EP3645863A1 - Dispositif de turbinage impliquant une chute d'eau provoquée par la mise en oeuvre d'un tube de venturi et installation hydraulique de production d'énergie mettant en oeuvre un tel dispositif de turbinage - Google Patents

Dispositif de turbinage impliquant une chute d'eau provoquée par la mise en oeuvre d'un tube de venturi et installation hydraulique de production d'énergie mettant en oeuvre un tel dispositif de turbinage

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EP3645863A1
EP3645863A1 EP18749008.1A EP18749008A EP3645863A1 EP 3645863 A1 EP3645863 A1 EP 3645863A1 EP 18749008 A EP18749008 A EP 18749008A EP 3645863 A1 EP3645863 A1 EP 3645863A1
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EP
European Patent Office
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volume
water
turbine
flow
air
Prior art date
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Withdrawn
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EP18749008.1A
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François REYES
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Individual
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/02—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side of rotors, e.g. Francis turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F03B11/002—Injecting air or other fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/08—Machine or engine aggregates in dams or the like; Conduits therefor, e.g. diffusors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F05B2240/133—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines with a convergent-divergent guiding structure, e.g. a Venturi conduit
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to a turbining device in which the driving force for driving a turbine is generated by a waterfall.
  • the waterfall is formed in solid water by exploiting the energy of a localized current.
  • the invention finds particular application in the production of electricity by hydraulic force and improves the production of a conventional hydroelectric power plant implementing a water reservoir.
  • Turbine turbines which are submerged to form tidal turbines.
  • Such turbines operate with the force of the current that drives, through a paddle wheel or a turbine, an electricity generator.
  • the powers produced by this type of turbine are therefore directly related to the speed of the current which determines the flow rate that can pass through the turbine.
  • the Spanish patent application ES 2,373,892 discloses an at least partially immersed system, driven by a stream of water passing through a Venturi-effect primary tube comprising a constriction, and which can provide work for a turbine placed in a secondary tube. for example, to produce electricity.
  • Turbines fed by the energy linked to waterfalls are also known. Indeed, the energy provided by a body of water is even more important than the height of fall is high. In addition to the power available, a high drop height is favorable to the efficiency of a hydroelectric installation.
  • a non-turbined reserved flow is maintained at the level of a dam, generally of the order of 10% of the average flow. of the dam.
  • the fish can not pass in the opposite direction of the current through the turbine, likewise for the descent, even if it is morphologically possible with the current and except for accidents.
  • the turbining device aims to produce mechanical energy that respects the constraints related to the respect of aquatic fauna.
  • the turbining device makes it possible to energetically enhance the reserved flow of a hydraulic installation in compliance with the technical and legal obligations, and the ecological constraints, which are imposed on this reserved flow.
  • the turbining device intended to be driven by a water flow of a reservoir, comprises:
  • Venturi tube comprising a convergent water inlet, a diverging outlet of water and a collar located between the convergent and the diverging;
  • a first volume having a side wall, a lower portion communicates with an inner portion of the Venturi tube in a region of the neck, and an upper portion has an upper opening and a suction opening;
  • a second volume having a side wall, an upper portion to be immersed under a surface of the reservoir, has a water intake and a lower portion is open on the upper opening of the first volume;
  • a third volume having a side wall, a lower part communicates with the first volume through the suction opening of the first volume and comprises an air intake for introducing air into the third volume.
  • a turbine assembly is arranged in the second volume, a turbine of the turbine assembly determining a water passage section from the second volume to the first volume, and the side walls of each of the first volume.
  • volume, second volume and third volume determine the watertight volumes, outside the openings provided for the communications between the different volumes and the Venturi tube, for the admission of air and for the intake.
  • the turbining device has the following additional features, taken alone or in combination in so far as they are technically operable:
  • the first volume comprises an upper isolating and / or regulating valve arranged to control a flow of water between the intake and the turbine unit;
  • the first volume comprises a lower isolation and / or regulation valve arranged to control a flow of water passing through said first volume towards the Venturi tube;
  • the water intake has a filtration grid
  • the filtering grid comprises a cleaning device comprising a screen which a scraper knife is arranged to scan a surface of said filtering grid;
  • the air intake comprises an air inlet control valve.
  • the air intake comprises an air duct, a proximal end opens into the third volume and a distal end opposite the proximal end of said air duct, opens above a surface of the reservoir ;
  • the air line is a flexible pipe whose distal end is maintained above the surface of the tank by a float;
  • the air intake comprises means for delivering air at a pressure greater than atmospheric pressure.
