteur asynchrone principal de la pompe s'il s'agit d'une pompe classique. The conventional starting sequence for such pumps or pump-turbines consists, with the guard valve being closed, of starting the pump either using an auxiliary asynchronous motor, or using its synchronous motor then operating, thanks to special equipment or oversizing of the rotor windings, asynchronous motor. The speed is then gradually increased until the synchronism speed is reached. The synchronous motor is then coupled and the guard valve is gradually opened until the nominal flow is obtained. The power supplied at zero flow in the vicinity of the synchronous speed, called "bubbling power" is often, in the case of pumps with fixed diffusers, a significant fraction of the nominal power, and can reach 90% of this. On the one hand, this results in heating of the water at zero flow rate which risks causing, by differential expansion of certain parts of the turbine between fixed parts and moving parts, damage to some of these parts, and on the other hand, a need for oversizing the motor used for starting, whether the latter is an auxiliary motor, the main motor of the turbine pump, or the main asynchronous motor of the pump if it is a conventional pump. .

La pompe ou turbine-pompe multiétages à diffuseur fixe de l'invention présente l'avantage de pouvoir démarrer roues noyées avec une puissance de barbotage réduite par rapport à celle nécessitée pour les dispositifs connus actuellement. Elle est caractérisée en ce qu'au moins un étage est équipé d'un dispositif auxiliaire de création d'un rideau d'eau sous pression dans l'espace annulaire situé entre la sortie de la roue et le diffuseur. The multi-stage pump or turbine-pump with fixed diffuser of the invention has the advantage of being able to start wet wheels with reduced bubbling power compared to that required for the devices known at present. It is characterized in that at least one stage is equipped with an auxiliary device for creating a curtain of pressurized water in the annular space located between the outlet of the wheel and the diffuser.

Avantageusement, ce rideau d'eau est constitué par une série de jets d'eau disposés en anneau et envoyés dans l'espace entre roue et diffuseur à l'aide d'une rampe auxiliaire percée de canaux d'injection d'eau sous pression, et avantageusement située, en particulier pour des questions de facilité d'implantation, sous ledit espace annulaire. t'écran d'eau ainsi créé limite alors au démarrage le frottement fluide sur le diffuseur fixe relatif à l'étage considéré, ainsi que les recirculations à travers les aubages dudit diffuseur, ce qui permet de diminuer de manière non négligeable le couple de barbotage. Advantageously, this water curtain is constituted by a series of water jets arranged in a ring and sent into the space between the wheel and the diffuser using an auxiliary ramp pierced with pressurized water injection channels. , and advantageously located, in particular for reasons of ease of installation, under said annular space. the water screen thus created then limits at start-up the fluid friction on the fixed diffuser relative to the stage in question, as well as the recirculations through the blades of said diffuser, which makes it possible to significantly reduce the bubbling torque .

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un exemple de réalisation, applique au démarrage en pompe d'une turbine-pompe à trois étages et à diffuseurs fixes, en référence aux dessins annexes dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale de la turbine-pompe de l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique agrandie du dispositif d'injection de jets d'eau équipant la pompe de la figure 1, - la figure 3 est une vue développée de l'anneau d'injection de jets d'eau équipant le dispositif d'injection de la figure 2, - la figure 4 est une vue développée d'une variante d'anneau d'injection pouvant équiper le dispositif d'injection de la figure 2, - la figure 5 représente schématiquement une variante de dispositif d'injection de jets d'eau pouvant équiper la pompe de la figure 1, - la figure 6 est une vue développée du tronc de cône d'injection de jets d'eau équipant le dispositif a'injection de la figure 5. The invention will be better understood with the aid of the following description of an exemplary embodiment, applied when starting a pump from a three-stage turbine pump with fixed diffusers, with reference to the accompanying drawings in which - the figure 1 is a schematic view in longitudinal section of the pump-turbine of the invention, - Figure 2 is an enlarged schematic representation of the device for injecting water jets fitted to the pump of Figure 1, - Figure 3 is a developed view of the ring of injection of water jets equipping the injection device of FIG. 2, - FIG. 4 is a developed view of a variant of injection ring which can equip the device injection of FIG. 2, - FIG. 5 schematically represents a variant of a device for injecting jets of water which can be fitted to the pump of FIG. 1, - FIG. 6 is a developed view of the trunk of cone for injecting jets of water fitted to the injection device of FIG. 5.

