Brevet FR2923553A1 — publié le 20090515

INSTALLATION HYDRAULIQUE DE CONVERSION D'ENERGIE ET PROCEDE DE COMMANDE D'UNE TELLE INSTALLATION La présente invention a trait à une installation hydraulique de conversion d'énergie hydraulique en énergie mécanique ou électrique ou réciproquement qui comprend une machine, de type turbine, pompe ou turbine-pompe et dans laquelle est défini un conduit hydraulique d'écoulement forcé d'eau. Il est connu de concevoir une telle installation hydraulique en fonction d'un point de fonctionnement nominal qui dépend, par exemple, de la hauteur de chute et de la puissance recherchée en sortie de l'installation. En pratique, l'efficacité d'une turbine et son comportement dynamique sont largement influencés par les conditions hydrauliques, telles que les niveaux d'eau et les débits qui transitent dans les lacs et rivières au voisinage desquels est installée une turbine, ainsi que les besoins d'exploitation qui déterminent la quantité d'eau traversant la turbine. Or, la conception des différents conduits hydrauliques d'une installation est adaptée principalement à un point de fonctionnement et peut s'avérer mal adaptée à certains régimes, notamment dans le cas d'une installation réhabilitée par la mise en place d'une nouvelle turbine. Des problèmes analogues se posent avec les pompes et les turbines-pompes. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une installation qui peut fonctionner de façon optimisée à différents régimes. A cet effet, l'invention concerne une installation hydraulique comprenant au moins une machine, de type turbine, pompe ou turbine-pompe, et définissant au moins un circuit hydraulique d'écoulement forcé d'eau. Cette installation est caractérisée en ce qu'un organe de régulation de l'écoulement d'eau dans le conduit hydraulique, pourvu d'au moins une paroi déformable, est disposé dans ce conduit et délimite au moins un volume fermé de taille variable, alors que l'installation comprend également des moyens d'alimentation du volume fermé en fluide sous pression, la paroi déformable définissant localement la géométrie du conduit hydraulique. Grâce à l'invention, il est possible d'adapter la géométrie du conduit hydraulique d'écoulement forcé de l'eau selon le point de fonctionnement sélectionné pour l'installation, ce qui permet d'optimiser le comportement et les performances de l'installation sur une large plage de fonctionnement. L'invention est applicable aux installations réhabilitées ainsi qu'aux installations neuves. Le ou les conduits hydrauliques concernés par l'invention peuvent être des conduits fixes, c'est-à-dire définis entre des parties non tournantes de l'installation, ou des conduits tournants, c'est-à-dire définis au moins en partie par des parties tournantes. Tous les types de turbines hydrauliques peuvent être concernés par l'invention, notamment les turbines Francis, les turbines Kaplan, les turbines dites "hélices" ou "diagonales", les turbines à bulbe, les turbines Pelton, ainsi que les pompes et turbines-pompes. Avec la possibilité de moduler la forme d'une paroi définissant la géométrie d'un conduit hydraulique dans certaines zones, on peut améliorer non seulement l'efficacité globale de l'installation mais également diminuer les fluctuations de pression, les oscillations de puissance, les phénomènes de cavitation, de dissolution d'oxygène, les bruits et les vibrations générés par la rotation de la machine. L'invention permet également d'améliorer la stabilité de l'installation et d'influer positivement sur la vitesse d'emballement et la vitesse de pointe de la machine, ainsi que sur sa capacité à se laisser traverser par des animaux vivants, parfois dénommée "fish friendly capacity". Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une telle installation peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toutes combinaisons techniquement admissibles : - L'organe de régulation comprend au moins une membrane déformable fixée sur un élément structurel de l'installation et qui définit avec cet élément le volume fermé de taille variable. Le fluide sous pression permet de gonfler la ou les membranes pour constituer une paroi à configuration variable. - En variante, l'organe de régulation est formé par au moins un ballon formé par une membrane déformable et délimitant à lui seul le volume fermé de taille variable. - Au moins une attache relie avantageusement une zone médiane de la membrane et l'élément structurel ou deux zones de la membrane entre elles, cette attache étant apte à limiter la déformation de la membrane sous l'effet de la pression du fluide présent dans le volume fermé. - L'organe de régulation délimite plusieurs volumes fermés de taille variable alimentés en fluide sous pression indépendamment les uns des autres. - L'organe