  • the turbining device comprises one or more ballast tanks which provides the turbine device a stable immersed position when the ballast tank or tanks are filled with water, and which ensures the turbomachinery buoyancy when the tank or tanks of ballast are empty of water and full of air;
  • the turbine assembly comprises an electric generator mechanically coupled to the turbine of said turbine assembly.
  • the invention also relates to a hydraulic power generation system, comprising a water tank and a water flow of the tank determining a height of drop between a surface of the tank and the flow, and implementing at least one turbining device according to the invention such that:
  • the axis YY 'of the Venturi tube is oriented in the direction of the flow so that the water of the flow enters the Venturi tube through the convergent and out the diverging;
  • a distal end of the air intake opens in the open air.
  • the reservoir (R) is a reserve of water resulting from a dam, and or;
  • the flow incorporates a reserved flow of the dam, and or;
  • the turbining device is immersed in the tank while resting on a bottom of the tank, or is arranged in a structure of the dam.
  • the hydraulic power generation system comprises at least one turbining device according to the invention and the reservoir is formed by a flowing stream, or a marine environment comprising a current natural.
  • the YY 'axis of the Venturi tube is oriented in the direction of the flow, or the natural flow, so that a flow of water from the flow, or natural flow, enters the Venturi tube by the convergent and out of the divergent.
  • FIG. 1 a schematic view of the arranged turbining device for the production of electricity
  • Figure 2 is a schematic view of the arrangement of the electric generator associated with the turbine device of Figure 1;
  • Figure 3 a schematic view illustrating the detail of an embodiment of a screen
  • Figure 4 a schematic representation of an example of a new concept of hydroelectric production dam incorporating in its structure the turbining device according to the invention.
  • FIG 1 there is shown a turbining device according to the present invention, installed on a waterfall formed by means of a dam B retaining.
  • This embodiment and the corresponding mode of implementation are illustrative and in no way limit the invention.
  • the dam B generally built in the bed of a watercourse, causes the formation of a reservoir R whose filling is provided by the surface water of the watershed upstream of said dam.
  • a height H is formed with respect to a water intake, in this example substantially corresponding to the height of said dam.
  • the dam has, in the illustrated embodiment, a discharge line E for forming a flow of water from the reservoir to a point below an upper surface S of the reservoir.
  • the discharge line E is in the general case provided with a stop valve V which makes it possible to control the flow in said discharge duct, in particular to allow said flow to flow or to prohibit it by opening or closing said valve .
  • the discharge pipe E advantageously corresponds, but not necessarily, to a pipe implemented to maintain a reserved flow imposed by standards, legal or administrative obligations, or specifications of the reservoir.
  • the discharge pipe E takes the water in a deep zone of the reservoir, for example substantially at a bottom F of the reservoir near the dam B and rejects the water also taken from a reservoir. low point to maintain as high a hydrostatic pressure as possible.
  • the turbining device in the example of form described, is placed on a bottom F of the tank in which it is immersed upstream of the dam B.
  • the turbining device comprises:
  • a support 18 providing a mechanical interface between the tank bottom F and the functional part of the turbining device in order to ensure the required stability
  • Venturi tube 12 arranged with an axis oriented substantially along a horizontal axis YY ';
  • a first volume 107B shown cylindrical with a vertical axis XX 'in FIG. 1, of depression; a turbine assembly 10;
  • a third volume 141 represented cylindrical with a vertical axis XX 'in FIG. 1, enveloping the second volume 107H;
  • Each of the first, second and third volumes comprises an outer envelope by determining a shape and a capacity, said outer envelope having openings with the ambient environment, the details of which are explained below in the context of the arrangement between them of the different parts of the turbine system.
  • the Venturi tube 1 2 has a known architecture of such a tube which, following the direction of flow of a fluid, has a convergent 121 followed by a divergent 122, which converge and diverge are connected to the level of 'a collar.
  • an outlet of the divergent 122 is connected to the pipe E so that the water passing through said pipe, forced by the hydrostatic pressure linked to the drop height H, passes through the Venturi tube in its axial direction.
  • the first volume 107B has a lower discharge opening 1 23 through which said first volume is open on the inside of the Venturi tube at the neck.
  • the first volume 107B has a suction opening 108, located above the lower discharge opening, through which said first volume communicates with the third volume 141.
  • the first volume 107B also includes a refill opening 109 located above the suction aperture 108, typically at an upper end of said first volume.
  • the turbine assembly 10 is arranged above the first volume 107B of so that an outlet of said turbine assembly, through which the water passing through the turbine is ejected, corresponds to the recharge opening of said first volume.
  • the second volume 107H has an ejection opening 110 located in a lower portion of said second volume. Said ejection opening also corresponds to an inlet of the turbine assembly 10.
  • the second volume 107H has a feed opening 112 located in an upper portion of said second volume.
