Technologie des groupes hydraulique

I -        RAPPEL SUR LES BARRAGES

1-    Les différents types de barrages

On classe les barrages d’après leur constitution en deux catégories :

-   Barrages mobiles, dans la majeure partie est composée d’éléments mobiles, vannes ou panneaux. 

-   Barrages fixes, construits en béton ou en maçonnerie.

1-1 Constitution d’un barrage mobile

         Un barrage mobile comporte :

-         Un certain nombre de piles fondées dans le lit de la rivière, séparées par des passes ou pertuis

-         Un radier bétonné qui forme le fond de chaque pertuis et qui peut s’élever quelquefois de plusieurs mètres au dessus du lit de la rivière

-         Des organes d’obturation des passes qui s’appuient sur les piles et reposent sur le radier

1-2 Barrages fixes

           Quand on veut réaliser de grandes hauteurs de barrage, on ne peut plus installer un barrage mobile. On construit un ouvrage en béton ou en maçonnerie qu’on classe, selon sa forme en :

-         Barrages poids

-         Barrages voûte

-         Barrage à voûtes multiples

1-2-1 Barrages poids

          Un barrage poids est un énorme bloc de béton qui barre la vallée. Il est très sensible aux infiltrations d’eau dans sa masse et sous son assise, on lutte contre ces infiltrations :

-         en installant dans le barrage un réseau de drainage (prés du parement amont)

-         en construisant sous le barrage un écran d’étanchéité

1-2-1-1 Barrage en enrochements ou en terre

           Au lieu d’entasser du béton pour barrer la rivière, on peut :

empiler des blocs de rochers : on a un barrage en enrochements

-         accumuler de la terre soigneusement tassées : on a un barrage en terre

1-2-1-2 Barrages à contreforts

            Ce sont des barrages dont le parement amont, très incliné, repose sur une série de contreforts espacés les uns des autres Le volume d’eau situé au dessus du parement amont concourt, par son poids, à la stabilité de l’ouvrage.

1-3 Barrages voûtes

              C’est un ouvrage en forme d’arc qui résiste à la poussée de l’eau en s’appuyant sur les rives. Le barrage ne travaille plus en poids, mais par sa forme. On peut donc le construire plus mince.

               La poussée de l’eau comprime le béton ; si une fissure se déclare dans le parement amont, elle ne peut pas se développer. La base du barrage voûte est plus étroite que celle du barrage poids, les infiltrations d’eau sont donc moins redoutables.

               On ne peut installer un barrage voûte que dans une vallée étroite, dans les versants soient assez résistantes pour supporter la poussée de l’eau.

1-3-1 Barrages à voûte multiples

      il comprend :

-         un certain nombre de piles construite dans la vallée

-         de petites voûtes qui s’appuient sur ces piles

        Ce type de barrage est utilisé pour barrer des vallées larges sans installer un trop grand volume de béton.

         Il ne faut pas confondre un barrage à voûtes multiples avec un barrage à contreforts.

II- RAPPEL SUR LES PRISES D’EAU

On construit une prise d’eau pour :

-         prélever dans la rivière le débit nécessaire aux turbines

-         éliminer les matières solides transportées par le cours d’eau qui gênent le fonctionnement des machines.

Un cours d’eau transporte en effet :

-         des matériaux lourds (galets) qui roulent sur le fond, on dit qu’ils sont transportés par charriage

-         des matériaux fins (limons et sables) qui sont en suspension dans l’eau

-         des matériaux légers qui flottent à la surface (branches, troncs d’arbres…)

Il faut empêcher ces matériaux de passer dans les installations parce qu’ils les bouchent ou les détériorent.

Une prise d’eau comprendra donc :

-         des ouvrages d’entrée, pour capter et contrôler le débit admis à l’usine

-         des ouvrages d’éliminations des matériaux importés.                   

        

III- LES VANNES

Les vannes servent à régler le débit à travers un ouvrage : pertuis, canal, conduite, etc… leur principale qualité es donc l’étanchéité, mais elles sont caractérisées aussi par :

-         la forme de l’orifice : circulaire, rectangulaire, etc…

-         leur mode de déplacement : vertical ou circulaire, par glissement ou par roulement, etc…

-         l’appareil de manœuvre qu’elles utilisent

Une vanne levante est généralement rectangulaire et elle se déplace verticalement

1-1           Les vannes à glissières 

1-1-1   Constitution   

      Une vanne à glissières comprend :

·        un tablier composé :

-         d’un cadre en poutrelles métalliques, étayé de traverses

-         d’un bordé en bois ou en tôle rivée ou soudée sur le cadre

                                  b) un siège fixe formé de poutrelles métalliques ancrées dans le béton. Les parties verticales du siège, posées dans les rainures ménagées de part et d’autres de l’orifice à obturer, se prolongent au dessus de l’orifice ; c’est sur ces glissières que se déplace le tablier lors de l’ouverture ou de la fermeture de la vanne.

