Brevet FR2564150A1 — publié le 19851115

Turbine hydraulique à usage domestique La présente invention concerne les turbines hydrauliques destinées à fournir de l'énergie électrique par exploitation des chutes d'eau . Plus précisément la présente invention reléve d'une classe de ces machines qualifiées quelquefois de microturbines et plus particulièrement destinée à l'usage domestique Les turbines hydrauliques couramment fabriquées voient leur type varier selon la hauteur de chute à exploiter . Elles sont construites dans le cadre des installations de centrales hydrauliques. Leur taille est importante ( diamétre allant du métre à la dizaine de métres ) et les pièces essentielles sont de fonderie, usinées ensuite dans de rares ateliers spécialisés .Les puissances moyennes sont de l'ordre du megawatt Les turbines destinées à exploiter les faibles hauteurs de chute sont de type FRANCIS , helice ou KAPLAN . Le probléme essentiel dans la conception de ces machines est de pouvoir réguler l'arrivée d'eau de façon à maintenir la vitesse de rotation constante alors que la hauteur de chute peut fluctuer ainsi que le puissance demandée sur l'arbre . De plus cette régulation ne doit entrainer aucune perturbation dans l'écoulement du travers de la machine susceptible d'entrainer une perte d'énergie et donc de diminuer le rendement Dans les turbines FRANCIS ou hélice l'organe chargé de modifier le régulateur est un ensemble d'aubages orientables appelé distributeur .Pour la turbine KAPLAN on agit au contraire sur le pas de l'hélice du rotor : dans tous les cas le systéme est mécaniquement complexe La turbine selon la présente invention est d'un type qui peut être apparentd à FRANCIS . D'une manière générale les éléments essentiels que sont la bache spirale, les aubages du distributeur et du rotor ont été conçus de telle maniére que leur forme dérive seulement de surfaces développables et peuvent donc être réalisées en tôle pliée et soudée, soit en matière plastique par le procédé de rotomoulage, soit en matiére plastique par le procédé courant d'injection,soit en fibres de verre ou de carbone noyées sous résine .Dans tous les cas est prévu la mise en place de raidis seurs ou renforts métalliques noyés dans la masse et indispensables à l'asseoeblage ou à la fixation des accessoires D'autre part le distributeur est conçu selon un principe nouveau qui permet de se dispenser d'aubages mobiles et donne une grande simplicité au fonctionnement de la régulation La turbine selon la présente invention comporte une bache spirale (1) de section rectangulaire (fig 1).A la sortie de la bache l'eau traverse les aubages fixes du distributeur (2) dont l'inclinaison est calculée pour obtenir une entrée sans choc sur le rotor (3) Le rotor peut être quant à sa conception divisé en deux parties (a) et (b) (fig 2) - La partie (a) est constituée d'aubages dont le bord d'attaque est parallèle à l'axe de la turbine , le canal entre deux de ces aubages s'approfondissant à mesure que l'on s'approche de la partie (b) , la forme de la section de ce canal étant étudiée pour que le fluide pénétré sans choc dans la partie (b) - La partie (b) est constituée d'une couronne d'aubages dont le schéma est indiqué sur la figure 3 et fixés d'une part sur un cercle (4) porté par les aubages de la partie (a) et d'autre part sur le moyeu de la roue L'arbre de la machine tourne sur un palier à billes et à rouleaux (5) dans sa partie située vers l'amont assurant ltentrai- nement d'un multiplicateur (11) et d'une génératrice (9) et à l'aval sur un palier (6) lubrifié à l'eau La régulation de la vitesse de rotation s'effectue par mesure de fréquence de la génératrice (9) assurée par un relai en fonction de deux seuils haut (ouverture) et bas (fermeture) .Dés qu'un des seuils est atteint le systéme déclenche le mouvement d'un cylindre (7) coulissant entre les aubages fixes du distributeur et le rotor (fig 1) faisant ainsi varier la section d'entrée et par conséquent le débit d'eau Ce cylindre est mû par l'intermédiaire de bielettes et d'un palonnier par un vérin hydraulique ou à vis (10) Ce systéme de régulation , au moyen d'un cylindre mobile agit plus sur le débit que sur la vitesse : ceci entraine que les vitesses d'entrée du fluide sont peu variables dans la plage de fonctionnement de la machine et explique que l'on puisse se dispenser dtau bages