Brevet FR2582876A1 — publié le 19861205

GROUPE GENERATEUR HYDRO-ELECTRIQUE PORTATIF La présente invention concerne un groupe générateur électrique portatif, comportant au moins une génératrice électrique et un dispositif de réglage de la puissance délivrée par la génératrice. On utilise de plus en plus des groupes générateurs de ce genre comme sources autonomes de courant électrique dans des applications très variées, soit comme source de secours en cas de panne du réseau électrique, soit dans des emplacements dépourvus d'un réseau de distribution électrique, par exemple pour assurer un éclairage ou pour permettre l'utilisation d'outils électriques. Ces groupes portatifs comportent généralement un moteur à combustion interne, par exemple à essence, permettant de disposer d'une source énergétique relativement importante avec un poids et un volume qui ne sont pas trop élevés. Cependant, ces groupes présentent une série d'inconvénients inhérents au moteur à combustion interne. En premier lieu, la durée de fonctionnement est limitée par la quantité de carburant à disposition. Si l'on veut avoir une réserve suffisante, il faut disposer de moyens de stockage et effectuer des transports dont l'importance devient vite prohibitive. En outre, les réservoirs de carburant présentent des dangers d'incendie et de pollution. Par ailleurs, le bruit émis par le moteur est souvent gênant. Lorsqu'on utilise un tel groupe dans un bâtiment, les gaz d'échappement du moteur sont particulièrement gé- nants à cause de leur toxicité et ils doivent être évacués, de même que la chaleur excédentaire résultant du faible rendement thermodyna- mique des moteurs à combustion interne. Enfin, à défaut d'un entretien régulier et soigne, ce type de moteur présente souvent des difficultés de démarrage et des pannes assez fréquentes, ce qui est un grave inconvénient dans des installations devant fonctionner automatique- ment. Dans le cas d'installations stationnaires, par exemple pour l'alimentation électrique d'un chalet isolé, on a conçu des groupes générateurs hydro-électriques qui constituent des micro-centrales, alimentées par une adduction d'eau sous pression provenant d'un cours d'eau ou d'un captage. Dans ce type de groupes, le remplacement d'un moteur à combustion interne par une turbine hydraulique procure des avantages manifestes sur le plan de la durée de fonctionnement, qui peut être extrément longue, de la fiabilité, de la sécurité et du confort. En revanche, elle nécessite une installation d'adduction qui n'est réalisable qu'à des emplacements peu nombreux et qui est tou- Jours coûteuse. Cette solution conduit donc à utiliser des groupes qui présentent une puissance assez élevée pour couvrir les besoins d'au moins un ménage, c'est-a-dire plusieurs kilowatts, et qui ne sont pas utilisables comme groupes portatifs. La présente invention a donc pour but de fournir un groupe générateur électrique portatif du type mentionné en préambule, se présentant sous la forme d'un ensemble de faible poids et de petit volume, susceptible d'être actionne d'une manière sûre par une source d'énergie disponible pratiquement en permanence et dans tous les endroits habités. Dans ce but, un groupe générateur selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il comporte une turbine hydraulique du type Pelton, couplée à la génératrice électrique et agencée pour être raccordée à une source d'eau sous pression. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la turbine comporte une chambre de distribution de forme annulaire, disposée coaxialement à la roue et connectée à un conduit d'entrée agencé pour être raccordé à la source d'eau sous pression, et une série d'injec- teurs répartis régulièrement autour de la roue et montés sur la paroi de cette chambre faisant face à la roue, de manière à communiquer avec l'intérieur de cette chambre. Dans cette forme de réalisation, chaque injecteur a de préférence la forme d'un tube rectiligne et il comporte un conduit axial comprenant deux tronçons successifs de diamètres différents, à savoir un tronçon d'entrée et un tronçon d'éjection, le tronçon d'éjection ayant la forme d'un cylindre dont le diamètre est sensiblement plus petit que le ou les diamètres du tronçon d'entrée. Pour éviter une dispersion du Jet, le tronçon d'éjection a une longueur au moins égale à deux fois son diamètre. Grâce à ces dispositions, la chambre de distribution et les injecteurs peuvent avantageusement être réalisés en matière synthétique, de même que la roue de la turbine. D'autre part, les injecteurs peuvent être dépourvus d'organes de réglage et le conduit d'entrée de la turbine peut comporter une vanne de réglage du débit d'eau commandée par