Brevet FR3037620A1 — publié le 20161223

TURBINE HYDRAULIQUE A FLUX TRAVERSiNT La présente invention concerne une turbine hydraulid flux traversant. Une telle turbine hydraulique a éf) ic-.aginée en 1903 par A.G.M. MitchE: I ct amélioré par la suite par D. Banki. Elle est couramment désignée par l'expression « Turbine Banki ou Turbine de type Banki ». Cette turbine est de construction simple et elle comporte trc's ï.ties principales : une arrivée d'eau contrôlée, une roue en forme de tambour pourvue d'aubes périphériques profilées et dont l'arbre de rotation est relié à une génératrice électrique et une sortie d'eau. Dans une telle turbine, l'eau traverse deux fois la roue. L'eau pénètre dans la roue et induit une poussée sur les auH:s dirigée de l'extérieur de la roue vers l'intérieur, donc vers l'arbre de rotation. En sortant de la roue, sensiblement à l'opposé du point d'entrée, l'eau induit une seconde poussée sur les aubes dirigée alors de l'arbre de rotation, donc de l'intérieur, vers l'extérieur de la roue. Ces turbines sont particulièrement adaptées à un fonctionnement avec de faibles chutes d'eau et/ou un débit faible. Pour cela, elles sont considérées à vitesse lente. L'invention vise à proposer une turbine hydraulique de type Banki d'une construction et d'une maintenance aisées tout en ayant un rendement et un fonctionnement optimisés. A cet effet, l'invention a pour objet une turbine hydraulique à flux traversant, dite turbine Banki, comportant au moins une arrivée d'eau contrôlée par un volet mobile entre une première position d'ouverture et une seconde position de fermeture de l'arrivée d'eau, un rotor en forme de tambour, pourvu d'aubes périphériques profilées, dont l'arbre de rotation est relié à une génératrice électrique, et une sortie d'eau, caractérisée en ce que l'arrivée d'eau comprend une canalis n dont une zone voisine de son extrémité ouverte en contact avec la périphérie _LI rotor est non rectiligne, la courbure de ladite zone étant non circuire en ce cJr le volet de contrôle de l'arrivée CE au est, en position d'ouverture, aligné iec un organe de guidage de l'eau fi dans ladite zone 3037620 2 non rectiligne. Grâce à l'invention, lorsque l'eau pénètre dans la turbine, elle est gui(:: et mise en mouvement selon une direction permettant à l'eau, lors de son entrée dans le rotor, donc lors de son passage entre deux aubes voisines, d'avoir une 5 vitesse optimale. En d'autres termes, le mouvement initial de l'eau entrant dans le rotor induit par la configuration de la sortie de la canalisation d'arrivée d'eau permet d'éviter, ou pour le moins de limiter au maximum, les chocs de l'eau sur les aubes ou l'arbre de rotation du m.-- r. De cette manière, on optimise l'écoulement, sans à-coup, au niveau du rotor. 10 Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une telle turbine peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - L'organe de guidage est une plaque courbée selon une courbure non circulaire et fixée dans la canalisation d'arrivée d'eau. - La courbure de l'organe de guidage est sim"yire à la courbure de la zone de 15 l'extrémité de la canalisation d'arrivée d'eau en contact avec la périphérie du rotor. - La courbure de l'organe de gu:i&;e est différente de la courbure de la zone de l'extrémité de la canalisation d'arrivée d'eau en contact avec la périphérie du rotor. 20 - Le volet est, en section transversale, profilé en saumon d'aile d'avion. -L'extrémité effilée du volet est, position d'ouverture, située dans le prolongement d'une extrémité de l'organe de guidage et adjacente à cette dernière. - Le volet est monté pivotant autour d'un arbre de rotation décalé par rapport 25 au centre de gravité du volet, de sorte que la position ferme c-Dit la position d'équilibre du volet. - Un ressort maintient le volet en position fermée, en cas de défaillance des organes de commande de la turbine. - L'organe de guidage de l'eau est situé en position médiane dans la zone non 30 rectiligne de la canalisation d'arrivée d'eau. 3037620 3 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: 5 La figure 1 est