1-1-2   Etanchéité 

    Elle est obtenue par le simple contact du tablier sur son siège :

-         sur les côtés, contact entre montants et glissières

-         sur le fond, la poutrelle d’appui inférieure de la vanne est en général en bois, si à la fermeture, on applique bien la vanne sur le radier, l’élasticité de la poutre assure une étanchéité correcte.

Quelquefois, la poutre de bois est ancré dans le radier et le bordé du tablier vient s’y enfoncer. 

-         Au sommet : aucun système d’étanchéité n’existe si le sommet de la vanne est au dessus du niveau amont. Si la vanne est noyée, le contact du tablier sur le siège peut suffire. Parfois, une pièce

d’étanchéité en métal mou, en caoutchouc ou même en bois, double la poutrelle supérieure et améliore le contact.

1-1-3   Manœuvres         

Les vannes à glissières sont en général de petites dimensions, elles se manœuvrent par l’intermédiaire de treuils à vis ou à crémaillères entraînées à la main.

 Les vannes de grandes dimensions que l’on rencontre dans quelques installations sont manœuvrées par vérin hydraulique.

La plupart du temps, les glissières, comme les montants, sont en acier raboté, mais si la vanne ne fonctionne que rarement, on l’équipe de pièces d’usure en bronze pour diminuer les frottements ; de même si elle est soumise à de fortes pressions. La pièce d’usure est rapportée en général sur le tablier pour pouvoir être changée sans difficultés.

Lorsque la vanne est soumise à des eaux agressives, les glissières sont parfois construites en acier inoxydable.

Enfin, pour éviter le déplacement transversal du tablier pendant la montée ou la descente, certaines vannes possèdent sur les côtés des roulements de guidage qui roulent sur le fond des rainures : on retrouvera cette disposition sur les vannes wagon et stoney.

1-2      Vannes sur galets

Comme les vannes à glissières, les vannes sur galets comportent un tablier et un siège. Pour faciliter leur mouvement, des galets de roulement sont interposés dans les rainures, entre les appuis fixes et les montants du tablier.

1-2-1   Le tablier

            La construction du tablier dépend des dimensions de la vanne et la pression qu’elle doit supporter.

·        Vannes soumises à une faible pression

         Le tablier est construit comme celui d’une vanne à glissières. Pour les vannes de grandes dimensions, les poutrelles sont parfois remplacées par des poutre en treillis. Lorsque la portée atteint 25 à 30 mètres (vannes de barrage

mobile), le tablier prend la forme d’un caisson en tôle, ce qui lui donne une grande rigidité, tout en assurant l’étanchéité.

·        Vannes soumises à des pressions importantes

Les vannes de prise d’eau en profondeur, qui viennent s’appliquer sur le débouché d’une conduite, ont un tablier analogue à celui des vannes à glissières, mais le bordé est rivé ou boulonné à l’aval des traverses.

Quand la pression est très élevée, le tablier est constitué de poutres assemblées par rivetage ou d’éléments en acier coulé (cas des vannes de vidange ou de certaines vannes de prise d’eau)

1-2-2   Les galets de roulement

         C’est la forme de leurs galets qui distingue les différentes sortes de vannes sur galets.

     

1-3      Les vannes Wagon

Comme un wagon de chemin de fer, le tablier est équipé de roues qui roulent sur des rails installés dans les rainures de la vanne.

a) Les chemins de roulement

Ce sont des profilés en forme de rail de chemin de fer, quelquefois, on trouve de simples fers plats.

Quand la vanne est soumise à des pressions assez fortes, les chemins de roulement sont en acier spécial

b) Les galets

Il se composent :

-         d’un axe en acier forgé de grande dureté

-         d’une roue en acier coulé ou forgé dont le profil correspond à celui du chemin de roulement.

Souvent, l’espacement entre deux galets successifs diminue de haut en bas de la vanne de façon à répartir également les efforts entre les galets.

Il faut s’assurer au montage que toutes les roues portent sur le chemin de roulement.

Un réglage est possible sur certaines vannes, où l’axe des galets est monté dans des douilles légèrement excentrées.

Malgré l’effort radial dû à la poussée de l’eau sur le tablier, les galets doivent tourner facilement, il faut donc les graisser soigneusement. Certains galets sont montés sur roulement à billes ou à rouleaux.

1-4      Les vannes Stoney

Un train de galets indépendants roule entre le tablier et le siège.

   a) Les chemins de roulement

Dans chaque rainure de la vanne, il y en a deux : un fixe, sur le siège, un mobile, il est lié au tablier, ils sont en acier laminé ou forgé.

Le chemin de roulement fixe possède deux rainures verticales où s’engagent les flasques du train de galets. Le chemin de roulement mobile doit exercer une pression uniforme sur toute la largeur des galets malgré la déformation de la vanne, il est donc articulé sur le tablier.

    b) Les trains de galets

Il y en a un à chaque extrémité de la vanne, ils se composent :

-         de galets d’acier forgé extra-dur, en forme de cylindre. Leur axe ne supporte pas d’effort important, il est de diamètre réduit. Comme pour les vannes wagons, les galets sont plus rapprochés les uns des autres au bas de la vanne.