On reconnait sur la représentation schématique de la figure 1 une turbine-pompe hydroélectrique à trois: étages, comportant, dans le sens de l'écoulement lorsque la machine, comme c'est le cas pour l'invention, fonctionne en pompe - un aspirateur 1 d'arrivée d'eau, - un premier étage comportant une roue à aubes 2 suivie d'un diffuseur fixe 3, - un premier circuit de retour 4 servant à amener l'eau vers le second étage, - un second étage comportant une roue à aubes 5 et un diffuseur fixe 6 - un second circuit de retour 7 permettant d'amener l'eau jusqu'au troisième étage, - un troisième et dernier étage comportant une roue à aubes 8 et un diffuseur fixe 9, - un circuit de sortie, ou "bâche", comportant un avant-diffuseur 10 et une volute 1-1, - une conduite forcée de refoulement 12 munie d'un robinet de garde 13. We recognize in the schematic representation of Figure 1 a three-stage hydroelectric pump-turbine, comprising, in the direction of flow when the machine, as is the case for the invention, operates as a pump - a vacuum cleaner 1 water inlet, - a first stage comprising a paddle wheel 2 followed by a fixed diffuser 3, - a first return circuit 4 serving to bring water to the second stage, - a second stage comprising a paddle wheel 5 and a fixed diffuser 6 - a second return circuit 7 allowing the water to be brought to the third stage, - a third and last stage comprising a paddle wheel 8 and a fixed diffuser 9, - a circuit outlet, or "cover", comprising a pre-diffuser 10 and a volute 1-1, - a forced discharge pipe 12 provided with a guard valve 13.

L'ensemble de ces éléments, à l'exception de l'aspirateur et de la volute qui sont dissymétriques, est par ailleurs de révo- - lution autour de l'arbre 14 de la machine-. All of these elements, with the exception of the vacuum cleaner and the volute which are asymmetrical, are also of revolution - around the shaft 14 of the machine.

Conformément à l'invention, l'étage inférieur de la machine est muni d'un dispositif permettant d'injecter de bas- en haut et parallèlement à l'arbre 14, une centaine de jets d'eau sous pression 16 dans l'espace annulaire 15 séparant la roue 2 du diffuseur 3. Ce dispositif, qui sera décrit plus en détails en référence aux figures 2 et 3 est constitué essentiellement par un anneau distributeur d'eau 17, ou collecteur, muni d'une arrivée d'eau sous pression 18 et percé à sa partie supérieure d'un grand nombre de canaux 19 permettant l'éjec- tion des jets d'eau 16.Pour amener l'eau sous pression en 18, on utilise une canalisation de dérivation 2O, ou "by-pass", qui raccorde l'entrée 18 à la conduite d'évacuation 12, soit en 21 à l'amont du robinet de garde 13, soit en 22 à l'aval de celui-ci, selon que les robinets sphériques 23 et 24, placés sur les canalisations 25 et 26 sont respectivement le premier ouvert et le second fermé ou le premier fermé et le second ouvert. According to the invention, the lower stage of the machine is provided with a device making it possible to inject from the bottom up and parallel to the shaft 14, a hundred jets of water under pressure 16 into the space ring 15 separating the wheel 2 from the diffuser 3. This device, which will be described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3, consists essentially of a water distributor ring 17, or collector, provided with a water inlet under pressure 18 and pierced at its upper part with a large number of channels 19 allowing the ejection of the water jets 16. To bring the water under pressure at 18, a bypass line 2O is used, or "by -pass ", which connects the inlet 18 to the discharge pipe 12, either at 21 upstream of the guard valve 13, or at 22 downstream thereof, depending on whether the ball valves 23 and 24, placed on the pipes 25 and 26 are respectively the first open and the second closed or the first closed and the second open.

Dans le cas où l'on souhaitera effectuer le démarrage de la pompe à débit nul, c'est-a-dire avec le robinet de garde 13 totalement fermé, on prendra la dérivation de by-pass 20 en 22, donc en ouvrant le robinet 24, le robinet 23 étant fermé, la pression d'eau d'injection par les canaux 19 étant alors fonction de la hauteur de chute résiduelle par rapport au bassin supérieur. Par contre, pour un demarrage à débit partiel, avec le robinet de garde 13 légèrement ouvert, on prendra avantageusement la dérivation en 21, le robinet 23 etant ouvert et le robinet 24 fermé, ce qui évite en particulier la perte de charge dans le robinet de garde 13. In the case where it is desired to start the pump at zero flow, that is to say with the guard valve 13 completely closed, the bypass bypass 20 will be taken at 22, therefore by opening the tap 24, the tap 23 being closed, the injection water pressure through the channels 19 then being a function of the residual height of drop with respect to the upper basin. On the other hand, for a partial flow start-up, with the guard valve 13 slightly open, the branch at 21 will advantageously be taken, the valve 23 being open and the valve 24 closed, which in particular avoids the pressure drop in the valve. on call 13.

