Brevet FR2932230A1 — publié le 20091211

H3EI CAS 13 Dispositif de déversoir pour machine à turbine hydraulique respectueuse de l'environnement DOMAINE DE L 'INVENTION [0001] La présente invention concerne les machines à turbine hydraulique pour des cours d'eau de basse chute. Elle vise particulièrement l'équipement de sites nouvellement créés, ou le rééquipement de sites anciens exploités antérieurement avec 10 des roues à aubes traditionnelles, comme source d'énergie électrique renouvelable sur des cours d'eau de petite ou moyenne taille. ÉTAT DE LA TECHNIQUE [0002] Un des enjeux de ce type d'installation est de créer des équipements 15 relativement faciles à mettre en exploitation sur les plans technique et juridique tout en préservant au maximum le milieu naturel et notamment la faune piscicole. On vu récemment se développer des installations qui mettent en oeuvre une turbine ou roue à aubes d'axe horizontal possédant une vitesse de rotation réduite, typiquement ne dépassant pas environ vingt tours par minute, et dont les aubes ou pales sont aménagées 20 pour permettre aux différentes espèces aquatiques, telles que poissons ou anguilles, emportées par le courant, de traverser la machine sans dommage. [0003] Une telle machine est par exemple décrite dans le document de demande de brevet WO 2004/048773. Le courant aquatique est canalisé en tout ou partie dans un couloir à parois verticales entre lesquelles est installée la roue. Le canal est limité par 25 une paroi de fonds incurvée selon un arc cylindrique entre une entrée du côté amont du canal et une sortie en aval au voisinage de l'aplomb de l'axe de la roue. En tournant, les extrémités radiales externes des aubes défilent au ras de ladite paroi cylindrique entre l'entrée et la sortie du canal. Le niveau de la paroi de fond à l'entrée du canal est plus -2- élevé que celui de sa sortie en sorte que l'eau du courant forme une retenue en amont de la roue avant d'être admise dans le canal pour y être turbinée par la roue. Un dispositif de captation du mouvement de la roue et de multiplication de sa vitesse de rotation permet d'entraîner une génératrice de courant électrique. [0004] Bien entendu le niveau de l'eau retenue varie avec le débit du cours d'eau, en fonction des conditions climatiques et saisonnières ou autres. La puissance électrique récupérable varie donc avec ce débit. En outre on a pu constater que le rendement de la conversion de l'énergie hydraulique tant potentielle que cinétique, le cas échéant, est lui même variable en fonction de ces conditions de débit. Il serait donc avantageux de pouvoir s'assurer que le rendement de cette conversion est toujours proche de l'optimum quelles que soient les conditions de débit (le l'eau admise dans le canal d'entraînement de la turbine. EXPOSE DE L'INVENTION [0005] La présente invention vise en conséquence à contrôler au moins en partie la veine fluide admise à l'entrée du canal d'entraînement de la turbine pour optimiser son fonctionnement, notamment en termes de rendement de récupération de l'énergie disponible malgré les variations de débit du courant. [0006] A cet effet l'invention a notamment pour objet un dispositif de déversoir à l'entrée d'une turbine à aubes comprenant une roue propre à être montée dans un couloir aménagé sur un cours d'eau en milieu naturel, ce couloir comportant deux parois verticales entre lesquelles peut tourner la roue de la turbine autour d'un axe horizontal et un fond limité par une paroi dont une partie au moins comprend un arc cylindrique reliant une zone haute en amont du côté de l'arrivée de l'eau dans la turbine à une zone basse pour la sortie de l'eau turbinée par la roue, en direction de l'aplomb de l'axe de rotation de cette dernière, en formant ainsi 'an canal d'écoulement à l'intérieur duquel les extrémités radiales externes desdites aubes défilent en rasant la paroi de fond, caractérisé en ce qu'il comporte un organe de réglage de la position du point d'entrée de l'eau dans la paroi limitant le fond dudit canal entre une position basse et relativement 2932230 -3- éloignée des aubes de la turbine et une position plus haute et plus proche de la trajectoire des aubes de la turbine. [0007] Selon un mode de réalisation avantageux, l'organe de réglage comprend un volet orientable, comportant, côté amont, une lèvre d'admission ajustable à l'entrée de la dite 5 paroi de fond du canal, et raccordé du côté aval à une partie fixe de ladite paroi de fond. Le volet peut être monté pivotant autour d'un axe sensiblement horizontal au niveau de la partie fixe de ladite paroi de fond. Bien entendu, cette partie fixe peut se prolonger vers l'amont et l'axe de pivotement du volet est alors lui-même déporté dans