Domaine technique de l'invention.
[0001] La présente invention est une centrale hydro-électrique simplifiée qui dispose d'un génie civil de deux chambres amont et aval auquel est associé est un ensemble hydroélectrique pour très basse chute qui comprend un cône d'aspiration, un distributeur hydraulique, une hélice hydraulique et un générateur immergé ou partiellement immergé. Ce montage d'une grande simplicité est particulièrement adapté pour les chutes d'eau de très faible hauteur. Réalisé en atelier ou en usine à partir de pièces produites industriellement II permet d'être installé facilement dans un petit génie civil préfabriqué ou maçonné sur place sans que celui-ci ne nécessite de grande précision de construction ni de grande compétence de la par des installateurs.
Etat de la technique antérieure.
[0002] Pour les basses chutes il existe les roues de moulin mais les masses en mouvement sont importantes tout comme la dimension des installations, de plus les roues de moulin sont difficilement exploitable pour des chutes inférieures au mètre enfin le coût de telles installations est rédhibitoire.
[0003] La technologie des groupes bulbe est connue depuis longtemps cependant elle nécessite des moyens important ainsi qu'une grande précision pour sa mise en oeuvre. Les problèmes d'étanchéité de l'arbre notamment imposent des solutions complexes qui ne sont pas compatible pour des raisons de coût avec des unités de faible puissance que nous envisageons.
De petites unités existent mais il possible d'en simplifier la construction tout en conservant des performances acceptable.
Résumé de l'invention:
[0004] Un but de l'invention est de réaliser un ensemble hydroélectrique pour des chutes dont la hauteur minimum est de trente centimètre et la hauteur maximum inférieure quatre fois le diamètre de l'hélice.
[0005] Un autre but de l'invention est de réaliser un ensemble hydro-électrique immergeable ou semi-immergeable comportant peu de pièces et facile à extraire du génie civil pour son entretien et si nécessaire sa réparation.
[0006] Un autre but de la présente invention est de proposer une machine hydraulique simple et standardisé dont les pièces sont produites industriellement et assemblés dans un atelier. Une fois construite les ensembles hydroélectriques peuvent être installés aisément dans un génie civil préfabriqué ou maçonné sur place sans compétence particulière.
[0007] Un autre but de l'invention est d'intégrer une génératrice basse vitesse multipolaire et sans multiplicateur mécanique générant une tension alternative de 50 ou 60 Hz et cela dans l'hélice ou au plus près de celle-ci a fin simplifier au maximum le montage mécanique et de réduire les masses en mouvements et de garantir ainsi d'une grande durée de vie de l'ensemble.
[0008] Un autre but de l'invention est de disposer d'une machine hydraulique ayant par sa vitesse de rotation et la variation de pression au niveau des pales un impact aussi faible que possible sur la faune, notamment sur les poissons de petite taille passant au travers des grilles.
[0009] Ces buts sont atteints par le dispositif qui fait l'objet de la revendication indépendante, les revendications dépendantes présentant des caractéristiques optionnelles de l'invention.
Ces buts sont atteints par une machine hydraulique comprenant:
Un générateur électrique qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique sans multiplicateur mécanique. Ce générateur immergé ou semi-immergé. Il est placé dans le moyeu l'hélice de l'air emprisonné dans la partie supérieure du moyeu lui offre une première barrière d'étanchéité.
Il est soit fixé au fond du génie civil, soit suspendu au manteau cylindrique de la machine et parfaitement centré par des renforts disposés radialement, soit enfin placé au-dessus de l'hélice et du distributeur hydraulique dans cette variante un roulement supportant la totalité de la charge axiale de l'hélice est judicieusement logé dans la partie haute du moyeu de l'hélice. Parfaitement centré ce roulement est suspendu au manteau cylindrique de la machine par des renforts disposés radialement. Un arbre d'une longueur suffisante et lié mécaniquement du moyeu de l'hélice transmet couple et vitesse au générateur situé au-dessus.
Une hélice constituée de pales soudées au moyeu ou de pales assemblées par serrage dont l'angle d'inclinaison par rapport au flux hydraulique est réglable à la construction.