  • Said feed opening is associated with a water intake 14, in practice provided with a grid 142 which allows the water of the tank R to enter the second volume 107H through the feed opening 112 by filtering the water debris that can be transported by the stream of water and prevent their entry into said second volume.
  • the third volume 141 whose cylindrical overall shape is arranged coaxial with the second volume 107H to contain said second volume, communicates in a lower portion of said third volume with an upper portion of the first volume 107B.
  • the suction opening 108 forms gills in a wall of the first volume in a low-pressure zone of the flow of water passing through said first volume so that the water potentially contained in the third volume 141 is sucked by said gills, as illustrated by the arrows shown in Figure 1.
  • the air intake 16 comprises a pipe 161 opening at a distal end 163 of the third volume 141 into the atmosphere so as to allow an air inlet at atmospheric pressure and opening at a proximal end 1 64 of the third volume 141 in said third volume so that air entering through the distal end pops into the third volume by the proximal end.
  • the air intake 16 comprises an air inlet control valve V3, for example located near the proximal end 164 to integrate its installation with the structure of the turbining device.
  • a lower valve valve V2 which in a closed position closes the first volume 1 07B so that a vertical flow of water along the axis of said first volume is interrupted. and which in a more or less open position allows such a flow, allowing the flow rate to be regulated if necessary.
  • an upper valve valve V1 which in a closed position closes the second volume 107H so that a vertical flow of water to the first volume 107B, along the axis of said second volume is interrupted and which in a more or less open position allows such a flow by allowing if necessary to regulate the flow.
  • FIG. 2 schematically illustrates an example of a turbine assembly 10 adapted to the case of electricity production.
  • a generator 11 of electric current is associated with a turbine 110, a rotor 104 is coupled to a rotor 101 of the generator.
  • a fixed structure supports a stator 102 of the generator to maintain an air gap 103 with the rotor of said generator, this in a known manner.
  • An axis XX 'of rotation of the rotating parts of the turbine assembly is vertical, said rotating parts being kept free in rotation with respect to the fixed structure.
  • the turbine 110 is in itself of a conventional form which will be adapted to the particular case of the turbining system in question, in particular taking into account its operating conditions, such as the flow rate and the drop height.
  • the turbine may be of axial flow type.
  • the turbine may be of the radial flow type.
  • the generator 11 is placed above the turbine 110 and with an inner rotor 101.
  • this example is not limiting and the skilled person can apply any known form of generator and coupling between the generator and the turbine that he will consider adapted according to its constraints: dimensions, cooling, sealing ...
  • the chassis 1 8 is schematically represented in the form of a metal structure 181 with feet 182 resting on the bottom F of the tank R, advantageously on a platform, not shown, built for this purpose to provide the turbine device with a position precise and stable for which it was designed.
  • the chassis 18 supports all the other components of the turbining device which has just been described so as to constitute a monolithic assembly.
  • holding means at the bottom of the tank in the form of ballast 183 and an optional ground anchoring, not shown.
  • ballast tanks 185 are formed whose filling with water, and the emptying are controlled so as to immerse and emerge the turbining device by filling or emptying said ballast tanks.
  • the Archimedes thrust produced ensures the floating of the device. turbines.
  • ballast tanks 185 are for example, as illustrated, made under the third volume 141 by an extension of a wall of said third volume continuing down to the frame 18.
  • partitions separate tightly the different volumes between them and with the environment.
  • This prolonged wall of the third volume is able to serve as a main vertical structure on which can be fixed securely the different parts of the turbine device, for example by ribs and not shown reinforcements.
  • Such an arrangement makes it possible to bring the turbine device to float on the surface S of the reservoir, substantially vertical to the functional position, for a light intervention or a routine inspection, without it being necessary to use means complex lifting.
  • the anchors and ballast tanks must allow the dryness of the turbine device for more or less complex operations of maintenance or repair.
  • the buoyancy of the turbining device makes it possible to easily move the turbine device, for example by towing, to the surface of the tank towards lifting means, not shown, or towards a dry dock, not shown.
  • the turbining device will include as many needs of the rings or bollards to be towed and lifted when needed. Operation of the turbine device.
  • Figure 1 illustrates the turbining device described above in an environment ensuring its operation.
  • the turbine device is immersed in a tank R so that the water intake 14 is below the surface S of said tank. This water intake 14 is thus supplied with water continuously.
  • the distal end 163 of the air intake is held in the open air above the tank surface by a snorkel or other system. equivalent, for example by means of a float 162 in the case of a pipe 161 flexible or articulated.
  • the divergent 122 of the Venturi tube is connected to the discharge line E so that, with the shut-off valve V open, the flow of water forced into the said discharge line by the hydrostatic pressure resulting from the height of H drop, passes through the Venturi tube 12 penetrating through the convergent 121 open in the tank R.