-         De flasques en profilé dont le rôle consiste à :

-         maintenir l’écart entre les galets

-         empêcher tout mouvement transversal des galets, ils s’engagent pour cela dans des rainures pratiquées dans le chemin de roulement fixe.

Le train de galets est en général entraîné par une poulie qui chevauche un câble d’acier dont un brin est fixe et l’autre amarré au tablier. Le train de galets se déplace deux fois moins vite que le tablier : quand le tablier a parcouru une fois sa hauteur, il n’est plus en contact qu’avec la moitié du train de galets. C’est pourquoi on n’utilise pas les vannes Stoney dans les prises d’eau en profondeur.

1-5      Les vannes à chenilles

   Ce sont des vannes Stoney dont le train de roulement, au lieu d’être rigide, est articulé (chenille) et s’enroule autour des montants du tablier.

·        Chenille

Elle se présente comme une chaîne sans fin enroulé autour du montant du tablier. Sur la face amont du tablier, elle est en général protégée par un carter.

Elle comporte :

-         une chaîne articulée formant flasque pour les galets

-         des galets insérés dans chaque maillon. L’espace entre galets est très réduit, l’entraxe est à peine supérieur au diamètre.

                  a) Les chemins de roulement

Ils sont analogues à ceux des vannes Stoney. Pour que les déformations de la vanne ne gênent pas le contact avec les galets, le chemin de roulement mobile est quelquefois monté sur un matelas élastique.

                 b) Matériaux employés

Les vannes à chenilles sont utilisées pour supporter de grandes pressions. Les galets et chemins de roulement sont donc en acier traité de grande dureté.

                 c) Les galets auxiliaires

Pour éviter un déplacement transversal ou même un déplacement vers l’amont du tablier, on installe souvent des galets de guidage. Ces galets sont en général placés au pied et au sommet de la vanne. 

         Utilisation des vannes sur galets

On peut utiliser les vannes sur galets de deux façons :

-         comme vannes de surface, c’est le cas des vannes de barrage mobile

-         comme vannes noyées, c’est le cas des vannes de prise d’eau, de vidange, etc…

1-6      Les vannes de surfaces

         Ce sont celles dont le bord supérieur est au dessus du niveau amont : cas des vannes de barrages mobiles, des vannes évacuateurs de crue par déversement, etc… Elles ne sont pas soumises à de très grandes pressions, donc ce sont des vannes Stoney ou des vannes wagon. Elles ne possèdent pas de dispositif d’étanchéité sur le bord supérieur.

1-7      Les vannes noyées

         Le bord supérieur de la vanne est dans l’eau. Un dispositif d’étanchéité est nécessaire sur le bord supérieur.

         Si la vanne n’est pas très profonde, elle ne supporte pas une grande pression : c’est en général une vanne wagon.

         Si la vanne est en profondeur, la pression qu’elle subie est importante, c’est une vanne à chenille le plus souvent.

1-8      Les dispositifs d’étanchéité

   Les joints sont situés sur le pourtour de la vanne. Ils sont fixés sur le tablier et s’appuient sur le siège.

   Lorsque la pression est faible, les joints sont en général à l’amont du tablier (vannes de surfaces). Les joints des vannes noyées en grande profondeur sont au contraire sur la face aval du tablier.

                    a) Constitution

     La forme des joints dépend :

-         de leur position sur la vanne : joints latéraux, de fond, frontal, etc..

-         du type de vanne : vanne de surface, vanne de fond, etc….  

1-9      Les vannes segments

Le bordé de ces vannes à la forme d’une portion de cylindre d’axe horizontal. La vanne se déplace par rotation autour de cet axe. Les efforts à vaincre sont dûs:

-         au poids de la vanne

-         aux frottements sur les tourillons ou sur les joints d’étanchéité. Ils sont donc pratiquement indépendants de la pression amont.

                   a) Constitution des vannes segments

      Une vanne segment comprend essentiellement :

-         un bordé en forme cylindre qui constitue la bouchure

-         une armature métallique sur laquelle s’appuie le bordé, et prolongée par des bras qui s’articulent sur les tourillons

-         des tourillons, pièces d’articulations qui matérialisent l’axe de la vanne.

                  b) Le bordé

         C’est une tôle rivetée ou soudée sur l’armature. La partie supérieure est parfois prolongée, dans le cas des vannes de surface, par un volet qui permet le déversement (comme une vanne levante)

                  c) L’armature

        Constitués de poutrelles métalliques ou de poutres en treillis, elle se prolonge à chaque extrémité par des bras qui viennent prendre appui sur les tourillons. Quand le déversement est prévu, elle est souvent protégée par un carter de tôle qui évite aux corps flottants de s’entasser sur les poutrelles.

                 d)Les tourillons

        Ils matérialisent l’axe de rotation de la vanne. Si la maçonnerie des bajoyers est lisse, pour faciliter l’écoulement de l’eau, les tourillons supportent au cisaillement toute la poussée, d’autres fois, le tourillon s’appuie sur un redan de maçonnerie qui supporte les efforts.

