Brevet FR2853696A1 — publié le 20041015

La présente invention concerne un perfectionnement au dispositif autonome de production d'énergie électrique, décrit dans les brevets n' 88 15936 et n' 89 16106 utilisant tout ou partie de l'énergie disponible dans les canalisations transportant un fluide sous pression. 15 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 répondre aux exigences des normes de sécurité (plan "vigi-pirate" par exemple). 20 Ces problèmes se rencontrent fréquemment sur les réseaux d'adduction d'eau, les réseaux d'irrigation et dans l'exploitation pétrolière. Dans beaucoup de cas, ils peuvent être résolus par des machines réalisées dans l'esprit des brevets cités ci-dessus. Lesdites machines, associées à une batterie fournissent une 25 alimentation électrique permanente bien que, souvent, le débit du fluide soit intermittent. Par contre, lorsque dans la canalisation sur laquelle la machine est insérée, ledit fluide a un débit, une densité ou une pression variable, il faut installer des équipements de protection tels que des régulateurs de débit ou des stabilisateurs de pression. Ces équipements sont chers et leur installation 30 entraîne une augmentation importante du coût des travaux. Un deuxième type d'application s'adresse à la petite hydro-électricité dans le cadre de l'utilisation des énergies renouvelables à des fins domestiques. Bien souvent pour des raisons d'ordre climatique, les installations sont soumises à des variations de débit, qui font que les turbines dimensionnées pour les périodes de fort débit ne sont plus productives pendant les périodes d'étiage. Le dispositif suivant l'invention, permet de remédier à ces inconvénients. En effet, contrairement aux machines antérieures dont la turbine motrice comporte un canal de passage d'hélice parfaitement cylindrique et rigide, les 1o machines réalisées dans l'esprit de l'invention, comportent une turbine dont le canal de l'hélice est à section variable, ladite section augmentant sous l'effet d'une augmentation de débit ou de pression. Cette disposition a une double action. D'une part l'augmentation de la section de passage du fluide se traduit par une diminution de sa vitesse linéaire de circulation, et d'autre part, l'hélice 15 qui n'occupe plus la totalité du canal, perd de la puissance. Ces deux actions sont cumulatives et se traduisent par une diminution de la vitesse de rotation, par rapport à la vitesse qui aurait été atteinte dans les nouvelles conditions de fonctionnement, si la turbine n'avait pas été construite dans l'esprit de l'invention. 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 25 l'invention, avec un canal d'hélice constitué d'un manchon préformé suffisamment souple pour se déformer sous la pression du fluide qui circule dans la conduite; La figure 2 représente une vue de face de cette version montrant un 30 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 d'hélice constitué d'un manchon rigide en forme de tronc de cône, dans lequel l'hélice a la possibilité de se déplacer dans l'axe, sous l'action de la pression du fluide; La figure 4, variante de la figure 1, représente un moyen parmi d'autres de maintien du canal d'hélice, pour éviter le risque de frottement sur ladite l'hélice; La figure 5 représente le montage des figures 1 et 4 avec l'adjonction d'un dispositif de commande, constitué d'une électro-vanne à double effet, pilotée par un système extérieur; La figure 6 représente une variante du montage précédent qui peut être intéressante pour les plus grands débits; La figure 7 représente une vue en bout de la figure 6, montrant une façon parmi d'autres, de maintenir le canal de l'hélice au centre de la machine; 20 La figure 8 est une variante de la figure 3 dans laquelle l'alternateur n'est pas immergé dans la conduite et o la contre pression est exercée par un ressort; La figure 9 est une variante de la figure 8 dans laquelle une membrane souple portant une butée tournante sur laquelle vient s'appuyer l'extrémité de l'axe de la machine forme un compartiment étanche, deux électro-vannes permettant de doser la contre pression exercée. En référence aux figures 1 et 2, le dispositif comporte un corps 1 dans lequel est fixé le stator de l'alternateur constitué de l'empilage de tôles 2 et du - 4 bobinage surmoulé 3. 