de régulation est monté sur une partie fixe de l'installation. Il peut être disposé dans un conduit hydraulique ménagé en aval de la machine, par exemple au niveau d'un coude formé par ce conduit. - L'organe de régulation est monté sur une partie mobile de la machine. Lorsque la machine comprend des aubes ou des pales, l'organe de régulation peut être monté sur une de ces aubes ou pales. Lorsque l'installation comprend des directrices le guidage de l'écoulement, l'organe de régulation peut être monté sur une de ces directrices. - Les moyens d'alimentation du volume fermé délimité par l'organe de régulation comprennent au moins un canal reliant une source commandée d'eau sous pression à ce volume fermé. En variante, ces moyens comprennent au moins un canal reliant une source commandée d'air sous pression à ce volume fermé. - Il est prévu des moyens d'évacuation du fluide sous pression à partir du volume fermé délimité par l'organe de régulation. L'invention concerne également un procédé de commande d'une installation telle que décrite ci-dessus et, plus spécifiquement, un procédé qui comprend une étape consistant à injecter un fluide sous pression dans au moins un volume fermé délimité par un organe de régulation de l'écoulement d'eau dans le conduit, de façon à modifier la forme d'une paroi déformable de cet organe qui définit localement la géométrie du conduit hydraulique d'écoulement forcé d'eau. Grâce au procédé de l'invention, on peut agir sur la géométrie d'un conduit d'écoulement, en fonction du point de fonctionnement sélectionné pour l'installation, de façon à optimiser ses performances. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de quatre modes de réalisation d'une l'installation conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique de principe, en section axiale, d'une installation conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue à plus grande échelle du détail II à la figure 1 ; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 lorsque l'installation est dans une autre configuration de fonctionnement ; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 2 pour une installation conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention ; -la figure 5 est une vue analogue à la figure 2 pour une installation conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 6 est une coupe longitudinale d'une aube d'une roue de turbine Francis appartenant à une installation conforme à un quatrième mode de réalisation de l'invention. L'installation I représentée aux figures 1 à 3 comprend une turbine 1 de type Francis dont la roue 2 est destinée à être mise en rotation par un écoulement forcé E provenant d'une retenue d'eau non représentée. La turbine 1 est couplée à un alternateur 3 qui délivre un courant alternatif à un réseau non représenté, en fonction de la rotation de la roue 2. L'installation I permet donc de convertir l'énergie hydraulique de l'écoulement E en énergie électrique. Une conduite forcée 4 permet d'amener l'écoulement E à la roue 2 et s'étend entre la retenue d'eau et une bâche 5 équipée de directrices 51 permettant de réguler en partie l'écoulement E. Un conduit 6 est prévu en aval de la turbine 2 pour évacuer l'écoulement E en aval de l'installation 1 et le renvoyer vers une rivière dans laquelle il est prélevé. Une unité de commande 7 est prévue pour piloter la turbine 1 en fonction, notamment, des besoins en électricité du réseau alimenté à partir de l'alternateur 4. L'unité 7 est capable de définir plusieurs points de fonctionnement de l'installation I et d'adresser, respectivement à l'alternateur 3 et aux directrices 51 des signaux de commande SI, S2. Le conduit 6 comprend une partie amont 61 sensiblement verticale et centrée sur l'axe de rotation X2 de la roue 2, une partie aval 62 centrée sur un axe X62 légèrement ascendant selon le sens de l'écoulement E, ainsi qu'un coude 63 reliant les parties 61 et 62. On note V6 le volume intérieur du conduit 6. Un organe 8 de régulation de l'écoulement E dans le conduit 6 est disposé sur la portion externe 631 du coude 63. Cet organe de régulation comprend une membrane déformable 81 fixée le long de sa périphérie 811 sur la paroi 631. Il est ainsi défini entre la paroi 631 et la face 812 de la membrane 81 dirigée vers cette paroi, un volume V8 fermé, en ce sens qu'il est isolé du reste du volume intérieur V6 par la membrane 81. L'installation I comprend également un tuyau 9, qui forme un canal et relie la conduite 4 au volume V8. Ce tuyau est équipé d'un module 91 formant vanne de contrôle de la circulation d'eau dans le tuyau 9, cette circulation d'eau étant représentée par les flèches F9. Le module 91 est commandé par l'unité 7 au moyen d'un signal approprié S3. Il est ainsi possible d'injecter de l'eau dans