Brevet FR2479595A1 — publié le 19811002

La présente invention se rapporte à une turbine hydraulique perfectionnée destinée à transformer l'éner- gie hydraulique en énergie électrique et elle concerne plus particulièrement des groupes de production d'électri- cité qui peuvent être raccordés à des réseaux d'eau, tuyaux d'égouts ou autres conduites de transport de flui- des déjà existants pour produire de l'énergie électrique en exploitant l'énergie hydraulique du fluide qui circule dans ces conduites. L'énergie électrique est une forme d'énergie qui est essentielle pour la satisfaction des besoins en éner- gie d'une société industrialisée. L'énergie électrique peut être produite par la transformation en électricité d'autres sources d'énergie disponibles, par exemple par la transformation de l'énergie géothermique, de l'énergie hydraulique, de l'énergie solaire, de l'énergie nucléaire et par la combustion des combustibles fossiles tels que le charbon et le pétrole. Le choix de la source d'énergie la mieux appropriée pour entraîner une installation de production d'électricité dépend d'un certain nombre de facteurs parmi lesquels on peut citer l'existence d'une source capable de fournir cette énergie de façon fiable et à un prix raisonnable, l'existence d'un état de techno- logie capable de transformer cette énergie en énergie électrique, le coût de la transformation de l'énergie de cette source en énergie électrique ainsi que les considé- rations d'absence de danger pour la santé des populations et de pollution de l'environnement. Les centrales hydro- électriques ont longtemps constitué un moyen avantageux de production de l'énergie électrique et offrent de nom- breux avantages comparativement aux autres sources d'éner- gie en ce qui concerne la production d'électricité. Toute- fois, ces centrales hydroélectriques ne pouvaient généra- lement être implantées que dans les zones géographiques dans lesquelles on dispose d'une hauteur de chute suffi- sante. Un autre type d'installation hydroélectrique de 2 2479595 Production d'électricité qui est bien connu dans la tech- nique consiste dans celle qui produit de l'électricité à parti- de l'eau ou de l'huile qui circule dans une con- duite. Le brevet des E.U.A. 4 122 381 décrit un tel type de groupe hydroélectrique capable de produire et de sto- cker de l'énergie électrique à usage privé. Le brevet des E.U.A. 4 134 024 décrit un autre type de centrale hydro- électrique dans laquelle un moteur entraîné par fluide est intercalé dans une conduite pour entraîner un généra- teur d'électricité qui sert à produire de l'électricité pour chauffer le fluide circulant dans la conduite afin de l'empêcher de se congeler. Les centrales hydroélectriques actuellement connues utilisent des turbines hydrauliques de construction com- plexe. Les turbines hydrauliques utilisées dans ces ins- tallations antérieures ne sont pas bien appropriées pour être utilisées dans un réseau d'adduction d'eau ou dans un réseau d'égouts sanitaires, réseaux dans lesquels il n'est pas possible d'interrompre le service de l'eau ou de l'égout pour effectuer des réparations de routine ou d'urgence en cas de besoin. Il existe donc un besoin de groupes hydroélectri- ques perfectionnés à destination industrielle ou privée qui puissent être intercalés dans les réseaux d'adduction d'eau ou d'égouts qui constituent un moyen approprié et efficace de production d'énergie électrique en tirant Darti de l'énergie hydraulique inutilisée des conduites d'eau, des égouts ou équivalents. L'invention a pour objet une installation hydro- électrique perfectionnée qui produit de l'énergie électri- que en exploitant l'énergie qu'on peut tirer des conduites d'eau et d'égouts ou d'autres conduites dans lesquelles circule un fluide. Suivant l'invention, on réalise une installation hydroélectrique capable de produire de l'é- lectricité en partant de l'énergie hydraulique qu on peut tirer d'une conduite d'eau ou d'égouts sanitaires. L'ins- tallation comprend une turbine hydraulique et une poulie 3 2479595 motrice montées coaxialement