Brevet FR2521223A2 — publié le 19830812

FR 2521223 A2 19830812 FR 8201920 A 19820205 La présente addition concerne une machine flottante pour la transformation de l'énergie hydraulique en énergie utile, notamment sous forme électrique ouàl'état de fluide sous pression. On a déjà décrit dans le brevet principal une telle machine flottante qui comprend un bâti porté partiellement au moins par une roue flottante à axe horizontal munie de pales, montée rotativement sur le bâti. La roue est couplée à un récepteur mécanique embarqué tel qu'une génératrice ou une pompe. La machine comprend en outre des moyens de Liaison à un point d'amarrage et des moyens pour faire varier l'orientation de l'effort de traction exercé sur le bâti par les moyens de liaison. Selon un premier aspect de l'invention, les moyens de liaison sont aménagés de manière à permettre la dérive de la machine par rapport au courant sous l'effet de l'effort exercé par le courant sur les pales de la roue munie de pales. La machine ainsi constituée peut n'être amarrée qu'à l'une des berges. A la mise en service, elle peut etre lancée de cette berge et gagner d'ellememe son site de travail. Selon un autre aspect de l'invention couverte par le brevet principal, les moyens de liaison sont associés du côté machine à un dispositif d'accrochage mobile par rapport au bâti, et la position du dispositif d'accrochage est asservie à la vitesse de rotation du récepteur mécanique de manière à maintenir celle-ci constante. On assure ainsi de façon très simple le maintien à vitesse nominale du récepteur mécanique quelles que soient sa charge et la vitesse du courant. Le résultat technique de ce second aspect de l'invention est fourni même si les moyens de liaison sont rigides. On a décrit dans le brevet principal certaines réalisations d'une telle machine, dans chacune desquelles deux roues flottantes au moins sont nécessaires. Cette complexité relative alourdit la machine et implique un certain soin au montage. Ces inconvénients sont d'autant moins négligeables que la machine, destinée à être utilisée notamment sur les grands fleuves (par exemple africains ou américains) en des emplacements démunis d'infrastructure, doit le plus souvent etre transportée de façon rudimentaire en pièces détachées jusqu'à la berge, et etre montée sur la berge juste avant sa mise à l'eau. D'autre part, il a été constaté que le rendement des réalisa tidns décrites au brevet principal est affecté notamment par les frottements occasionnés par les différentes pièces en mouvement. Le but de la présente addition est de proposer un mode de réalisation de l'invention conduisant à une grande légèreté, une grande facilité de montage, et unrendement énergétique amélioré. Suivant la présente addition, la machine flottante est caractérisée en ce qu'une couronne est fixée rigidement de chaque côté de la roue munie de pales, et en ce que le bâti de la machine comprend, de chaque côté de de la roue munie de pales, un brancard portant uné roulette couplée au récepteur mécanique et appuyée sur la face interne de la couronne sous l'effet de la traction communiquée aux brancards par les moyens de liaison. La construction est ainsi considérablement simplifiée puisque les roulettes ont à la fois pour rôle de retenir la roue sur le site de travail, et de transmssttre au récepteur mécanique l'énergie hydraulique recueillie par la roue. La roue peut être unique et il n'est plus necessaire qu'elle soit montée sur palier, de sorte que les frottements mécaniques sont pratiquement limités à ceux nécessaires pour transmettre l'énergie recueillie. Le rendement énergétique de la machine est donc amélioré. On parvient aussi à l'avantage surprenant que plus la roue recueille un couple important et plus elle s'appuie fortement contre les roulettes. Celles-ci sont donc toujours suffisamment appuyées contre la couronne pour recevoir la puissance recueillie. D'autres particularités et avantages de la présente addition ressortiront encore de la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titres d'exemples non limitatifs - la figure 1 est une vue schématique en plan de la machine conforme à l'addition sur son site de travail - la figure 2 est une vue de la machine en coupe selon le plan II-II de la figure 3, transversal à l'axe de la roue - la figure 3 est une vue partielle de dessus dela machine, avec coupe