Brevet FR2669056A1 — publié le 19920515

La présente invention a pour objet une installation de génération d'électricité constituée de groupes hydro-électriques à écoulement axial pour des courants ou des très basses chutes d'eau, et d'un barrage-support, à titre d'exemple non limitatif, à structure réticulée avec la fonction de forcer Liteau à passer à travers ces groupes. Dans la catégorie des groupes hydro-électriques axiaux, on connaît les groupes "bulbes" avec la génératrice électrique située à l'intérieur du noyau de l'agrégat et les groupes "tubes" avec la génératrice à l'extérieur de la roue. Les pales de la roue et celles du distributeur des deux classes sont soit fixes, soit orientables. Dans ce dernier cas, entre l'orientation des pales de la roue et celles du distributeur, il peut y avoir une certaine corrélation, un double réglage. Le "bulbe" et le moyeu de la roue du groupe "tube" accupent une fraction importante de la section de la veine d'eau. D'autre part, les filets d'eau - à l'entrée - sont déviés. En plus, la couche limite, qui entoure le moyeu, consomme une énergie en rapport avec la surface mouillée du moyeu. A la sortie, le sillage - derrière le moyeu - est une nouvelle cause de perte d'énergie. Comparativement avec une turbine à "bulbe" ou avec une turbine à roue avec moyeu, pour un même diamètre de roue, ou plus exactement pour le même diamètre de veine d'eau, la turbine avec un moyeu très réduit ou nul, produit une plus grande énergie car celle-ci est proportionnelle au débit d'eau. D'autre part, pour la même section de veine d'eau, la turbine sans moyeu, de plus petit diamètre, située près du fond du fleuve aura une hauteur hydraulique plus grande, d'où un surplus de puissance. Par conséquent, sa puissance et, éventuellement, son rendement seront plus grands. L'utilisation d'un distributeur provoque également une perte de charge Cela par la différence de vitesses entre les filets d'eau qui se trouvent dans le sillage des pales et ceux qui se trouvent hors des sillages. C'est pour cette raison ainsi que pour des raisons de mécanique, que pour des courants à débit constant, la solution dite '1simplifiée", de roue avec pales et distributeurs fixes ou sans distributeur, ou avec vanne arrière pour un réglage éventuel du débit, contre l'emballement, est préférable. Par contre, pour des courants à débits variables, le distributeur absorbe les chocs et oriente convenablement les filets d'eau sur les pales. L'invention a pour but d'utiliser l'énergie potentielle et cinétique des très basses chutes d'eau, ou des courants d'eau, en augmentant la puissance et le rendement des turbines. Pour la récupération de lténergie cinétique, on peut augmenter la section de sortie de la turbine. Le groupe hydro-électrique proposé contient une roue de turbine (1, 2) formée de pales fixes (I) ou orientables (18), reliées entre elles sur l'axe de I'ensemble, soit par leur génératrice géométrique pour le cas des pales fixes, soit par une rotule (19) dans le cas des pales orientables. La roue contient aussi une ceinture tubulaire (2) sur laquelle se trouvent fixées, encastrées ou articulées sur pivots (24) les extrémités périphériques des pales, un rotor de la génératrice électrique (5) porté sur la face extérieure de la ceinture de la roue, un stator (6) de la génératrice électrique entourant le rotor et dont les flasques (7) portent la roue,des paliers (11) et des butées (13) situées sur les faces intérieures des flasques (7). Ces paliers et butées sont annulaires ou constitués par des patins indépendants. Dans une des variantes de cette turbine, les paliers et les butées sont à gaz pressurisé. Le corps formé par le raccordement entre les faces des pales, à lten- droit où les pales se rencontrent sur l'axe de la roue, doit être du diamètre le plus réduit possible. De la sorte, on évite les turbulences dues à la déviation des filets d'eau dans les dièdres formés par les pales. Lorsque les chutes d'eau sont à débit variable, on utilise des distributeurs (16 a) et une roue à pales orientables (18) ainsi que (ou) des vannes de sortie réglables (17 a). Le réglage des pales peut être fait par un servo-moteur (21-27) en fonction du débit instantané afin d'obtenir une vitesse constante de rotation de la roue. Le gaz (l'air) pressurisé, qui assure dans une variante l'étanchéité et la réfrigération du groupe, peut être fourni par une source extérieure Dans la solution avec circulation d'eau dans l'entrefer, ceci implique, d'une part, une isolation absolue des fils des