EP1567767A1 - Roue hydraulique - Google Patents

Abstract

La présent turbine se compose: - d'une partie mobile tournante dite rotor (1) composée d'un ensemble d'aubes (2) en nombre variable, l'ensemble tournant autour d'un axe horizontal (6). - d'une ou plusieurs parties fixes (4) faisant office du barrage nécessaire à la retenue de la hauteur d'eau - d'un canal d'entrée d'eau (15) et de sortir des eaux (16). L'innovation est constituée par la forme en couronne cylindrique de la partie mobile (1), qui rend possible, dans le volume laissé libre par son mouvement, la réalisation de l'élément de retenue des eaux (4) dans laquel sont implantés les éléments mécaniques multiplicateur et freins. Cette conception permet l'utilisation de l'énergie cinétique dans le canal d'entrée (15) et de l'énegie potentielle de la hauteur d'eau. Cette roue à aubes destinée à utiliser l'énergie de l'eau des cours d'eau ou des marées pour la transformer en énergie mécanique laquelle peut être transformée ou non en electricité.

Description

ROUE HYDRAULIQUE

Domaine technique de l'invention

La présente invention est relative à un dispositif qui utilise l'énergie potentielle et cinétique de l'eau des cours d'eau ou des marées pour la transformer en électricité.

Etat de la technique

Les roues existantes jusqu'à ce jour, d'utilisation de l'énergie de l'eau dans le sens naturel du courant, sont des roues dites à aubes constituées de palettes d'épaisseur constante sur lesquelles vient s'appuyer l'eau; lesquelles sont assemblées sur un châssis tourant constitué en général de deux disques parallèles aux extrémités des palettes, ces roues utilisent essentiellement l'énergie dynamique de l'eau. Toutes sortes de roues à aubes ont vu le jour, dites de dessus, de coté, de dessous ect... la plus perfectionnée fut la roue vanne Sagebien inventée au 19ième siècle, leur usage s'est ensuite considérablement réduit aucune roue à aubes ne pouvant mobiliser l'énergie potentielle des hauteurs d'eau.

Elles ont été pratiquement remplacées au 19ième siècle par des turbines à vitesse d'écoulement et de rotation beaucoup plus rapide avec un écoulement de l'eau considérablement modifié et contraint par la machine. ( Turbine Francis-Kaplan ect...) turbines qui permettent de mobiliser au mieux l'énergie potentielle des hauteurs d'eau.

Des roues nouvelles sont apparues qui font barrage d'eau par elles-mêmes, par leur axe constitué d'un cylindre tournant, mais la pénétration des pales dans l'eau du fait de leur liaison avec le cylindre entraine des contraintes nuisibles à l'écoulement et à la géométrie de l'ensemble, ces roues laissent passer l'eau à l'arrêt.

La présente turbine fonctionne à partir d'un nouveau type de roue à aubes dit roue barrage à aubes qui permet pour la première fois l'intégration d'un barrage fixe dans la roue et ainsi la mobilisation, en plus de l'énergie cinétique des roues à aubes traditionnelles, de la totalité du potentiel de la hauteur d'eau en n'imposant aucune contrainte à l'écoulement naturel, les seules pertes sont les pertes de débits des fuites liées à la précision de la fabrication réduites dans ce cas au minimum aux jeu des aubes dans le canal d'évacuation et d'amenée des eaux.

Description La présente invention concerne une roue à aubes qui utilise l'énergie potentielle et dynamique de l'eau des cours d'eau ou des marées pour la transformer en énergie mécanique laquelle peut être transformée en électricité, elle se compose : - d'une partie mobile tournante dite rotor (1) constituées par des aubes (2) tournant autour d'un axe horizontal (6), et assemblées en leur extrémités par des disques circulaires (3) et (5)

- d'une partie fixe (4) faisant office du barrage nécessaire à la retenue de la hauteur d'eau - d'un canal d'entrée ( 15 ) et un canal de sortie des eaux ( 16 ).

