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La présente invention concerne une machine hydraulique rotative et en particulier une machine hydraulique ou électro-hydraulique rotative pour engendrer de la puissance électrique
Bien que l'on connaisse, pour engendrer de la puissance electrique, diverses machines hydrauliques rotatives, telles que les turbines, ces machines exigent typiquement une masse relativement grande de fluide hydraulique, spécifiquement de l'eau, qui s'écoulera sous pression en contact avec des aubes de turbine généralement radiales, en sorte que les forces de réaction de celles-ci tendent A faire tourner le rotor de la turbine qui porte les aubes.
Ainsi, l'energie cinétique du fluide hydraulique est progressivement puisée tandis qu'il s'écoule à travers la turbine d'une région à haute pression ä une région à basse pression d celle-ci, avec des pertes correspondantes associées à un écoulement turbulent et au contact à frottement et avec viscosité entre le fluide hydrau- 11que et la surface de la turbine, Dans d'autres constructions connues, telles qu'une turbine à roue à augets, des pales en forte de coquilles reçoivent le choc d'un ou plusieurs jets de fluide hydraulique sous pression, à partir d'un ajutage fixe.
Le presente invention concerne une machine hy- Jraulique rotative utilisant un jet de fluide hydraulaque sous pression sortant d'un ajutage, et avec les pffcts hydrodynamiques avantageux qui y sont associes.
Suivant l'invention, une machine hydraulique rotative comprend un rotor comportant une multiplicité ce bras dJ rotor, d'amenée de fluide hydraulique, d'allure générale radiale, garnis ä leurs extrémités éloignées opposees d'ajutages dirigés transversalement, les bras du rotor étant montés pour tourner pres d'un c'rculateur de fluide hydraulique comprenant un
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déflecteur pour recueillir le fluide hydraulique lorsqu'il vient le franper après que le fluide soit sorti sous pression des ajutages, et plusieurs plaques de guidage pour diriger le fluide hydraulique qui a produit le choc, dans une auge collectrice proehe de l'axe du rotor et alimentant les bras du rotor à leurs extrémités intérieures adjacentes ;
la production de jets et la recirculation continues du fluide hydraulique étant arranges de façon que de l'energie résiduelle libérée en conséquence de l'action centri-
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fuge associée la rotaticn des ajutages soit impartie au fluide hydraulique venant frapper le déflecteur et qu'on ait une composBrc de force de reaction soute- nant la rotation du rotor.
Dans une construction préférée, le circulateur d'eau comprend un élément d'entonnoir de façon générale annulaire, décalé en direction axiale par rapport au rotor et comprenant une plaque déflectrice conique sur laquelle est montée une série, repartie sur une circonférence, de plaques déflectrices ou de plaques de guidage d'allure generale radiale, disposées pour diriger du fluide hydraulique vers l'intérieur vers une auge collectrice annulaire dans le rotor.
Dans une telle construction, il est désirable que le rot r comprenne une paire de conduits radiaux d'amende de fluide s'étendant convenablement le long d'un diamètre commun, et mis en communication pour le fluide avec ladite auge collectrice centrale qui est montée dans l'axe du rotor.
Le rotor est avantageusement accouple à un générateur électrique rotatif et un moteur de démarrage aligné axialement avec lui et autant que possible sur le même arbre ; l'ensemble entjer etant monte
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dans une pnveloppe commune.
L'auge collectrice de fluide du rotor peut
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comprendre un element d'entonnoir comportant en lui ur ajutage de venturi avec une bouche n'ouvrant dans une chambre qui communique avec les voies de passage du fluide hydraulique dans les bras du rotor.
On procédera cri-après à une description d'une forme de réalisation particuliere de l'invention, ä titre d'exemple seulement, en se référant aux dessins schématiques joints au présent mémoire, sur lesquels : - la figure 1 montre une vue verticale en partie en coupe et en partie avec arrachement d'une machine hydraulique rotative pour la production de pujssance électrique ; - la figure 2 montre une vue en plan du rotor employé dans la machine montrée ä la figure 1 ; - la figure 3 montre un diagramme vectoriel relatif au fonctionnement de la machine montrée aux figures 1 et 2 ;
- la figure 4 montre en coupe verticale une variante de construction de rotor et de circulateur de fluide hydraulique ä utiliser dans la machine hydraulique montrée à la figure 1 ; "la figure 5 montre une vue en perspective d'une partie d'un circulateur de fluide employé dans la machine hydraulique rotative montrée aux figures 1 et 2.