ü Les vannes de conduite

           Pour l’obturation des conduites circulaires, on utilise :

-         des vannes à papillon

-         des vannes sphériques

   1-10 Les vannes à papillon

                         a) Principe et constitution

           Une vanne à papillon se compose de :

-         d’un corps, pièce cylindrique en acier coulé de même diamètre que la conduite. Des portées sont prévues pour recevoir les tourillon de la lentille

-         d’un obturateur circulaire, appelé lentille ou papillon, en acier coulé également. Des tourillons en acier forgé, rapportés, supportent la lentille et permettent sa rotation. Dans certaines fabrications, la lentille est traversée par un arbre sur lequel elle set calée par des goupilles. Un des tourillons, ou une des extrémités de l’arbre, est prolongé hors du corps pour recevoir le levier de l’appareil de manœuvre.

                b) Manœuvre des vannes à papillon

       Les appareils de manœuvre des vannes à papillon sont mécaniques et hydrauliques.

                 c) Appareil de manœuvre mécanique

                 C’est le type le plus ancien : un secteur de couronne dentée est claveté sur un des tourillons de la vanne, il engrène sur un pignon ou une vis sans fin entraîné par un moteur. Un réducteur peut être intercalé entre moteur et pignon.

                d) Vérin hydraulique

        Différentes dispositions sont utilisées :

-         un seul vérin : c’est la disposition utilisée lorsque la vanne se ferme toute seule sous l’effet d’un contrepoids par exemple.

-         Deux vérins : le tourillon est entraîné par un levier articulé sur la tige commune de deux vérins : en admettant la pression dans un vérin, on ouvre la vanne, en l’admettant dans l’autre, on la ferme. Un dispositif spécial met automatiquement à l’échappement un vérin quand l’autre est mis sous pression.

-         Trois vérins pour certaines vannes de grandes dimensions. 

      L’avantage des vérins hydrauliques est de permettre facilement le freinage en fin de course pour éviter que la lentille arrive brutalement en position de fermeture. Quand la vanne est située au pied d’une conduite, on utilise parfois l’eau sous pression dans la conduite pour la manœuvrer : un piquage à l’amont de la lentille alimente les vérins.

   1-11 Les vannes sphériques

        L’obturateur est constitué par une sphère de diamètre supérieur à celui de la conduite, un trou de même diamètre que la conduite est percé dans la sphère. Quand l’axe du trou est confondu avec celui de la conduite, la vanne est ouverte, quand il lui perpendiculaire, la vanne est fermée. Des tourillons analogues à ceux des vannes à papillon supportent l’obturateur. La manœuvre se fait par un vérin hydraulique sur le même principe que pour les vannes à papillon.

       L’étanchéité est assurée par une couronne mobile sur le corps de la vanne, qui vient s’appliquer sur l’obturateur lorsqu’il est en position de fermeture.

       L’avantage des vannes sphériques sur les vannes à papillon est de laisser libre la section totale de la conduite lorsqu’elles sont ouvertes.

     1-12 Accessoires des conduites forcées

                            a) Vannes :

                        On installe une vanne en tête de la conduite pour :

-         isoler la conduite lorsqu’on veut la visiter

-         couper le débit lorsqu’il dépasse une certaine valeur (emballement des groupes ou rupture de la conduite). Cette coupure doit se faire automatiquement.

           La fermeture de ces vannes peut être commandée à distance, mais on ne peut les ouvrir qu’en allant sur place, à proximité d’elles (pour des raisons de sécurité)

                           b) Ventouses ou reniflards

      Lorsque la vanne de tête est fermée, si la conduite se vide, elle est en dépression et risque d’être écrasée par la pression atmosphérique. On installe donc, à l’aval des vannes de tête, des soupapes qui laissent entrer l’air lorsque la conduite se met en dépression. Une telle soupape s’appelle une ventouse.

       Dans les anciennes installations, il n’y a pas de ventouse, mais des tuyaux verticaux branchés sur la conduite. Quand la conduite se vide, l’air y est admis par ce reniflard. Le niveau de l’eau dans le reniflard est le même que celui de la chambre de mise en charge. Le reniflard est donc très haut quelquefois. 

                    c) Alimentation de l’usine

        L’eau de refroidissement des machines, l’eau sous pression nécessaire à certaines manœuvres sont prises dans la conduite au moyen de piquages. Selon l’usage auquel on destine l’eau ainsi dérivée, un détendeur peut être branché sur ce piquage. 