L' innovation est constituée par la forme en couronne cylindrique de la partie mobile (1), qui rend possible, dans le volume laissé libre par son mouvement, la réalisation de l'élément de retenue des eaux (4), le canal d'entrée (15) est dimentionné et fait partie intégrante du dispositif, le tout permet, du fait de l'écoulement naturel de l'eau sans contraintes , les plus hauts rendements pour de basses hauteurs de retenues d'eau, est utilisée dans la partie descendante amont A vers B l'énergie cinétique de l'eau, et lors du passage C de la pression amont à la pression aval, l'énergie potentielle de la hauteur d'eau.

Les seules pertes sont les pertes des débits des fuites liés à la précision de la fabrication, réduites dans ce cas au minimum, par ailleurs la partie barrage fixe (4 ) permettent de loger les dispositifs de multiplication de vitesse (10) nécessaire à l'entrainement des génératrice électriques réduisant ainsi les ménagements extérieurs réservés habituellement à cet effet.

Pour une bonne compréhension de l'invention est décrit ci-après un premier exemple de réalisation par les figures 1 à 2 Le dispositif selon La Figure 1 comporte une partie tournante (1) constitué d'un ensemble d'aubes (2) portées à l'une de leur extrémité par un disque extérieur (5) l'exemple comporte 24 aubes, mais leur nombre pourra varier en fonction du diamètre de la roue et de sa longueur, disposition liée aux débits et aux hauteurs d'eau à traiter et c'est cet ensemble (1) qui est mobile autour de l'axe (6), la trajectoire ( 7 ) des pales ( 2 ) n'utilise qu' un volume restreint extérieur et laisse ainsi parfaitement libre le volume intérieur dans lequel est implantée la partie fixe ( 4 ) qui fait office de barrage de retenue des eaux. Des disques supports (5) intermédiaires pourront être nécessaires en fonction des portées des aubes, ces disques couronnes (5) sont évidés dans leur partie centrale et n'ont pas d'axe, un disque plein à l'autre extrémité des aubes transmet l'énergie à l'axe de rotation, ainsi le volume de déplacement rotatif est limité à la seule enveloppe extérieure d'un cylindre d'une épaisseur directement issue du seul encombrement volumétrique des aubes dans l'espace et du disque plein.

Le disque extérieur (5) est mobile sur la partie cylindrique fixe (8) qui sert de chemin de guidage et de roulement , le contact est assuré par des galets (9) en nombre variable fonction des diamètres et des efforts à transmettre. Les aubes (2) ont une forme hydrodynamique afin, d'une part de donner une raideur suffisante à leur tenue mécanique et d'autre part du fait de leur inclinaison qui peut être très variable, leur permettre lors de leur pénétration et de leur déplacement dans l'eau jusqu'à l'entrée (15) de limiter les effets négatifs de cette pénétration.

La position de l'axe ( 6 ) situé dans le barrage de retenue des eaux permet une position d'entrée des pales dans l'eau avec le minimum de résistance et dès leur entrée dans l'eau, permet leur entraînement par le courant d'eau créé par la machine dans le canal (15).

Suivant la Figure 2 : le volume non mobilisé par le déplacement circulaire du rotor ( 1 ) support des pales ( 2 ) permet d'intégrer la partie fixe (4) qui forme le barrage fixe de retenue des eaux en laissant uniquement en partie basse le passage pour les pales. Ce barrage constitue lui-même par sa forme géométrique basse le canal de sortie des eaux adapté aux débits de chaque ouvrage. L'ensemble est liaisormé à des parois verticales en béton ( 14) qui font office de retenue latérale des terrains.

La géométrie de ces barrages (4) en ossature métallique, géométrie induite par leur tenue mécanique, permet d'inclure dans leur volume des multiplicateur de vitesse à courroies ou engrenages ( 10 ) , nécessaire pour la production électrique des générateurs, transformant ainsi l'ensemble en hydrogénérateur de caractéristiques parfaitement définies en fonction de la hauteur d'eau retenue, des débits de passages, de la pente et de la géométrie du canal de sortie , largeur hauteur., ce multiplicateur dans cet exemple est constitué d'une roue dentée de grand diamètre (10) à denture intérieure et d'un petit pignon (13) lequel transmet l'énergie à la génératrice par une courroie elle-même multiplicatrice.