La coupe schématique de la figure 2 montre plus en détails le dispositif auxiliaire d'injection de jets d'eau de la figure 1. The schematic section of FIG. 2 shows in more detail the auxiliary device for injecting water jets of FIG. 1.

Comme on le voit sur le dessin, le collecteur annulaire 17 est constitué de deux pièces 27 et 28. La pièce annulaire 27 s'appuie sur le corps de l'aspirateur 1 , l'étanchéité entre la partie fixe 27 et la roue 2 est assurée par un joint 29. Par ailleurs, la partie supe- rieure de la pièce 27 est usinée de manière à former une roue dentée 30 à dents axiales, dont la figure 3 en représente une vue développée, ce qui permet de définir par appui sur l'autre pièce 28 une série de canaux verticaux 19 de passage des jets 16. Comme mentionné précé- demment, les jets d'eau sous pression 16 permettent de former, dans l'espace 15, un ecran d'eau lisse permettant d'isoler la roue 2 du diffuseur 3 et de diminuer ainsi la puissance de barbotage. As can be seen in the drawing, the annular collector 17 consists of two parts 27 and 28. The annular part 27 rests on the body of the vacuum cleaner 1, the seal between the fixed part 27 and the wheel 2 is provided by a seal 29. Furthermore, the upper part of the part 27 is machined so as to form a toothed wheel 30 with axial teeth, of which FIG. 3 represents a developed view thereof, which makes it possible to define by pressing on the other part 28 a series of vertical channels 19 for passing the jets 16. As mentioned previously, the pressurized water jets 16 make it possible to form, in space 15, a screen of smooth water making it possible to isolate the wheel 2 from the diffuser 3 and thus reduce the bubbling power.

La figure 4 montre une variante avantageuse de la roue dentée 30 de la figure 2. Selon cette variante, les dents définissant les canaux 19 sont inclinées par rapport à l'horizontale d'un angle avantageusement situé aux alentours d'une trentaine de degrés, et en tous cas inférieur à 90 degrés, de manière à diriger les jets 16 dans le sens tendant à faire tourner en pompe les aubes de roue 2. De la sorte, les jets 16 de l'invention ont, outre leur fonction de creation d'un écran d'eau, une fonction d'aide au démarrage de la pompe. FIG. 4 shows an advantageous variant of the toothed wheel 30 of FIG. 2. According to this variant, the teeth defining the channels 19 are inclined relative to the horizontal by an angle advantageously situated around thirty degrees, and in any case less than 90 degrees, so as to direct the jets 16 in the direction tending to rotate the impeller blades 2. In this way, the jets 16 of the invention have, in addition to their function of creation d '' a water screen, a pump start-up assistance function.

Les figures 5 et 6 montrent une variante du dispositif selon les figures 2 et 4, se différenciant de celles-ci par le fait que la roue dentée 30 est une roue tronc5nique, les canaux 19 étant alors non seulement inclines, comme on le voit sur la figure 6, d'environ 30degrés par rapport à l'horizontale, mais étant en outre inclinés d'approximativement la même valeur par rapport à la verticale et vers la gauche, c'est-à-dire vers la roue 2, les deux angles d'inclinaison étant en tous cas inférieurs à 90 degrés. La demanderesse a trouvé que cette disposition permettait aux jets 16 d'encore mieux assister le démarrage en pompe de la machine, tout en créant dans l'espace 15 un écran d'eau aussi efficace que celui crée par les configurations de roues dentée 30 selon les figures (2, 3) et (2, 4). Figures 5 and 6 show a variant of the device according to Figures 2 and 4, differing from these in that the toothed wheel 30 is a truncated wheel, the channels 19 then being not only inclined, as seen on Figure 6, about 30 degrees from the horizontal, but being further inclined by approximately the same value relative to the vertical and to the left, i.e. to wheel 2, both angles of inclination being in any case less than 90 degrees. The Applicant has found that this arrangement made it possible for the jets 16 to better assist the pump start-up of the machine, while creating in space 15 a water screen as effective as that created by the configurations of toothed wheels 30 according to Figures (2, 3) and (2, 4).

Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux réalisations qui viennent d'être décrites à titre d'exemple. En particulier, ces réalisations ne comportent qu'un dispositif (17, -19) d'injection de jets d'eau vers le haut dans l'espace 15 placé à la partie inférieure de celui-ci. Il va de soi qu'on pourrait aussi bien placer un tel dispositif en outre ou uniquement à la partie supérieure de cet espace 15, injectant alors des jets 16 dirigés vers le bas. Toutefois, une telle disposition poserait des problèmes supplémentaires d'encombrement de sorte que la disposition décrite précédemment a été trouvée préférentielle et d'une efficacité suffisante. On pourrait aussi munir tout ou partie des autres étages d'un dispositif de création d'un rideau d'eau selon l'invention, mais leur efficacité serait toutefois moindre que sur l'étage inférieur en raison de la diminution de la puissance des jets 16 sur les étages suivants ; il serait dans ce cas souhaitable d'adjoindre sur chaque canal 20 une pompe auxiliaire permettant d'augmenter la puissance des jets 16. It goes without saying that the invention is not limited to the embodiments which have just been described by way of example. In particular, these embodiments only have one device (17, -19) for injecting jets of water upwards into the space 15 placed at the bottom of the latter. It goes without saying that such a device could as well be placed in addition or only at the upper part of this space 15, then injecting jets 16 directed downwards. However, such an arrangement would pose additional problems of size so that the arrangement described above has been found preferable and of sufficient efficiency. One could also provide all or part of the other stages with a device for creating a water curtain according to the invention, but their effectiveness would however be less than on the lower stage due to the reduction in the power of the jets. 16 on the following floors; in this case, it would be desirable to add an auxiliary pump to each channel 20 allowing the power of the jets 16 to be increased.

Claims

REVENDICATIONS

1. Pompe ou turbine-pompe multiétages à diffuseur fixe, caractérisée en ce qu'au moins son étage inférieur est équipé d'un dispositif auxiliaire (17, 19) de création d'un rideau d'eau sous pression dans l'espace annulaire (15) situé entre la sortie de la roue (2) et le diffuseur (3). 1. Multi-stage pump or turbine-pump with fixed diffuser, characterized in that at least its lower stage is equipped with an auxiliary device (17, 19) for creating a curtain of pressurized water in the annular space (15) located between the outlet of the wheel (2) and the diffuser (3).

2. Pompe ou turbine-pompe multiétages selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit dispositif auxiliaire est équipé d'un dispositif (30) d'injection d'un grand nombre de jets d'eau (16). 2. Multi-stage pump or turbine-pump according to claim 1, characterized in that said auxiliary device is equipped with a device (30) for injecting a large number of water jets (16).

3. Pompe ou turbine-pompe,,l,, la revendication 2, caractérisée en ce que ledit dispositif d'injection (30) est équipé de canaux (19) orientés verticalemet. 3. Pump or pump-pump ,, l ,, claim 2, characterized in that said injection device (30) is equipped with channels (19) oriented vertically.

4. Pompe ou turbine-pompe s-elon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit dispositif d'injection (30) est équipé de canaux (19) situés dans le plan vertical et inclinés par rapport à l'horizontale dans le sens de rotation de la pompe d'un angle inférieur à 90 degrés. 4. Pump or turbine-pump according to claim 2, characterized in that said injection device (30) is equipped with channels (19) located in the vertical plane and inclined relative to the horizontal in the direction of pump rotation by an angle less than 90 degrees.

5. Pompe ou turbine-pompe selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit angle d'inclinaison est d'une valeur d'environ 30 degrés. 5. Pump or turbine-pump according to claim 4, characterized in that said angle of inclination is of a value of about 30 degrees.

6. Pompe ou turbine-pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit dispositif d'injection (30) est équipé de canaux (19) inclinés, d'une part par rapport à la verticale en direction de la roue (2), et d'autre part par rapport à l'horizontale dans le sens de rotation de la pompe, d'angles inférieurs à 90 degrés. 6. Pump or turbine-pump according to claim 2, characterized in that said injection device (30) is equipped with channels (19) inclined, on the one hand relative to the vertical in the direction of the wheel (2) , and on the other hand relative to the horizontal in the direction of rotation of the pump, angles less than 90 degrees.

7. Pompe ou turbine-pompe selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits angles d'inclinaison ont tous deux une valeur a'environ trente degrés. 7. Pump or turbine-pump according to claim 6, characterized in that said angles of inclination both have a value of approximately thirty degrees.

8. Pompe ou turbine-pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit rideau d'eau est crée à partir d'une dérivation (20) partant de la conduite de refoulement (12) soit en amont du robinet de garde (13) dans le cas du démarrage de la pompe à debit partiel, soit en aval de celui-ci dans le cas du démarrage à débit nul. 8. Pump or turbine-pump according to claim 1, characterized in that said water curtain is created from a bypass (20) starting from the discharge pipe (12) is upstream of the guard valve (13 ) in the case of starting the partial-flow pump, or downstream of it in the case of starting at zero flow.