[0010] Un distributeur Hydraulique situé en amont de l'hélice dont l'angle de distribution est fixe et qui met en rotation le flux hydraulique. Une enveloppe ou manteau de forme cylindrique au niveau de l'hélice et conique au niveau du distributeur hydraulique qui accélère le flux hydraulique et le canalise axialement au niveau de l'hélice.
Cet ensemble est associé à un génie civil comportant deux chambres amont et aval dont le niveau aval est contrôlé. Ces deux chambres sont reliées par un trou conique de diamètre équivalent à celui du cône du manteau.
La machine est généralement installée verticalement dans ce trou mais elle peut être installée de façon légèrement incliné. Un mat avec un palan permet son extraction pour les opérations de maintenance.
Les dessins annexés présentent l'invention:
[0011] La fig. 1 présente en coupe principe du dispositif de l'invention dans la variante avec le générateur dans le moyeu de l'hélice.
[0012] La fig. 2: présente en situation dans un génie civil dans la variante avec le générateur immergé reposant et fixé par sa base.
[0013] Fig. 3: présente une variante en coupe du dispositif. Dans cette variante des ailettes positionnées axialement centrent le générateur et l'hélice par rapport au manteau cylindrique et permette sa fixation à la base du génie civil.
[0014] Fig. 3 bis: Présente une variante en coupe le dispositif de l'invention. Des ailettes positionnées axialement centrent le générateur et l'hélice par rapport au manteau cylindrique dans cette variante le générateur n'est plus fixé au fond du génie civil mais suspendu au manteau.
[0015] Fig. 4: présente en coupe une variante de montage de pales préformées aux profils optimisés assemblées et positionnées par serrage sur le cylindre constituant le moyeu de l'hélice.
[0016] Fig. 4 bis: présente en coupe un détail de la variante de montage de pales préformées Fig. 4 aux profils optimisés assemblées et positionnées par serrage sur le cylindre constituant le moyen de l'hélice.
[0017] Figure 5: présente en coupe une variante du montage avec le générateur placé sous l'hélice.
[0018] Fig. 5 bis: présente en coupe une variante du montage avec le générateur d'un diamètre plus important que l'hélice et placé sur le fond de la chambre aval du génie civil.
[0019] Fig. 6: présente en coupe une variante du montage avec le générateur d'un diamètre plus important que l'hélice et placé au-dessus du distributeur hydraulique et au niveau supérieur de l'eau, le montage d'un roulement de centrage protégé de l'eau dans la partie haute du moyeu de l'hélice.
Exemple de réalisation de l'invention
[0020] Le dispositif est un ensemble constitué d'un générateur (3) Fig. 1, d'une hélice constitué d'un cylindre (5) Fig. 1et de pales (1) Fig. 1, d'une enveloppe homogène comprenant une partie cylindrique (2) Fig. 1 et d'une partie conique (6) Fig. 1 dans sa partie supérieure et enfin d'un distributeur hydraulique (4) Fig. 1 assemblé mécaniquement à la partie conique de l'enveloppe.
Le fluide arrive par le haut de la chambre amont, il est mit en rotation par le distributeur hydraulique et entraine l'hélice en rotation en sortie des pales de l'hélice le flux se dirige axialement vers le bas entre dans la chambre aval puis vers la sortie de celle-ci.
Cet ensemble est réalisé en atelier ou en usine, Il est construit avec une grande précision et transporté sur place ou il est fixé au génie civil (6) Fig.
2 avant sa mise en service.
Ce dispositif est adapté par ses proportions à des hauteurs de chutes inférieures à quatre fois le diamètre de l'hélice soit par exemple une chute de 2.4 mètres pour un diamètre de 60 cm de l'hélice ce qui correspond à une puissance maximum de l'ordre 12 KW.
Dans la variante de la fig. 3 il est fixé au fond du génie civil par de pattes (9).
Dans la variante de la Fig. 3bis le dispositif est maintenu par la forme conique au sein du génie civil. La forme conique du préfabriqué dans lequel il s'emboite permet un démontage aisé et garanti centrage du dispositif. L'écoulement de du fluide Fig. 3bis(10) en aval sous le dispositif comme en amont n'est limité en aucune façon.