Le multiplicateur (10 ) est associé à un frein à disque ( 11 ) qui permet la mise en service et l'arrêt programmé et progressif de la roue - lorsque la roue est arrêtée, l'eau ( hors fuites ) ne passe plus- le dispositif permet ainsi l'utilisation de l'énergie des marées dans les deux sens de flux et reflux.

L'immobilisation de la roue permet alors de mobiliser la hauteur de l'eau le temps nécessaire à la montée et au reflux des eaux et l'inclinaison des pales ( 2 ) est alors calculée pour permettre Y utilisation dans les deux sens L'axe ( 6 ) , constitué d'un arbre métallique à haute résistance, a une fonction très importante de maintient et de précision de l'ensemble. Cet arbre ( 6 ) est assemblé avec la partie fixe ( 4 ) par des roulements ( 12 ) donnant ainsi à l'ensemble la meilleure précision mécanique possible. Les figures suivantes 3 à 8 donnent d'autres solutions ou compléments suivants d'autres exemples sur le même principe partie mobile - partie fixe :

Suivant l' exemple de la figure 3 qui comporte 16 aubes , afin de mobiliser au mieux les largeurs d'eau disponibles les disques support des aubes peuvent avoir une forme extérieure dentellée, les aubes étant au-dessus du support elles utilisent toute la largeur d'eau disponible.

Sur ce même exemple, des pales sont équipées de clapets Cl et C2 actionnés par des systèmes de tiges basculantes et de cames, afin de faire office d'ascenseur à poisson ( en cas d'impossibilité d'implantation des échelles exigées par les réglementations corespondantes ). En effet les poissons se rassemblent toujours vers les sorties d'eau lorsque les vitesses de sortie le permettent, ce qui est le cas dans ce dispositif, en position de pale P10 le clapet Cl s'ouvre faisant office de godet avec la pale. Dès sortie de l'eau un second clapet C2 ferme le dessus du gode , et en position de rentrée dans l'eau ( position P4 ) les deux clapets reviennent à leur position d'origine, lâchant les poissons dans l'eau du barrage ce qui leur permet de poursuivre leur route en direction amont.

Dans tous les cas l'avalisation des poissons se fait à travers la roue elle-même du fait du volume entre les pales et des vitesses naturelles d'écoulement des eaux, cette avalaison se fait sans aucune mortalité d'aucune sorte.

La figure 4 donne différents types d'inclinaison d'aubes courbes, les calculs établiront les profils et les inclinaisons les plus performantes.

La variation des débits de la turbine peut être obtenue de deux façons :

Suivant l'exemple de la figure 5

Le cylindre tournant (1) est composé de plusieurs sections, dans cet exemple il y en a deux, ces sections peuvent s'isoler mécaniquement les unes des autres, l'une des sections pouvant s'arrêter pendant que les autres tournent , réduisant d'autant le débit passant, l'eau étant arrêtée à l'arrêt, ou bien les sections conjuguent leurs efforts par le biais de système classique d'embrayage-débrayage ( par exemple par des clavettes magnétiques) implantés sur les couronnes (5') contigues, à chaque couronne (5') est alors associé un support (8) et des galets (9) comme pour les couronnes (5).

Suivant les figure 6 et 7

La variation des débits est assurée par des aubes multiformes avec des parties mobiles : La figure 6 représente une aube en coupe transversale, dont les différentes formes sont obtenues par une partie fixe (17) et par des parties mobiles articulés (18) (19) appelées clapets. Ces aubes sont assemblées sur la couronne circulaire (5) de forme tabulaire et de section rectangulaire afin de recvoir les systèmes de commandes, micro vérins hydrauliques ou moteurs électriques. Ces clapets tournent autour d'un axe de rotation (20)

Le clapet extérieur (18) est articulé de façon à épouser la forme extérieure du coursier qui est aussi la forme extérieure de la couronne (5) Le clapet intérieur (19) est articulé de façon à épouser la forme intérieure du coursier qui est aussi la forme intérieure de la couronne (5)

Ces clapets sont guidés et positionnés, en leur autre extrémité, par l'intermédiaire de ramures (21) en creux dans la couronne (5) support des aubes