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En se refera !. aux dessins, on y voit une ma- chine hydraulique rotative pour engendrer de la puis- sance electrique, qui comprend un ensemble de rotor 26 monte sur un arbre 16 porté par des paliers d'extré- malté 3 et 17 et arrangé, en coopération, dans une Position décalée axialement par rapport à un ensemble 5 circulateur de fluide hydraulique (par exemple de ]'eau). Un moteur de démarrage 14 et un générateur electrique 12 qui peuvent être de construction classi-que, sont egalement reliés pour entralnement à l'arbre
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16 et mutés sur des plaques supports 13 et 15 faisant re@ tivement partie intégrante d'un carter d'ensemble de machine 1 qui loge l'ensemble de rotor 26 et l'ensemble circulat nr de fluide hydraulique 5.
Les paliers d'extrémité 4 et 17 sont montes sur les plaques supports 5,2 et 15 respectivement, donc faisant corps avec le carter 1.
Des connexions d'alimentation électriques pour le générateur 12 et le moteur de demarrage 14 sont réalisées par un ensemble 4 de bagues pour balais, lo.- gé dans un carter étanche au fluide.
La rotation-le l'arbre 16, initialement, sous l'action du moteur de démarrage 14, produit la rotaticn de l'ensemble de rotor 26, qui comprend un disque support 10 portant une paire de bras de rotor diamétraux ou radialement opposes comprenant des passages de fluide hydraulique et, a leurs extrémités éloignées, des ensembles 9 de valves d'ajutages ajustable ou de re- glage de debit 25 pour envoyer un jet commande de fluide hydraulique vers l'extérieur, à partir des passages d'amenée de fluide hydraulique dans les bras de rotor 8. Spécifiquement, l'ecoulement du fluide hydraulique si partir de l'ajutage 25 est réglable au moyen de la valve de reglage de débit 9.
Les extrémités intérieures ci s bras de rotor 8 communiquent avec un ensemble d'auge collectrice 24 disposé axialemant près de l'ensemble circulateur de fluide hydraulique 5 qui comprend un écran annulaire enveloppant partiellement l'ensemble de rotor 26 et se poursuivant par un entonnoir tronconique sur lequel est montée une serie de plaques déflectrices ou de guidage 29 d'allure générale radiale et qui est surmonté par un é, ran déflecteur 30 attaché ä l'ensemble circu'teu :- de fluide 5 par des boulons de serrage et d'espacement 6.
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L'arrangement coopératif de l'ensemble de rotor 26 et de l'ensemble circulateur de fluide 5 est tel que le fluide hydraulique sortant des ajutages 9 est cHpté ou emprisonné par la bordure annulaire de l'écran déflecteur 30 et la bride en forme de lévre do l'écran déflecteur 30 et aspiré vers le haut dans le bol ou Ventonnoir formé entre l'écran déflecteur 30 et la pastie en cisque conique du circulateur 5 et de la dans lauge collectrice 24 de L'ensemble de rotor 26.
Gemme on peut le comprendre facilement d'après les figures 2 et 3, le mouvement imparti au fluide hydraulique par la rotation du rotor 26'produit des compcsantes de vitesse et de force qui sont uti- listes pour soutenir la rotation. En particulier, du fluide hydraulique sort des ajutages 25 dans une direction de vecteur vitesse ou de la flèche 20, ceci représentant la ligne centrale ou l'axe de l'ajutage 25, et cette ligne centrale est legerement decalee sul- vant un angle aigu 21 par rapport a la tangente 27 autour de l'axp de rotation de l'arbre 16, et ainsi à 1'ensemble de rotor 26 au point d'extrémité de l'ajutage, 28.
On comprendra que, iorsque l'ajutage 25 est forme, le fluide à l'extrémité d 'ajutage,28,a une vitesse instantanée dans une direction tangentielle de la flèche 27, mais lorsque l'ajutage est ouvert, les forces dynamiques de rotation sont telles que le fluide sort suivant la direction de l'ajutage 20 ;
cette composante de vitesse changeante est représentée par un vecteur complémentaire 23 sur la figure 3, formant le troisieire c6t d'un triangle de vitensse, dont les deux autres cotes scnt le vecteur de l'ajutage 20, representant la direction de l'écoulement du fluide hydraulique avec l'ajutage 25 ouvert, et le vccteur tangentiel 22 representant le direction de 1'6cois-
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lement du fluide lorsque l'ajutage eat ferme.