sur un arbre central et en- fermées dans un carter permettant de donner accès à la roue hydraulique et à la poulie motrice pour effectuer les opérations nécessaires de réparation et d'entretien. Un générateur d'électricité est entraîné par une courroie qui embrasse la poulie motrice. Le carter de la turbine hydraulique est percé de deux ouvertures permettant de raccorder sélectivement la turbine en deux points pour l'attaque par le haut ou par le bas. Des aubes sont fi- xées à la périphérie extérieure de la roue hydraulique pour imprimer un mouvement de rotation à l'arbre relié à la poulie motrice. Les aubes sont montées sur le péri- mètre de la roue hydraulique et un panneau latéral amo- vible du carter donne accès à la roue pour permettre de remplacer ou d'inverser les aubes. Suivant une autre caractéristique de l'invention, une conduite de dérivation commandée par un obturateur automatique relie l'entrée de la roue hydraulique à la sortie de cette roue pour permettre la continuité du 2D service d'adduction d'eau ou d'évacuation des eaux d'é- gouts pendant l'exécution de travaux d'entretien de rou- tine ou d'urgence sur l'installation hydroélectrique. Des obturateurs sont prévus pour évacuer automatiquement les fluides projetés dans la chambre qui contient la pou- lie motrice. Par ailleurs, des générateurs d'ozone et des lampes à ultraviolets peuvent être inclus dans le compar- timent de la poulie motrice ou dans celui de la roue de turbine pour assurer la protection de l'environnement contre la pollution et détruire les bactéries et réduire les odeurs. Les générateurs de rayons ultraviolets et d'ozone peuvent être alimentés par l'électricité produite par l'installation hydroélectrique. Suivant une autre caractéristique de l'invention, plusieurs installations hydroélectriques peuvent être intercalées en divers points d'une conduite d'adduction d'eau ou d'égouts sanitaires pour produire de l'énergie électrique qui est transmise à une centrale destinée au stockage et/ou à la distribution de l'énergie électrique à un réseau alimenté par cette centrale. Une conduite de dérivation est combinée à l'entrée et à la sortie de la turbine hydraulique de chacun des groupes hydroélectriques de sorte que, si on déconnecte l'un de ces groupes de la conduite, l'énergie du fluide peut passer pour alimenter les autres groupes de production d'électricité intercalés sur la conduite sans interrompre le service de l'eau ou des égouts. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de la description qui va sui- vre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'e- xemple, - la figure 1 est une vue en élévation latérale de deux installations hydroélectriques suivant l'invention raccordées à une conduite d'eau et d'une troisième instal- lation hydroélectrique alimentée par une conduite d'égouts; - la figure 2 est une vue en élévation de face, avec arrachement partiel, d'un groupe hydroélectrique sui- vant l'invention; - la figure 3 est une vue en coupe d'un groupe hy- droélectrique suivant l'invention, qui montre également sa conduite de dérivation; - la figure 4 est une vue de face et en coupe d'un groupe hydroélectrique suivant l'invention; - la figure 5 est une vue latérale et en coupe du compartiment de la poulie motrice du groupe hydroélectri- que suivant l'invention, qui montre également un conduit de vidange servant à évacuer le fluide de la chambre. La figure 1 montre une installation comprenant trois groupes hydroélectriques suivant l'invention dési- gnés chacun dans son ensemble par la référence 10. Deux des groupes 10 sont entraînés par l'énergie hydraulique de l'eau qui circule dans la conduite d'eau 12 d'alimen- tation d'un bâtiment commercial 15 de grande hauteur. L'énergie électrique produite par ces groupes 10 est en- voyée à un centre 14 de distribution d'électricité. Le 2479595 centre de distribution 14 peut comprendre des accumula- teurs d'électricité (non représentés) destinés à emmaga- siner l'énergie électrique pour la distribuer par la suite au réseau de distribution électrique. Des conduites