Brevet FR2854666A1 — publié le 20041112

La présente invention concerne un perfectionnement au dispositif autonome de production d'énergie électrique, décrit dans les brevets FR No 88 15936 et No 89 16106 utilisant tout ou partie de l'énergie disponible dans les canalisations transportant un fluide sous pression. Un premier type d'application de ce dispositif réside dans l'alimentation permanente des appareils électriques servant à l'automatisation, la télégestion et la télésurveillance des sites isolés, pour en faciliter l'exploitation. Ces problèmes se rencontrent fréquemment sur les réseaux d'adduction d'eau, les réseaux d'irrigation. Dans beaucoup de cas, ils peuvent être résolus par des machines réalisées dans l'esprit des brevets cités ci-dessus. Par contre dans l'exploitation des gisements pétroliers le fluide transporté par les canalisations n'est pas homogène. Souvent il y a des périodes gazeuses, pendant lesquelles les turbines simples sont inefficaces. Il peut être aussi difficile d'avoir un fonctionnement permanent satisfaisant lorsque la turbine est installée sur une canalisation, venant d'un captage de source, dans laquelle le débit varie beaucoup suivant les saisons, sans installer un dispositif de régulation extérieur à la turbine. Un deuxième type d'application s'adresse à la petite hydro-électricité dans le cadre de l'utilisation des énergies renouvelables. Souvent pour des raisons d'ordre climatique, les installations sont soumises à des variations de débit importantes, qui font que les turbines dimensionnées pour les périodes de fort débit ne sont plus productives pendant les périodes d'étiage, ou au contraire si elles sont dimensionnées pour les périodes d'étiage elles n'utilisent pas au maximum le potentiel hydraulique lorsque l'eau devient plus abondante. Or, c'est souvent l'hiver que l'eau est abondante et c'est justement la période pendant laquelle le besoin en énergie électrique est le plus important. Le dispositif suivant l'invention permet de remédier à ces inconvénients. En effet, contrairement aux machines antérieures dont la turbine comporte une seule hélice, les turbines réalisées dans l'esprit de l'invention comportent deux hélices motrices. Une première hélice, en amont de l'alternateur, est opérationnelle pendant les phases liquides d'un fluide non homogène ou les périodes de fort débit hydraulique. Une deuxième hélice, en aval, solidaire du même axe et du rotor de l'alternateur, est déterminée pour être opérationnelle pendant les phases gazeuses ou mixte d'un fluide non homogène, ou pendant les périodes d'étiage d'une installation hydraulique.Pour éviter que cette seconde hélice produise une surpression excessive, voire même destructrice, pendant les phases liquides du fluide non homogène ou les périodes de fort débit d'une installation hydraulique, un dispositif de protection sensible à la pression règlera la perte de charge au niveau de la seconde hélice en la rendant éventuellement totalement ou partiellement inopérante. Dans les exemples d'applications ci-dessus, l'énergie mécanique produite par la turbine est utilisée pour entraîner un rotor d'alternateur. D'autres utilisations, telle que l'entraînement d'une pompe, peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Seul, l'entraînement d'un rotor d'alternateur sera exposé dans les descriptions qui suivent. Les particularités de l'invention apparaîtront dans les descriptions qui suivent, données à titre d'exemples, avec les dessins annexés : La figure 1 représente, en coupe, une première conception possible de l'invention, avec un canal de section constante pour la première hélice, en amont, et un canal de diamètre variable pour la seconde hélice, en aval, constitué d'un manchon préformé suffisamment souple pour se déformer sous l'action de la surpression créée par ladite hélice, pendant les phases liquides d'un fluide non homogène ou les périodes de fort débit d'une installation hydraulique ; La figure 2 représente une vue de face de cette version montrant un principe, parmi d'autres de maintien de l'ensemble turbine-alternateur dans l'axe de la canalisation ;La figure 3 représente en coupe, une autre conception possible de l'invention, avec