IV- LES TURBINES HYDRAULIQUES

         1- La turbine

C’est une machine qui transforme l’énergie hydraulique (hauteur, pression, vitesse) en énergie mécanique. Une turbine se compose essentiellement :

-         d’une roue, calée sur un arbre, où s’effectue la transformation d’énergie hydraulique en énergie mécanique (l’eau fait tourner la roue)

-         d’un organe d’alimentation qui dirige l’eau convenablement sur la roue et qui règle le débit

-         d’un dispositif d’évacuation par où l’eau rejoint le canal de fuite de l’aménagement.

    La roue de turbine et le rotor de l’alternateur d’un même groupe sont calés en général sur le même arbre.

     Par suite :

-         l’énergie hydraulique de l’eau est transformé, par la turbine, en énergie mécanique

-         cette énergie mécanique est transmise par l’arbre du groupe, de la roue de turbine au rotor de l’alternateur

-         l’alternateur transforme cette énergie mécanique en énergie électrique 

          2- Les différents types de turbines

Les turbines modernes appartiennent à l’une ou l’autre des catégories suivantes :

-         les turbines PELTON

-         les turbines FRANCIS

-         les turbines HELICES et KAPLAN

                    a) Les turbines PELTON

      La roue porte à sa périphérique une succession de coupelles appelées Augets. L’alimentation se fait par un injecteur sorte de tuyère où l’eau est mise en vitesse, sous forme d’un jet. C’est le choc du jet sur les augets qui fait tourner la roue. 

      Une turbine Pelton est une turbine à action parce que la roue tourne sous l’effet d’un choc. C’est aussi une turbine à injection partielle parce que l’eau n’arrive sur la roue qu’en quelques points (turbines Pelton à 1, 2 ou 4 jets)

                b) Les turbines FRANCIS

        La roue comporte un certain nombre d’aubes fixes serrés entre le plafond et la ceinture. Elle est alimentée en eau par sa périphérie, au moyen d’une tuyauterie enroulée en coli-maçon, la bâche spirale. Entre la bâche et la roue, des aubes directrices permettent de régler le débit et dirigent l’eau convenablement sur la roue. L’écoulement dans une turbine Francis est centripète.

        Une turbine Francis est une turbine à réaction parce que le mouvement de la roue est dû à une dérivation de filets fluides et non pas un choc (même principe que le tourniquet hydraulique). C’est une turbine à injection totale parce qu’elle est alimentée sur toute sa périphérie.

                   c) Les turbines Hélices et Kaplan

La roue d’une turbine hélice se présente un peu comme un hélice de navire. L’écoulement de l’eau y est axial. L’alimentation se fait aussi au moyen d’un bâche spirale et d’aubes des directrices. On distingue :

-         Les turbines hélices dont la roue  possède  des pales fixes sur le moyeu

-         Les turbines hélices à pas variables, dont l’inclinaison des pales sur la verticale peut âtre modifiée lorsque la turbine est arrêtée

-         Les turbines Kaplan dont la position des pales est réglable en marche

  Toutes ces turbines sont, comme les turbines à injection totale

     3- Vitesse spécifique d’une turbine

   Une turbine est caractérisée par sa vitesse spécifique ou Ns, dont la définition est donnée par la formule :

                          Ns      =   n/H V P/ VH  

   N =  vitesse de rotation de la roue en tours/mn

   H =  hauteur de chute en mètres

   P =   puissance de la turbine en CV

  

  Le Ns s’exprime en tours/minute

   Les turbines Pelton ont un des Ns de 0 à 80 tours / minute

   Les turbines Francis ont des Ns   de 80 à 380 tours/ minute

   Les turbines Kaplan ont des Ns supérieur à 400 tours/minute

         4-Disposition générale des groupes

   On distingue deux catégories de groupes hydroélectriques :

-         Les groupes à axe verticale

-         Les groupes à axe horizontal

                 a)  Les groupes à axe vertical

       L’alternateur est alors situé au dessus de la turbine.

       Les parties tournantes, rotor et roue, sont supportées par un pivot qui repose :

-         soit sur le stator par l’intermédiaire du croisillon

-         soit sur le fond de la turbine, par l’intermédiaire d’un cuvelage

   Les parties tournantes sont guidées en rotation par deux ou trois paliers.

   Les groupes possédant des turbines Kaplan sont toujours à axe vertical. Par contre, les turbines Pelton à axe vertical sont assez rares.

                 b) Les groupes à axe horizontal

     L’alternateur est placé à côté de la turbine. Les parties tournantes sont supportées et guidées par deux ou trois paliers. Une butée prévue sur un des paliers interdit le mouvement axial des masses tournantes.

    Il existe des groupes comportant un alternateur entraîné par deux turbines ; l’alternateur peut être situé soit entre les turbines, soit à côté d’elles. 

      5-L’alternateur

     Un alternateur comprend :

-         une partie fixe ou stator en forme de couronne

-         une partie mobile ou rotor, composée d’une jante clavetée sur un arbre, sur laquelle sont fixées les pôles. Le rotor tourne à l’intérieur du stator.