De même l'entretien le nettoyage des limons en est ainsi grandement simplifié.
Le dispositif selon l'invention est susceptible d'application industrielle car il permet une fabrication en série des composants et leurs assemblages en vue d'une installation simple et rapide par des personnels non spécialiste du domaine.
L'ensemble est conçu pour être installé verticalement mais il peut également être légèrement incliné.
L'hélice est constituée d'un tube fermé (5) Fig. 1dans sa partie supérieure et de pales fixées à sa périphérie (1) Fig. 1. Ce montage ainsi réalisé constitue une fois immergé une cloche (5) Fig. 2qui emprisonnent l'air.
Un générateur (3) Fig. 1 et est placé à l'intérieur de l'hélice et mécaniquement assemblé par son axe a cette hélice (5) Fig. 2.
Dans une première variante (3) Fig. 2la base de ce générateur est fixé au sol de la chambre aval du génie civil.
Dans une seconde variante le générateur peut être suspendu à l'enveloppe externe, dans ce cas il est maintenu et parfaitement positionné par des renforts (7) Fig. 3aux parois du manteau (5) fig. 2. Dans cette configuration le flux de l'eau peut s'échapper sous le générateur (10) Fig. 3 bis. L'enveloppe externe supporte l'ensemble des charges qu'elle répartie dans sa partie conique (8) Fig. 3bis au génie civil.
L'angle des pales et leurs nombre sont définis à la fabrication en fonction des caractéristiques de la chute (hauteur et débit).
Elles sont constituées soit de tôles soudées au tube (1) Fig. 1soit de pales préformés aux profils optimisés (18) fig. 4. Dans cette variante les pales sont boulonnées par deux écrous, un de centrage (12) Fig. 4 et un de réglage de l'inclinaison (13) Fig. 4le trou de ce dernier (13) Fig. 4 étant spécialement usiné en arc de cercle pour permettre une inclinaison des pales de + ou moins 15[deg.] ce qui permet un de réglage d'angle de la pale par rapport flux hydraulique. Dans cette variante une coque sphérique (11) fig. 4bis est ajouté pour maintenir la continuité de la forme hydraulique en fonction des différentes inclinaisons des pales.
[0021] Dans certain cas il n'est pas possible d'intégrer pour des raisons de dimension le générateur dans l'hélice ce qui nous impose de placer celui-ci au-dessous de l'hélice. Dans le cas où le générateur a le même diamètre il se positionne juste au-dessous de l'hélice et des pales (14) Fig. 5. Dans le cas le générateur à un diamètre encore plus important il se positionne sur le fond du génie civil (15) Fig. 5bis.
Une autre variante du dispositif est possible avec le générateur placé au-dessus de l'hélice et du distributeur hydraulique (16) Fig. 5ter. Dans cette variante un arbre non représenté relie à l'intérieur d'un tube (17) Fig. 5ter hélice au générateur électrique.
Dans une autre variante Fig. 6l'hélice (1) (5) (21) est lié mécaniquement à un arbre (22) Fig. 6et transmet le couple et la vitesse au générateur (16) situé au-dessus.
Le générateur (17) est lié mécaniquement à un tube (17) lui-même lié mécaniquement aux ailettes (4) du distributeur hydraulique cet ensemble est fixé à la partie conique (8) du manteau. Un ou plusieurs roulements (20) supportant la totalité de la charge axiale de l'hélice est judicieusement logé et protégé de l'eau dans la partie haute du moyeu de l'hélice. Parfaitement centré ce roulement est suspendu au manteau cylindrique (2) de la machine par des renforts disposés radialement (7).
Technical Field of the Invention
The present invention is a simplified hydroelectric power station which has a civil engineering of two upstream and downstream chambers which is associated is a hydroelectric assembly for very low drop which comprises a suction cone, a hydraulic distributor, a hydraulic propeller and a submerged or partially immersed generator. This very simple assembly is particularly suitable for waterfalls of very low height. Made in the workshop or in the factory from industrially produced parts It allows to be easily installed in a small prefabricated civil engineering or masonry on site without it requires great precision of construction or great skill of the installers .
State of the prior art.