un canal de la première hélice, en amont, de section constante dans lequel l'hélice a la possibilité de se déplacer dans l'axe sans conséquence, et un canal de la seconde hélice, en aval, terminé par un tronc de cône, dans lequel l'hélice devient inopérante, lorsqu'elle se déplace dans l'axe sous l'effet de la pression ; La figure 4 représente une vue de face de cette version montrant un principe, parmi d'autres de maintien de l'ensemble turbine-alternateur dans l'axe de la canalisation ; La figure 5 représente le montage de la figure 1 avec l'adjonction, du coté de l'hélice aval, d'un dispositif de commande, constitué d'une électrovanne à double effet, pilotée par un système extérieur ;La figure 6 représente une vue en bout de la figure 7, montrant une façon parmi d'autres, de maintenir le canal de l'hélice aval au centre de la machine ; La figure 7 représente une variante du montage précédent qui peut être intéressante pour les plus grands débits ; La figure 8 représente en coupe, une autre conception possible de l'invention, avec une dérivation permettant de contourner l'hélice aval lorsque la surpression dépasse un seuil déterminé ; La figure 9 représente une vue en bout de la figure 8, montrant une façon parmi d'autres, de faire la dérivation ; La figure 10 représente une variante de la figure 3, dans laquelle les deux hélices groupées à l'avant du dispositif constituent une hélice mixte.Le canal d'hélice cylindrique se termine par un tronc de cône dans lequel la partie arrière de ladite hélice, en se déplaçant dans l'axe sous l'effet de la pression, perd de son efficacité. En référence aux figures 1 et 2, le dispositif comporte un corps 1 dans lequel est fixé le stator 2 de l'alternateur. Le corps 1 est muni à l'arrière d'un embout 4 et à l'avant d'un embout 5 portant les paliers 6a et 6b retenus par des bagues d'arrêt. Lesdits paliers supportent l'axe 7. Cet axe porte, sur sa partie avant, la première hélice 8, en amont, et sur sa partie arrière la seconde hélice 9, en aval. Ces hélices entraînent l'axe en rotation par l'intermédiaire des goupilles 10 et 11 ou par tout autre dispositif équivalent. Lesdites hélices sont conçues pour tourner dans le même sens pour une même direction du fluide. L'ensemble ainsi constitué est maintenu à l'intérieur d'un tuyau métallique ou plastique 12 par l'intermédiaire de trois entretoises 13a, 13b qui font partie du corps 1 ou qui lui sont rapportées par les vis 14. Ces entretoises sont ellesmêmes fixées dans le tuyau 12 par des vis 15 munies de rondelles d'étanchéité. Le fil électrique 16 sort du tuyau 12 par l'intermédiaire du presse-étoupe 17. Ledit tuyau peut être avantageusement muni de brides 18 percées de trous pour faciliter le raccordement à la canalisation sur laquelle on souhaite insérer le dispositif. A l'intérieur du tuyau 12, du coté de l'hélice amont 8 est introduit un manchon rigide 19 dont la partie centrale cylindrique constitue le canal de ladite hélice. Du coté de l'hélice aval 9, est introduit le manchon souple préformé 20. Ledit manchon est constitué d'une partie centrale cylindrique, au niveau de l'hélice, prolongée de part et d'autre par un tronc de cône. La rigidité de ce manchon est déterminée pour qu'il se déforme (en pointillé sur les dessins) lorsque la surpression créée par le débit du fluide sur l'hélice aval 9 devient importante. Par contre lorsque le fluide traversant la canalisation comprend une forte proportion de gaz, ou que le débit hydraulique diminue, la surpression créée par l'hélice aval 9 devient inférieure à la rigidité dudit manchon qui reprend sa forme initiale (hachurée sur les dessins).Pendant ces phases l'hélice 8 n'a pas ou peu d'influence. De cette façon, pendant les phases liquides d'un fluide non homogène ou les périodes de fort débit hydraulique c'est l'hélice amont 8 qui entraîne le rotor de l'alternateur et pendant les phases gazeuses d'un fluide non homogène ou les périodes de faible débit hydraulique c'est l'hélice aval 9. Pendant les phases intermédiaires les deux hélices pourront être motrices sans inconvénients. Les figures 3 et 4 montrent une autre façon d'obtenir le but fixé, tout en restant dans l'esprit de l'invention. La conception