bobinages par des matières plastiques fiables et, d'autre part, une diminution du facteur de puissance à cause de l'augmentation de l'entrefer. Cette solution pourrait offrir la possibilité d'obtenir un film d'eau pour le glissement sur les paliers et les butées. Un collecteur (16) précède, un diffuseur (17) suit la roue, cela afin d'améliorer l'écoulement de l'eau à l'intérieur de l'installation. Le groupe hydro-électrique du brevet comprend la carcasse (9) du stator qui protège la génératrice. Dans une variante, déjà mentionnée, elle contient le gaz pressurisé inerte, à faible viscosité, qui empêche l'eau d'y entrer et assure, en même temps, le refroidissement. On y trouve aussi des anneaux (3) faisant partie de la roue, situés à ses extrémités, qui forment la partie mobile des paliers et des butées et qui sont liés par des tirants (4) serrant les tôles du noyau du rotor, des tirants (8) reliant les deux lasques (7) du stator et serrant les tôles (6) formant le noyau du stator, des joints à labyrinthe (15) se trouvant entre les anneaux (3) du rotor et les flasques (7) du stator et qui assurent, en partie, l'étanchéité de l'entrefer (10). Dans la variante déjà mentionnée, on trouve des paliers (12) et des butées (14) à rouleaux ou à huile, situés dans 1 espace étanche à l'eau et assurant la position de la roue en cas de panne du gaz pressurisé fournissant le film de gaz sur lequel glisse en tournant la roue. La turbine du brevet peut être utilisée dans des micro-centrales pour actionner une génératrice d'appoint - admettant une certaine variation de puissance -, en fonction de la variation des hauteurs de chute en exploitation (marnage), pour un réseau général. Une autre utilisation est celle dans une centrale de puissance moyenne avec une génératrice de puissance constante pour l'alimentation d'un réseau autonome ou même national. Dans le premier cas, la génératrice doit être du type asynchrone avec une roue de turbine à pales fixes, ce qui permet une variation de la vitesse de rotation de 5 à 10 %, en fonction du débit d'eau et de la hauteur hydrau lique. Cette variation correspond au "glissement" admissible de la généran0 - n 60f trice. Ce glissement est défini par l'expression : S = ou n = = n p nombre de tours de synchronisme du rotor électrique (rotation du champ ma- anetique tournant). n = nombre de tours réels de l'armature du rotor (de l'induit) f = fréquence p = nombre de paires de pales. Les génératrices asynchrones sont d'une exploitation facile et d'un prix de revient plus économique car elles n'ont pas besoin d'excitation, sont plus simples et ont un appareillage également plus simple. Dans le deuxième cas, la génératrice doit être du type synchrone, ce qui implique une vitesse de rotation quasi constante. Cette génératrice nécessite une excitatrice. Pour maintenir une vitesse de rotation constante, alors que le débit de l'eau et la hauteur hydraulique peuvent être variables, il faut - comme déjà mentionné - que le groupe soit "réglable", c'est-à-dire que les pales de la roue soient orientables ainsi que celles du distributeur par rapport à la direction de I'écoulement, Une variante du groupe à génératrice synchrone est celle provenant de sa conception en fonction de la hauteur hydraulique maximale : celle du barrage, plus une hauteur de déversement par dessus le barrage. Ceci signifie que, lors de la conception de la génératrice, la puissance nominale du groupe, qui est en même temps la puissance maximale, doit être calculée pour ces hauteurs et débits maximaux, ce qui exclut tous les risques en ce qui concerne la surcharge de la génératrice. Il faudra, en échange, utiliser l'excitatrice pour garder la même fréquence. Dans ce cas, on peut utiliser le groupe avec roue à pales fixes, car lorsque le débit hydraulique diminue, sa puissance diminuera et l'énergie électrique fournie au réseau diminuera en conséquence. Comme déjà mentionné, pour des diminutions de débit de l'ordre de quelques pourcents, on peut faire un réglage automatique de l'excitation afin de diminuer la puissance consommée, mais garder la vitesse de rotation. Si la génératrice sert comme génératrice d'appoint, on pourrait attendre que la hauteur hydraulique redevienne maximale, ce serait une "marche en base" pour tout ou rien. Le groupe, dans ce dernier cas, est très simplifié Dans la génératrice synchrone, le bobinage d'excitation (21) peut être situé autour de la ceinture de la roue hydraulique. C'est un bobinage inducteur qui a le rôle de machine de courant continu pour exciter le