axiale de la roue ; et - la figure 4 est une vue de face, depuis l'intérieur de la roue, des moyens de collecte de l'eau d'infiltration. Dans l'exemple représenté aux figures, on reconnaît le bâti 201 porté par une roue flottante 202 constituée d'un tambour flottant 206 duquel partent des pales droites 203 portées par des plans axiaux du tambour 206. Du côté amont, le bâti 201 porte un dispositif d'accrochage 221, qui sera décrit en détail plus loin, auquel est accroché un câble 219 dont l'autre extrémité est amarrée en 216 à l'une des berges 217 du cours d'eau 218. De son côté, la roue 202 est couplée mécaniquement à deux génératrices électriques asynchrones 211 portées par le bâti201 au voisinage de chaque extrémité annulaire de la roue 202. Conformément à la présente addition, chaque extrémité annulaire de la roue porte un chemin de roulement cylindrique - ou couronne - 301 ayant le même axe horizontal X-X que la roue 202. De chaque côté de la roue 202, le bâti 201 comporte un brancard 302 portant une roulette 303 montée en rotation autour de son axe 304 solidaire du bâti 201. L'axe 304 est parallèle à l'axe X-X et voisin du plan horizontal médian de la roue 202. La roulette 303 est solidaire en rotation de 1 'entrée d'un multiplicateur de vitesse 306 dont la sortie 307 entraîne par des courroies 308 l'arbre e la génératrice asynchrone 211. Les deux génératrices 211 sont couplées mécaniquement par un arbre 309 portant un volant d'inertie 311. Le multiplicateur 306 est à train épicycloidal, et plus particulièrement du type connu à limiteur de couple. Entre la roulette 303 et la zone amont du parcours de la couronne 301, est interposée une paire de roulettes intermédiaires 312 situées dans le même plan et dont les axes parallèles à l'axe X-X sont portés chacun à l'extrémité de l'un des bras d'un compas 313 dont l'axe d'articulation 314, également parallèle à l'axe X-X, est solidaire du bâti 201. L'axe 314 est sensiblement situé dans le plan horizontal passant par l'axe 304. Sous l'effet de la traction communiquée par le câble 219 auxbrancar 302, chaque roulette 303 est appuyée contre la face interne de la couronne 301 via les deux roulettes intermédiaires 312. Dans l'exemple représenté, c'est par ces seuls appuis que la roue 202 est montée en rotation par rapport au bâti 201 et porte ce dernier. Dans l'exemple représenté, le bâti 201 est un cadre rectangulaire dont deux côtés opposés sont constitués par les brancards 302. Les deux autres côtés du cadre 201 sont parallèles à l'axe X-X et s'étendent l'un 316 en amont de la roue 202, l'autre 317 à l'intérieur de la roue 302 qui est constitué par un évidement 318 limité par la paroi latérale du tambour 206. Le longeron 317 torte les génératrices 211 qui comme les multiplicateurs 306, sont logés à l'abri dans l'évidement 318. Le cadre 201 est réalisé en tubes joints entre eux de façon étanche et remplis d'air. Le diamètre des tubes est choisi de façon à assurer une flottabilité positive au cadre 201 et aux différents organes qutil porte directement, tels le dispositif d'accrochage 221, les roulettes 303 et 312, les multiplicateurs 306 et les génératrices 211 avec le volant 311. Comme le montre la figure 3, chaque brancard 302 porte en outre un galet de positionnement latéral 319 monté à roulement contre un chemin conique 321 porté par la roue 202 en face de l'extrémité annulaire de la paroi 206. L'axe 322 de chaque galet 319 est parallèle à la ligne de contact de celui-ci avec le chemin 321. La roue munie de pales comprend deux flasques d'extrémités circulaires et plans 323 dont le rayon extérieur correspond à la distance séparant l'axe X-X et l'extrémité libre de chaque pale 203. Chaque flasque 323 présente une ouverture centrale circulaire faisant communiquer l'évidement 318 avec l'extérieur, et sur le pourtour de laquelle est aménagée la couronne 301. Comme le montre la figure 2, le diamètre de cette ouverture est suffisamment petit pour que, en service, le niveau de l'eau 324 ne l'atteigne pas. Sur leur face dirigée vers l'intérieur de la roue 202, chaque flasque 323 porte une nervure annulaire 326 La roue 202 comprend également une série d'éléments en dièdre 327 dont chacun constitue à la fois l'une des pales 203, et la partie 328 du tambour 206 qui va de cette pale 203 jusqu'à l'une des deux pales 203 voisine.La partie 328 de chaque élément 327 est