La figure 7 représente des aubes avec des parties mobiles qui permettent la variation des débits, dans cette figure il s'agit d'une roue avec 16 aubes, soit 16 intervalles entre deux aubes, soit pour un tour complet de la roue, 16 volumes entre deux aubes. Cette figure représente le quart de la roue, en coupe sur les aubes, dans un cas ou un volume sur deux peut être occulté ou non, les aubes sont alors équipées, successivement, soit du clapet extérieur (18), soit du clapet intérieur (19). La figure montre:

- les clapets rabattus sur les parties fixes: position D

- les clapets, en position ouverte : position E C'est ainsi, qu'en position E le volume entre deux aubes ne peut plus se remplir d'eau.

L'isolation d'un volume, dans cet exemple, réduira le débit de 1 / 16 ième de sa valeur , le débit pourra ainsi être réduit progressivement de 1/ 16 ième jusqu'à une réduction de 8/ 16 ième soit la moitié du débit nominal de la roue. - avec le sytème d'aubes multiforme, le débit pourra être baissé, progressivement de 1/ 16 ième, et en équipant la totalité des aubes suivant la figure 6, ce débit pourrait être progressivement réduit, si nécessaire, de 1 / lόième jusqu'à l'arrêt total de la roue.

L'équipement de la roue sera déterminé, cas par cas, en. fonction des objectifs de débit et de puissances attendue, et pourra aller de l'équipement d'un intervalle entre deux aubes jusqu'à 100% des intervalles. La figure 8 représente une vue de face d'une roue de 16 aubes dans lequel ces aubes ont une forme de V , dans cet exemple chaque aube est dans un plan, mais ces aubes peuvent être également inscrites dans des surfaces courbes comme dans la figure 4, dans le cas de cette figure, à l'arrêt l'eau n'est pas bloquée, l'ensemble fonctionne en privilégiant les effets dynamiques et cinétiques et la vitesse de rotation sera plus élevée, les calculs détermineront les performances de cette solution qui s'apparente aux turbines à axe vertical mais en restant dans des domaines de vitesses complètement différents, la vitesse de rotation de la turbine reste directement liée à la vitesse de circulation de l'eau. Les aubes sont maintenues si nécessaire en trois points : deux disques (5) et un disque (3) comme dans la figure 5.

Dans tous les cas, le diamètre hors tout de la roue du fait de la position de l'axe et des impératifs de pénétration dans l'eau des pales est de l'ordre de 1,5 fois la hauteur de chute augmenté de deux fois la hauteur du canal de sortie des eaux ( qui est la hauteur des pales ), cette dernière hauteur est directement fonction du débit d'écoulement retenu.

L'action sur les pales dans le chenal bénéficie d'un bras de levier très important du fait du diamètre de la roue, ce qui permet une mise en fonctionnement avec le minimum d'énergie et une vitesse réduite.

Sont utilisées avec la meilleure efficacité en C ( sur figure 1) les forces potentielles des hauteurs d'eau ainsi que l'énergie cinétique de déplacement eau /pales entre A et B .

Les dimensionnements géométriques peuvent être très variables : le diamètre hors tout de la roue, sa largeur, la hauteur et la forme des pales et la hauteur de retenue de l'eau sont directement liés aux paramètres d'utilisation de la rivière ou des réservoirs d'eau, les hauteurs de chutes pouvant être très basses ( de l'ordre de lm qui est une limite économique pour l'utilisation prévue par ce dispositif ) jusqu'à des hauteurs de 4 m ou plus. Les seules limitations du dispositif sont imposées par les contraintes de tenue mécanique et de précision des différents matériaux mis en oeuvre.