bobinage de l'armature rotorique. Enfin une dernière solution de rendre constant un régime hydraulique transitoire est - comme il a été déjà mentionné - le contrôle du débit par une vanne "arrière" (17 a). Elle sert de coupure du flux en cas d'emballement. Elle a l'avantage de garder la symétrie de la veine d'eau, ce qui n'est pas le cas pour une vanne "avant" qui provoque des vibrations et de la cavitation par la variation de vitesse d'écoulement. Cette vanne arrière est moins onéreuse et elle produit une coupure rapide, de l'ordre de quelques secondes Dispositif de manoeuvre pour l'orientation des pales de la roue (21 à 27). Les pales de la roue sont montées sur sa ceinture. Chaque pale possède un pivot (24) qui traverse une bande renforcée (23) de la ceinture. Une pale, avec son pivot, peut tourner autour de l'axe de ce dernier afin de présenter des inclinaisons diverses (i", de l'ordre de 100) par raptort à la direction d'écoulement du fluide. Le dispositif de commande de l'orientation des pales est constitué par des bielles (25) et d'un cercle (26) entourant la roue et glissant sur elle t qui peut avoir une rotation limitée, commandée par un dispositif électrique : une extrémité de la bielle est fixée sur le pivot de la pale. Sa deuxième extrémité est articulée sur le cercle sus-mentionné qui peut avoir un mouvement glissant de rotation dans son plan, dans les limites de l'angle i . Le glissement du cercle est commandé par un solénoïde (27) (donc à courant continu) qui, à son tour, est commandé par un appareil de régulation automatique (fig 10) (36 à 43) en fonction de la variation des hauteurs de hutte en exploitation (marnage) par rapport à celle définissant la puissance nominale du groupe. Le système de réglage est en circuit fermé ayant comme "grandeur nomirale" la tension pour la rotation désirée U F (36) et comme "grandeur de réaction" la tension réelle de l'armature rotorique Ur (42). La différence - ~ Ur = est le signal d'erreur. L'appareil de régulation contient un régulateur (37), un amplificateur de sortie (38), un organe d'exécution (39), un tacho-générateur (40), un réostat (41). L'expression de la tension est : U = kn avec n = nombre de tours. Les efforts hydrauliques agissant sur les pales de la roue fonctionnant comme des "consoles encastrées" sur la ceinture sont assez réduits surtout pour des angles d'inclinaison de l'ordre de : i" = 10 , et peuvent être calculés pour la pression hydrostatique ou pour le choc initial de l'arrivez du torrent. Les pales orientables : l'étendue d'une pale (18), à sa périphérie, est déterminée par la rencontre de son plan médian avec la ceinture de la roue lors de son inclianison maximale. D'autre part, au centre de la roue, il faut éviter de créer des turbulences lors d'une rotation des pales. Ceci conduit à avoir pour chaque pale la forme d'un triangle dont le bord périphérique est une courbe et les deux bords (qui sont radiaux) se rencontrent sur une petite rotule (19),par l'intermédiaire de pivots (20), commune à toutes les pales. Cette rotule a le rôle de diminuer l'effet de console de chaque pale et de réduire ainsi les vibrations. Le tracé de l'aubage de la roue et du distributeur est du type "aile d'avion", et il est calculé sur des considérations d'hydrodynamique, spécifiques à chaque turbine. La variante à pales fixes peut servir de débit-mètre ou de compresseur si elle est incorporée dans un tuyau transportant un liquide (fig. 15). Le démontage se fera facilement en atelier étant donné son poids certainement plus réduit que celui des turbines à bulbes et du fait que l'extrac- tion de la roue est facilement exécutable après le démontage de la flasque de butée du stator. Par la position à 1 tintérieur du stator, de la roue, le problème des supports extérieurs, à cause de leurs poids et de leurs ancrages, est supprimé. Avantages du groupe turbo génératrice propose L'écoulement axial dans le roue sans moyeu évite une perte importante d'énergie. En tant que machine horizontale, la turbine supporte un régime de fonctionnement continu, transitoire ou normal étant équipée avec une génératrice adéquate. Dans la variante à pales fixes, elle peut servir de compresseur ou débit mètre pour des fluides à débit constant. Par comparaison avec les turbines à bulbes, qui sont montées en consoles par rapport aux appuis, les parties tournantes subissent des déformations plus réduites, ce qui peut réduire le jeu entre rotor et stator (ltentrefer). La variante, à pales fixes et réglage supplémentaire du débit par une vanne