  • a depression in the section of the neck is formed in a known manner, a depression resulting from the acceleration of the flow in this section.
  • This depression has the effect of drawing the water that is in the first volume 107H as soon as the lower valve valve V2 is open and, by continuity of the volumes communicating through the gills, also sucks the water and or of the air which is in the third volume 141 when air is admitted by the air intake 16, which assumes that the valve V3 air inlet control, if such a valve is implemented, is opened.
  • the water level in said third volume decreases accordingly, the released space being then occupied by air admitted to atmospheric pressure by the air intake 16.
  • the suction of water through the Venturi tube will cease when the equilibrium of the pressures is reached or all the water has been sucked into the first volume and the third volume, as well as into the second volume 107H whose water is discharged by gravity in the first volume 107B, provided that the upper valve valve V2 is kept closed.
  • the lower valve valve V2 and or the upper valve valve V1 are advantageously used to regulate the operation of the turbine device, and advantageously to manage the stopping and starting phases of said turbocharging device.
  • the lower valve valve V2 provides control of the water supply sucked by the Venturi tube 12, closing more or less a section of the first volume 107B.
  • the upper valve valves V1 makes it possible to regulate the flow rate of the water entering the second volume 107H, and when the device stops isolating said second volume from the tank R.
  • the grid 143 may comprise a screen in the form of a scraper knife 144, mounted to rotate on an axis of revolution of said grid, in order to scrape a wall of said grid and prevent its obstruction by objects. floating ads.
  • a motor not shown, advantageously drives this scraper knife.
  • the continuous suction of air from the third volume when the device is in operation also has the effect of producing a large exchange surface between air bubbles and the water entraining the sucked air, which favors the oxygenation of water favorable to the development of aquatic life.
  • the energy produced by means of the turbining device of the invention is accumulated with a primary production of energy by the conventional means implemented by the dam B, if said dam comprises such means, without affecting said primary production. and thus improves the overall efficiency of the dam.
  • the energy produced by the turbining device of the invention makes it possible to use a portion of the water of the reserved flow without affecting the passage left free for the fauna which can cross the Venturi tube without any obstacle.
  • the turbining device of the invention is placed in a natural or forced stream as the only means of energy production, so as to maintain a passage section of the flow of natural water free of heat. 'obstacle.
  • the turbining device can be placed in a marine environment in a permanent current or in a tidal stream provided that it is taken care of to orient the horizontal axis YY 'in the direction of the current.
  • the turbining device can be placed in the stream of a stream, with which it will be able to produce energy without forming an obstacle to the movement of fish.
  • the turbine device can be placed in a tank upstream of a flow supplying turbines of the dam to produce additional energy without specific water sampling.
  • it will be taken care to place the turbine device at a sufficient distance from the turbines of the dam so that the flow of water having passed through said turbine device is stabilized, without critical swirls, and to avoid or to limit the risk of revealing cavitation phenomena induced by the operation of the turbining device.
  • FIG. 4 schematically shows in plan view, a form of implementation in which the turbine device is integrated in a technical structure of the dam B.
  • the dam also incorporates a hydroelectric power plant in which turbines 90, for example vertical axis Kaplan turbines, are also installed. conventional manner placed in water tubes 91 crossing the dam from upstream to downstream of the flow.
  • turbines 90 for example vertical axis Kaplan turbines
  • the Venturi tube 12 of the turbining device of the invention is sized to continuously deliver at least the reserve flow rate and the water sample in the reservoir feeding the convergent 121 of the Venturi tube is advantageously placed in a sediment accumulation zone 92 which are thus continuously discharged into the flow passing through said Venturi tube without the risk of damaging a turbine.
  • the turbining device of the invention can be implemented to meet localized energy needs, its installation does not require, in its submerged version, major civil engineering work which limits its ecological impact.
  • Another advantage of the turbining device of the invention is to meet temporary energy needs, said turbine device can be stopped and put back into operation without interrupting the flow of the reserved flow.
  • the different volumes can be arranged differently, for example juxtaposed for some or with staggered axes to facilitate their manufacture, assembly and inspection.
  • each element of the turbining device will be adapted to each particular case according to parameters such as the height of drop, the reserve flow rate, the expected power of said turbine device.
  • the arrangement of the turbine assembly may also be different, in particular depending on the type of turbine used and on the system driven by said turbine.
  • the invention is particularly suitable for driving an electric generator, it is also possible to drive other equipment, for example pumps, in general any equipment that can be driven by a rotating shaft, with or without reducer, the equipment that can be mounted closer to the turbine, as in the case described, or equipment that can be installed above the surface of the tank subject to implement a power transmission shaft of suitable length.
