Brevet FR3059371A1 — publié le 20180601

La présente invention a pour objet un dispositif de vis d'Archimède améliorée pour centrale hydraulique ainsi que son procédé de fabrication. On connaît l'utilisation d'une vis d'Archimède comme turbine, afin de produire de l'énergie dans des petites centrales hydroélectriques. La vis est alors positionnée inclinée dans un auget ou dans un tube, disposée au niveau d'une chute d'eau, l'eau faisant par gravité tourner la vis dans ledit auget ou ledit tube. Une telle vis présente plusieurs inconvénients. Le premier consiste en ce qu'il existe une fuite entre les filets de la vis et l'auget, en sorte que cela affecte le rendement. Un autre inconvénient est que pour être ichtyocompatible, c'est-à-dire éviter que les anguilles et poissons ne soient blessés ou tués en étant pris entre la vis et l'auget ou le tube, la vitesse de rotation de la vis doit être limitée, ce qui limite le débit et oblige à augmenter la taille donc le poids de la vis. Pour résoudre ce problème, il a déjà été proposé de 20 solidariser les filets de la vis au tube qui la contient, en sorte que ce soit l'ensemble qui tourne, et qu'il n'y ait plus de différence de vitesse entre la vis et le tube. Il est ainsi décrit dans le document DE 10 2012 103 127, un dispositif comprenant deux tubes concentriques, solidarisés l'un 25 à l'autre par l'intermédiaire d'une hélice disposée hélicoïdalement entre les deux tubes, le tube interne étant monté sur un arbre qui en autorise la rotation, en étant maintenu par ses extrémités entre un palier haut et palier bas. Si cette vis est ichtyocompatible, elle présente tout de même 30 des inconvénients, outre d'être de fabrication peu évidente, elle doit être de conception robuste pour pouvoir être portée par l'arbre, et est donc relativement lourde, ce qui affecte son rendement. La présente invention a pour but de proposer un dispositif 35 de vis d'Archimède améliorée pour centrale hydraulique, permettant de résoudre les inconvénients précités. 3059371 2 Le dispositif de vis d'Archimède améliorée pour centrale hydraulique selon l'invention est du type constitué d'un ensemble comprenant deux tubes concentriques, solidarisés l'un à l'autre par une hélice disposée hélicoïdalement entre les deux 5 tubes, et positionnée inclinée en dessous d'une chute d'eau, l'eau en passant par gravité entre les deux tubes, faisant tourner ledit ensemble, et elle se caractérise en ce que ledit ensemble est porté d'une part dans sa partie supérieure par un palier dans lequel peut tourillonner l'extrémité du tube 10 intérieur, et d'autre part dans sa partie inférieure, au travers d'un berceau dans lequel repose le tube extérieur. Selon une caractéristique additionnelle du dispositif de vis selon l'invention, la vis comporte plusieurs hélices hélicoïdales. 15 Selon une autre caractéristique additionnelle du dispositif de vis selon l'invention, la ou les hélices hélicoïdales de la vis sont constituées de deux filets, l'un radial et l'autre oblique par rapport à l'axe de la vis. Le doublement par un filet supplémentaire permet 20 d'augmenter le volume d'eau transporté, donc le débit ou pour une même capacité de débit l'encombrement de la vis est réduit et son poids est réduit. La vis ayant une capacité de volume et une capacité de vitesse de rotation plus élevées, elle est pour un débit donné, 25 plus petite en diamètre extérieur donc moins encombrante et plus légère qu'une vis classique. Selon une autre caractéristique de la vis selon l'invention, le second filet, oblique par rapport à l'axe de la vis, s'étend obliquement dans l'espace compris dans une spire, 30 entre la jonction du filet radial avec le tube intérieur, et la jonction du filet radial avec le tube extérieur. Dans une section axiale, l'angle d'inclinaison du filet oblique dans le partie supérieure de la vis par rapport à l'axe de la vis est égal à l'angle d'inclinaison de la vis par rapport 35 au plan horizontal, autrement dit, la section du filet oblique 3059371 3 dans la partie supérieure de la vis est horizontal une fois la vis mise en position de fonctionnement. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication du dispositif de vis selon l'invention, cette 5 fabrication consistant à réaliser un empilage axial d'une multiplicité de tronçons annulaires monoblocs, aboutables et solidarisables, et comportant chacun une portion de tube intérieur, une portion de tube extérieur, et une portion d'au moins une hélice. 