de dé- rivation 16 sont raccordées à chacun des groupes 10 pour permettre le service ininterrompu de la conduite d'eau 12 pendant les opérations d'entretien de routine ou de se- cours effectuées sur les groupes 10. Le troisième groupe 10 représenté sur la figure 1 est alimenté Dar l'écoulement des matières usées, liquides ou solides, qui circulent dans la conduite d'eaux usées sanitaires 20 reliant le bâtiment à une conduite d'égouts sanitaires 20. Une con- duite de dérivation 16 est également prévue pour permettre d'effectuer les opérations d'entretien de routine ou d'ur- gence sur le groupe 10 sans interrompre le fonctionnement de la conduite 18. Bien que la figure 1 ne montre que deux groupes hydroélectriques 10 intercalés sur la conduite d'arrivée d'eau 12, le nombre et l'emplacement des groupes 10 sui- vant l'invention peuvent être choisis pour permettre de produire l'électricité avec le meilleur rendement. En outre, les dimensions et capacités de production d'éner- gie électrique des groupes 10 peuvent être choisies pour satisfaire les besoins des usagers. Un groupe 10 approprié pour l'alimentation en électricité des usagers résidents peut être plus petit et avoir une capacité de puissance inférieure à celle d'un groupe 10 destiné à alimenter un bâtiment à usage commercial ou qu'un groupe 10 destiné à fournir de l'énergie électrique à un centre de distribu- tion 14. Le groupe 10 suivant l'invention est représenté avec plus de détails sur les figures 2 à 4. Un carter principal 22 est monté sur une plateforme porteuse 24 et renferme les parties actives du groupe 10. L'intérieur du carter 22 est divisé par une cloison 26 en une chambre de turbine hydraulique 28 qui renferme la turbine hydrauli- que 30 et une chambre qui reçoit un volant 34 formant poulie motrice. Les parties intérieures des chambres 28 de la turbine et 32 de la poulie motrice peuvent être revêtues d'une matière non corrodable, par exemple de porcelaine vitrifiée. La turbine 30 et la poulie motrice 34 sont montées sur un arbre axial tubulaire 36 qui traverse une ouver- ture annulaire ménagée dans la cloison 26 qui sépare la chambre 29 de la turbine hydraulique de la chambre 32 de la poulie motrice. L'arbre axial 36 est supporté en rota- tion par un tube axial extérieur 38 soudé à la cloison 26, le tube 36 tourillonnant au moyen de billes 40. Des plaques 42 et 44 de fermeture de la cloison enferment les billes 40 à joint étanche dans un bain de lubrifiant du type silicone et servent également à empêcher l'eau et les déchets de passer de la turbine 30 à la chambre 32 de la poulie. Le tube 36 est à son tour monté rotatif sur un arbre massif 46 par une série de billes 48 enfermées dans l'espace compris entre l'arbre 46 et le tube 36, avec un lubrifiant approprié tel qu'un lubrifiant à base de silicone. L'arbre massif 46 est supporté dans des ouver- tures ménagées dans les parois latérales 50 et 52 du car- ter principal 22. Des disques d'étanchéité 54 et 56 sont interposés entre les extrémités du tube 36 et les parois latérales 50 et 52 du carter pour fermer à joint étanche les extrémités du tube axial 36. Les extrémités de l'ar- bre 46 qui dépassent des côtés du carter principal 22 sont filetées pour recevoir des panneaux de fermeture latéraux 58 et 60. Des bagues ou pattes d'arrêt 62 et 64 sont fixées de façon amovible aux extrémités filetées de l'arbre 46 pour arrêter l'avance des panneaux latéraux 58 et 60. Les bagues ou pattes d'arrêt 62 et 64 peuvent être démontées si nécessaire pour permettre de retirer les panneaux latéraux 58 et 60 du carter principal 22 pour les réparations et les visites. L'enlèvement des panneaux latéraux 58 et 60 peut être facilité par l'addi- tion de tiges de guidage qui s'étendent sur un côté du carter principal 22 pour supporter et guider les panneaux latéraux 58 et 60 pendant leur démontage. Un générateur électrique principal 70 est entraîné par une courroie 72 qui est elle-même entraînée en mouve- ment par la poulie motrice 34. Le générateur principal 70 est représenté monté directement sur le carter