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 par l'intermédiaire des deux portées 8a et 8b et le maintiennent longitudinalement par son renflement 8c, qui prend appui 5 sur les faces intérieures des paliers. L'axe 7 porte, sur sa partie arrière le rotor aimanté de l'alternateur 9, maintenu par l'écrou de blocage 10, et sur sa partie avant l'hélice de la turbine 11. Cette hélice entraîne l'axe en rotation par l'intermédiaire de la goupille 12 ou par tout autre dispositif équivalent. io L'ensemble ainsi constitué est maintenu à l'intérieur d'un tuyau métallique ou plastique 13 par l'intermédiaire de trois entretoises 14a, 14b qui font partie du corps 1 ou qui lui sont rapportées par les vis 15. Ces entretoises sont ellesmêmes fixées dans le tube 13 par les vis 16 munies de rondelles d'étanchéité. Le fil électrique 17 sort du tuyau 13 par l'intermédiaire du presseétoupe 18. 15 Ledit tuyau peut être avantageusement muni de brides 19 percées de trous pour faciliter le raccordement à la canalisation sur laquelle on souhaite insérer le dispositif A l'intérieur du tuyau 13, du côté de l'hélice, est introduit le manchon préformé 20 20 jusqu'à ce qu'il soit en appui sur les entretoises 14a, 14b. 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 garde sa forme initiale (hachurée sur les dessins) lorsque le débit du fluide est minimal et qu'il se déforme ( en pointillé sur les dessins) au fur et à 25 mesure que le débit, donc la pression exercée sur l'hélice, augmente. Le dispositif représenté par la figure 3 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 trois différences essentielles. Les 30 portées de l'axe 8a et 8b sont allongées, tandis que le renflement 8c est raccourci pour permettre à l'axe 7 de se déplacer longitudinalement tout en - 5 tournant dans les paliers 6a et 6b. Les éléments solidaires dudit axe, se déplacent avec lui, à savoir le rotor 9, l'hélice 11 et l'aimant en forme de tore à section rectangulaire 21 fixé à l'arrière du rotor 9. A l'intérieur du tuyau 13, du côté de l'hélice, est introduit un manchon rigide 22 dont l'entrée conique se resserre jusqu'à la partie cylindrique dont le diamètre est légèrement supérieur à celui de l'hélice 11, puis part en s'évasant progressivement jusqu'aux entretoises 14 sur lesquelles il s'appuie. 1o Dans l'embout arrière 4 est fixé un autre aimant torique à section rectangulaire 23 orienté de façon que sa polarité s'oppose à celle de l'aimant 21 solidaire de l'axe 7. La force de répulsion de ces deux aimants pousse l'axe vers l'avant de la machine de façon à amener l'hélice 1 1 dans la partie cylindrique du manchon 22 (hélice dessinée en traits pleins). Lorsque le débit du fluide 15 augmente, la pression sur l'hélice augmente également et la repousse dans la partie conique du manchon 22 (hélice dessinée en pointillés) ce qui a deux effets. D'une part la section de passage du fluide en s'élargissant provoque une diminution de la vitesse linéaire dudit fluide, ce qui a tendance à ralentir la vitesse de rotation de l'hélice et, d'autre part ladite hélice n'occupant plus la 20 totalité du canal perd de la puissance. Ces deux effets cumulatifs font que la vitesse de rotation de l'hélice ne suit pas l'augmentation du débit. Le choix de la puissance de répulsion des aimants et de la pente du cône de dégagement de l'hélice permet d'adapter le dispositif aux conditions de fonctionnement souhaitées. Le choix de la force des aimants 21 et 23 permet de durcir le déplacement et d'amortir les variations brutales. L'utilisation de tout autre système amortisseur reste dans l'esprit de l'invention (par exemple possibilité de créer à l'arrière du rotor, dans l'embout arrière, un amortisseur hydraulique). - 6 La figure 4 représente une première variante de la figure 1, pour éviter tout risque de faire frotter l'hélice sur le manchon. A cet effet on place à l'intérieur du manchon 20 un carter creux 24, métallique ou en plastique rigide, qui épouse la forme dudit manchon, et dont la partie cylindrique, a la dimension 5 de l'hélice 11. Ledit carter porte des ouvertures oblongues 25 par lesquelles la pression du fluide peut s'exercer sur le manchon 20. La figure 5 représente une seconde variante de la figure 1 améliorant son fonctionnement grâce à la mise en communication de la partie centrale du 1o manchon constituant le canal d'hélice, 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 27a et 27b associées à une électro-vanne à deux états 26, permettent de mettre en communication la partie centrale 28 du manchon 20, par l'intermédiaire du 15 raccordement 27c, avec la zone de haute pression 29 ou avec la zone de basse pression 30. 