  • the air supplied by the air intake is at atmospheric pressure for a natural supply of the third volume.
  • the air supply of the turbine device is forced.
  • an air compressor not shown in the drawings, is associated with the air intake 16 so that the air admitted into the third volume 141 is at a pressure greater than atmospheric pressure.
  • Such a shape provides superior control capabilities through a larger air pressure range. It also makes it possible to ensure a faster start of the turbining device and to adapt it to more or less high falls.
  • Figure 1 is not representative in its proportions and in the relative dimensions of the different elements of a real installation but only a functional representation.

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Abstract

Un dispositif de turbinage comporte : - un tube de Venturi (12) avec un convergent (121) d'entrée d'eau, un col et un divergent (122) de sortie d'eau; - un premier volume (107B), communicant avec le col en partie inférieure, comportant une ouverture supérieure (109) et une ouverture d'aspiration (108); - un deuxième volume (107H), comportant une prise d'eau (14) en partie supérieure, ouvert en partie inférieure sur l'ouverture supérieure (109); - un troisième volume (141), communicant avec le premier volume (107B) par l'ouverture d'aspiration (108) en partie inférieure, et comportant une prise d'air (16). Un ensemble turbine 10 est agencé dans le deuxième volume (107H), une turbine déterminant une section de passage d'eau depuis le deuxième volume vers le premier volume (107B), et les parois latérales de chacun des premier volume, deuxième volume et troisième volume déterminent des volumes étanches, hors les ouvertures prévues.

Description

DISPOSITIF DE TURBINAGE IMPLIQUANT UNE CHUTE D'EAU PROVOQUEE PAR LA MISE EN OEUVRE D'UN TUBE DE VENTURI ET INSTALLATION HYDRAULIQUE DE PRODUCTION D'ENERGIE
METTANT EN OEUVRE UN TEL DISPOSITIF DE TURBINAGE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un dispositif de turbinage dans lequel la force motrice pour entraîner une turbine est générée par une chute d'eau.
Plus particulièrement, dans le dispositif de turbinage de l'invention, la chute d'eau est formée en eaux pleines en exploitant l'énergie d'un courant localisé.
L'invention trouve en particulier application dans la production d'électricité par la force hydraulique et permet d'améliorer la production d'une installation de production d'hydroélectricité conventionnelle mettant en œuvre un réservoir d'eau.
ETAT DE L'ART
La recherche de l'exploitation des forces de la nature pour produire une énergie mécanique utilisable pour les activités humaines est très ancienne. L'eau en écoulement des rivières et le vent ont au cours de l'histoire donné lieu à de nombreuses inventions qui sont aujourd'hui largement mises en œuvre pour répondre aux besoins continûment croissants d'énergie électrique des sociétés modernes.
La force motrice de l'eau est de nos jours encore considérée comme une source d'énergie renouvelable qui présente des qualités appréciées en termes de continuité de production et en termes de stockage. On connaît les turbines au fil de l'eau qui sont immergées pour constituer des hydroliennes.
De telles hydroliennes fonctionnent avec la force du courant qui entraîne, grâce à une roue à aubes ou à une turbine, un générateur d'électricité.
Les puissances produites par ce type de turbines sont donc liées directement à la vitesse du courant qui détermine le débit qui peut traverser la turbine.
Il est également connu d'utiliser un tube à effet Venturi pour exploiter un débit d'eau.
La demande internationale WO2016/046689 par exemple divulgue un compresseur d'air mettant en œuvre un tel tube.
Egalement, la demande de brevet espagnol ES 2 373 892 divulgue un système au moins partiellement immergé, entraîné par un courant d'eau traversant un tube primaire à effet Venturi comprenant un rétrécissement, et pouvant fournir du travail à une turbine placée dans un tube secondaire dans le but, par exemple, de produire de l'électricité.
On connaît également les turbines alimentées par l'énergie liée à des chutes d'eau. En effet, l'énergie apportée par une masse d'eau est d'autant plus importante que la hauteur de chute est élevée. Outre la puissance disponible, une hauteur de chute élevée est favorable au rendement d'une installation hydroélectrique.
Pour réguler le débit des chutes d'eau et pour stocker l'eau afin de disposer d'une réserve d'énergie utilisable, il est bien connu de construire des barrages artificiels créant des réservoirs dans lesquels l'eau est stockée puis est prélevée pour être acheminée vers des turbines hydrauliques placées à un niveau inférieur au niveau de l'eau dans le réservoir, cette différence de niveau constituant la hauteur de la chute.
De tels barrages et les réservoirs associés ne sont cependant pas sans inconvénients qui freinent aujourd'hui l'exploitation de nouveaux sites.