une vue en perspective d'une turbine conforme à l'invention, la figure 2 est une vue en perspective, de la turbine, à partir du des-ous de la turbine et à la même échelle que la figure 1, montrant l'intérieur de la tu:: îne, la figure 3 une vue en perspective de la turbine, à la même échelle que la figure 1 et à partir d'un côté de la turbine, la paroi latérale n'étant pas représentée pour 10 illustrer l'intérieur de la turbine, le volet d'admission de l'eau étant en configuration fermée, la figure 4 est une vue de côté, à la même échelle que la Egure 1, de la turbine, sans la paroi latérale, le volet d'admission de l'eau étalt en une position intermédiaire, 15 la figure 5 est une vue similaire à la figure 4, le volet d'admission de l'eau étant en configuration totalement ouverte et la figure 6 est une vue partielle de côté, à plus grande échelle, de l'arrivée d'eau sur le rotor de la turbine. La figure 1 illustre une turbine 1 conforme à un mode de réalisation de 20 l'invention. La turbine 1 illustrée aux différentes figures correspond à un moc réalisation d'une turbine dite picoturbine, pour une mise en oeuvre dans un cour.) d'eau permettant de produire de 5 kW à 15 kW. Une telle turbine 1 est aisée à mettre en oeuvre soit seule soit associée à d'autres turbines, identiques ou non, voire à d'autres dispositifs de production d'électricité, que ce soit à partir de l'eau 25 ou d'une autre source d'énergie. La turbine 1 comprend un socle 2, fixé avantageusement au sol, au-dessus d'un point d'évacuation de l'eau, non visible. Pour cela, le socle 2 est pourvu d'une ouverture 3, ici rectangulaire, visible à la figure 2. Cette ouverture 3 est adaptée pour assurer l'évacuation de l'eau en sortie de turbine, que :9 soit dans un cours 30 d'eau, un plan d'eau naturel ou artificiel ou encore dans un c.: -îal. On conçoit que 3037620 4 l'on peut disposer plusieurs turbines 1, identiques ou non en série, la sortie d'eau d'une turbine alimentant indirectement en eau la tu :)ine suivante. Au-drsf is d.1 socle 2, en regardant la figure 1, se trouve un châssis 4 qui définit un volume fermé recevant les divers éléments constitutifs de la turbine 1. 5 A la figure 1, l'extrémité du logement 5 recevant l'arbre central, donc l'arbre de rotation, du rotor, est visible sur un flanc 40 du châssis 4. En partie haute du châssis 4, plus particulièrement sur un flanc 43 formant un autre côté du châssis 4, une arrivée d'eau 6 est prévue. Ici, l'arrivée d'eau est formée par une découpe 6 ménagée dans une paroi 43 permettant l'entrée d'eau à partir de l'extérieur en 10 direction de l'intérieur de la turbine 1. L'arrivée au 6 est connectée à une conduite forcée, non représentée. Avantageusement, il s'agit d'une conduite amenant par gravité l'eau à la turbine. On conçoit, en variante, que l'arrivée d'eau 6 est alimentée par une conduite d'eau reliée à une pompe de relevage. Les ouvertures 3 et 6 sont de dimensions 1.1 :a formes adaptées permettant d'assurer 15 un débit d'entrée et un débit de sortie de au de la turbine similaires. Sur le dessus du chCssis, en regardant la figure 1, une platine 7 forme un support pour recevoir un:. génératrice électrique, connue en soi et non illustrée. En variante, la génératrice est située ailleurs -L a sur la platine 7, à proximité de la turbine 1. 20 Un vérin 8 et un ressort 9 sont visibles sur le flanc 40, à la figure 1. Ce vérin est relié, par une extrémité, au socle 2 et, par l'autre extrémité, à une bielle de commande d'une vanne, non visible. Le fonctionnement de ces éléments sera précisé plus loin. Sur un flanc 41, visible à la figure 2, opposé et parallèle au flanc 40, un 25 volant 10 est fixé. Il est entraîné directement en rotation p7.1r l'arbre central 11 du rotor 110 sur lequel elle est montée. Le volant 10 est relié r une courroie, non représentée, à un arbre d'entraînement de la génératrice ou acc L 7Ié directement à la génératrice ou à un multiplicateur. En d'autres termes, le volant 10 assure la liaison entre la turbine 1 et la génératrice d'électricité. 