un moteur électrique. Dans un groupe selon l'invention, la génératrice est avantageusement & courant alternatif. De préférence, la génératrice électrique est du type polyphasé synchrone a aimants permanents, tandis que le groupe comporte un organe redresseur polyphasé pour délivrer une tension de sortie sensiblement continue. Avec une génératrice a courant alternatif, le réglage de la puissance peut s'effectuer de manière simple. De préférence, le dispositif de réglage comporte un bloc électronique de régulation, raccordé à la génératrice et au moteur de commande de la vanne de réglage, pour commander ce moteur en fonction de la puissance électrique de sortie et de la vitesse de rotation de la génératrice. A titre d'exemple non limitatif, on décrira ci-dessous une forme de réalisation d'un groupe générateur portatif selon l'invention, en référence aux dessins annexes, dans lesquels: La figure 1 est une vue générale en perspective d'un groupe générateur électrique portatif selon l'invention, La figure 2 est une vue en perspective du groupe de la fig. 1, après enlèvement de son boîtier, La figure 3 est une vue en coupe verticale schématique de la turbine du groupe générateur des fig. 1 et 2, et La figure 4 est une vue en coupe horizontale schématique représentant cette turbine et ses organes de distribution. Le groupe générateur portatif illustré sur la fig. 1 se présente sous la forme d'un ensemble compact et léger enfermé dans un boîtier 1 en matière synthétique isolante, pourvu d'une poignée de transport 2. Extérieurement, le groupe comporte un raccord d'entrée 3 pour être relié à une source d'eau sous pression, un conduit d'évacuation 4 de l'eau utilisée, un manomètre 5 indiquant la pression de l'eau, une prise de courant électrique 6 à basse tension, et des ouïes d'aération 7. La fig. 2 représente d'une manière plus détaillée les organes essentiels de ce groupe générateur, tels qu'ils apparaissent après enlèvement du boîtier 1. La partie inférieure du groupe est formée par une turbine Pelton 10 à plusieurs injecteurs 11 et à axe vertical 12. L'entrée de la turbine est raccordée au raccord d'entrée d'eau 3 par l'entremise d'une vanne de réglage 13, tandis que sa sortie est raccordée au conduit d'évacuation 4. Les organes de distribution de la turbine, qui seront décrits plus loin plus en détail, sont reliés au manomètre 5 par une prise de pression 15. L'ensemble de la turbine, à l'exception de la vanne de réglage 13, est renfermé dans un corps étanche 16 en matière synthétique, constitué de deux éléments vissés l'un à l'autre. Une génératrice électrique 20 est montée au-dessus de la turbine 10 et sur le même axe. Dans la forme de réalisation préférée décrite ici, cette génératrice est du type triphasé synchrone dont le rotor compor- te des aimants permanents, c'est-à-dire qu'il n'a pas besoin de cou- rant d'excitation. Pour son refroidissement, la génératrice 20 est équipée d'un radiateur à ailettes 21 qui est fixé sur l'enveloppe extérieure métallique de la génératrice. Les courants triphasés produits par la génératrice 20 sont transmis par un cable 22 à un bloc électronique 23 renfermant notamment un redresseur triphasé, qui délivre sur la prise de courant 6 une tension continue nominale de 24 V. Grâce à cette basse tension, l'utilisation de ce groupe et des récepteurs qu'il alimente ne présente pas de danger, même si de l'humidité atteint accidentellement la partie électrique de l'appareil. Le bloc 23 renferme en outre un bloc de régulation qui contrôle la tension et/ou la fréquence du courant produit par la génératrice 20. Si les valeurs mesurées s'écartent des valeurs de consigne, le bloc de régulation alimente, par un câble 24, un moteur 25 à courant continu, qui commande la vanne de réglage 13 par l'intermédiaire d'un pignon d'entraînement 26 monté sur l'arbre du moteur 25 et d'une couronne dentée 27 fixee sur l'arbre d'actionnement de la vanne 13. La couronne 27 comporte deux arrêts (non représentés) qui correspondent respecti- vement a la position fermée et à la position ouverte de la vanne et qui actionnent des contacts reliés au bloc électronique 23 pour arrê- ter l'alimentation du moteur 25 quand la vanne est à bout de course. Les fig. 3 et 4 représentent plus en détail l'intérieur de la turbine 10. Il s'agit en fait d'une turbine du type Pelton à plusieurs in3ecteurs 11, dont les organes de distribution et de commande se présentent sous une forme extrêmement simplifiée. La turbine comporte une roue 30 a aubes 31 de forme classique, mais de dimensions extrê- mement réduites. Pour les applications décrites plus loin, le diamètre de la roue est de l'ordre de quelques centimètres. Cette roue peut avantageusement