CH700856A2 - Centrale hydro-électrique pour très basse chute. - Google Patents

Abstract

Centrale hydro-électrique simplifiée comprenant un ouvrage de génie civil (6) de deux chambres aval et amont reliées par une turbine hydro-électrique (1–5) pour très basse chute. Cette centrale est particulièrement adaptée par ses proportions à des chutes de trente centimètres de dénivelé au minimum à un maximum de quatre fois le diamètre de sa roue. Elle comprend un cône d’aspiration, un distributeur hydraulique, une hélice hydraulique et un générateur immergé ou partiellement immergé. Ce générateur multipolaire est spécialement conçu pour produire à la vitesse nominale de la turbine hydraulique une tension de 230 volts 50 Hz ou 110 volts 60 Hz. Elle s’installe facilement dans un petit ouvrage de génie civil préfabriqué ou maçonné sur place. Par ses caractéristiques de vitesse de sa roue et de variation pression entre ses pales elle a peu d’effet destructeur sur la faune aquatique la traversant.

Description

  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).

Claims (8)

1. La centrale hydro-électrique simplifiée très basse chute est caractérisé en ce qu'elle comporte: Un génie civil comportant deux chambres amont et aval dont le niveau aval est contrôlé, ces deux chambres sont reliées par un trou de diamètre équivalent au diamètre du manteau (6) de la turbine. Une enveloppe ou manteau de forme cylindrique au niveau de l'hélice (2) et conique (6) au niveau du distributeur hydraulique (4) qui accélère le flux hydraulique et le canalise axialement le flux au niveau de l'hélice. Un distributeur hydraulique (4) situé en amont de l'hélice dont l'angle de distribution est fixe et qui met en rotation le flux hydraulique au niveau de la partie conique (6) du manteau. Un générateur électrique (3) qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique sans multiplicateur mécanique.

Ce générateur immergé est intégré au moyeu (5) de l'hélice il est fixé au fond de la chambre aval du génie civil. Une hélice constituée de pales soudées (1) au moyeu (5) dont l'angle d'inclinaison par rapport au flux hydraulique est définit à la construction.

2. La centrale hydro-électrique selon la revendication précédente en ce que le générateur est suspendu à l'enveloppe externe et parfaitement positionné par des renforts (7) aux parois du manteau (2). Le manteau répartit les charges axiales dans sa partie conique (8) à la base (6) de la chambre amont du génie civil.

3. La centrale hydro-électrique selon la revendication précédente est caractérisée en ce quelle est inclinée légèrement.

4. La centrale hydro-électrique selon les revendications précédentes est caractérisée en ce quelle comprend une hélice constituée de pales boulonnées par deux écrous, un de centrage (12) et un de réglage de l'inclinaison (13). Le trou dans le moyeu (13) étant spécialement usiné en arc de cercle pour permettre une inclinaison des pales de plus ou moins 15[deg.]. A ce qu'il lui est associé une coque sphérique (11).

5. La centrale hydro-électrique selon les revendications précédentes est caractérisée en ce quelle comprend un générateur (14) de même diamètre que l'hélice et placé sous l'hélice.

6. La centrale hydro-électrique selon les revendications précédentes est caractérisée en ce quelle comprend un générateur (15) Fig. 5 bis de diamètre plus important que l'hélice et fixé au fond de la chambre aval.

7. La centrale hydro-électrique selon les revendications précédentes est caractérisée en ce quelle comprend un générateur (16) Fig. 6 de diamètre plus important que l'hélice (5) ce générateur (16) est fixé au-dessus du distributeur hydraulique (4). Il est assemblé à celui-ci par un tube (17). L'énergie mécanique de l'hélice est transmise au générateur par un arbre (22). Un ou plusieurs roulements (20) supportent la totalité de la charge axiale de l'hélice. Ils sont judicieusement logés et protégés de l'eau dans la partie haute du moyeu de l'hélice. Parfaitement centrés par un support (19) ces roulements sont suspendus au manteau cylindrique (2) de la machine par des renforts disposés radialement (7).

8. La centrale hydro-électrique selon la revendication précédente est caractérisée en ce que montage soit revendiqué pour des hauteurs de chute de plus de 4 fois le diamètre de roue (hélice) et qu'il soit associé si nécessaire à un cône d'aspiration aval en prolongement du manteau (2).