En effet, la densification du peuplement humain dans les zones qui seraient inondées en cas de construction d'un barrage rend de plus en plus difficile la sélection de nouveaux sites de production hydroélectrique qui seraient économiquement rentables.
En outre de telles installations ne sont pas sans poser des problèmes écologiques en perturbant le biotope de la flore et de la faune locale.
Ainsi, dans les pays soucieux de préserver l'écosystème aquatique et d'organiser la gestion de l'eau, il est maintenu au niveau d'un barrage un débit réservé non turbiné, en général de l'ordre de 10 % du débit moyen du barrage.
Ce débit non turbiné doit être assuré sans obstacle pour être ichtyo compatible.
Dans ces situations, il résulte directement que 10 % de la production possible d'énergie par un barrage ne peut pas être exploitée.
Il existe également des cas d'aménagements de fleuves ou rivières, barrages de régulation, écluses qui mettent en œuvre des chutes d'eau de moyenne hauteur qui sont inexploitées, ou peu exploitées, pour produire de l'énergie en raison d'une exploitation considérée comme économiquement non rentable ou difficilement compatible avec la vocation première de l'aménagement.
Cependant ces aménagements restent soumis aux mêmes obligations de maintenir un débit réservé qui n'est pas exploité et de leurs compatibilités avec la faune aquatique.
Dans le cas d'un barrage avec turbine intégrée, les poissons ne peuvent pas passer dans le sens contraire au courant à travers la turbine, de même pour la descente, même si c'est morphologiquement possible avec le courant et hormis les accidents.
Ceci oblige généralement à prévoir une échelle à poissons pour la montaison et l'avalaison des poissons en période de migration. L'impact écologique de ces échelles est important lors de la construction d'une part, inesthétique d'autre part et perdure jusqu'à une éventuelle démolition en cas de non usage. EXPOSE DE L'INVENTION
Le dispositif de turbinage selon la présente invention vise à produire une énergie mécanique qui respecte les contraintes liées au respect de la faune aquatique. Dans un mode de mise en œuvre, le dispositif de turbinage permet de valoriser énergétiquement le débit réservé d'une installation hydraulique dans le respect des obligations techniques et légales, et des contraintes écologiques, qui s'imposent à ce débit réservé.
A ces fins, le dispositif de turbinage, destiné à être entraîné par un écoulement d'eau d'un réservoir, comporte :
- un tube de Venturi comportant un convergent d'entrée d'eau, un divergent de sortie d'eau et un col situé entre le convergent et le divergent ;
- un premier volume, comportant une paroi latérale, dont une partie inférieure communique avec une partie intérieure du tube de Venturi dans une zone du col, et dont une partie supérieure comporte une ouverture supérieure et une ouverture d'aspiration ;
- un deuxième volume, comportant une paroi latérale, dont une partie supérieure, destinée à être immergée sous une surface du réservoir, comporte une prise d'eau et dont une partie inférieure est ouverte sur l'ouverture supérieure du premier volume ;
- un troisième volume, comportant une paroi latérale, dont une partie inférieure communique avec le premier volume par l'ouverture d'aspiration du premier volume et comporte une prise d'air destinée à introduire de l'air dans le troisième volume.
En outre, dans le dispositif de turbinage un ensemble turbine est agencé dans le deuxième volume, une turbine de l'ensemble turbine déterminant une section de passage d'eau depuis le deuxième volume vers le premier volume, et les parois latérales de chacun des premier volume, deuxième volume et troisième volume déterminent des volumes étanches, hors les ouvertures prévues pour les communications entre les différents volumes et le tube de Venturi, pour l'admission d'air et pour la prise d'eau.
Il est ainsi constitué un dispositif de turbinage dans lequel un écoulement d'eau devant être maintenu sans obstacle est mis à profit pour générer une chute intérieure au dispositif de turbinage, chute entraînant la turbine.
Dans des formes de réalisation particulières, le dispositif de turbinage comporte les caractéristiques additionnelles suivantes, prises seules ou en combinaison dans la mesure où elles sont techniquement opérables :
- le premier volume comporte un clapet supérieur d'isolement et ou de régulation agencé pour contrôler un flux d'eau entre la prise d'eau et l'ensemble turbine ;
- le premier volume comporte d'un clapet inférieur d'isolement et ou de régulation agencé pour contrôler un flux d'eau traversant ledit premier volume en direction du tube de Venturi ;
- la prise d'eau comporte une grille de filtration ;
- la grille de filtration comporte un dispositif de nettoyage comportant un dégrilleur dont un couteau racloir est agencé pour balayer une surface de ladite grille de filtration ;
- la prise d'air comporte une vanne de régulation d'entrée d'air.