être fabriquée en grande série en matière synthétique moulée. Elle est fixée directement sur l'extrémité inférieure de l'arbre 32 de la génératrice. Le corps 16 de la turbine est constitué par un élément supérieur 16a et un élément inférieur 16b qui sont vissés l'un à l'autre par un raccord fileté 34. L'étanchéité est assurée entre ces deux éléments au moyen d'un 3oint annulaire 35 comprimé dans un logement approprié. L'élément supérieur 16a comporte un orifice latéral 36 qui est raccor- dé par un raccord fileté 37 a la vanne de réglage 13, comprenant un conduit d'entrée 38 de la turbine. Cette vanne est du type sphérique avec un organe d'obturation 39, solidaire d'un arbre sur lequel est fixée la couronne dentée 27 représentee sur la fig. 2. Le passage de l'eau à travers l'organe d'obturation 39 peut être de section sphérique, égale a celle du conduit 38, ou d'une autre forme spécialement agencée pour favoriser la stabilité du réglage automatique. La partie inférieure 16b du corps de la turbine 10 est pourvue d'un rebord intérieur 40 de forme cylindrique, qui s'emboîte dans l'élément supérieur 16a, mais à une certaine distance de la paroi périphérique de cet élément, pour délimiter entre les deux éléments 16a et 16b une chambre annulaire 41 servant de chambre de distribution. Cette chambre annulaire est disposée coaxialement à la roue 30 et au même niveau qu'elle et que le conduit d'entrée 38, avec lequel elle communique par l'orifice 36. La paroi intérieure de la chambre de distribution 41, constituée par le rebord 40, comporte une série d'alésages sensiblement cylindriques, qui sont orientés tangentiellement à la roue 30 et dans lesquels sont montés les inJecteurs 11. Ceux-ci comportent à leur extrémité arrière un bourrelet 42 qui les retient axialement et qui assure l'étanchéité. Dans l'exemple représenté, les inJecteurs 11 sont au nombre de 6, mais ce nombre pourrait évidemment être différent, selon l'énergie hydraulique dont on dispose. Le cas échéant, on pourrait remplacer certains des injecteurs 11 par des bouchons. Sur la fig. 4, l'un des injecteurs 11 est représenté en coupe pour montrer sa forme interne. L'injecteur 11 à la forme d'un tube rectiligne, pourvu d'un conduit axial comprenant deux tronçons succes- sifs de diamètres différents, c'est-à-dire un tronçon d'entrée 43 dont le diamètre est relativement grand et qui s'étend sur la plus grande partie de la longueur de l'injecteur, et un tronçon cylindrique d'éjection 44 dont le diamètre est sensiblement plus petit. Le tronçon d'entrée 43 peut être cylindrique ou légèrement conique. Afin de diminuer les pertes de charge, le diamètre minimal du tronçon d'en- trée 43 est un multiple de celui du tronçon 44. Entre les tronçons 43 et 44, le conduit axial de l'injecteur présente une variation brusque du diamètre, en aval de laquelle l'eau s'écoule dans le conduit d'éjection sans turbulence excessive. Cependant, pour produire un jet à faible dispersion, le tronçon d'éjection 44 présente une longueur qui est un multiple de son diamètre. De préférence, cette longueur représente deux à trois fois le diamètre de ce tronçon. L'eau sous pression arrivant par le conduit d'entree 38 et traversant la vanne 13 se répartit avec une pression sensiblement uniforme dans la chambre de distribution 41, qui alimente donc sous la même pression l'ensemble des injecteurs 11. Ceux-ci transforment l'énergie de pression de l'eau en énergie cinétique, en formant chacun un Jet 45 qui frappe les aubes 31 de manière à faire tourner la roue 30. L'eau quitte ensuite les aubes en s'écartant de l'axe de la turbine et elle tombe librement dans la partie inférieure 16b du corps, pour atteindre l'évacuation d'eau 4 (fig. 2). La construction de la chambre annulaire 41 décrite ci-dessus permet ainsi d'utiliser un seul organe de réglage du débit, c'est-à-dire la vanne 13, pour l'ensemble des injecteurs 11. En outre, les injecteurs n'ont pas besoin d'occuper une position précise par rapport à l'ori- fice latéral 36 de la chambre de distribution. Enfin, en séparant les deux éléments 16a et 16b qui forment le corps de la turbine, on peut contrôler et entretenir très facilement la turbine, notamment rempla- cer les inJecteurs et la roue. Il faut remarquer à ce propos que, comme toutes ces pièces sont fabriquées en matière synthétique moulée, leur remplacement n'est pas coûteux. La construction décrite ci-dessus permet de réaliser un groupe générateur portatif de très petite dimension et de faible poids. En effet, la turbine 10 fabriquee entièrement en matière synthétique est beautoup plus legère par rapport à un moteur à essence de puissance équivalente. En outre, il n'est pas nécessaire de transporter et de