principal 22 du groupe 10, mais il peut également être séparé du carter 22 tout en étant cependant entraîné par la poulie 34. La production d'électricité du générateur principal peut être affectée exclusivement à une résidence ou à un immeuble commercial, comme dans le cas représenté sur la figure 1. Au contraire, l'énergie électrique produite par le générateur 70 du groupe 10 peut être l'une de plu- sieurs sources constituées par des groupes de même type, l'énergie électrique produite pouvant être transmise à un centre de distribution 14 dans lequel elle peut être emma- gasinée et distribuée dans un réseau électrique alimenté par ce centre, comme dans le cas représenté sur la figure 1. Un générateur électrique auxiliaire 74 est entrai- né par une courroie 76. Ce générateur 74 alimente des lampes à ultraviolets 78 et un générateur d'ozone 80 pré- vus à l'intérieur de la chambre 32 de la poulie pour éli- miner les bactéries et abaisser le niveau des odeurs. Des bactéries dangereuses et des odeurs désagréables pour- raient passer de la chambre 28 de la turbine hydraulique à la chambre 32 de la poulie lorsque le groupe 10 est raccordé à une conduite d'eau usée sanitaire. Naturelle- ment, il est également possible de monter des lampes à ultraviolets et des générateurs d'ozone dans la chambre 28 de la turbine hydraulique pour améliorer la qualité du fluide circulant dans cette chambre du point de vue de l'environnement. La figure 3 est une vue en coupe de la turbine hy- draulique 30 et elle montre les raccords d'entrée et de sortie qui relient cette turbine à une conduite pour en- voyer le courant de fluide sur la turbine. Une ouverture annulaire filetée ménagée dans la partie supérieure du carter principal 22 est équipée d'un panneau de fermeture (non représenté) qui est supposé démonté pour permettre de raccorder le groupe 10 à la conduite d'entrée 92 pour faire travailler la turbine 30 avec attaque par le haut. La turbine 30 comporte une série d'aubes 94 qui sont fixées chacune par des liaisons démontables à une bride 96 qui fait saillie sur la périphérie extérieure 98 de la roue 30. La périphérie extérieure 98 est reliée par des rayons 100 au tube 36 qui est monté sur les billes 40 pour tourner sur l'axe 46. Une deuxième ouverture annulaire filetée 102 est prévue dans la partie inférieure du carter principal 22 et fermée par une plaque de fermeture 104. En retirant la plaque de fermeture 104 et en raccordant l'ouverture annulaire 102 à la conduite d'arrivée 92, on peut faire travailler la turbine 30 du groupe 10 avec attaque par le bas. En outre, les aubes 94 peuvent être inversées pour faire tourner la turbine 30 dans le sens inverse du celui des aiguilles d'une montre dans le cas de l'attaque par le bas. La conduite d'entrée 92 est équipée d'un obtura- teur de sécurité automatique 106 qui est monté dans la conduite dans la région adjacente à l'ouverture 90. Cet obturateur automatique 106 comprend un volet 108 monté au moyen d'une articulation 110. Le volet 106 est maintenu dans sa position normale ouverte par un ressort hélicoïdal 112 fixé à la génératrice supérieure de la conduite 92. Une plaque de butée 114 est prévue dans la partie infé- rieure de la conduite 92 pour arrêter le volet 108 lors- qu'il se rabat sous l'effet de la contre-pression du flui- de contenu dans la chambre 28 de la turbine, et de manière à diriger automatiquement le fluide vers la conduite de sortie 116 en passant par la conduite de dérivation 16. Une vanne d'arrêt de sûreté 120 commandée manuellement est également intercalée dans la conduite d'entrée 92 pour dévier le courant de fluide de la chambre 28 vers la conduite de dérivation 16 et permettre d'effectuer les réparations de routine ou d'urgence sur le groupe 10. Une vanne 122 normalement fermée obture l'ouverture de la conduite de dérivation 16 pour laisser le fluide qui cir- cule dans la conduite 92 pénétrer dans la chambre 28 de la turbine hydraulique dans les conditions normales. Tou- tefois, la fermeture de l'obturateur de sécurité automa- tique 106 ou de la vanne d'arrêt 