- la prise d'air comporte une conduite d'air dont une extrémité proximale débouche dans le troisième volume et dont une extrémité distale, opposée à l'extrémité proximale sur ladite conduite d'air, débouche au-dessus d'une surface du réservoir ;
- la conduite d'air est une conduite souple dont l'extrémité distale est maintenue au dessus de la surface du réservoir par un flotteur ;
- la prise d'air comporte des moyens pour délivrer de l'air à une pression supérieure à la pression atmosphérique.
- le dispositif de turbinage comporte un ou des réservoirs de ballast qui assure au dispositif de turbinage une position immergée stable lorsque le ou les réservoirs de ballast sont remplis d'eau, et qui assure au dispositif de turbinage une flottabilité lorsque le ou les réservoirs de ballast sont vides d'eau et plein d'air ;
- l'ensemble turbine comporte une génératrice électrique couplée mécaniquement à la turbine dudit ensemble turbine. L'invention concerne également une installation hydraulique de production d'énergie, comportant un réservoir d'eau et un écoulement d'eau du réservoir déterminant une hauteur de chute entre une surface du réservoir et l'écoulement, et mettant en œuvre au moins un dispositif de turbinage selon l'invention tel que :
- l'axe YY' du tube de Venturi est orienté suivant la direction de l'écoulement de sorte que l'eau de l'écoulement entre dans le tube de Venturi par le convergent et ressorte par le divergent ;
- la prise d'eau est immergée sous la surface du réservoir ;
- une extrémité distale de la prise d'air débouche à l'air libre.
Suivant des formes particulières de réalisation, dans l'installation hydraulique :
- le réservoir (R) est une réserve d'eau résultant d'un barrage, et ou ;
- l'écoulement incorpore un débit réservé du barrage, et ou ;
- le dispositif de turbinage est immergé dans le réservoir en reposant sur un fond du réservoir, ou est agencé dans une structure du barrage.
- Dans une autre forme de réalisation, l'installation hydraulique de production d'énergie comporte au moins un dispositif de turbinage conforme à l'invention et le réservoir est formé par un cours d'eau en écoulement, ou un milieu marin comportant un courant naturel. L'axe YY' du tube de Venturi est orienté suivant la direction de l'écoulement, ou du courant naturel, de sorte qu'un flux de l'eau de l'écoulement, ou du courant naturel, entre dans le tube de Venturi par le convergent et ressorte par le divergent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Le dispositif est décrit ci-après en regard des dessins annexés, dessins sur lesquels les différentes figures représentent des formes de réalisation non limitatives dans le cas particulier d'un barrage artificiel :
Figure 1 : une vue schématique du dispositif de turbinage agencé pour la production d'électricité ;
Figure 2 : une vue schématique de l'agencement du générateur électrique associé au dispositif de turbinage de la figure 1 ;
Figure 3 : une vue schématique illustrant le détail d'un mode de réalisation d'un dégrilleur ;
Figure 4 ; une représentation schématique d'un exemple de nouveau concept de barrage de production hydroélectrique incorporant dans sa structure le dispositif de turbinage suivant l'invention.
Sur les dessins les différents éléments du dispositif de turbinage et de son environnement ne sont pas représentés à l'échelle.
DESCRIPTION DETAILLEE
Sur la figure 1 , on a représenté un dispositif de turbinage selon la présente invention, installé sur une chute d'eau formée au moyen d'un barrage B de retenue. Cette forme de réalisation et le mode de mise en œuvre correspondant sont illustratifs et aucunement limitatifs de l'invention.
Dans la suite de la description il sera utilisé les expressions au-dessus et en-dessous, ou des mots ou expressions équivalents pour désigner des positions relatives, dans le sens commun qui leurs serait donné par un observateur du dispositif de turbinage en situation fonctionnelle, étant en particulier compris que l'invention se situe dans le domaine de l'énergie hydraulique et de son utilisation à la production d'énergie, domaine dans lequel la gravité et les écoulements de fluides jouent un rôle essentiel.
De manière conventionnelle, le barrage B, généralement construit dans le lit d'un cours d'eau, provoque la formation d'un réservoir R dont le remplissage est assuré par les eaux de surface du bassin versant en amont dudit barrage.
Suivant une caractéristique du barrage B, il est formé une hauteur de chute H par rapport à une prise d'eau, dans cet exemple correspondant sensiblement à la hauteur dudit barrage. Le barrage possède, dans la forme de réalisation illustrée, une conduite de décharge E permettant la formation d'un écoulement de l'eau depuis le réservoir vers un point situé en dessous d'une surface S supérieure du réservoir.