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 28 du manchon 20 ramenée à la basse pression de la partie 30, permet la déformation dudit manchon. Les effets sur le 20 fonctionnement sont les mêmes que ceux décrits précédemment, avec l'avantage d'offrir plus de souplesse d'utilisation. La figure 6 représente un dispositif mieux adapté aux débits de fluide plus importants. Selon le dispositif décrit, l'entrée de la turbine est divisée en deux 25 canaux concentriques distincts. Le canal central cylindrique rigide qui aboutit à l'hélice est matérialisé par l'intérieur du tube 31, ledit tube étant maintenu au centre de la couronne périphérique 32 par les rayons 33. Le deuxième canal tubulaire extérieur occupe l'intervalle compris entre le canal central 31 et la partie périphérique 32. A son extrémité le tube central 31 porte un tore semi30 circulaire 34 sur lequel vient s'appuyer le manchon souple préformé 35 solidaire du carter extérieur du dispositif afin d'obstruer plus ou moins ledit - 7 canal extérieur. Les deux prises de pression 27a et 27b, associées aux deux électro-vannes 26a et 26b, permettent de faire communiquer la zone de forte pression 29 ou la zone de basse pression 30 avec la partie centrale 28 du manchon 35. Le fonctionnement est similaire de celui décrit pour la figure 5 5 avec en plus, la possibilité de pouvoir doser la pression intérieure de la zone 28 à l'intérieur du manchon 35, en actionnant indépendamment l'une de l'autre les électro-vannes 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 électro-vannes, on peut réguler le fonctionnement de 1o la turbine en laissant passer plus ou moins de fluide dans le canal extérieur du dispositif. En fait, le dosage de la contre-pression appliquée à l'intérieur du manchon permet de dévier tout ou partie du fluide traversant le dispositif, et par conséquent, de maintenir le débit passant par le canal de l'hélice à la valeur compatible avec le fonctionnement de la turbine. 15 La figure 7 représente une vue en bout de l'entrée du dispositif, montrant la disposition du canal intérieur, constitué du tube 31, ledit tube étant maintenu au centre de la couronne périphérique 32 par plusieurs rayons 33. La figure 8 représente une variante de la figure 3 dans laquelle l'hélice 1 1 est perpendiculaire à l'axe d'écoulement du fluide, ce qui permet de sortir l'alternateur 36 de la canalisation. Le corps 37 de la machine, comporte une cloison 38 l'obstruant complètement à l'exception d'un trou de passage 39 qui constitue le canal de l'hélice 11. Comme sur la figure 3, le canal 39 comporte 25 une partie cylindrique, d'un diamètre correspondant à celui de l'hélice, qui va en s'évasant. De même, l'axe 7 a la possibilité de glisser sur ses paliers pour permettre à l'hélice d'aller dans la partie conique du canal 39 sous la poussée du fluide. L'extrémité de l'axe 7, côté opposé à l'hélice, prend appui sur le ressort 41 par l'intermédiaire d'une butée tournante 42, ledit ressort 41 prenant 30 lui même appui sur la carcasse 43 de l'alternateur 36. - 8 La figure 9 représente une variante des figures 3 et 8. Dans ce dispositif la partie arrière de l'axe 7 prend appui, par l'intermédiaire de la butée tournante 42, sur une membrane flexible 44, qui constitue un compartiment étanche 45. Ce compartiment peut être mis en communication, par le raccordement 27c, à 5 l'une ou l'autre des prises de pression 27a et 27b, par l'intermédiaire des électro-vannes 26a et 26b. On retrouve alors les possibilités de commande et de régulation décrites pour les figures 5 et 6. Une particularité importante d'un dispositif conçu dans l'esprit de l'invention 10 