générale de la machine reste la même, mais comporte les différences essentielles suivantes. L'axe 7, supportant l'hélice amont 8, l'hélice aval 9 et le rotor de l'alternateur 3, a la possibilité de se déplacer longitudinalement dans les paliers 6a et 6b sous l'effet de la pression. Pour amortir le déplacement la partie arrière du rotor 3 prend appui sur un amortisseur quelconque, qui peut-être un ressort 34 guidé par la pièce 35 et en appui sur l'embout 4. A l'intérieur du tuyau 12, du coté de l'hélice aval, est introduit un manchon rigide 32 dont la partie centrale cylindrique est prolongée de part et d'autre par un tronc de cône. Du coté de la sortie du tuyau 12 le cône s'évase rapidement. Sous l'action du ressort 34 les hélices 8 et 9 sont poussées vers l'amont de la machine de façon qu'elles soient engagées dans les parties cylindriques des manchons 19 et 32 (hélices dessinées en traits pleins). Cette position correspond aux phases gazeuses d'un fluide non homogène ou aux périodes de faibles débits hydrauliques pendant lesquelles c'est l'hélice 9 qui est motrice, alors que l'hélice 8 est peu efficace.Pendant les phases liquides dudit fluide ou les périodes de forts débits hydrauliques, la pression axiale exercée sur l'hélice aval 9 comprime le ressort 34 ce qui permet à ladite hélice d'aller dans la partie conique du manchon aval 32 tandis que l'hélice amont 8 reste dans la partie cylindrique du manchon 19 (hélices dessinées en pointillés). Dans cette position l'hélice 9 devient inefficace, seule l'hélice 8 reste motrice. Le choix de la force du ressort 34 et de la pente du manchon 32 permet d'adapter le dispositif aux conditions de fonctionnement souhaitées. L'utilisation de tout autre système amortisseur reste dans l'esprit de l'invention. La figure 5 représente une première variante de la figure 1 améliorant son fonctionnement grâce à la mise en communication de la partie centrale du manchon constituant le canal de l'hélice aval, avec la pression amont, qui maintient ledit manchon dans sa forme initiale, ou avec la pression aval, plus faible qui le laisse se déformer. Selon le dispositif deux prises de pression 21a et 21b associées à une électrovanne à deux états 22, permettent de mettre en communication la partie centrale 23 du manchon 20, par l'intermédiaire du raccordement 21c, avec la zone de haute pression 24 ou avec la zone de basse pression 25. Dans le premier cas, la haute pression appliquée simultanément sur les deux faces du manchon 20 le maintient dans sa position initiale.Dans le second cas, la partie centrale 23 du manchon 20 ramenée à la basse pression de la partie 25, permet la déformation dudit manchon. Les effets sur le fonctionnement sont les mêmes que ceux décrits précédemment, avec l'avantage d'offrir plus de souplesse d'utilisation. La figure 6 représente une vue en bout de la sortie du dispositif de la figure 7, montrant la disposition du canal intérieur, constitué du tube 27, ledit tube étant maintenu au centre de la couronne périphérique 28 par plusieurs rayons 29. La figure 7 représente un dispositif mieux adapté aux débits de fluide plus importants que celui décrit par la figure 5. Selon le dispositif décrit, la sortie de la turbine est divisée en deux canaux concentriques distincts.Le canal central cylindrique qui aboutit à l'hélice aval 9 est matérialisé par l'intérieur du tube 27, ledit tube étant maintenu au centre de la couronne périphérique 28 par les rayons 29. Un deuxième canal tubulaire extérieur occupe l'intervalle compris entre le canal central 27 et la partie périphérique 28. A son extrémité le tube central 27 porte un tore semi-circulaire 30 sur lequel vient s'appuyer le manchon préformé 31 solidaire du tuyau extérieur 12 du dispositif afin d'obturer plus ou moins ledit canal extérieur. Les deux prises de pression 2 la et 21b, associées aux deux électrovannes 26a et 26b, permettent de faire communiquer la zone de forte pression 24 ou la zone de basse pression 25 avec la partie centrale 23 du manchon 31.Le fonctionnement est similaire de celui décrit pour la figure 5 avec en plus, la possibilité de pouvoir doser la pression intérieure de la zone 23 à l'intérieur du manchon 31, en actionnant