10 Les vis connues sont généralement monoblocs et posent des problèmes de transport à cause de leur taille et de leur poids. Les tronçons de l'invention étant beaucoup plus petits et légers et assemblés sur site ils nécessitent des moyens de transport et de manutention plus petits ce qui génère une économie lors de 15 l'installation. Selon un mode de mise en oeuvre particulier du procédé de fabrication selon l'invention chaque tronçon est obtenu par une opération d'impression 3D de résine polymère chargée ou non. Selon un autre mode de mise en oeuvre particulier du procédé 20 de fabrication selon l'invention, chaque tronçon est obtenu par une opération d'impression 3D de moules et noyaux en sable ainsi que des systèmes d'alimentation et de remplissage. Selon un autre mode de mise en oeuvre particulier du procédé de fabrication selon l'invention chaque tronçon est obtenu par 25 une opération de moulage des moules hybrides composés de parties obtenues par un modèle qui est fusible, et des boites à noyaux permettant le remoulage desdits noyaux dans le moule. Selon un autre mode de mise en oeuvre particulier du procédé de fabrication selon l'invention chaque tronçon est obtenu par 30 une opération de moulage, au travers de moules et de noyaux obtenus en combinant un moulage traditionnel et de l'impression 3D. Les avantages et les caractéristiques du dispositif de vis d'Archimède selon l'invention, ressortiront plus clairement de 35 la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente un mode de réalisation non limitatif. 3059371 4 Dans le dessin annexé : - la figure 1 représente une vue en perspective d'une vis d'Archimède améliorée pour centrale hydraulique selon l'invention. 5 - la figure 2 représente une vue schématique en coupe médiane longitudinale de la même vis. - la figure 3 représente une vue en perspective du volume d'eau emporté entre deux filets d'une vis de l'état de la technique. 10 - la figure 4 représente une vue en perspective du volume d'eau emporté entre deux filets d'une vis selon l'invention. - la figure 5 représente une vue schématique en coupe médiane longitudinale d'une partie de la même vis. 15 - la figure 6 représente une vue en perspective d'un élément de fabrication de la même vis. En référence aux figures 1 et 2, on peut voir un dispositif de vis d'Archimède améliorée 1 pour centrale hydraulique selon l'invention, disposée au niveau d'une chute d'eau entre un point 20 amont A et un point aval B. Cette vis d'Archimède 1 comporte deux tubes concentriques, un tube intérieur 2 et un tube extérieur 3, entre lesquels s'étendent hélicoïdalement, dans le mode de réalisation représenté, trois hélices 4, 5 et 6, solidaires fixement chacun 25 à la fois du tube intérieur 2 et du tube extérieur 3. Chacune des hélices 4, 5 et 6, présente un filet double, c'est-à-dire à deux sections, comme cela sera vu plus en détail plus loin. La vis 1 est portée d'une part en amont par l'intermédiaire 30 de l'extrémité 20 du tube intérieur 2 par l'intermédiaire d'un palier 21, et d'autre part au travers d'un berceau 30 sur lequel repose, au niveau de sa moitié inférieure, le tube extérieur 3. Sur la figure 2, on peut voir que chaque hélice est constituée de deux sections P et S, à savoir une première 35 section P qui serpente hélicoïdalement et radialement entre les tubes 2 et 3, et une seconde section S qui serpente également 3059371 5 hélicoïdalement entre les tubes 2 et 3, mais non radialement, pour s'étendre entre la ligne de jonction de la première section P avec le tube extérieur 3, et la ligne de jonction de la première section P voisine avec le tube intérieur 2. 5 En référence maintenant à la figure 3, on peut voir le volume d'eau maximum V contenu entre deux filets d'une vis de type classique, tandis que sur la figure 4 le volume d'eau maximum W contenu entre deux filets d'une vis 1 selon l'invention, lequel peut être supérieur de 25 à 33% selon la 10 configuration retenue. En référence encore à la figure 1, ainsi qu'à la figure 5, on peut voir que le dispositif de vis d'Archimède 1 selon l'invention est constitué de l'empilage axial d'une multiplicité de tronçons annulaires monoblocs 7, dont un est représenté sur 15 la figure 6. Sur cette figure 6, on peut voir qu'un tronçon 7 comporte d'une part un élément tubulaire interne 70 destiné à constituer avec les autres éléments tubulaires 70 des autres tronçons 7 et après solidarisation, le tube intérieur 2 ; d'autre part un élément tubulaire externe 71 destiné à constituer avec les autres éléments tubulaires 71 des autres tronçons 7 et après solidarisation, le tube extérieur 3 ; d'autre part encore des éléments internes, 40, 41, 50, 51, 60, 61, reliant l'élément tubulaire interne 70 et l'élément tubulaire externe 71, pour constituer avec ceux des autres tronçons 7, les hélices 4, 5 et 6. Chacun des tronçons 7 comporte à chacune des extrémités de son élément tubulaire externe 71, une collerette extérieure 72 permettant après aboutement la solidarisation de deux tronçons 7 30 par boulonnage par l'extérieur. On notera que les éléments externes 70 pourraient également comporter des collerettes internes, cela n'est toutefois pas nécessaire. Les tronçons peuvent être fabriqués avec matériaux divers 35 tels que, non limitativement, tous types de polymères