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 ou membranes sont fixés par collage, serrage par une bague ou tout autre moyen qui assure une étanchéité 15 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. De même les différentes solutions proposées peuvent être 20 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, d'auto-régulation pour s'adapter aux variations du débit, et de régulation contrôlés ou télécontrôles par un automate, par exemple. Revendications 1. Turbine à hélice à dispositif incorporé d'autorégulation de vitesse, cette turbine étant insérée dans une canalisation sous pression comportant un 5 fluide quelconque qui peut être soumis à des variations de débit, de pression ou de densité, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens permettant de faire varier la section des passages de fluide dans lequel tourne l'hélice (11) de manière à modifier les conditions de fonctionnement de la turbine. 10 2. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un manchon préformé (20) dans lequel tourne l'hélice (11), et que ledit manchon, en se déformant sous l'effet desdites variations, modifie les conditions de fonctionnement de la turbine. 15 3. Turbine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le manchon (20) est soutenu par un carter évidé (24) portant des ouvertures oblongues (25) qui épouse sa forme. 4. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le compartiment (28), créé par un manchon (20) et la paroi d'un tuyau (13), peut-être mis en communication par un raccord (27c) et une vanne (26), avec la pression amont (29), par un raccord (27a), ou avec la pression aval (30), par un raccord (27b) de façon à faire varier la rigidité dudit 25 manchon. 5. Turbine selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un tube central (31) crée, dans le tuyau (13), deux zones concentriques, la zone extérieure, tubulaire pouvant être obstruée par un tore 30 (34), solidaire du tube central (31), et un manchon souple préformé (35) solidaire du tuyau (13), un compartiment (28) formé par ledit manchon et ledit tuyau étant mis en communication avec la pression amont par un raccord (27c), une vanne (26a)et un raccord (27a), ledit compartiment (28) pouvant aussi être mis en communication avec la pression aval par une vanne (26b) et un raccord (27b) de façon à ouvrir, plus ou moins, le passage du fluide dans la 5 partie périphérique au tube (31) et maintenir un débit constant dans la partie centrale dudit tube aboutissant à l'hélice (11). 6. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un manchon rigide (22) guidant le fluide et 1o comportant une partie cylindrique qui va en s'évasant et une hélice (11) pouvant se déplacer de la zone cylindrique vers la zone conique dudit manchon en fonction de la pression qu'elle subit. 7. Turbine selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un tuyau (37) obstrué par une paroi (38) percé une ouverture (39), en forme de cylindre prolongé par un cône, perpendiculaire au sens d'écoulement du fluide, qui reçoit une hélice (11) capable de se déplacer de la partie cylindrique vers la partie conique de l'ouverture (39) sous l'influence de la pression qu'elle subit. 20 8. Turbine selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que l'extrémité de l'axe (7) portant l'hélice (11) prend appui sur une membrane élastique (44) par l'intermédiaire d'une butée tournante (42), ladite membrane formant avec un boîtier (43) un compartiment (45) qui 25 peut-être mis en communication avec la pression amont ou avec la pression aval pour augmenter plus ou moins la rigidité de ladite membrane et contrôler ainsi le déplacement de l'hélice (11). - il 9. Turbine selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'un aimant (23) solidaire d'un boîtier (4) et un autre aimant (21) solidaire de l'axe (7) de l'hélice, sont montés de façon qu'ils se repoussent pour amortir les déplacements longitudinaux de l'hélice (11). 10. Turbine selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'un ressort (41) en appui sur le boîtier (43) exerce une poussée, par l'intermédiaire d'une butée tournante (42), sur l'extrémité de l'axe 1o (7) portant l'hélice (11) pour en amortir les déplacements longitudinaux.