indépendamment l'une de l'autre les électrovannes 26a et 26b. De cette manière, par l'intermédiaire d'un automate extérieur, ou de tout autre dispositif de commande, qui contrôle le fonctionnement desdites électrovannes, on peut réguler le fonctionnement de la turbine en durcissant plus ou moins la rigidité du manchon 31, ce qui revient à déterminer le niveau de pression, produit par le passage du liquide dans l'hélice aval 9, à partir duquel on souhaite ouvrir le canal extérieur du dispositif. Le dispositif représenté par la figure 8 montre une autre façon d'obtenir le but fixé, tout en restant dans l'esprit de l'invention. La conception générale de la machine reste la même, mais comporte 2 différences essentielles. Le canal de l'hélice aval 9 est constitué d'un manchon rigide 32 comprenant une partie cylindrique au niveau de l'hélice, prolongée de part et d'autre par un cône. Le tuyau 12 comporte une dérivation 12a située entre les deux hélices et un retour 12b de cette dérivation à la sortie de la machine. Sur cette dérivation est inséré un dispositif 33, connu, de contrôle de pression, dont le rôle est d'ouvrir le passage du fluide par ladite dérivation lorsque la pression produite par ledit fluide sur l'hélice 9 atteint un seuil fixé par le dispositif 33. Les effets sur le fonctionnement sont les mêmes que ceux décrits précédemment. La figure 9 représente vue de dessus la machine représentée par la figure 8. La figure 10 représente une variante de la figure 3 dans laquelle les deux hélices sont regroupées à l'entrée de la machine. Le manchon 19 comprend une partie centrale cylindrique prolongée du coté aval par une partie conique s'évasant rapidement. Le déplacement longitudinal de l'axe 7 est amorti par l'aimant cylindrique 38, solidaire dudit axe, servant de noyau au solénoïde 37 alimenté par le câble électrique 40 à travers le presse étoupe 39. Le sens du courant alimentant le solénoïde est déterminé par rapport à la polarité de l'aimant 38 de façon qu'il soit repoussé vers l'amont de la machine. Le réglage de l'intensité de ce courant permet de diminuer ou d'augmenter la force de répulsion.Pendant les phases gazeuses d'un fluide non homogène ou pendant les périodes de débit hydraulique faible, la pression axiale exercée sur l'hélice 8 est juste compensée par la force de répulsion de l'amortisseur constitué de l'aimant 38 et du solénoïde 37 pour que ladite hélice soit totalement engagée dans la partie cylindrique du manchon 19 (hélice dessinée en traits pleins). Pendant les phases liquides d'un fluide non homogène ou les périodes de fort débit hydraulique la pression axiale exercée sur l'hélice, supérieure à la force de répulsion de l'amortisseur 37/38, fait sortir l'arrière de ladite hélice de la partie cylindrique du manchon 19 (hélice dessinée en pointillés).On retrouve alors le fonctionnement décrit pour la figure 3, avec davantage de souplesse d'utilisation puisque le point de fonctionnement du dispositif amortisseur peut être réglé, manuellement ou par un automate quelconque, en ajustant le courant dans le solénoïde 37. Une particularité importante d'un dispositif conçu dans l'esprit de l'invention est qu'il permet de conserver la pression de service de la canalisation sur laquelle il est inséré et qu'il fonctionne sans perte du fluide qui le traverse. Dans les descriptions ci-dessus, les manchons sont fixés par collage, serrage par une bague ou tout autre moyen qui assure une étanchéité parfaite entre les différentes zones de pression des dispositifs. L'invention n'est pas limitée aux formes décrites et se prête à de nombreuses variantes conformes à son esprit. En particulier la forme et la nature des différents éléments. Ainsi, par exemple, la turbine pourra être réversible. De même les différentes solutions proposées peuvent être transposées à l'un ou l'autre des dispositifs décrits sans sortir du cadre de l'invention. On peut aussi concevoir un dispositif se rapprochant de ceux décrits ci-dessus, mais en les disposant différemment. Toutes ces modifications restent dans le cadre des moyens principaux de l'invention. Le dispositif, suivant l'invention, est particulièrement destiné à améliorer et à faciliter l'utilisation