stocker une réserve de carburant. Un tel groupe générateur est utilisable partout o l'on dispose d'une source d'eau sous pression et évidemment d'une évacuation de l'eau. Par exemple, il peut être branché à un robinet dans une salle de bain ou dans une cuisine, sans que son fonctionnement cause une gêne quelconque aux occupants du bâtiment. A l'extérieur, il peut être raccordé par exemple à un robinet de Jardin, une bouche d'incendie ou toute autre prise sur un réseau de distribution d'eau sous pression. Le groupe peut également être raccorde à une adduction fixe ou provisoire provenant d'une prise d'eau installée dans un ruisseau, notamment à la montagne, pourvu que l'on dispose, entre la prise d'eau et le groupe, d'une dénivellation assurant une pression suffisante. Par exemple, avec un débit de 1 li/s sous une pression de 4 bars, la puissance hydraulique disponible est de l'ordre de 400 W,.dont plus de la moitié peut être transformée en énergie électrique par le groupe générateur portatif. Ces valeurs ne sont donnees qu'à titre d'exemple; il est évident qu'un groupe générateur selon l'invention peut égale- ment être conçu pour utiliser une puissance hydraulique notablement plus grande. En plus du fait qu'on dispose d'une source d'eau sous pression de plusieurs bars dans pratiquement tous les lieux habités, le groupe générateur selon l'invention a l'avantage de pouvoir fonctionner auto- matiquement pendant une longue durée, sans nécessiter des contrôles, des ravitaillements en carburant ou des opérations d'entretien. Il est silencieux, propre et sans danger. C'est pourquoi il est 6galement avantageux pour alimenter en électricité des consommateurs éloignés de tout réseau de distribution électrique, par exemple un bAtiment isolé, l'éclairage d'un chantier ou d'une installation temporaire, pour entretenir la charge d'une batterie d'accumulateurs, etc... La présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus, mais elle s'étend à toutes modifications ou variantes évidentes pour l'homme de l'art. En particulier, l'alter- nateur peut être biphasé, ou être remplacé par une génératrice à courant continu, assortie d'un dispositif de réglage adéquat. Revendications 1. Groupe générateur électrique portatif, comportant au moins une génératrice électrique et un dispositif de réglage de la puissance délivrée par la génératrice, caractérisé en ce qu'il comporte une turbine hydraulique (10) du type Pelton, couplée à la génératrice électrique (20) et agencée pour être raccordée à une source d'eau sous pression. 2. Groupe générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine comporte une chambre de distribution (41) de forme annulaire, disposée coaxialement à la roue (13) et connectée à un conduit d'entrée (38) agencé pour être raccordé à ladite source d'eau sous pression, et une série d'injecteurs (11) répartis régulièrement autour de la roue et montés sur la paroi de cette chambre faisant face à la roue, de manière à communiquer avec l'intérieur de cette chambre. 3. Groupe générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque injecteur (11) a la forme d'un tube rectiligne et comporte un conduit axial comprennant deux tronçons successifs de diamètres différents, à savoir un tronçon d'entrée (43) et un tronçon d'éjection (44), le tronçon d'éjection ayant la forme d'un cylindre dont le diamètre est sensiblement plus petit que le ou les diamètres du tronçon d'entrée. 4. Groupe générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit tronçon d'eJection (44) a une longueur au moins égale à deux fois son diamètre. 5. Groupe générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chambre de distribution, les injecteurs et la roue de la turbine sont en matière synthétique. 6. Groupe générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le conduit d'entrée de la turbine comporte une vanne (13) de réglage du débit d'eau, commandée par un moteur électrique (25). 7. Groupe générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la génératrice électrique (20) est du type à courant alternatif. 8. Groupe générateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la génératrice électrique (20) est'du type polyphasé synchrone à aimants permanents, et en ce que le groupe comporte un organe redres- seur polyphasé pour délivrer une tension de sortie sensiblement conti- nue. 9. Groupe génerateur selon les revendications 6 et 7, caractérisé-en ce que le dispositif de réglage comporte un bloc électronique de régulation (23), raccordé à la génératrice (20) et au moteur (25) de commande de la vanne de réglage, pour commander ce moteur en fonction de la puissance électrique de sortie et la vitesse de rotation de la génératrice.