ou 3059371 6 matériaux composites contenant une charge métallique ou céramique, des alliages d'aluminium, des alliages ferreux. D'autre part, les tronçons 7 peuvent être réalisés selon plusieurs modes de fabrication, à savoir : 5 - fabrication additive directe : impression 3D de résine polymère chargée ou non. Les méthodes employées font appel à du fil, de la résine et tous moyens de polymérisation et réticulation. Les tronçons de chaque vis sont ainsi fabriqués couche par couche pour obtenir 10 un élément fini pouvant être assemblé par tout procédé de fixation et guidage. L'avantage de ce procédé est l'obtention directe des tronçons avec des géométries spécifiques à l'impression 3D (contre dépouille, etc ). Des fonctions particulières telles que des capteurs ou 15 surfaces fonctionnels peuvent être ajoutées lors de l'impression de la pièce. Les éléments présentent avantageusement également un faible poids facilitant la manipulation et l'assemblage. - fabrication additive indirecte : impression 3D des 20 moules et noyaux en sable avec les systèmes d'alimentation et de remplissage compris. La fabrication des moules et noyaux par impression 3D permet de réaliser des formes sans dépouilles voir avec des contres dépouilles. Le matériau de base du moule peut 25 être, non limitativement, de la silice, kerphalite, chromite ou olivine. Les moules et noyaux ainsi obtenus sont ensuite enduits d'une couche de protection assurant un état de surface favorable pour la pièce finie. La fabrication 3D des moules et noyau offre l'avantage de réaliser des vis d'Archimède sur mesure sans la fabrication d'outillages spécifiques. - fabrication par moulage traditionnel : selon la géométrie et le nombre de vis à fabriquer, on utilise le moulage traditionnel pour obtenir le moule et les noyaux. On utilise donc des moules hybrides composés de parties obtenus par un modèle qui est fusible, tel que 3059371 7 non limitativement du polystyrène, et des boites à noyaux permettant le remoulage des noyaux dans le moule. - fabrication à partir de moulage hybride : les moules et noyaux sont obtenus en combinant le moulage traditionnel 5 et l'impression 3D afin d'obtenir des parties dont la géométrie ne permet pas de démouler le modèle ou le noyau de son outillage. REVENDICATIONS1) Dispositif de vis d'Archimède améliorée pour centrale hydraulique, du type constitué d'un ensemble (1) comprenant deux tubes concentriques (2, 3) solidarisés l'un à l'autre par une hélice disposée hélicoïdalement entre les deux tubes (2, 3), et 5 positionnée inclinée en dessous d'une chute d'eau, l'eau en passant par gravité entre les deux tubes (2, 3), faisant tourner ledit ensemble, caractérisée en ce que ledit ensemble (1) est porté d'une part dans sa partie supérieure par un palier (21) dans lequel peut tourillonner l'extrémité (20) du tube intérieur 10 (2) , et d'autre part dans sa partie inférieure, au travers d'un berceau (30) dans lequel repose le tube extérieur (3). 2) Dispositif de vis selon la revendication 1, caractérisée en ce que la vis comporte plusieurs hélices hélicoïdales (4, 5, 6). 15 3) Dispositif de vis selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que la ou les hélices hélicoïdales (4, 5, 6) sont constituées chacune de deux filets (P, S), l'un (P) radial et l'autre (S) oblique par rapport à l'axe de la vis. 20 4) Dispositif de vis selon la revendication 3, caractérisée en ce que le filet (S) oblique par rapport à l'axe de la vis, s'étend obliquement dans l'espace compris dans une spire, entre la jonction du filet radial (P) avec le tube intérieur (2), et la jonction du filet radial (P) avec le tube 25 extérieur (2). 5) Procédé de fabrication d'un dispositif de vis selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à empiler axialement une multiplicité de tronçons annulaires monoblocs (7), aboutables et solidarisables, et 30 comportant chacun une portion de tube intérieur (2), une portion de tube extérieur (3), et une portion (40, 41, 50, 51, 60, 61) d'au moins une hélice (4, 5, 6) . 3059371 9 6) Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque tronçon (7) est obtenu par une 35 opération d'impression 3D de résine polymère chargée ou non. 7) Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque tronçon (7) est obtenu par une opération d'impression 3D de moules et noyaux en sable ainsi que les systèmes d'alimentation et de remplissage. 40 8) Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque tronçon (7) est obtenu par une opération de moulage des moules hybrides composés de parties obtenues par un modèle qui est fusible, et des boites à noyaux permettant le remoulage desdits noyaux dans le moule. 45 9) Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque tronçon (7) est obtenu par une opération de moulage, au travers de moules et de noyaux obtenus en combinant un moulage traditionnel et de l'impression 3D.