3037620 5 A la figure 2, des aubes 12 du rotor 110 sont visibles à partir y 7317 sortie d'eau 3 ménagée dans le socle 2. Les aubes 12 sont configurées en plaques allongées, non planes. Les concavités des aubes 12 sont orientées dans le même sens, à savoir en direction invêre du sens de rotation du rotor 110. Les 12 5 s'étendent selon un angle donné, à partir de l'arbre central 11 en direction de l'extérieur du rotor 110. Comme cela resscl la figure 2, les aubes 12 sont entièrement logées dans le châssis 4, dans le volume délimité, d'une part, par les flancs parallèles 40, 41 et d'autre part, par les deux autres flancs 42, 43, parallèles, définissant les deux autres côtés du châssis 4 et perpendiculaires aux flancs 40, 10 41. Sur la face externe du flanc 42, un support fermé 13 abrite des organes moteur c :1 :u de commande de la turbine 1. Il s'agit, par exemple, du groupe hydraulique actionnant le vérin 8. La figure 3, du fait de la suppression du flanc 40, permet de isu liser 15 l'intérieur de la turbine 1, au niveau des éléments actifs, c'est-à-dire des éléments mobiles de celle-ci, à savoir le rotor 110 et un volet de contrôle 17 du débit d'eau arrivant sur le rotor 110. Les aubes 12 sont maintenues en position, à savoir régulièrement e.:,,Di-À.-ées et disposées de sorte que leurs plus grandes dimensions ou longueur 20 D12 soient parallèles à l'a.:?. Ic. igitudinal A11 de l'arbre central 11, par des disques 15. Ces deniers sont, dans l'exemple, au nombre de trois. Ils maintiennent les aubes 12 par les E. :trémités de ces dernières ainsi qu'en au moins un autre point situé entre les e .1émités des aubes, par exemple à une distance voisine d'un tiers de la longueur D12. On conçoit que le nombre, la 25 répAition et/ou la taille des disques 15 sont adaptés à Il g -_s'-2,-.1étrie du rotor 110. Comme cela ressort de la figure 3, les disques 15 comprennent des fentes formant des logements de réception des extrémités libres 120 des aubes 12. De ce fait, le disque 15 central est traversé de part en part par les aubes 12. Les disques 15 sont, avantageusement, fixés de manière définitive sur l'arbre 11. Une 30 telle configuration implique que le rotor 110 est creux et ouvert, l'eau pouvant 3037620 6 circuler librement entre la périphérie du rotor et la partie centrale, donc l'arbre 11, du rotor 110. En partie haute du châssis et en regardant la figure 3, on note que l'arrivée d'eau 6 forme le débouché d'une conduite ouverte 60, située à l'intérieur du 5 châssis 4. Ici, la conduite 60 est de section transversale rectangulaire, donc, ici, de forme similaire à celle de l'arrivée d'eau 6. La conduite 60 assure l'alimentation en eau du rotor 110 à partir de l'arrivée 6, étant entendu que l'arrivée 6 constitue de facto uneextrémitéss ouvertes de la conduite 60. L'ext[érn.té ouverte 61 de la conduite 60, opposée à l'arrivée d'eau 6, 10 assure l'alimentation en eau du rotor 110. Ici, la conduite 60 et l'arrivée d'eau 6 sont horizontales. En variante, elles peuvent être orientées angulairement, entre 0° et plus ou moins 90° par rapport à l'horizontale L'extrémité 61 est lie par, d'une part, un plan incliné 62 et, d'autre part, par une zone incurvée 600 de la conduite 60, dont une portion est rectiligne et sensiblement parallèle au plan 62. 15 La zone 600 est incurvée selon une courbe non circulaire. L'extrémité 61 de la conduite 60 est positionnée angulairement par rapport au bord périphérique du rotor 110 qui est défini par les bords de plus grandes dimensions des aubes 12. La zone de contact entre l'eau et le rotor 110 est ainsi située sur un quart supérieur du rotor 110, comme cela ressort particulièrement 20 des figures 4 et 5. On note que la longueur de la section transversale rectangulaire de la conduite 60 est la même que la longueur des aubes 12, ce qui permet d'alimenter en eau de manière similaire tous les points de la périphérie du rotor 110 situés sous la sortie 61. Comme cela apparait particulièrement aux figures 4 à 6, un organe de 25 guidage 16 est monté dans la conduite 60. Cet organe 16, ',-mé par une plaque métallique profilée, s'étend sur toute la longueur de la sect'Jn transversale de l'extrémité 61. La plaque 16 est incurvée, sa courbure étant adaptée à celle la portion 600 de la conduite 60, donc la plaque 16 est incurvée selon une cou :--ure non circulaire. 