For low falls there are mill wheels but moving masses are important as the size of the facilities, more mill wheels are difficult to exploit for falls below one meter finally the cost of such facilities is prohibitive .
Bulb group technology is known for a long time however it requires significant resources and a high accuracy for its implementation. Tree sealing problems in particular require complex solutions that are not compatible for reasons of cost with low power units that we are considering.
Small units exist but it is possible to simplify the construction while maintaining acceptable performance.
Summary of the invention
An object of the invention is to provide a hydroelectric assembly for falls whose minimum height is thirty centimeters and the maximum height less than four times the diameter of the propeller.
Another object of the invention is to achieve a submergible or semi-immersible hydro-electric assembly with few parts and easy to extract civil engineering for maintenance and if necessary repair.
Another object of the present invention is to provide a simple and standardized hydraulic machine whose parts are produced industrially and assembled in a workshop. Once built the hydroelectric complexes can be easily installed in a prefabricated civil engineering or masonry on the spot without particular competence.
Another object of the invention is to integrate a low-speed multipolar generator and without a mechanical multiplier generating an alternating voltage of 50 or 60 Hz and that in the propeller or closer to it to end simplify at maximum mechanical assembly and reduce the masses in motion and thus guarantee a long life of the whole.
Another object of the invention is to have a hydraulic machine having its rotation speed and the pressure variation at the blades as low impact as possible on wildlife, especially on small fish passing through the grids.
These objects are achieved by the device which is the subject of the independent claim, the dependent claims having optional features of the invention.
These goals are achieved by a hydraulic machine comprising:
An electric generator that transforms mechanical energy into electrical energy without a mechanical multiplier. This generator immersed or semi-immersed. It is placed in the hub, the air impeller trapped in the upper part of the hub offers a first sealing barrier.
It is either fixed at the bottom of the civil engineering, or suspended from the cylindrical mantle of the machine and perfectly centered by reinforcements arranged radially, or finally placed above the propeller and the hydraulic distributor in this variant a bearing supporting the entire the axial load of the propeller is conveniently housed in the upper part of the hub of the propeller. Perfectly centered this bearing is suspended from the cylindrical mantle of the machine by reinforcements arranged radially. A shaft of sufficient length and mechanically linked to the hub of the propeller transmits torque and speed to the generator located above.
A propeller consisting of blades welded to the hub or blades assembled by clamping whose angle of inclination with respect to the hydraulic flow is adjustable to the construction.
A hydraulic distributor located upstream of the propeller whose distribution angle is fixed and which rotates the hydraulic flow. A casing or mantle of cylindrical shape at the helix and conical at the level of the hydraulic distributor which accelerates the hydraulic flow and channels it axially at the level of the propeller.
This set is associated with a civil engineering comprising two upstream and downstream chambers whose downstream level is controlled. These two chambers are connected by a conical hole of diameter equivalent to that of the cone of the mantle.
The machine is usually installed vertically in this hole but it can be installed slightly inclined. A mast with a hoist allows its extraction for maintenance operations.
The attached drawings show the invention:
FIG. 1 shows in principle section of the device of the invention in the variant with the generator in the hub of the propeller.
FIG. 2: present in situation in a civil engineering in the variant with the immersed generator resting and fixed by its base.
FIG. 3: shows a variant in section of the device. In this variant axially positioned fins center the generator and the propeller with respect to the cylindrical mantle and allows its attachment to the base of the civil engineering.
FIG. 3 bis: presents a variant in section the device of the invention. Axially positioned fins center the generator and the propeller with respect to the cylindrical mantle in this variant the generator is no longer attached to the bottom of the civil engineering but hanging from the mantle.
FIG. 4: presents in section a variant of mounting preformed blades with optimized profiles assembled and positioned by clamping on the cylinder constituting the hub of the propeller.
FIG. 4 bis: presents in section a detail of the variant of assembly of preformed blades FIG. 4 optimized profiles assembled and positioned by clamping on the cylinder constituting the means of the propeller.
Figure 5 shows in section a variant of the assembly with the generator placed under the helix.
[0018] FIG. 5 bis: presents in section a variant of the assembly with the generator of a larger diameter than the propeller and placed on the bottom of the downstream chamber of civil engineering.
