Brevet FR2680837A1 — publié le 19930305

DESCRIPTION Dispositif concernant le fonctionnement et la régulation d'une installation disposant d'un débit d'eau avec une dénivellation équipée d'une réserve dieau dite retenue située en amont de l'installation. Ce dispositif permet d'obtenir en un point situé en contrebas de la retenue soit une pression variable en fonction des variations du niveau d'eau de la réserve, soit le déplacement d'un mécanisme en fonction des variations du niveau d'eau de la réserve soit une combinaison des deux variables, variation de pression et déplacement d'un mécanisme. Ge dispositif est directement applicable à la régulation autonome et automatique du débit d'une turbine hydraulique en fonction de la variation du niveau de la réserve d'eau située en amont. Comme cas particulier non limitatif l'invention s'applique à toute installation hydraulique en ce qu'telle constitue un système automatique autonome de réglage de l'ouverture du distributeur d'une turbine hydraulique, marchant par exemple au fil de liteau, en fonction du débit d'alimentation de la retenue amont par l'intermédiaire direct de la variation du niveau de cette retenue en plus ou en moins selon que ce débit est supérieur ou inférieur à celui absorbé par la turbine pour une ouverture donnée de son distributeur. Dans les centrales hydrauliques le réglage du débit d'une turbine est assuré par un vannage commandé par un servo moteur à fluide sous la dépendance d'un système de régulation ce qui nécessite l'existence d'une centrale auxiliaire avec groupes de pompage, filtres réservoirs et éventuellerment compresseur d'air. Pour des turbines de faible puissance cet ensemble de réglage représente une proportion importante du prix de la turbine et peut rendre non rentable une telle installation. Le but de la présente invention qui s'applique aux installations au fil de L'eau est d'asservir directement ltouverture de la turbine au niveau de la retenue amont par un moyen simple sans faire appel à une force extérieure et avec le a une minimum de pièces en mouvement. pleces en La présente invention ne concerne pas le vannage proprement dit de la turbine (par exemple pointeau pour une Pelton, cercle de vannage pour une Francis) mais l'obtention et le réglage de la pression du fluide qui agira sur le servo-moteur de commande de ce vannage. Soit schéma fig I, le servo - moteur (1) comportant un cylindre (2) et un piston (3 ) solidaire de la tige (7 ) dont le mouvement dans le sens O commande l'ouverture de la turbine et dans le sens F la fermeture. Le piston (3 ) et le cylindre (2) délimitent une chambre(6) et une chambre(5). Dans la chambre (6) est placé un ressort (4 ) qui agit dans le sens F et assure la fermeture de la turbine quand la chambre (5) est vide. Si l'on introduit en (5) un fluide dont on augmente la pression on exerce sur le piston (3 )une force qui à partir dtune certaine pression comprime le ressort (4), la tige (7) se déplaçant alors dans le sens de l'ouverture, le mouvement correspondant étant fonction de la variation de la pression, un équilibre s'établissant entre les forces dues d'une part à l'élasticité du ressort d'autre part à l'action de la pression du fluide sur le piston (3). Pour que l'ouverture de la turbine soit fonction de l'élévation du niveau amont il suffit donc d'exercer dans la chambre (5) une pression fonction du niveau de la retenue amont et croissant dans le même sens. Dans ce but, la chambre (5) est reliée par une canalisation (10 )à un tuyau (8) dont la-partie supérieure est située près de la prise d'eau amont de façon à ce qu'elle émerge du niveau de la retenue. Le tuyau (8) comporte à sa partier inférieure un orifice (9) de section s et à sa partie supérieure une ouverture. Dans le cas représenté non limitatif il s'agit d'une fente verticale (11) en partie immergée dont la surface S immergée est égale à la largeur de la fente I multipliée par la hauteur H du niveau de la retenue par rapport à la base de la dite fente. Le principe de fonctionnement est le suivant : lorsque la retenue amont se remplit la tubulure reste vide jusqu'à ce que l'eau atteigne la rainure (11). L'eau penètre alors dans le tuyau (8) s'évacue par l'orifice inférieur (9) et alimente par la canalisation (10) la chambre (5). Pour un niveau amont donné H l'eau s'élève dans la tubulure (8) à un niveau h tel que le débit de fuite équilibre le débit d'alimentation Plus le niveau H s'élève plus le débit entrant dans le tube (8) augmente, I'orifice d'évacuation 9 étant fixé il s'ensuit que le niveau h augmente et réciproquement en cas de baisse du niveau H. On voit donc que la pression h dans la chambre est fonction du niveau amont, ces deux valeurs croissant dans le même sens. Si le niveau H augmente la turbine ouvre. Si le niveau H diminue la turbine ferme Une turbine hydraulique ayant un mauvais rendement à faibles débits on a intérêt à ne pas fonctionner en dessous de 20 ou 30% du débit maximun. Dans ce but on peut insérer dans la canalisation (10) une soupape (12) qui n'autorise l'alimentation de la chambre (5) que lorsque la pression h est suffisante pour déplacer dans le sens O le piston (3) et la tige (7) d'une valeur correspondant à l'ouverture de fonctionnement minimum souhaitée. Lors de sa fermeture la soupape commande l'ouverture d'un orifice de mise à l'échappement de la chambre (5). La section de cet orifice est définie de façon à freiner l'écoulement pour éviter une fermeture trop brutale de la turbine. Le débit de fuite par l'orifice (9) peut être utilisé pour l'alimentation d'une