     Quand le rotor tourne, si les pôles sont parcourus par un courant électrique continu, le stator est le siège d’une force électromotrice alternative. Donc un alternateur transforme de l’énergie mécanique (celle qui fait tourner le rotor) en

énergie électrique. La fréquence (nombre de périodes par secondes) du courant débité par l’alternateur est proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor.

       6-Les servomoteurs ou vérins hydrauliques

     Un servomoteur se compose simplement d’un piston qui se déplace dans un cylindre sous l’action de la pression d’huile ou d’eau.

   On distingue :

-           Les servomoteurs à simple effet

-           Les servomoteurs à double effet

-           Les servomoteurs différentielles  

        1- Les servomoteurs à simple effet

           La pression d’huile ne peut agir que sur une face du piston. Dès qu’on coupe la pression, le piston revient à sa position initiale soit sous l’action d’un ressort, soit par réaction de l’organe manœuvré par le servomoteur (cas des vannes qui tendent à se fermer sous l’action de leur propre poids)

         2- Les servomoteurs à double effet

La pression peut être admise sur chacune des faces du piston. Celui-ci peut se déplacer dans les deux sens de communication avec la pression. Chacune des extrémités du cylindre peut être mise en communication avec la pression ou avec l’échappement 

          3- Les servomoteurs différentiels 

La pression peut être admise de chaque côté du piston, comme pour un servomoteur à double effet, mais la surface sur laquelle elle exerce n’est pas la même de chaque côté.

La petite surface est toujours soumise à la pression maximum. On fait déplacer le piston en soumettant la grande surface soit à la pression maximum, soit à l’échappement.

          4- Constitution des servomoteurs

Comme on l’a vu, un servomoteur se compose :

-         d’un cylindre, ou corps du servomoteur

-         d’un piston mobile dans le corps est relié, rigidement ou non, à une tige qui traverse le corps pour transmettre à l’extérieur le mouvement du piston.

a)    le corps

La plupart du temps, c’est un cylindre en fonte ou en acier dont l’alésage est soigneusement usiné. Le corps est réalisé en une ou plusieurs parties, quand il est traversé par la tige du piston, il porte un presse-étoupe pour éviter les fuites le long de la tige.

b)    le piston

Il est également en acier, et soigneusement usiné de façon à ce que le jeu entre piston et corps soit aussi réduit que possible.

L’étanchéité peut être réalisée :

-         par des garnitures (cuir, caoutchouc, tresse, etc….) situées sur le pourtour du piston. Cette disposition permet de réaliser des pistons courts et de tolérer des jeux plus grands entre corps et piston, donc de faciliter l’usinage.

-         En donnant au piston une assez grande longueur et un jeu avec le corps assez faible. Les fuites sont alors réduites. Cette solution évite tous les ennuis d’exploitation causés par les garnitures.

V-  PIVOTS ET PALIERS

Les pivots et paliers des groupes hydroélectriques jouent deux rôles :

-  supporter les parties tournantes : roue de turbine, arbre et rotor d’alternateur

-  guider leur mouvement

    Sur les groupes à axe vertical c’est un pivot qui supporte les parties tournantes dont le mouvement est guidé par des paliers guides.

     Sur les groupes à axe horizontal, les masses tournantes sont soutenues et guidées par des paliers porteurs.

1- Les pivots des groupes verticaux

           1-1-1 Principe et constitution

                   a)constitution des pivots :

         Un pivot de groupe hydroélectrique comporte :

-         une glace, couronne circulaire horizontale, solidaire de l’arbre en translation et en rotation

-         des patins ou grains fixes, solidaires des parties fixes de la machine sur lesquels la glace repose et glisse$

-         une cuve remplie d’huile dans laquelle est noyé l’ensemble glace et patins

                  b) fonctionnement

       Quand la glace tourne, elle entraîne de l’huile sur les patins, une couche d’huile se forme, épaisse de quelques microns, qui sépare complètement les surfaces de la glace et des patins : c’est le film d’huile.

       Dans certaines pivoteries la glace est fixe et les patins, mobiles, glissent sur elle, le principe reste le même.

               c)conditions d’existence du film d’huile

                            1- conditions sur les surfaces

-         la glace doit avoir une vitesse linéaire suffisante par rapport aux patins

-         la surface des patins doit converger vers celle de la glace de façon à former un coin d’huile

                            2- conditions sur l’huile

-         l’huile doit être onctueuse, c’est à dire qu’elle doit adhérer à la glace et aux patins

-   l’huile doit être visqueuse, pour que les couches d’huile en mouvement entraînent les couches voisines au repos.