le volume V8, en faisant circuler de l'eau dans le tuyau 9, comme représenté par les flèches F9. Le module 91 forme, pour l'organe 8, une source commandée d'eau sous pression qui permet de mettre en pression le volume V8. Par ailleurs, un tuyau 10 permet d'évacuer, lorsque cela est nécessaire, l'eau présente dans le volume V8 en direction de la partie aval 62 du conduit 6. Le tuyau 10 est équipé d'un module 101 contrôlant l'écoulement d'eau dans le tuyau 10, cet écoulement étant représenté par les flèches F1o. Le module 101 est commandé par l'unité 7 au moyen d'un signal approprié S4. Il est ainsi possible de piloter, grâce à l'unité 7, la pression de l'eau présente dans le volume V8 et, par voie de conséquence, la géométrie de la membrane 81 qui définit la section de passage S63 du coude 63, c'est-à-dire la géométrie du conduit 6 dans la zone du coude 63. Comme il ressort de la comparaison des figures 2 et 3, la membrane est souple au point de passer d'une configuration représentée à la figure 3, où elle est plaquée par l'écoulement E contre la portion 631, à la configuration de la figure 2 où elle forme, vu du côté de l'écoulement E dans le conduit 6, une surface convexe. La section de passage S63 de l'écoulement E peut donc être modulée, en fonction de l'alimentation du volume V8 en eau sous pression à partir de la conduite 4, entre la valeur représentée à la figure 3 et celle représentée à la figure 2. Des valeurs intermédiaires peuvent être obtenues moyennant une commande adaptée des modules 91 et 101 grâce aux signaux S3 et S4. A la figure 3, on a représenté en traits pointillés, la trace de la membrane 81 dans la configuration de la figure 2. La diminution de l'aire de la section S63, lorsque la membrane 81 passe de la configuration de la figure 3 à celle de la figure 2, permet d'accélérer l'écoulement E dans le coude 63, ce qui s'avère avantageux dans certaines configurations de fonctionnement de la turbine 1. Le passage de la membrane 81 de la configuration de la figure 3 à celle de la figure 2 permet également de modifier la direction de l'écoulement E dans le coude 3, ce qui peut également s'avérer avantageux. Par un choix judicieux de l'emplacement de l'organe 8 dans le conduit 6, il est possible de faire évoluer, par le gonflage ou le dégonflage de cet organe, la loi de section qui influence les vitesses moyennes et locales de l'écoulement E. L'organe 8 permet donc de réguler l'écoulement E en vitesse et/ou en direction par un pilotage approprié des modules 91 et 101. On note respectivement 611 et 621 les parois des parties 61 et 62 au voisinage de l'organe 8. La géométrie et le positionnement de la membrane 81 sont choisis pour assurer une bonne continuité entre la face externe 813 de la membrane 81, c'est-à-dire sa face dirigée à l'opposé du volume V8, par rapport aux parois 611 et 621, ce qui évite de créer des turbulences dans les zones de transition Zl et Z2 entre l'organe 8 et les parties 61 et 62 du conduit 6. Pour contrôler efficacement la forme de l'organe 8 dans la configuration complètement remplie du volume 8, des attaches flexibles 82 formant haubans s'étendent entre la membrane 81 et la paroi 631 et limitent la déformation de la membrane 81 sous l'effet de la pression dans le volume V8, dans un sens de restriction de la section S63. Si, en fonction des conditions de fonctionnement de l'installation I, la membrane 81 doit être rapprochée de la surface 631 pour augmenter la section S63, le module 91 est commandé pour arrêter ou limiter l'écoulement F9 dans le tuyau 9, alors que le module 101 est commandé pour augmenter l'écoulement F10 dans le tuyau 10. Selon une variante non représentée de l'invention, le tuyau 10 peut être raccordé à une pompe d'aspiration. La membrane 81 peut être étanche mais ceci n'est pas indispensable dans la mesure où la fonction de l'organe 8 est compatible avec une légère fuite du volume V8 vers le volume V6, pour autant que la pression de l'eau dans le volume V8 est suffisante pour maintenir la membrane 81 dans une position déterminée par l'unité 7, sans que cette membrane ne vibre du fait du caractère turbulent de l'écoulement E dans le coude 63. Le matériau utilisé pour constituer la membrane 81 doit être souple, fin et solide. II doit en particulier résister à la tension résultant de la pression d'eau dans le volume V8. Un matériau composite peut être utilisé à cet effet, par exemple un matériau à base de fibres Kevlar (marque déposée). On peut également envisager qu'une membrane élastique ou peu élastique puisse être utilisée, voire une combinaison de membranes d'élasticités différentes, ces membranes étant disposées pour réaliser des formes de parois optimales. Les liens ou attaches 82 peuvent être formées par des cordes, des câbles, ou des bandes de