turbine auxiliaire accouplée à une petite génératrice débitant par exemple sur une batterie de secours. Selon la disposition de la fig. I, on utilise la pression du ressort (4 )pour assurer la fermeture de la turbine. En variante selon la disposition de la fig. II, la fermeture est provoquée par la pression de la conduite forcée. Dans ce cas, le servo- moteur comporte un cylindre (13) et un piston (14 )qui déiimitent deux chambres (16) et (17), la chambre (17) ayant une section So inférieure à celle S1 de la chambre (16), (dans le cas de la figure chambre (t7 ) de section annulaire). La chambre (17) est mise en communication par un tuyau (20) avec la conduite forcée alimentant la turbine. Elle est donc soumise à la pression ho correspondant à la hauteur de chute. La chambre (15) de son côté est reliée comme la chambre (5) de la figure 1 au tuyau (8), qui comporte toujours la fente d'alimentation (11) définie comme précémment mais l'orifice (9) de section constante s est supprimé. Le piston (11) est solidaire d'un tourillon (15 ) comportant une rainure (18 ) qui met à l'échappement la chambre (16). Cette rainure est conçue de façon que sa section augmente en s'éloignant du piston. Soit so la section de la rainure en position fermée. A l'arrêt la chambre (16) est vide et le piston est plaqué en position fermée par la pression ho régnant dans la chambre (17). Le principe de fonctionnement est le suivant. Lorsque la retenue amont se remplit la tubulure (8) reste vide jusqu'à ce que l'eau atteigne la rainure (11). L'eau pénètre alors dans le tuyau (8) et s'évacue par la rainure (18). Le niveau H augmentant, il s'établira un niveau h dans le tube (8) Lorsque h atteindra une valeur plus grande que h = ho x So / S1, le piston (11) se déplacera dans le sens de l'ouverture, l'orifice de mise à l'échappement par la rainure (18) augmentant en fonction de la course jusqu'au moment où ii s'établira une égalité entre le débit entrant par la rainure (11) et celui s'échappant par la rainure (18), la pression dans la chambre (15) restant égale à h, si l'on ne tient pas compte de la réaction de l'écoulement sur le vannage Bien entendu le servo-moteur devra être dimensionné pour tenir compte des efforts hydrauliques s'exerçant sur le vannage. Au dela d'une certaine valeur de H le servo-moteur sera en position d'ouverture totale le piston venant alors en butée. Comme dit précédemment on n'a pas intérêt à faire tourner la turbine à un débit trop faible. Dans ce but, on peut maintenir la section so de la rainure (18) constante pendant une certaine course correspondant à l'ouverture minimum souhaitée. La section de la rainure est constante dans la partie- proche du piston (14) puis est variable dans la partie éloignée du piston. La variation de cette section est telle que la surface de cette rainure augmente en s'éloignant du piston. REVENDICATIONS 1 Dispositif caractérisé en ce qu'une tubulure (8) relie une retenue d'eau, située en amont, à un niveau aval et comporte en partie haute une ouverture (11) permettant à partir d'une hauteur donnée du niveau amont de la retenue une entrée d'eau dans la tubulure dont le débit augmente avec le niveau amont et en partie basse un orifice d'évacuation (9) de section constante. 2 Dispositif caractérisé en ce qu'une tubulure (8) relie une retenue dèau située en amont, à un niveau aval et comporte en partie haute une ouverture (11) permettant à partir d'une hauteur donnée du niveau amont de la retenue une entrée d'eau dans la tubulure dont le débit augmente avec ie niveau amont et en partie basse un orifice de section variant avec le déplacement d'un tiroir soumis sur une face à la pression de la tubulure et sur la face opposée à un effort antagoniste constant ou variable. 3 Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que la partie inférieure de la tubulure est mise en liaison par un tube (10) avec la chambre (5) d'un servo - moteur (2) agissant sur un vannage de turbine hydraulique dans le sens de l'ouverture quand la pression augmente, I'effort antagoniste de fermeture étant produit par un ressort (4). 4 Dispositif selon revendication 2 caractérisé en ce que le bas de la tubulure (8) est mis en liaison par le tube (10) avec une chambre (16) d'un servo - moteur (13) agissant sur un vannage de turbine hydraulique dans le sens de l'ouverture quand la pression augmente. Cette chambre comporte un orifice d'échappement (18) dont la section varie en augmentant quand le piston du servo - moteur se déplace dans le sens de I'ouverture de la turbine. L'effort antagoniste de fermeture est fourni par la pression de la conduite forcée s' exerçant sur la face opposée du piston de section utile plus faible. 5 Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'une soupape (12), est installée à l'intérieur de la canalisation (10) Fig 1 dont l'ouverture est réglée en fonction de la pression amont de cette soupape7 l'ouverture n'étant autorisée que lorsque cette pression atteint une valeur déterminée en fonction des caractéristiques de l'installation. 6 Dispositif selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce qu'une canalisation alimentant une turbine auxiliaire est reliée à l'orifice (9). 7 Dispositif selon la revendication 2 caractérisée en ce que la tige (15) est équipée d'une rainure (18) dont la section est soit variable sur toute sa longueur soit constante dans la partie proche du piston (14) puis variable dans la partie éloignée du piston (14). La variation de section est telle que la surface de la rainure augmente en s'éloignant du piston (14).