L'énergie cinétique associée à la composante de vitesse 23 du fluide hydraulique change donc entre la position d'ouverture et la position de fermeture de l'ajutage lorsque l'ajutage tourne et c'est ce changement d'énergie qui produit une force de reaction associée qui est utilisée pour soutenir la rotation du rotor après que la rotation ait été amorcée par le moteur de demarrage 14. La rotation entretenue de l'ensemble de rotor 26 est transmise au générateur 12.
La grandeur de la composante de vitesse 23 peut être calculée en se référant à la vitesse du fluide sortant de l'ajutage 25 et celle-ci à son tour peut etre calculée à partir de 1a vitesse de rotation de l'ensemble de rotor 26, et en multipliant cette composante dans l'axe de l'ajutage par la fonction trigonométrique sinus du petit angle aigu compris entre les vecteurs 20 et 22.
En pratique, on trouve quv la composante de vitesse en question est limitée environ 10 mètres par seconde et l'angle inclus 21 correspondant est limite à environ 120 pour des vitesses de jet de l'ordre de 30 à 16 mètres par seconde.
Une variante de construction de l'ensemble circulateur de fluide hydraulique 5 est représenté ä la figure 4. Dans cette construction, l'ensemble de rotor a une auge collectrice en forme de venturi 24'en communication a son extrémité intérieure avec des passages de fluide dans les bras de rotor 8'. Le circulateur d'eau 5 a la forme d'une simple assiette.
La pression centrifuge P associde à la charge centrifuge H dans l'ajutage 25, l'accélération .'ra- vifique G avec l'angle 21 dont il a été question plus
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haut pris égal zéro, peuvent toutes être liées entre eiles par les equations suivantes (négligeant les
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pertes mécaniques): Pression interne du fluide à l'ajutage p = p = V2/
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20, 66 G
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v2 2G P e H/10, 33 avec v = 0 (c'est-à-dire qu'i. ne sort
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pas de ! luide de l'ajutage).
L'energie assocjée à la pression centrifuge P est engendrée automatiquement et avec un minimum de perte d'energie.
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Lorsque la valve à pointeau 9 est ouverte pour pernettre à du fluide hydraulique de sortir de l'ajutage 25, l'energie associée il la pression centrifuge P et emmagasinée dans le fluide hydraulique est changée en énergie cinétique associée au mouvement du fluide hydraulique venant de l'ajutage 25, le comportement étant défini par les équations suivantes : p + V2/20, 66 G = P = V2/20, 66, et p-p = v/ ; 0, 66 G
On comprendra que la pression centrifuge P n'est pas elle-meme associee ä l'ouverture ou à la fermeture de la valve ä pointeau, mais est présente S tous moment, puisqu'elle provient simplement de la rotation de l'ensemble de rotor 26.
Le débit Q du fluide hydraulique venant d'un ajutage 25 ; la masse specifique Z ; la force de réaction F agissant sur un ajutage 25 dans le sens opposé à celui du vecteur vitesse 22 du fluide ; l'ener- gie d'entrée El et l'energie de sortie E2 par ajutage peuvent être lies par les equations suivantes :
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F = ZQV E1 = ZQV2/2 2 E2 = F. V = ZQV.
L'énergie cinétique du jet de fluide produite par la pression centrifuge P = ZQV2/2.
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La force de réaction F disponible pour meintenir la rotation de l'ensemble de rotor 26 est F- E1/V# ZQV/2 et ainsi E2 - E1 = ZQV2/2 représentant une libération effective d'énergie pour un rendement amé- flore.
Loraque la valve ä pointeau 9 est actionne pour fermer un ajutage 25, E1 et E2 reviennent à zéro et la pression intérieure p revient automatiquement à la pression centrifuge P virtuellement instantanément.
Dans une experience d'essai, on a obtenu les
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val, urs suivantes :
Avec un rayon de l'ajutage tournant de 0, 49 m, une vitesse de rotation de 1200 tours par minute, une vitesse de rotation de l'ajutage de 62 metres par seconde a été obtenue, et ainsi le vecteur vitesse 20 était de 60 mètres par seconde ; l'angle 21 était de 100 ; le débit du fluide a chaque ajutage était d'en- viron 0,00123 mètre @@@ par seconde et la pulssance de sortie par ajute ait d'environ 203 bilogramme-mètres par seconde, avec n diametre du jet de fluide de 0, 0051 metre.