Pour les hauteurs les plus basses le chenal (15) devient insignifiant. Dans l'exemple représenté par les figures 1 2 :

- la hauteur H de la retenue d'eau est de 2 m - la hauteur des aubes est de 60 cm

- la hauteur totale de la roue est de 5m

- le débit est de l'ordre de 3,5m3/sec

- la puissance produite nette à la sortie du générateur est de l'ordre de 50k . Application industrielle projetée

La fabrication générale des éléments, y compris celle des aubes, du fait de leur forme, est très simple et économique. L'assemblage de l'ensemble peut parfaitement être réalisé sur les sites eux-même . La hauteur totale de l'ensemble ainsi que l'énergie produite sont fonction des deux paramètres constituée par les deux éléments différents assemblés : le disque fixe central ( hauteur d'eau ) ( 4-8 ) et les pales ( débits ) ( 2 ), il est ainsi possible par combinaison de ces deux éléments qui peuvent répondre chacun à un standard de fabrication de répondre par un ensemble standart ( combinaison de deux standard ) à de multiples variations de productions.d'energie, ce qui peut conduire à une industralisation du système et une maitrise parfaite des coûts, comme pour les autres composant de l'ensemble : multiplicateur - générateur.

La conception permet de s'affranchir des contraintes lourdes des installations hydroélectriques. Elle permet l'installation simple et rapide, après terrassement, en quelques parties préassemblées de l'hydrogénérateur ainsi constitué et aux caractéristiques bien définies et garanties; ce qui ouvre un champ d'équipement totalement nouveau avec l'utilisation des débits et des dénivellations les plus faibles actuellement peu utilisées, ceci pour des coûts d'équipement et d'exploitation réduit. Ce dispositif est parfaitement adapté au développement de microéconomies à faible coût, dans le cadre des énergie écologiques et durables.

Environnement

La circulation de l'eau ainsi que la plage des vitesses d'écoulement restent dans le cadre des écoulements naturels, la forme et la distance entre palettes permettent le passage des espèces vivantes sans aucune mortalité et dommage, répondant ainsi aux préoccupations des pécheurs et des protections écologiques en permettant l'avalaison des poissons, ce dispoistif laisse aussi passer la plupart des objets entrainés par le courant . Ne sont donc nécessaires que des grilles de protection à mailles larges pour des objets importants.

Les réalisations restent dans l'optique esthétique des roues à aubes traditionnelles et sans aucune nuisance autre que celles des bruits de rotation dans l'eau.

Claims

RENENDICATIONS

1 - Dispositif selon l'invention pour capter l'énergie potentielle de l'eau caractérisé par une turbine constitué comme suit : -d'une roue ( 1 ) à aubes ( 2 ) dont la forme et le volume de déplacement de la partie tournante ( 1 ) permet l'implantation de parties fixes (4)

- de parties fixes faisant offices de barrage ( 4 ) nécessaire à la retenue de la hauteur d'eau

-2- Dispositif selon l'invention de distribution de l'arrivée de l'eau (15) formé par la partie inférieure de la partie fixe, par la canalisation de la veine d'eau qui permet le captage de l'énergie cinétique de l'eau.

3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisée par une roue à aubes constituée de disqties support ( 3-5 ) de forme extérieure dentellée ou non, support des pales ( 2 ), le volume de déplacement de l'ensemble laissant un grand volume intérieur disponible pour une ou des parties fixes.

4 -Dispositif selon la revendication 1 et 2 caractérisée par des disques (3-5 ) dont la forme extérieure dentellée ou non permet l'implantation de pales de forme hydrodynamiques.

5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par un fonctionnement identique dans un flux hydraulique continu ou réversible ( cas des marées )

6- .Dispositif selon les revendications précédentes caractérisée par la fonction d'ascenseur à poisson par Y équipement de pales avec des clapets Cl et C2 selon la figure 3. 7- Dispositif d'aubes à forme multiple, pour contrôler le débit de l'eau, ces aubes étant constituées - ( figure 6) d'une partie aube fixe ( 17 )

- d'une ou deux parties mobiles (18-19) qui, par leur position ouverte, permettent d'isoler le volume entre deux aubes et le rend ainsi étanche à l'eau, ce qui réduit le débit de passage de l'eau dans la roue en proportion du nombre des aubes de la roue.

8- Dispositif de contrôle des débits par la réalisation d'une partie tournante (1) en plusieurs sections reliées entre elles par des systèmes d'embrayage-débrayage implantés sur les courronnes (5').

9- Dispositif d'aubes inclinées suivant la figure 8 dans lequel dispositif est privilégié l'utilisation de l'énergie dynamique et cinétique eau / aubes.