   1-1-2 La réfrigération de l’huile

   La viscosité et l’onctuosité de l’huile diminuent quand la température augmente, comme l’huile s’échauffe en passant sur un patin, elle est moins visqueuse à la sortie qu’à l’entrée. Il faut donc :

-         empêcher l’huile de passer directement d’un patin sur le patin suivant : c’est le rôle des raclettes

-         refroidir l’huile qui vient de passer sur un patin : c’est le rôle des réfrigérants.

a)    les raclettes

      Ce sont des feuilles de laiton qui frottent sur la surface de la glace, il y en a une à l’arrière de chaque patin. Elles arrêtent l’huile qui, à la sortie du patin adhère à la glace, et l’envoient sur le bord de la cuve.

b)    les réfrigérants

       Il y a deux façons de refroidir l’huile de la pivoterie :

-         par circulation d’eau : un serpentin en cuivre est installé dans la cuve même du pivot. Il est parcouru par un courant d’eau permanent. C’est une solution simple, mais une fuite du serpentin est très grave.

-         Par circulation d’huile : c’est la solution utilisée sur les groupes importants. L’huile passe dans des réfrigérants à eau extérieurs à la cuve du pivot. La circulation d’huile est assurée par une pompe. Des filtres sont installées sur les circuits d’huile.

     On installe le plus souvent deux réfrigérants pour permettre de les nettoyer sans arrêter la machine.

                - réfrigération des patins :

               Certains constructeurs ont installé un circuit de refroidissement dans le corps des patins. Il ne semble pas que ce soit très avantageux car les écarts thermiques qui en résultent dans la masse des patins peuvent entraîner des déformations, donc des grippages.

     1-1-3 Température des pivots

        La température moyenne varie selon les installations de 45° à 60° C. Elle est contrôlée par des sondes thermométriques installées dans les patins et dans la cuve du pivot. 

 1-2 Les paliers guides des groupes verticaux

           1-2-1 Les différents types de paliers guides

        Les paliers guides servent à maintenir l’arbre du groupe vertical et à l’empêcher de se balancer (comme une pendule)

        On classe les différents types de paliers guides, selon leur mode de lubrification, en :

-         paliers à graisse

-         paliers à huile

        Dans tous les cas ces paliers n’ont pas à supporter de fortes charges ; ils sont donc différents des paliers porteurs des groupes horizontaux.

              1-2-1-1 Les paliers à graisse

a)    constitution

        Le corps d’un palier à graisse a la forme d’un cylindre en acier ou en fonte recouvert d’antifriction. Il est construit en deux ou quatre parties selon sa taille.

b)    Graissage

          Le graissage est obtenu par de la graisse consistante envoyée sous pression dans des rainures circulaires ménagées dans le régule, la pression est fournie :

-         soit par Técalémit (petites machines)

-         soit par une pompe alternative entraînée par un moteur électrique ou par une couronne dentée calée sur l’arbre du groupe.

                                        c) Etanchéité

       On a vu que l’eau remonte le long de l’arbre, à travers le fond turbine. Ces remontées d’eau sont gênantes :

-         pour le palier inférieur du groupe

-         pour le reste des installations. (l’eau de fuite est pompée périodiquement par un groupe motopompe spécial.

    Les paliers à graisse ne sont pas trop sensibles aux remontées d’eau parce que :

-         la graisse ne se mélange pas très facilement à l’eau

-         la graisse sous pression participe à l’étanchéité.

      Les fuites sur l’arbre, lorsque le palier inférieur du groupe est lubrifié à la graisse, sont donc arrêtées :

-         par les labyrinthes de plafond (Francis) ou de moyeu (Hélices ou Kaplan)

-         par un presse-étoupe ou un joint au charbon placé au- dessus du palier pour être facilement accessible.

                   1-2-1-2 Les paliers à l’huile

a)    Constitution

           Extérieurement, un palier à huile ressemble à un palier à graisse. Le graissage à l’huile est utilisé lorsque la vitesse de l’arbre dépasse 100 à 200 tr/mn. Selon le diamètre.

b)    Graissage

         L’huile de graissage circule en circuit fermé. Elle peut être utilisée de 2 façons :

            Graissage sous pression :

Une pompe envoie de l’huile sous une légère pression (0,5 kg/cm²) :

-         soit directement entre l’arbre et le coussinet

-         soit dans des rainures verticales ménagées dans le régule et qui alimentent le film d’huile

       L’huile est reçue, en dessous du palier, dans une cuve fixe entourant l’arbre. L’aspiration de la pompe se fait dans cette cuve.

      Graissage par gravité :

         Les rainures sont alimentées par une cuve à huile, fixe, située au dessus du palier. La cuve collectrice, en dessous du palier peut être :

-         soit fixe et une pompe y aspire l’huile, qu’elle refoule dans la cuve supérieur.

-         Soit tournante et calée sur l’arbre, l’huile passe à la cuve supérieur par un tube de pitot. Un dispositif spécial doit être prévu pour le graissage au démarrage (pompe, réservoir, etc…)

c)     Etanchéité

      Les remontées d’eau sur un palier à huile sont dangereuses. Il faut les éviter à tout prix. C’est pourquoi on installe, en plus de labyrinthes, un joint au charbon placé au dessous du palier. Les fuites de ce joint sont pompées avant qu’elles atteignent la cuve inférieure du palier.