des turbines insérées sur une canalisation transportant un fluide quelconque, en leur apportant des moyens simples, pour assurer un fonctionnement permanent malgré des variations de constitution dudit fluide, par exemple mélange de phases liquides et gazeuses, ou variations importantes de débit. REVENDICATIONS 1. Turbine à hélices insérable dans une canalisation sous pression transportant un fluide quelconque dont le débit varie beaucoup et/ou un fluide non homogène comportant des phases liquides ou gazeuses, caractérisée en ce qu'elle comprend, à l'intérieur d'un tuyau (12), deux hélices distinctes solidaires d'un même axe, à savoir : une première hélice (8) pour phase liquide à fort débit et une deuxième hélice (9) pour phases gazeuses, mélange phase gazeuse/phase liquide ou pour phase liquide à faible débit, ainsi que des moyens (20) permettant de réduire la perte de charge engendrée au niveau de la deuxième hélice (9) en fonction de la pression axiale du fluide à l'intérieur de la turbine. 2. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de faire varier la section de passage de la seconde hélice (9) de manière à la rendre partiellement ou totalement inopérante pendant les phases de fonctionnement de la première l'hélice (8). 3. Turbine selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comporte un manchon préformé (20) dans lequel tourne la seconde hélice (9), et que ledit manchon, en se déformant sous l'effet de la pression du fluide, rend ladite seconde hélice inopérante pendant les phases de fonctionnement de la première hélice (8). 4. Turbine selon la revendication 3, caractérisée en ce que le compartiment (23), créé par le manchon préformé (20) et la paroi du tuyau (12), peut-être mis en communication par un raccord (21c) et une vanne (22), avec la pression intermédiaire (24) régnant dans l'intervalle entre les deux hélices, par le raccord (2 la), ou avec la pression aval (25), par un raccord (21b) de façon à faire varier la rigidité dudit manchon (20). 5. Turbine selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un tube central (27) qui crée, dans le tuyau (12), deux zones concentriques, la zone extérieure tubulaire pouvant être obturée par un tore (30), solidaire du tube central (27), et par un manchon souple préformé (31) solidaire du tuyau (12), le compartiment (23) formé par ledit manchon et ledit tuyau étant mis en communication avec la pression intermédiaire par un raccord (2 le), une vanne (26a) et un raccord (21 a), ledit compartiment (23) pouvant aussi être mis en communication avec la pression aval par une vanne (26b) et un raccord (21b) de façon à ouvrir, plus ou moins, le passage du fluide dans la partie périphérique au tube (27). 6. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux manchons rigides (19) et (32) de passage des hélices (8) et (9) et qu'elle comporte une dérivation (12a) (12b) qui met en communication la zone de pression intermédiaire (24) et la zone de basse pression (25), par l'intermédiaire d'un régulateur de pression quelconque (33), afin de rendre inopérante la seconde hélice (9) pendant les phases de fonctionnement de la première hélice (8). 7. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un manchon rigide (32) guidant le fluide et comportant une partie cylindrique qui va en s'évasant et une seconde hélice (9) pouvant se déplacer axialement de la zone cylindrique vers la zone conique dudit manchon en fonction de la pression subie. 8. Turbine selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un manchon rigide (19) guidant le fluide et comportant une partie cylindrique et une partie qui va en s'évasant et un ensemble constitué par les deux susdites hélices qui tourne à l'intérieur dudit manchon (19) en pouvant se dégager partiellement de la zone cylindrique vers la zone conique en fonction de la pression subie. 9. Turbine selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'un aimant (38) solidaire de l'axe (7) portant lesdites hélices est repoussé par un solénoïde (37) solidaire d'un boîtier (4) de façon à amortir et contrôler les déplacements longitudinaux de l'axe (7). 10. Turbine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle est réversible.