arrière, présente une grande simplification du mécanisme et donc de poids. La solution de groupe réglable s'adapte aux courants de vitesse variable. Par sa réduction du diamètre de la roue, on gagne en hauteur hydraulique du fait de sa situation possible plus près du lit du fleuve. Compte tenu de l'allègement du groupe et de la suppression de l'eau accumulée avec une grande différence de niveau entre l'amont et l'aval, le barrage - porteur du groupe - est simplifié. Ceci n' empêche pas son utilisation même pour d'autres cas. Sa structure peut être réduite à un réseau formé de câbles horizontaux (28), tendus entre des montants rigides (29) ancrés au sol (30) et des poutres de liaison (31). Si possible, ces câbles sont reliés aux massifs de rive (32). Cette ossature est couverte de plaques rigides (33) qui ne laissent passer l'eau qu'à travers les turbines (34). Les éléments métalliques peuvent être traités ou protégés contre la corrosion par l'eau. Le poste de transformation peut se trouver sur la rive REVENDICATIONS 1) Installation de génération d'électricité constituée de groupes hydroélectriques à écoulement axial et d'un barrage support, pour de très basses chutes d'eau, dont chaque groupe bydro-electrique contient une roue de turbine (1, 2) formée de pales reliées entre elles sur l'axe de l'ensemble d'une ceinture tubulaire (2), sur laquelle se trouvent fixées les extrémités péri phériques des pales, un rotor de la génératrice (5) porté sur la face extérieure de la ceinture de la roue, un stator (6) de la génératrice entourant le rotor et dont les flasques (7) portent la roue, et des paliers (11) et des butées (13) situés sur les faces intérieures des flasques (7), caractérisé en ce que les pales sont orientables (18) reliées entre elles sur une rotule (19), la ceinture tubulaire (2) est de section constante ou plus évasée vers la sortie, les extrémités périphériques des pales sont fixées sur des pivots (24) permettant une rotation commandée par un dispositif de réglage (21-27). 2) Installation de génération d'électricité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le groupe hydro-électrique comprend une carcasse (9) du stator qui protège la génératrice et qui contient un gaz pressurisé inerte, à faible viscosité, qui empêche l'eau d'entrer et assure le refroidissement des anneaux (3) faisant partie de la roue, situés à ses extrémités, qui forment la partie mobile des paliers et des butées et qui sont liés par des tirants (4) serrant les tôles du noyau du rotor, des tirants (8) reliant les deux flasques du stator et serrant les tôles formant le noyau du stator, des joints à labyrinthe (14) se trouvant entre les anneaux (3) du rotor et les flasques (7) du stator et qui peuvent assurer l'étanchéité des paliers (12) et des butées (14) à rouleaux ou à huile.Un distributeur (16 a) et un collecteur (16) précèdent le groupe et un diffuseur (17) et une vanne (17 a) le suivent. 3) Installation de génération d'électricité selon les revendications I et 2, caractérisée en ce que le groupe hydro-électrique comprend une génératrice d'électricité qui peut être du type asynchrone pour les rivieres ou fleuves à débit variable et qui peut fonctionner avec un distributeur à pales fixes, soit une génératrice synchrone qui nécessite des pales orientables et, éventuellement, une vanne arrière pour régler le débit lors d'un régime hydraulique transitoire ; une application nouvelle de la solution à pales fixes est qu'elle peut servir de débit mètre ou de compresseur (fig. 115. 4) Installation de génération d'électricité selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisée en ce que le dispositif de manoeuvre de l'orientation des pales de la roue est constitué de bielles (25) s'appliquant sur les pivots (24) des pales et d'un cercle (26) glissant dans son plan qui, par son mouvement commandé par un appareillage électrique (36-42) en fonction de la variation de la rotation de la roue, modifie ltorientation des bielles, et donc des pivots et des pales. Un dispositif analogue peut commander les pales du distributeur. 5) Installation de génération d'électricité selon la revendication 1, ca ractérisée en ce que le barrage support a une structure réticulée formée de montants rigides verticaux (29) destinés à être implantés dans la terre (30), de poutres (31) et des câbles (28) horizontaux tendus destinés à être ancrés dans les rives (32), et comprenant un revetement de plaques rigides (33) contenant des ouvertures pour le passage de l'eau aux endroits des turbines (34).