la direction de l'amont. En outre il peut être avantageux de réaliser le volet de façon extensible vers 1 o l'amont par déplacement de ladite lèvre d'admission de l'eau dans cette direction. [0008] Selon une forme de réalisation, le volet comporte une première plaque articulée autour dudit axe horizontal sur la partie fixe de la paroi de fond et une deuxième plaque mobile en translation par rapport à la première plaque entre une position rétractée et une positon allongée dans laquelle ladite lèvre d'admission est davantage éloignée de la 15 turbine vers l'amont que dans la position :rétractée. On peut prévoir de garnir la face tournée vers le haut du volet d'ailerons ou de nervures longitudinales entre l'amont et l'aval pour guider les filets fluides vers leur entrée dans la turbine. En outre les bords latéraux du volet peuvent être pourvus chacun d'une joue longitudinale pour canaliser le fluide circulant sur ce volet vers l'entrée de la turbine. Il est aussi avantageux 20 d'aménager un rebord d'extrémité arrondi convexe de l'amont vers l'aval pour former ladite lèvre d'entrée de l'eau au fond du canal. Par ailleurs, pour étanchéiser et lisser la jonction entre le volet et la partie fixe de la paroi limitant le fond du canal, un joint souple est disposé entre le volet et cette partie fixe. [0009] Enfin selon un mode de réalisation., le volet est pourvu d'attaches de réglage du 25 niveau de son extrémité amont, qui comportent au moins un élément de fixation sur le volet et au moins une réglette d'indexation propre à être rendue solidaire d'une paroi latérale du couloir où est installée la turbine et coopérant avec une attache latérale sur le volet pivotant pour régler l'angle d'inclinaison de ce volet. [0010] On a ainsi réalisé un système de réglage de la position du point d'entrée de l'eau 3o à turbiner au fond de son canal guidage jusqu'à sa traversée et vers sa sortie de la roue à 10 2932230 -4- aubes, de manière sélective en hauteur et en distance par rapport à la trajectoire des extrémités radiales externes des aubes de la turbine dans le couloir de la turbine. [0011] Les essais du demandeur ont notamment montré qu'on pouvait utiliser avantageusement ce réglage pour obtenir un contrôle efficace des performances de 5 conversion énergétique de l'installation en fonction des diverses conditions de débit disponible. [0012] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation de l'objet de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0013] La figure 1 est une vue schématique en perspective d'une roue à aubes équipée d'un dispositif de déversoir selon l'invention [0014] La figure 2 est une vue selon une coupe par un plan de symétrie vertical de 15 la machine installée de la figure 1 DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS EXEMPLES DE REALISATION [0015] Sur la figure 1, une turbine hydraulique comportant une roue à aubes 10 est installée dans un couloir 15 à parois de béton verticales 12 et 14, aménagées dans un 20 bief sur un cours d'eau naturel non visible sur la figure. La roue 10 est installée de manière à pouvoir turbiner l'écoulement entre l'amont 18 sur la gauche de la figure et l'aval 19 du côté droit de la représentation en tournant autour d'un axe horizontal virtuel 35 (voir figure 2). [0016] La roue comprend de deux flasques de tôle 21 et 22 en forme de couronne 25 circulaire entre lesquels sont fixées une pluralité d'aubes 24 possédant, comme représenté, un profil légèrement incurvé dont la concavité est tournée du côté de l'arrivée d'eau lorsqu'elles se présentent vers l'amont 18 du couloir 15 en tournant dans 2932230 -5- le sens inverse des aiguilles d'une montre, comme figuré par le sens de la flèche 25. On remarque que les intervalles entre les aubes sont ouverts non seulement côté de leur bordure radiale externe 26 pour recevoir l'eau à turbiner mais également du côté de leur bordure radiale interne 27. Lorsque les aubes 24 parviennent dans le quadrant inférieur 5 gauche de leur trajectoire pour recueillir l'eau admise à l'entrée, leurs bordures radiales internes 27 commencent à défiler le long de la paroi cylindrique convexe d'un bouclier 30 fixe qui empêche l'eau remplissant chaque intervalle entre deux alvéoles voisines de se propager vers le centre de la roue 10. [0017] Le bouclier 30 comprend une tôle en forme de secteur cylindrique sur une 10 structure métallique fixée à un bâti 32 qui est lui-même monté à poste fixe dans le couloir 15 de la machine. L'obstacle représenté par le bouclier 30 s'étend sur un arc de cercle qui monte du côté amont jusqu'en un point situé entre le niveau supérieur du quadrangle inférieur gauche et le sommet la trajectoire cylindrique des arêtes radiales interne 27 