tissu. Ils ne s'étendent que sur une faible partie de largeur du volume V8 afin de ne pas gêner la répartition de l'eau dans ce volume. Dans le second mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 4, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques. Dans ce mode de réalisation, l'organe 8 est formé de trois membranes 81, 81' et 81" qui définissent trois volumes V8, V'8 et V"8 alimentés chacun par un conduit 9, 9' et 9" du type du conduit 9 du premier mode de réalisation. Ainsi, selon le ou les volumes V8, V'8 et V"8 alimentés en eau sous pression, différentes géométries de l'organe 8 peuvent être obtenues, ce qui permet de réguler de différentes façons l'écoulement E dans le coude 63. Des conduits 10, 10' et 10" permettent d'évacuer l'eau présente respectivement dans les volumes V8, V'8 et V"8. Les conduits 10, 10' et 10" sont pourvus de moyens non représentés de régulation d'écoulement qui sont commandés indépendamment, afin de contrôler de façon indépendantes le "gonflage" et le "dégonflage" des volumes V8, V8' et V8". Dans le troisième mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 5, l'organe 8 est un ballon formé par une membrane déformable et souple 81 qui délimite à elle seule le volume intérieur V8 de l'organe 8. Le volume V8 est alimenté en air sous pression, à travers un orifice 814 ménagé dans la membrane 81, à partir d'une pompe de gavage 92 commandée par un signal S3. Un tuyau 9 relie la pompe 92 au volume V8. Un tuyau 10 relie une pompe d'aspiration 102 au volume V8 à travers un second orifice 815 ménagé dans la membrane 81. La pompe 102 est commandée par un signal S4. La membrane 81 comprend une première portion 816, plaquée contre la portion externe 631 du coude 63 et dans laquelle sont ménagés les orifices 814 et 815, ainsi qu'une deuxième portion 817 raccordée à la première de façon étanche et qui se comporte sensiblement comme la membrane 81 du premier mode de réalisation. Il est ainsi possible, en contrôlant l'alimentation en air sous pression du volume V8, d'agir sur la géométrie apparente du conduit 6, pour l'écoulement E transitant par le coude 63. Selon une variante non représentée de l'invention, les zones centrales des portions 816 et 817 peuvent être reliées par des liens du type des liens 82 du premier mode de réalisation, ce qui permet de limiter la dilatation du ballon 8 sous l'effet de la pression de l'air fourni par la pompe 92. Dans le quatrième mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 6, une aube 21 d'une roue de type de la roue 2 est équipée d'une membrane souple et déformable 81 qui délimite avec la surface d'intrados 211 de l'aube 21 un volume V8 pouvant être alimenté en eau sous pression à travers un conduit 212 ménagé dans l'épaisseur de l'aube 21. Il est ainsi formé sur l'intrados de l'aube 21 un organe 8 de régulation de l'écoulement E dans un espace inter-aubes de la roue. Selon une variante non représentée de l'invention, un dispositif analogue à celui représenté à la figure 6 peut équiper toute autre surface du canal inter-aubes d'une roue. Toutes les aubes d'une roue de turbine peuvent être équipées d'un organe tel que l'organe de régulation 8 représenté à la figure 6 ou, en variante, seules certaines d'entre elles peuvent en être équipées. Grâce à ce mode de réalisation, la forme apparente pour l'écoulement E de chaque aube 21 équipée d'un organe 8 peut être modifiée, en fonction des conditions de fonctionnement de l'installation. Comme dans le premier mode de réalisation, des attaches flexibles 82 relient la membrane 81 à l'élément 21 avec lequel elle définit le volume V8, ce qui permet de bien contrôler la forme de la paroi déformable 81 lorsque le volume V8 est alimenté en eau sous pression. Les caractéristiques des différents modes de réalisation envisagés ci-dessus peuvent être combinées entre elles. En particulier, de l'air peut être utilisé dans les modes de réalisation des figures 1 à 4 et 6. En fait, un fluide sous pression autre que de l'eau ou de l'air peut également être envisagé pour gonfler le volume fermé de taille variable défini par l'organe de régulation 8 de l'invention. En outre, un organe de régulation avec plusieurs volumes fermés de taille variable peut être envisagé sur une partie mobile d'une turbine tel que l'aube 21 de la figure 6. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et peut être mise en oeuvre dans des parties du conduit 6 autres que celles représentées aux figures 1 à 5, notamment dans la partie amont 61 et aval et 62 ou sur l'intérieur du coude 63. L'invention peut également être mise en oeuvre au niveau de la conduite 4 d'amenée d'eau à la turbine 1. L'invention peut également être mise en oeuvre au niveau des directrices 51 dont la géométrie apparente pour l'écoulement E peut être modifiée selon une approche similaire à celle envisagée pour l'aube de la figure 6. L'invention n'est pas limitée aux turbines Francis et peut être mise en oeuvre avec tout type de turbine à réaction, soit au niveau des conduits d'amenée de l'écoulement d'eau vers la turbine d'évacuation de cet écoulement, soit sur la turbine elle-même, par exemple au niveau des pales d'une turbine Kaplan ou des augets d'une turbine Pelton. L'invention est également utilisable dans les installations comprenant une pompe ou une turbine-pompe, soit au niveau des parties fixes, soit au niveau des parties mobiles de ces installations. REVENDICATIONS 1. Installation hydraulique (I) de conversion d'énergie comprenant au moins une machine (1), de type turbine, pompe ou turbine-pompe, et définissant au moins un conduit hydraulique (6) d'écoulement forcé d'eau, caractérisée en ce qu'un organe (8) de régulation de l'écoulement d'eau (E) dans le conduit hydraulique (6), pourvu d'au moins une paroi déformable (81, 81', 81"), est disposé dans le conduit hydraulique et délimite au moins un volume fermé (V8, V'8, V"8) de taille variable, en ce que l'installation comprend des moyens (7, 9, 212, 91, 92) d'alimentation du volume fermé en fluide sous pression et en ce que la paroi déformable (81, 81', 81") définit localement la géométrie (S63) du conduit hydraulique (6). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe de régulation (8) comprend au moins une membrane déformable (81, 81', 81") fixée sur un élément structurel (631 ; 21) de l'installation et définissant avec cet élément structurel le volume fermé de taille variable (V8, a, V"8). 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe de régulation est un ballon (8) formé par une membrane déformable (81) et délimitant à lui seul le volume fermé de taille variable (V8, V'8, V"8). 4. Installation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une attache (82) reliant une zone médiane de la membrane déformable (81, 81', 81") à l'élément structurel (631 ; 21) ou deux zones (816, 817) de la membrane entre elles, cette attache étant apte à limiter la déformation de la membrane sous l'effet de la pression du fluide présent dans le volume fermé de taille variable (V8, V'8, V"8). 5. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'organe de régulation (8) délimite plusieurs volumes fermés de taille variable (V8, V'8, V"8) alimentés en fluide sous pression indépendamment (9, 9', 9") les uns des autres. 6. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'organe de régulation (8) est monté sur une partie fixe (631) de l'installation. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'organe de régulation (81) est disposé dans un conduit hydraulique (6) ménagé en aval de la machine (1). 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que le conduit hydraulique (6) forme un coude (63) et l'organe de régulation (8) est disposé au niveau (631) de ce coude. 9. Installation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'organe de régulation (8) est monté sur une partie mobile (21) de la machine (1). 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que la machine (1) comprend des aubes (21) ou des pales et en ce qu'un organe de régulation (8) est monté sur au moins une des aubes ou pales de la machine. 11. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des directrices (51) de guidage de l'écoulement (E) et en ce qu'un organe de régulation (8) est monté sur au moins une des directrices. 12. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'alimentation comprennent au moins un canal (9, 9', 9") reliant une source (91) commandée d'eau sous pression au volume fermé de taille variable (V8, V'8, V"8) délimité par l'organe de régulation (8). 13. Installation selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les moyens d'alimentation comprennent au moins un canal (9) reliant une source commandée d'air sous pression (92) au volume fermé (V8) délimité par l'organe de régulation (8). 14. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (10, 101, 102) d'évacuation du fluide sous pression à partir du volume fermé de taille variable (V8, V'8, V"8) délimité par l'organe de régulation (8). 15. Procédé de commande d'une installation hydraulique (I) de conversion d'énergie comprenant une machine (1) de type turbine, pompe ou turbine-pompe et définissant au moins un conduit hydraulique (6) d'écoulement forcé d'eau (E), caractérisé en ce qu'il comprend une étapeconsistant à injecter (F9) un fluide sous pression dans au moins un volume fermé (V8, V'8, V'8) délimité par un organe (8) de régulation de l'écoulement d'eau dans le conduit, de façon à modifier la forme d'une paroi déformable (81, 81', 81") de cet organe qui définit localement la géométrie (S63) du conduit hydraulique.