FIG. 6: presents in section a variant of the assembly with the generator of a larger diameter than the propeller and placed above the hydraulic distributor and the upper level of the water, the mounting of a centering bearing protected from the water in the upper part of the propeller hub.
Exemplary embodiment of the invention
The device is an assembly consisting of a generator (3) FIG. 1, a helix consisting of a cylinder (5) FIG. 1and blades (1) Fig. 1, a homogeneous envelope comprising a cylindrical portion (2) FIG. 1 and a conical portion (6). 1 in its upper part and finally a hydraulic distributor (4). 1 mechanically assembled to the conical portion of the envelope.
The fluid arrives from the top of the upstream chamber, it is rotated by the hydraulic distributor and drives the propeller in rotation at the outlet of the blades of the propeller the flow goes axially downwards enters the downstream chamber and then towards the output of it.
This set is made in workshop or factory, It is built with great precision and transported on site or it is fixed to civil engineering (6).
2 before it is put into service.
This device is adapted by its proportions to heights of falls less than four times the diameter of the propeller is for example a fall of 2.4 meters for a diameter of 60 cm of the propeller which corresponds to a maximum power of the order 12 KW.
In the variant of FIG. 3 It is fixed at the bottom of the civil engineering by legs (9).
In the variant of FIG. 3bis the device is maintained by the conical shape within the civil engineering. The conical shape of the prefabricated in which it fits allows easy disassembly and guaranteed centering of the device. The flow of fluid FIG. 3a (10) downstream under the device as upstream is not limited in any way.
In the same way the maintenance cleaning of the silt is thus greatly simplified.
The device according to the invention is susceptible of industrial application because it allows a series production of components and their assemblies for easy and quick installation by non-specialists in the field.
The set is designed to be installed vertically but it can also be slightly inclined.
The helix consists of a closed tube (5). 1in its upper part and blades fixed at its periphery (1). 1. This assembly thus produced is once immersed a bell (5) FIG. 2which trap the air.
A generator (3) Fig. 1 and is placed inside the helix and mechanically assembled by its axis to this propeller (5). 2.
In a first variant (3) FIG. 2The base of this generator is fixed to the floor of the downstream chamber of civil engineering.
In a second variant the generator may be suspended from the outer casing, in which case it is held and perfectly positioned by reinforcements (7). 3aux walls of the mantle (5) fig. 2. In this configuration the flow of water can escape under the generator (10) Fig. 3a. The outer casing supports all the loads that it distributes in its conical part (8). 3bis to civil engineering.
The angle of the blades and their number are defined at manufacture according to the characteristics of the fall (height and flow).
They consist either of sheets welded to the tube (1). 1 of preformed blades with optimized profiles (18) fig. 4. In this variant the blades are bolted by two nuts, one centering (12). 4 and a tilt adjustment (13) Fig. 4the hole of the latter (13) Fig. 4 being specially machined in an arc to allow a tilting of the blades of + or minus 15 [deg.] Which allows a degree of adjustment of the blade relative to the hydraulic flow. In this variant a spherical shell (11) fig. 4bis is added to maintain the continuity of the hydraulic form according to the different inclinations of the blades.
In some cases it is not possible to integrate for reasons of size the generator in the propeller which requires us to place it below the propeller. In the case where the generator has the same diameter it is positioned just below the propeller and the blades (14). 5. In the case of the generator with an even larger diameter it is positioned on the bottom of the civil engineering (15) Fig. 5a.
Another variant of the device is possible with the generator placed above the propeller and the hydraulic distributor (16). 5b. In this variant a not shown shaft connects inside a tube (17) FIG. 5ter propeller to the electric generator.
In another variant FIG. The blade (1) (5) (21) is mechanically connected to a shaft (22). 6 and transmits torque and speed to the generator (16) above.
The generator (17) is mechanically linked to a tube (17) itself mechanically linked to the fins (4) of the hydraulic distributor, this assembly is fixed to the conical portion (8) of the mantle. One or more bearings (20) supporting the entire axial load of the propeller is suitably housed and protected from the water in the upper part of the hub of the propeller. Perfectly centered, this bearing is suspended from the cylindrical mantle (2) of the machine by radially arranged reinforcements (7).