des aubes 24. Vers l'aval, la paroi du bouclier 30 se termine sensiblement à 15 l'aplomb de l'axe de rotation 35 de la roue 10. Le bouclier 30 participe donc à la formation d'une retenue de l'eau en amont du couloir d'admission 15. Le bâti 32 supporte également deux paliers support (non représentés) pour recevoir à rotation les flasques 21 et 22 constitutifs de la roue 10. En outre la face externe du flasque 22 porte un anneau 36 à denture cylindrique qui engrène avec un pignon 37 d'un dispositif 20 multiplicateur de rotation 38 pour entraîner une génératrice non représentée à une vitesse optimale pour la génération de la puissance électrique recherchée. [0018] Le bâti 32 de la machine qui est réalisé ici par un assemblage mécanosoudé de poutrelles métalliques supporte encore un carter inférieur 40 à paroi cylindrique concave 42 fixée sous le passage du demi quadrant inférieur gauche la roue 10 25 (figure 1) de telle sorte que les extrémités radiales externes 26 des aubes 24 tournent en défilant au ras de cette paroi concave 42. La paroi 42 constitue la partie fixe du fond d'un canal 44 (figure 2) d'écoulement de l'eau turbinée par la roue. Cette paroi de fond 42 se termine en 43 sensiblement à l'aplomb de l'axe de roue 35, permettant ainsi à la partie inférieure du canal 44 de déboucher dans une sortie d'eau en béton 45. Cette sortie est limitée en amont par une poutre 46 formée dans la paroi en béton à laquelle est fixée la partie inférieure du bâti 32. 2932230 -6- [0019] Du côté amont, la paroi 42 du carter intérieur 40 se termine en un point 48 (figure 2) sur un rayon de la trajectoire de la roue 10 à un angle un peu supérieur à 45° par rapport à la verticale. En ce point est articulé un volet 50 monté pivotant autour d'un axe horizontal. En variante, des réalisations sont possibles dans lesquelles cette partie 5 fixe peut se prolonger vers l'amont et l'axe de pivotement du volet 50 se trouver alors lui-même déporté quelque peu par rapport à la trajectoire des aubes de la roue 10 dans la direction amont. Il comprend une première plaque de tôle 56 renforcée par une armature 58 à sa partie inférieure qui présente vers son bord aval deux bouts d'axe 52 articulés dans deux paliers horizontaux fixés chacun dans une plaque verticale respective 54. 1 o Chaque plaque 54 est solidaire du bâti 32 et fixée le long d'une des parois latérales verticales, respectivement 12 et 14, du couloir 15. De chaque côté de la plaque 56 est agencée une joue verticale en tôle 49 fixée à l'armature 58 pour canaliser la veine fluide entrant par le volet 20 dans le canal d'entrée de la roue 10. Une bavette 69 en matière souple et imperméable est installée à la liaison entre l'extrémité aval du volet 50 au 15 voisinage de son axe de pivotement et l'extrémité amont 48 de la partie fixe du canal d'écoulement de l'eau dans la turbine vers le bord supérieur du carter inférieur 40. [0020] Le volet 50 comprend une deuxième plaque de tôle 60 recouvrant partiellement la face supérieure de la plaque 56 et capable de coulisser par rapport à elle pour régler la longueur totale du volet 50. La plaque 60 comporte une extrémité aval 61, 20 bien visible sur la figure 1, et une extrémité amont 62 formant une lèvre arrondie débordant par rapport l'extrémité amont 59 de la plaque inférieure 56. Dans cette partie arrondie 62 la plaque 60 présente des nervures arrondies 64 de renfoncement et de guidage longitudinale des filets fluides atteignant le volet 50 à l'entrée du canal d'admission de l'eau dans la roue 10. La face supérieure de la plaque 60 est également 25 garnie de nervures verticales longitudinales 65 pour guider la veine fluide dans la partie amont de ce canal d'admission. [0021] Deux réglettes d'indexation en arc de cercle 70 sont solidarisées chacune avec une paroi verticale respective 12 et 14 du couloir 15, le long de la trajectoire parcourue par l'extrémité amont 59 de la première plaque 56 du volet 50 lorsque ce 30 dernier est pivoté autour de son axe. Chaque réglette 70 comporte une série d'encoches 72 disposées en arc de cercle et débouchant latéralement face à la trajectoire de ladite 2932230 -7- extrémité 59 de la première plaque 56. A cette extrémité 59, l'armature 58 est équipée d'un système de goupille 75 propre à venir s'enclencher latéralement dans un encoche de la réglette correspondant pour immobiliser l'extrémité 59 de la plaque 26 dans la position de pivotement correspondante du volet 50. En rétractant les goupilles du 5 système 75, on peut libérer à nouveau le mouvement de pivotement du volet 50 pour modifier sa hauteur à l'entrée du canal d'admission de l'eau à turbiner. [0022] On a ainsi réalisé un dispositif permettant, en fonction des variations des