mobiles au distributeur Enfin ce système de régulation par cylindre mobile ne peut être utilisé que grâce à la forme particulière du rotor surtout en ce qui concerne la partie (a) Le modèle de turbine selon l'invention de part - sa construction en tôle soudée ou en matiére plastique par les procédés de rotomoulage ou d'injections ou encore en fibres de verre ou de carbone noyées sous résine - son systéme de régulation a la fois simple et efficace - sa facilité de maintenance et de réparation par ses portes d'accés (13) - son tuyau (12) de forme coudé favorise le rendement par la dépression agissant sur les aubages inférieur du rotor - son domaine d'application en pleine expansion dans le cadre des économies d'énergie par exploitation des ressources naturelles - est tout à fait susceptible d'interresser artisans et industriels pour équiper de petits cours d'eau, moulins a mare etc... avec un matériel à portée financiére de particuliers ou de petites collectivités Son installation est nettement facilitée par l'existence d'use bouche (8)(fig 1) à sceller de formes variables ma49 d'adaptation facile au corps de turbine par un ensemble de boulonnerie assorti de points Revendications 1 - Turbine hydraulique entrainant une génératrice de courant (9) caractérisé par le fait que les éléments essentiels que sont la bache spirale (1) les aubages du distributeur (2) et du rotor (a,b) sont conçus de telle maniére que leur forme dérive seulement de surfaces développabLes . 2 - Turbine selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comporte une bache spirale (1) de section rectangulaire, à la sortie de la bache l'eau traversant les aubages fixes du distributeur (2) dont l'inclinaison est calculée pour obtenir une entrée sans choc sur le rotor (3), le rotor comportant deux parties (a) et (b) - La partie (a) étant constituée d'aubages dont le bord d'attaque est parallèle à l'axe de la turbine , le canal entre deux de ces aubages s'approfondissant à mesure que l'on s'approche de la partie (b), la forme de la section de ce canal étant étudiée pour que le fluide pénètre sans choc dans la partie (b) - La partie (b) étant constituée d'une couronne d'aubages fixés d'une part sur un cercle (4) porté par les aubages de la partie (a) et d'autre part sur le moyeu de la roue 3 - Turbine selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que la régulation de la vitesse de rotation s'effectue par mesure de fréquen ce de la génératrice (9) assurée par un relai en fonction de deux seuils haut (ouverture) et bas (fermeture ), dès qu'un des seuils est atteint le système déclenche le mouvement d'un cylindre (7) coulissant entre les aubages fixes du distributeur (2) et le rotor (3) faisant ainsi varier la- section d'entrée et par concéquent le débit d'eau ce cylindre étant mû par l'intermédiaire de biélettes et d'un palonnier par un vérin.hydraulique ou à vis (10) 4 - Turbine selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'arbre de la machine tourne sur un palier à billes et à rouleaux (5) dans sa partie située vers l'amont assurant I'entraine- ment d'un multiplicateur (11) et d'une énératrice(9) et à l'aval sur un palier (6) lubrifié à l'eau 5 - Turbine selon l'une des revendications 1 à 4 ,caractérisée en ce qu'elle est réalisée en tôle pli4e et soudée 6 - Turbine selon l'une des revendications 1 à 4 , carac*4risée en ce qu'elle est réalisée en matière plastique par injection ou rotomoulage plus des raidisseurs ou renforts métalliques pouvant autre noyés dans la masse et servant à l'assemblage ou à la fixation des accessoires 7 - Turbine selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce qu'elle est réalisée en fibres de verre ou de carbonne noyées sous résine plus des raidisseurs ou renforts métalliques pouvant être noyés dans la masse et servant à l'assemblage oll à la fixation des accessoires 8 - Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le tuyau (12) de forme coudée favorise le rendement par la dépression agissant sur les aubages inférieur du rotor 9 - Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il est prévu une bouche (8) a sceller de formes variables mais d'adaptation facile au corps de turbine par un ensemble de boulonnerie assorti de joints 10 - Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que sa facilité de maintenance et de réparation par ses portes d'accés ( 13 )