  1-3 Les paliers porteurs des groupes horizontaux

           1-3-1 Principe de fonctionnement

a)    Constitution

       Un palier est constitué essentiellement d’un coussinet en deux parties, recouvert d’antifriction, qui repose directement ou par une articulation à rotule sur un socle massif en fonte ou en acier.

b)    formation du film d’huile

         En marche normal l’arbre ne tourne pas au centre du coussinet, il est décalé de façon à former un coin d’huile. C’est la pression développée dans ce coin d’huile qui équilibre la charge supportée par l’arbre.

          1-3-2 Alimentation en huile

a)    alimentation par gravité

    L’huile est puisée dans un réservoir situé en dessous du coussinet et ramenée à la partie supérieure ; des cannelures longitudinaux ou en X la dirigent vers les surfaces portantes. Deux sortes de paliers sont ainsi alimentés :

-         les paliers à bagues : une bague de diamètre double de celui de l’arbre chevauche l’arbre et tourne avec lui. Elle plonge dans le réservoir et entraîne de l’huile qu’elle abandonne au sommet du coussinet : des raclettes sont prévues pour cela.

        Un même palier peut avoir une ou deux bagues.

b)    Les paliers à disques

L’arbre porte un disque venu de forge avec lui et qui joue le même rôle que les bagues.

Le graissage par gravité ne convient pas aux paliers très chargés, ni aux grandes vitesses de rotation.

c)     Alimentation sous pression

        C’est alors une pompe qui aspire l’huile du réservoir et la refoule sous une légère pression, au sommet du coussinet. Des rainures sont parfois prévues dans le coussinet pour diriger l’huile sur les surfaces portantes.

      La pompe est en général entraînée par une couronne dentée calée sur l’arbre.

       1-3-3 Refroidissement des paliers

      Il y a deux façons de refroidir les paliers :

a)    Refroidissement des coussinets

        Des serpentins parcourus par de l’eau froide sont noyés dans la masse des coussinets. C’est un dispositif utilisé sur les paliers de grandes dimensions il y a quelques années, mais qui provoque des déformations du coussinet par suite des écarts thermiques dans sa masse.

b)    Refroidissement de l’huile

         C’est l’huile qui assure le refroidissement du coussinet. On trouve trois systèmes :

-         refroidissement par circulation d’eau :  un serpentin est immergé dans le réservoir d’huile et parcouru par un courant d’eau permanent.

-         Refroidissement par circulation d’huile : C’est l’huile qui est envoyée sur un réfrigérant situé hors de la cuve. Ce système est utilisé lorsque le palier est graissé sous pression.

-         Refroidissement par circulation d’air : Un ventilateur calé sur l’arbre de la machine souffle de l’air frais sur la cuve de palier, qui est munie d’ailettes, ou dans des tubes qui traversent cette cuve. Ce système est récent et n’a été utilisé, jusqu’à présent, qu’à titre d’essai.

VI- Les dispositifs d’étanchéité

    Les dispositifs d’étanchéité sont de trois sortes :

-         les presses-étoupe

-         les joints plans à charbon

-         les joints radiaux au charbon

      1-1 Les presses-étoupe

On les trouve au sommet des paliers à graisse. Le corps de presse-étoupe est constitué par le corps de palier lui même.

    Le presse-étoupe est en deux parties pour pouvoir être démonté. Il est serré par deux goujons.

     Les presses-étoupe sont en général remplis de tresse suiffée qui est très abrasive. Lorsque l’arbre n’est pas chemisé, cette tresse cause une usure considérable. On essaie depuis quelque temps des tresses à base de graphite ou de téflon. Elles n’usent pas l’arbre mais ont tendance à se laminer entre le presse-étoupe et l’arbre.

     1-2 Les joints plans au charbon

Un joint plan comporte :

-         une série de patins en graphite, formant une couronne horizontale continue autour de l’arbre

-         un porte patins, en général immobile, sur lequel sont fixés les patins

-         une glace en bronze, clavetée sur l’arbre

-         des ressorts qui appliquent le porte patins sur la glace.

      Chez certains constructeurs la glace, fixe est appliquée par des ressorts sur le porte-patins calé sur l’arbre.

      Les joints plans donnent une bonne étanchéité mais s’usent très rapidement si l’eau est de fuite des labyrinthes est sale. C’est pourquoi, très souvent on injecte dans le milieu de labyrinthe de l’eau propre à une pression légèrement supérieure à celle de l’eau de fuite. Cette injection permet :

-         de refroidir les labyrinthes

-         de limiter leur usure puisqu’ils ne sont plus traversés que par de l’eau propre.

-         De limiter l’usure du joint plan.