appuyée sur les deux flasques 323, et plus précisément contre l'épaulement constitué par la face des nervures 326 dirigée vers l'extérieur de la roue 202. A la racine de chaque pale 203 sont ménagées une série d'ouvertures 329 dont la dimension radiale est très faible. Ces ouvertures 329 donnent pasSage à des courroies 331 qui encerclent tous les éléments de tambour 328 à la fois en les appliquant fermement contre les nervures 326. Une fixation par vis est prévue entre chaque élément 328 et chaque nervure 326. Le pourtour de la roue 202 présente ainsi une série d'alvéoles 332 (figure 2) s'étendant parallèlement à l'axe X-X et dont chacune est définie par deux pales 203 voisines, les deux flasques 323, et la partie 328 de l'élément.327 auquel appartient l'une des deux pales précitées. Ces alvéoles 332 sont reliées entre elles par paires au moyen de conduits de communication 333 s'étendant dans l'évidement 318. Comme le montre la figure 2, les alvéoles ainsi reliées sont séparées par une distance telle que l'une entre dans l'eau sensiblement lorsque l'autre en sort. Chaque conduit de communication 333 débouche dans le fond, c'est-à-dire dans l'élément 328 de chaque alvéole 332 de la paire, au voisinage de la pale 203 opposée à l'autre alvéole 332 de la même paire.Chaque allée 332 fait patie de deux pairles dif férentes.larsqu'eUe entre dans l'eau, une alvéole appariez avec elle, et en avance sur elle relativement au sens de rotation de la roue, en sort. Lorsqu'elle sort de l'eau, une alvéole appliée avec elle, mais en retard sur elle, y entre. Comme le montrent les figures 2 et 4, l'un des éléments 328 porte sur sa face dirigée vers l'évidement 318, un collecteur d'eau en forme d'entonnoir 334 dont la sortie 336 est dirigée vers le bas quand au cours de son mouvement, la partie de la roue qui le porte passe du côté de l'aval (situation représentée aux figures 2 et 4). La sortie 336 du collecteur 334 communique avec un tuyau 337 qui débouche dans le fond 328 de l'alvéole 332 qui sort de l'eau quand le collecteur 334 est dans la position précitée. Comme le montre la figure 4, l'alvéole 332 voisine de celle portant le collecteur 334 et en avance sur cette dernière peut porter deux nervures 338 disposées en un V dont la pointe, dirigée vers le collecteur 334 est ouverte pour déverser l'eau dans ce dernier. Le longeron 316 du cadre 201 porte les moyens 221 pour faire varier l'orientation de l'effort exercé sur la machine par les moyens de liaison. Les moyens 221 comprennent une élingue 339 montée en boucle autour de deux poulies 341 portées chacune par une chape 342 articulée à une extrémité respective de l'élément 316. Les deux extrémités de l'élingue 339 sont attachées au crochet 343 duquel part le câble 219. Sur l'élément 316 est fixé un servo-moteur 231 qui entraîne en rotation un tambour 346 dont l'axe est perpendiculaire à la direction longitudinale de l'élément 316. Dans son trajet entre les deux poulies 341, l'élingue 339 forme au moins une spire 347 autour du tambour 346. Le servo-moteur 231 est piloté selon le schéma faisant l'objet de la figure 6 du brevet principal de façon à provoquer l'allongement du brin d'élingue 339 situé entre le crochet 343 et la poulie 341 la plus proche de la berge 217 quand la vitesse de rotation des génératrices 211 devient trop importante, et à diminuer la longueur de ce brin dans le cas contraire, le but de l'asservissement étant de maintenir les génératrices 211 à leur vitesse nominale. Des moyens non représentés, tels qu'une butée portée par l'élingue 339 entre les deux poulies 341 et coopérant avec deux contacts portés par l'élément 316 en position appropriée et qui ouvrent le circuit d'alimentation du moteur 231 lorsqu'ils coopèrent avec la butée, éviterrt que I'axe X-X devienne ~ proche de la parallèle ou de la perpendiculaire au C. Comme le montre la figure 1, les moyens de liaison comprennent, outre le câtâe de traction 219, un câble de positionnement 348 qui relie le crochet 343 à la berge en un point d'amarrage 349 situé en aval du point d'amarrage 216. Le câble 348 peut également servir de support à la ligne électrique ramenant à la berge 217 l'énergie produite par les génératrices 211. La machine qui vient d'être décrite fonctionne de la façon suivante - on met d'abord en place les amarrages 216 et 349 et on met la machine à l'eau depuis la berge 217 à laquelle