120 à commande manuelle engendre dans la conduite 92 une contre-pression suffi- sante pour provoquer l'ouverture de la vanne 122 normale- ment fermée et pour ouvrir la dérivation du fluide. Un obturateur de sécurité 124 normalement ouvert est égale- ment prévu pour interrompre l'écoulement du fluide de la conduite 12 vers le groupe 10. Une deuxième ouverture annulaire 125 est ménagée dans le carter principal 22 pour constituer l'ouverture de sortie pour l'eau sortant de la chambre de la turbine hydraulique. Un autre obturateur de sécurité manuel 126 est prévu dans la conduite de sortie 116. Un obturateur d'arrêt 128 normalement fermé obture la conduite de déri- vation 16 en fonctionnement normal pour laisser le fluide circuler dans la conduite 12. Lorsqu'on manoeuvre l'obtu- rateur 106 ou l'obturateur 120, le fluide passe par la conduite de dérivation 16 et l'obturateur 128 s'ouvre automatiquement pour laisser le fluide circuler dans la conduite 12. La figure 5 est une vue latérale de la chambre 32 de la poulie et cette chambre comprend un clapet 130 nor- malement ouvert, placé au niveau d'une ouverture 132 mé- nagée dans la chambre 32 pour constituer un moyen pour évacuer automatiquement dans la conduite de sortie prin- cipale 116, au moyen d'un tuyau de vidange 134, les flui- des éventuellement infiltrés dans la chambre 32 de la poulie. Le clapet 130 normalement ouvert permet au fluide de s'échapper de la chambre 32 et il se ferme automatique- ment en présence d'une contre-pression dans le tuyau de vidange 134. En fonctionnement, le groupe hydroélectrique 10 peut être intercalé en divers points de la longueur d'une conduite d'eau 12 pour transformer l'énergie du fluide qui circule dans la conduite en énergie électrique. Le groupe 10 peut être raccordé, soit en position d'attaque de la roue par le haut, soit en position d'attaque de la roue par le bas, pour diriger le fluide circulant dans la conduite de manière qu'il frappe les aubes 94 fixées à la périphérie extérieure 98 de la turbine 30. La turbine 30 est montée sur l'arbre tubulaire 36 qui traverse une cloi- son 22 pour entraîner la poulie motrice 34. La courroie 72 qui embrasse la poulie motrice 34 transforme l'énergie mécanique en énergie électrique par l'intermédiaire du générateur électrique principal 70. L'électricité produite par le générateur 70 peut être, soit transmise à un centre de distribution 14, soit utilisée pour alimenter des équi- pements électriques sur place au moyen du groupe 10. Une deuxième courroie 76 est entraînée par la poulie 34 pour entraîner elle-même un générateur auxiliaire 74 qui pro- duit une quantité d'énergie suffisante pour alimenter la lampe à rayons ultraviolets 78 et un générateur d'ozone afin d'éliminer les bactéries et de réduire le niveau des odeurs désagréables contenues dans la chambre 32 de la poulie. Les panneaux de fermeture latéraux amovibles 58 et 60 donnent accès à la chambre 28 de la turbine et à la chambre 32 de la poulie pour permettre les réparations. Une conduite de dérivation 16 est prévue pour constituer une autre voie de passage pour le fluide dans le cas o il se produit un blocage ou bourrage dans la chambre 28 de la turbine ou s'il est nécessaire d'arrêter le groupe 10 en vue de l'exécution des réparations éventuellement néces- saires. il REVENDICATIONS 1. Groupe générateur d'électricité destiné à pro- duire de l'énergie électrique en exploitant l'énergie d'un fluide qui circule dans une conduite, ce groupe é- tant caractérisé en ce qu'il comprend: une turbine (30) comportant des aubes (94) qui sont fixées de façon démon- table sur la Périphérie extérieure de cette turbine, un volant (34) formant poulie pour entraîner un générateur d'électricité (70), un arbre tubulaire (36) qui relie la turbine (30) à la poulie (34) de façon que cette pou- lie soit entraînée Dar la turbine; un carter (22) qui entoure la turbine (30) et la poulie le fluide s'échapper de la chambre (28) de la turbine. 