3037620 7 La plaque 16 est fixée sensiblement en position médiane dans la conduite 60, à proximité l'extrémif. 61, au niveau de la portion courbée 600. Ainsi, de facto, on divise en deLe extrémités similaires 610, 611, l'extrémité 61 par la présence de l'organe de guidage 16. En variante, la plaque 16 e::,t en une position 5 autre que la position médiane et/ou sa courbure est différente de la courbure de la zone 600. Dans la mesure où les courbures de la portion 600 et de l'organe de guidage 16 sont adi'...-,#.)es mais non identiques au rayon des disques 15, donc au rayon du rotor 110, on induit une trajectoire courbe non circulaire à l'eau entrant 10 dans le rotor. Une telle trajectoire permet non seulement que le mouvement initial de l'eau soit non radial et efficacement dirigé sur le rotor 110 mais également que le passage de l'eau entre deux aubes 12 voisines soit optimal, c'est-à-dire que l'eau ri': pa:7; p,Ti::endiculairement la face concave des aubes mais plutôt s'écoule en su fant la courbure de la concavité. 15 En d'-:tres termes, on initie une mise en rotation de l'eau, préalablement à son contact avec les aubes 12, de sorte que le mouvement de l'eau soit, dès son contact avec le rotor 110, similaire au mouvement des aubes 12. Ainsi on limite l'effet de choc de l'eau sur les aubes 12 selon une direction perpendiculaire à leurs concavités, ce qui a pour effet de générer des à-coups dans la rotation du 20 rotor 110. La présence de l'organe de guidage 16 participe non seulement à cette mise en rotation de l'eau mais permet de préserver autant que pon Dle un écoulement laminaire de l'eau dans la conduite 60. C^rnme on le remarque aL ': figures 4 à 6, une extrémité 160 de la nlaque 16 est cUposée angulairement au rotor 110. L'extrémité opposée 161 el située 25 au voisinil7e -fun volet de contrôle 17 de l'7,limentation en eau, donc de facto, un volet de régulation du débit d'eau. Ce vol 17, particulièrement visible à la figure 6, est une plaque métallique allongée dont la section transversale est en forme de fuseau ou de saumon d'aile d'avion. En d'autres termes il a une forme hydrodynamique, son extrémité T,:rilée 170 étant positionnée au plus près de 30 l'extrémité 161 de l'organe de guidage 3037620 8 Le volet 17 est mobile en rotation autour d'un arbre 18 entre une première position, d'ouverture, où il autorise un passage maximal de l'eau et une seconde i;osition, de fermeture, où il interdit tout passage de l'eau. L'arbre de rotation 18 t décalé par rapport au centre de gravité du volet 17, de sorte que le pascr, 5 par pivotement du volet 17 entre la première position ouverte, représentée aux figures 5 et 6, et la seconde position fermée, illustrée à la figure 3, soit facilité, voire initié, par l'eau circulant dans la conduite 60. Ainsi, la seconde position fermée est la position d'équilibre du volet 17 d .orte que l'arrêt de la rotation du rotor 110, et donc l'a iàt de la turbine 1 de la production d'électricité est 10 privilégié, ce qui est un facteur de sécurité. La seconde position fermée est illustrée à la figure 3. L'extrémité 170 du volet 17 est alors en appui sur le plan incliné 62 de la conduite 60 tandis que l'autre extrémité 171 du volet 17, opposée à l'extrémité 170, est en appui sur la partie 600. Dans un mode de réalisation non illustré, des joints, par exemple en 15 élastomère, sont prévus au niveau de ces zones de contact, afin, d'une ;_art, d'assurer l'étanchéité et, d'autre part, de limiter l'usure mutuelle des organes en contact. Une position intermédiaire du volet 17 est illustrée à la figure 4 dans laquelle le volet 17 est pr -,liluement en position ouverte, son e;r,,I;iité 170 étant 20 proche du contact avec l'extrémité 161 de la l&ue de guidage 16. Dans une telle position intermédiaire, l'eau alimente le rotor 110 mais la p sition du volet 17 n'est pas alignée avec le flux de l'eau et la plaque 16. La position ouverte . particulièrement visible à la figure 6. Dans cette configuration, le volet 17 est dans le prolongement de l'organe de guidage 16 qui, 25 lui, et fi:f_3, de sorte que leurs extrémités respectives 161 et 170 sont en contact non bloquant, l'extrémité effilée 170 du volet étant adjacente à l'extrémité 161 Jlc l'organe de guidage 16. Dans cette position, l'ensemble formé par le volet 17 et l'organe de guidaje 16 assure un écoulement laminaire dirigé de l'eau entrant sur le rotor 110, de sorte que la mise en rotation, et donc le rendement, de ce dernier 30 est optimale. 