elle est amarrée. A ce stade, le bâti 201 n'étant pas soumis à la traction du câble 219 n'est pas tenu dans sa position horizontale. L'élément 316 est donc au contact de l'eau, ce qui n'est pas grave puisque le cadre 201 est flottant. La machine, entraînée par le courant C, met d'abord le câble 219 sous tension mécanique tandis que le cadre 201 prend sa position horizontale et la roulette 303 prend appui sur les roulettes intermédiaires 312 qui à leur tour prennent appui sur la face interne de la couronne 301. La force exercée par le courant sur les pales 203 a une composante dirigée vers le large de sorte que la machine se dirige d'elle-même vers son site de fonctionnement. Celui-ci est déterminé-par la longueur du câble 348 qui a été choisiede façon à localiser le fonctionnement à une zone où le courant est fort et stable en direction. La roue 202 entraîne en rotation les roulettes 303 qui entraînent à leur tour les génératrices 211. Les moyens 221 pour orienter l'effort de traction des moyens de liaison par rapport à la machine orientent toujours celle-ci de façon que les génératrices 211 tournent à leur vitesse nominale, quelle que soit leur charge et quelle que soit la vitesse du courant. Si la vitesse des génératrices 211 tend à augmenter, l'axe X-X s'incline davantage par rapport au courant C, et inversement si la vitesse des génératrices 211 tend à diminuer, l'axe X-X approche de la perpendiculaire au courant C, sans toutefois l'atteindre car alors la machine serait rabattue contre la berge 217. Les flasques 323 jouent le rôle de gouvernails qui tendent en permanence à ramener l'axe X-X perpendiculaire au courant C. Cette action des flasques 323 favorise l'établissement d'un site de travail stable. Comme le montre la figure 2, quand une pale 203 entre dans l'eau, il se forme devant elle une bulle 351 dont la pression est néfaste au rendement de la machine. Grâce à la communication 333 reliant l'alvéole en question à une autre alvéole qui sort e l'eau au même moment, la bulle 351 est chassée derrière la pale 203 sortant de l'eau en supprimant l'effet de succion que cela peut provoquer. Cela est schématisé par la flèche F à la figure 2. Lorsque les nervures 338 pàssent dans la partie basse du parcours de la roue 202, elles collectent l'eau d'infiltration s'y trouvant et quand elles remontent dans la partie aval de leur parcours, elles déversent cette eau dans le collecteur 334 comme le montre la figure 4. Du collecteur 334, l'eau est évacuée derrière une pale 203 au moment où elle sort de l'eau, ce qui contribue à réduire la succion néfaste pouvant exister derrière cette pale à ce stade. Si la roue subit une accélération anormale, due par exemple au passage d'un corps flottant, le multiplicateur assure un débrayage provisoire entre les roulettes 303 et les génératrices 211 grâce au volant d'inertie 311 (figure 3) qui ne peut subir une accélération importante sans un couple élevé. D'autre part, même en l'absence de débrayage du multiplicateur 306, le volant 311 tend à stabiliser le fonctionnement de la machine et la fréquence électrique produite. Bien entendu, la présente addition n'est pas limitée à l'exemple décrit et représenté, et de nombreux aménagements peuvent être apportés à cet exemple sans sortir du cadre de l'invention. Dans le cadre de la revendication 17 du brevet principal, la machine peut être utilisée avec des moyens de liaison ne permettant pas la dérive, que ce soit un ensemble de câbles fixés simultanément aux deux berges, comme le représente la figure 8 du brevet principal, ou que ce soit un dispositif rigide tel qu'un pieu planté dans le lit du fleuve. On pourrait supprimer les nervures 338 si le collecteur 334 s'étendait sur toute la longueur des éléments 328. On peut au contraire prévoir des nervures 338 derrière tous les éléments 328. On peut supprimer les communications 333 entre la paire d'alvéqles 332. Dans ce cas, la bulle qui se forme quand l'alvéole entre dans l'eau est conservée dans l'alvéole et, par son expansion, favorise l'émersion de l'alvéole. La roue tourne ainsi sur une sorte de coussin d'air. REVENDICATIONS 1. Machine flottante conforme à l'une des revendications 1, 2 ou 17 du brevet principal, caracté- risée en ce qu'une couronne (301) est fixée rigidement de chaque côté de la roue (202) munie de pales (203), et en ce que le bâti (201) de la machine comprend, de chaque côté de la roue (202) munie de pales (203), un brancard (302) portant une roulette (303) couplée au récepteur mécanique (211) et appuyée sur la face interne de la couronne (301) sous l'effet de la traction communiquée'aux brancards (302) par les moyens de liaison (219, 348). 