2. Groupe générateur d'électricité suivant la re- vendication 1, caractérisé en ce que lesdites ouvertures d'entrée (90, 102) comprennent une première ouverture (90) et une deuxième ouverture (102) ménagées dans le carter (22) qui entoure la première chambre (28) recevant la roue de turbine (30), et une première plaque de fermeture et une deuxième plaque de fermeture (104) qui peuvent être fixées par des liaisons démontables à la première ouver- ture (90) et à la deuxième ouverture (102) de telle maniè- re qu'on puisse enlever l'une ou l'autre de ces plaques pour raccorder le groupe à une conduite (92) en position voulue pour faire travailler la turbine avec attaque par le bas ou attaque par le haut. 3. Groupe générateur d'électricité suivant la re- vendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un géné- rateur d'ozone (81) placé dans la deuxième chambre (32) qui reçoit ledit volant formant poulie motrice (34) et un générateur d'électricité auxiliaire entraîné par une cour- roie (76) qui embrasse la poulie (34) pour alimenter le générateur d'ozone pour détruire les bactéries dangereu- ses et réduire le niveau des-odeurs. 4. Groupe générateur d'électricité suivant la re- vendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des lam- pes à ultraviolets (78) placées dans ladite deuxième chambre (32) qui reçoit la poulie (34) et un générateur d'électricité auxiliaire (74) entraîné par une courroie (76) qui embrasse ladite poulie (34), de manière que les rayons ultraviolets émis par cette lampe: détruisent les bactéries dangereuses dans ladite chambre (32). 5. Groupe générateur d'électricité suivant la re- vendication 1, caractérisé en ce que les aubes (94) sont fixées à la turbine (30) par des liaisons démontables de manière que ces aubes puissent être montées sur la turbine de façon à-permettre à celle-ci de travailler avec attaque par le bas ou attaque par le haut. 6. Groupe générateur d'électricité suivant la re- vendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une conduite de dérivation (16) qui relie l'ouverture d'entrée (90) à l'ouverture de sortie (125) pour dévier l'écoulement du fluide circulant dans la conduite en lui faisant contourner le groupe générateur d'électricité de manière qu'une défaillance mécanique du groupe ou l'exé- cution d'une opération d'entretien de routine sur ce grou- pe.n'interrompe pas le fonctionnement de la conduite. 7. Groupe générateur d'électricité suivant la re- vendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un obturateur d'arrêt automatique (106) normalement ou- vert, monté dans la conduite (92) raccordée à l'ouverture d'entrée (90) de manière que cet obturateur arrête auto- matiquement l'écoulement du fluide vers la turbine (30) en rémonse au développement d'une contre-pression dans cette turbine; un obturateur (122) normalement fermé, intercalé entre ladite conduite (92) et l'entrée de la conduite de dérivation (16), cet obturateur (122) s'ou- vrant automatiquement en réponse à la fermeture dudit obturateur automatique (106) normalement fermé; et un deuxième obturateur (128) normalement fermé intercalé entre la sortie de la conduite de dérivation (16) et ladite ouverture de sortie (125), ledit obturateur (128) s'ouvrant sous l'effet de la force d'un fluide qui passe dans la conduite de dérivation (16). 8. Groupe générateur d'électricité suivant la re- vendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des billes (48) par l'intermédiaire desquelles l'arbre tu- bulaire (36) tourne sur ledit axe (46), pour réduire la résistance due au frottement entre l'arbre tubulaire et l'axe. 9. Groupe générateur d'électricité suivant la re- vendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des billes (40) par l'intermédiaire desquelles la surface cylindrique extérieure de l'arbre tubulaire (36) tourne dans la cloi- son (26). 10. Groupe générateur d'électricité suivant la re- vendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des panneaux (58, 60) fixés à l'enveloppe (22) par des liaisons démontables de manière à pouvoir être démontés pour donner accès à la première chambre (28) et à la deu- xième chambre (32) pour l'exécution des réparations.