3037620 9 En référence aux différentes figures, le fonctionnement de la turbine 1 est maintenant décrit. Tout d'abord, après l'ouverture en amont d'une vanne d'alimentation en eau de la turbine, connue en soi et non illustrée, on amène l'eau, de manière préférée par une conduite forcée, jusqu'à la turbine 1. Dès que cette 5 conduite est en eau, et après si besoin avoir ouvert une autre vanne, optionnelle, située au niveau de l'arrivée d'e'j 6, on commande l'ouverture du volet 17. Dès le passage du volet 1. une position intermédiaire, de facto une position non fermée, l'eau s'écoule par la conduite 60 et tombe sur le rotor 110. Le trajet de l'eau sur le rotor est illustré par la flèche F à la figure 5. Lors de ce mouvement, 10 l'eau entre dans le rotor 110 par les espaces 121 ménagées entre les aubes 12 et, du fait de l'orientation de la concavité y: celes-ci, met en rotation, selon la flèche R, le rotor 110. App' foir traversé les espaces 121 ménagés entre les aubes 12, l'eau s'écoule par gravité dans l'espace 111 séparant les aubes 12 et l'arbre 11 du rotor 15 110. L'eau ressort ensuite, par gravité, du rotor 110 par les espaces 121 entre les aubes 12 situées en partie basse du rotor 110. Comme illustré à la figure 5, du .ait de la rotation du rotor 110 et donc de la force centrifuge subie par l'eau, cette dernière ressort du rotor 110 non pas à la verticale de son point d'entrée mais en amont de ce dernier, c'est-à-dire ser, lement à l'aplomb de la partie rectiligne 20 601 de la conduite 60 qui est située entre l'arrivée 6 et la zone incurvée 600. Lors de ce mouvement de sortie, l'eau repousse les aubes 12 selon la flèche R. Ainsi, dans une telle turbine 1, l'eau entre dans le rotor 110 en effectuant une poussée sur les aubes orientée de l'extérieur du rotor 110 en direction de l'arbre 11 t lori du rotor en effectuant une poussée, de même sens, sur les 25 aubes 12, c inc dirigée vers l'extérieur du rotor 110 à partir de l'arbre 11. Une fois sortie du rotor 110, l'eau s'écoule par gravité dans l'ouverture 3 du socle 2 dans un canal de s die -!'eau, ou une conduite, qui peut, par exemple, alimenter une autre turbine 1 ou un autre ..-Epositif de production d'énergie, pour autant qu'il soit à une altitude inférieure à celle de la présente turbine. 3037620 10 Avec un tel fonctionnement, l'eau assure une double poussée lors de son trajet sur le rotor ce qui, au moins, snre une rotation régulière sans à-coups de ce dernier. Du fait de la forme de l'e '.rémité de la conduite d'amenée d'eau 60 et de la présenc 2 de l'organe de guidage 16 et du volet 17, la rotation du rotor est 5 optimisée, que ce soit en termes de régularité et de rendement. Par ailleurs, la présence du ressort 9 fournit un organe de sécurit timal en cas de coupure d'alimentation en électricité des organes de commande et de manoeuvre des di..érentes pièces de la turbine. En effet, en cas d'une telle défaillance il est nécessaire de mettre en sécurité la turbine 1, en arrêtant le plus 10 vite possible la rotation du rotor 110. Pour cela, il convient de st, er l'arrivée de l'eau sur le rotor 110. Dans ce cas, la tendance naturelle du volet 17 à la position de fermeture ne suffit pas à elle seule à mettre complétement le volet 17 en position fermée et à le maintenir dans cette position. Pour ri- m dier 'à cela, le ressort 9 maintient le volet 17 en position fermée, étant entendu que le vérin 8 15 n'assure que l'ouverture du volet 17. La force de rappel du ressort 9 est suffisante pour compenser la poussée de l'eau sur le volet 17.