2. Machine flottante conforme à la revendication 1 de la présente addition, caractérisée en ce que les deux brancards (302) sont liés rigidement l'un à l'autre. 3. Machine flottante conforme à la revendica tison 2delta présente addition, caractérisée en ce que le bâti (201) est un cadre fermé traversant axialement la roue (202) munie de pales (203), quià cet effet est évidéeau voisinage de son axe (X-X). 4. Machine flottante conforme à l'une des revendications 2 ou 3 de la présente addition, caractérisée en ce que le cadre (201) et les organes qu'il porte (304, 312, 221, 211, 311) ont ensemble une flottabilité positive. 5. Machine flottante conforme à l'une des revendications 2 à 4 de la présente addition, caractérisée en ce que les brancards (302) portent chacun un galet de positionnement (319) monté en service à roulement contre la face d'extrémité adjacente de la roue (202). 6. Machine flottante conforme à l'une des revendications 1, 2 ou17 du brevet principal, ou à l'une des revendications 1 à 5 de la présente addition, caractérisé en ce que les moyens de liaison comprennent un câble de traction (219) destiné à s'étendre obliquement entre la machine et la rive (217) en amont de la machine, et un câble de positionnement (348) amarré à la même rive (217) plus en aval que le câble de traction (219). 7. Machine flottante conforme à l'une des revendications 1, 2 ou17 du brevet principal ou à l'une des revendications 1 à 6 de la présente addition, caractérisée en osque les moyens pour faire varier l'orientation de l'effort exercé sur le bâti par les moyens de liaison comprennent une élingue (339) montée en boucle autour de deux poulies (341) portées par le bâti (201), et attachée par ses deux extrémités aux moyens de liaison (219, 348),et des moyens (231, 346) pour faire circuler l'élingue autour des poulies (341) de façon à régler par rapport au bâti (201) la position des deux extrémités de l'élingue (339). 8. Machine flottante conforme à l'une des revendications 1, 2 ou 17 du brevet principal, ou à l'une des revendications 1 à 7 de la présente addition, caractérisée en ce que les pales (203) définissent entre elles des alvéoles (332) fermées aux deux extrémités de la roue à pales. 9. Machine flottante conformeàla revendication 8, caractérisée en ce que la roue 202 comporte des communications internes (333) qui relient les alvéoles (332) par paires, les alvéoles (332) d'une même paire étant séparées par une distance circonférentielle telle que l'une entre dans l'eau sensiblement quand l'autre, en avance sur la première relativement au sens de rotation de laroue (202), en sort. 10. Machine flottante conforme à la revendication 9 de la présente addition, caractérisée en ce que chaque conduite de communication (333) débouche au fond (328) d'une alvéole (332), près du bord opposé à l'autre alvéole (332) communiquant avec la conduite considérée (333 il . Machine flottante conforme à l'une des revendications 1, 2 ou 17 du brevet principal ou à l'une des revendications 1 a10 de la présente addition, caractérisée en ce que les pales sont portées par un tambour (206) portant sur sa face interne un collecteur d'eau (334) dont la sortie (336), qui est dirigée vers le bas quand le collecteur est dans la zone aval du trajet de la roue (202), communique avec un tuyau (337) permettant la vidange par gravité quand le collecteur (334) a la position précitée. 12. Machine flottante conforme à l'ure des revendications 1,2 ou 17 du brevet principal ou à lune des revendications 1 à 11 de la présente addition, caractérisée en ce que la roue (202) comprend deux flasques d'extrémité (323) portant sur leur face mutuellement en regard chacune un épaulement (331) dirigé vers l'extérieur de la roue, et une série d'éléments en dièdre (327) dont chacun constitue à la fois une partie de tambour (328) et une pale (203), ces éléments (327) étant fixés contre les épaulements précités (326). 13. Machine conforme à la revendication 12 de la présente addition, caractérisée en ce que les éléments (327) sont fixés contre les épaulements (326) par cerclage.