conditions de débit du cours d'eau où il est installé, de régler au mieux le remplissage de la roue et l'utilisation de l'énergie hydraulique disponible. Autrement dit, en élevant 10 le niveau d'admission de l'eau dans le canal en cas de faible débit, mais aussi en le rapprochant de la roue, on peut parvenir à garder un niveau de charge convenable pour tirer parti de l'énergie potentielle disponible. En même temps on peut améliorer ou optimiser ainsi les conditions de remplissage des intervalles entre les aubes en minimisant les pertes encourues dans le cas où une fraction trop importante de la veine 15 fluide vient frapper des parties du dispositif qui ne participent pas directement au mouvement des aubes. [0023] Par ailleurs en éloignant de la roue et en abaissant le point d'admission de l'eau dans le canal d'écoulement quand le débit augmente on peut régler la forme prise naturellement par la veine d'eau avec un minimum de pertes de charge et ainsi utiliser 20 au mieux l'énergie cinétique des filets d'eau qui pénètrent dans l'intervalle entre les aubes. [0024] L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés et diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS1. Dispositif de déversoir à l'entrée d'une turbine à aubes comprenant une roue (10) propre à être montée dans un couloir (15) aménagé sur un cours d'eau en milieu naturel, ce couloir comportant deux parois verticales (12, 14) entre lesquelles peut tourner la roue de la turbine autour d'un axe horizontal et un fond limité par une paroi dont une partie (42) au moins comprend un arc cylindrique reliant une zone haute en amont du côté de l'arrivée de l'eau dans la turbine à une zone basse pour la sortie de l'eau turbinée par la roue, en direction de l'aplomb de l'axe de rotation de cette dernière, en formant ainsi un canal d'écoulement (44) à l'intérieur duquel les extrémités radiales externes (24) desdites aubes défilent en rasant la paroi de fond, caractérisé en ce qu'il comporte un organe de réglage (50) de la position du point d'entrée de l'eau (62) dans la paroi limitant le fond dudit canal entre une position basse et relativement éloignée des aubes de la turbine et une position plus haute et plus proche de la trajectoire des aubes de la turbine. 2. Dispositif de déversoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de réglage comprend un volet orientable (50), comportant, côté amont, une lèvre d'admission ajustable (62) à l'entrée de la dite paroi de fond du canal, et raccordé du côté aval à une partie fixe de ladite paroi de fond. 3. Dispositif de déversoir selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit volet (50) est monté pivotant autour d'un axe (52) sensiblement horizontal au niveau de la partie fixe de ladite paroi de fond. 4. Dispositif de déversoir selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit volet est extensible par déplacement de ladite lèvre d'admission (62) en direction de l'amont. 15 2932230 -9- 5. Dispositif de déversoir selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le dit volet comporte une première plaque (56) articulée autour dudit axe horizontal sur la partie fixe de la paroi de fond et une deuxième plaque (60) mobile en translation par rapport à la première plaque entre une position rétractée et une positon allongée 5 dans laquelle ladite lèvre d'admission (62) est davantage éloignée de la turbine vers l'amont que dans la position rétractée. 6. Dispositif de déversoir selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le la face tournée vers le haut du volet est garnie de nervures longitudinales (64, 65) 1 o entre l'amont et l'aval pour guider les filets fluides vers leur entrée dans la turbine. 7. Dispositif de déversoir selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les bords latéraux du volet (50) sont pourvus chacun d'une joue longitudinale (49) pour canaliser le fluide circulant sur ce volet vers l'arrivée d'eau dans la turbine. 8. Dispositif de déversoir selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la lèvre d'admission dudit volet présente un rebord d'extrémité arrondi convexe (62) de l'amont vers l'aval. 20 9. Dispositif de déversoir selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé par un joint souple (69) disposé propre à étanchéiser et lisser la liaison entre le volet et la partie fixe de la paroi de fond à laquelle il est raccordé. 10. Dispositif de déversoir selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que le 25 volet est pourvu d'au moins une attache latérale (75) vers sa partie amont propre à coopérer avec une réglette d'indexation (70) solidaire d'une des parois latérales du couloir où est installé la roue pour régler l'angle d'inclinaison de ce volet.30