La conduite de décharge E est dans le cas général pourvue d'une vanne d'arrêt V qui permet de contrôler l'écoulement dans ladite conduite de décharge, en particulier de permettre ledit écoulement ou de l'interdire en ouvrant ou en fermant ladite vanne.
La conduite de décharge E correspond avantageusement, mais non nécessairement, à une conduite mise en œuvre pour maintenir un débit réservé imposé par des normes, des obligations légales ou administratives, ou un cahier des charges du réservoir.
Dans le cas de l'invention, avantageusement la conduite de décharge E prélève l'eau dans une zone profonde du réservoir, par exemple sensiblement au niveau d'un fond F du réservoir près du barrage B et rejette l'eau prélevé également dans un point bas pour maintenir une pression hydrostatique aussi élevée que possible.
Ce choix avantageux permet de créer une hauteur maximale de la colonne d'eau entre la surface du réservoir et une captation de l'eau traversant le dispositif de turbinage comme il sera compris ultérieurement dans la description et une vitesse de l'écoulement dans la conduite de décharge E aussi élevée que possible conformément à la formule de Torricelli.
Le dispositif de turbinage, dans l'exemple de forme décrite, est posé sur un fond F du réservoir dans lequel il est immergé en amont du barrage B.
Toujours en référence à la figure 1 , le dispositif de turbinage comporte :
- un support 18 assurant une interface mécanique entre le fond F du réservoir et la partie fonctionnelle du dispositif de turbinage afin d'en assurer la stabilité requise ;
- un tube de Venturi 12, agencé avec un axe orienté sensiblement suivant un axe horizontal YY' ;
- un premier volume 107B, représenté cylindrique d'axe vertical XX' sur la figure 1 , de mise en dépression ; - un ensemble turbine 10 ;
- un deuxième volume 107H, représenté cylindrique d'axe vertical XX' sur la figure 1 , d'arrivée d'eau à destination de l'ensemble turbine ;
- un troisième volume 141 , représenté cylindrique d'axe vertical XX' sur la figure 1 , enveloppant le deuxième volume 1 07H ;
- une prise d'eau 14 pour alimenter en eau du réservoir R le deuxième volume 1 07H ;
- une prise d'air 1 6, depuis la surface S du réservoir dans l'exemple illustré, vers le troisième volume 141 .
Chacun des premier, deuxième et troisième volumes comporte une enveloppe externe en déterminant une forme et une capacité, la dite enveloppe externe comportant des ouvertures avec le milieu ambiant dont le détail est exposé ci-après dans le contexte de l'agencement entre elles des différentes parties du système de turbinage.
Le tube de Venturi 1 2 présente une architecture connue d'un tel tube qui, en suivant le sens de l'écoulement d'un fluide, présente un convergent 121 suivi d'un divergent 122, lesquels convergent et divergent sont raccordés au niveau d'un col.
Dans le cas présent, une sortie du divergent 122 est raccordé à la conduite E de sorte que l'eau passant dans ladite conduite, forcée par la pression hydrostatique liée à la hauteur de chute H, traverse le tube de Venturi suivant sa direction axiale.
Le premier volume 107B comporte une ouverture de décharge inférieure 1 23 par laquelle ledit premier volume est ouvert sur l'intérieur du tube de Venturi au niveau du col.
Le premier volume 107B comporte une ouverture d'aspiration 108, située au-dessus de l'ouverture de décharge inférieure, par laquelle ledit premier volume communique avec le troisième volume 141 .
Le premier volume 107B comporte également une ouverture de recharge 1 09 situé au-dessus de l'ouverture d'aspiration 108, typiquement à une extrémité supérieure dudit premier volume.
L'ensemble turbine 10 est agencé au-dessus du premier volume 107B de sorte qu'une sortie de dudit ensemble turbine, par laquelle l'eau traversant la turbine est éjectée, correspond à l'ouverture de recharge dudit premier volume.
Le deuxième volume 1 07H comporte une ouverture d'éjection 110 située dans une partie inférieure dudit deuxième volume. Ladite ouverture d'éjection correspond également à une entrée de l'ensemble turbine 10.
De cet agencement, il ressort que le deuxième volume 107H communique avec le premier volume 107B par l'ensemble turbine 10, et que en conséquence l'eau, située dans ledit deuxième volume, lorsqu'elle s'écoule dans ledit premier volume, traverse ledit ensemble turbine.
Le deuxième volume 1 07H comporte une ouverture d'alimentation 112 située dans une partie supérieure dudit deuxième volume.
Ladite ouverture d'alimentation est associée à une prise d'eau 14, en pratique pourvue d'une grille 142 qui permet à l'eau du réservoir R de pénétrer dans le deuxième volume 107H par l'ouverture d'alimentation 112 en filtrant les débris pouvant être transportés par le flux d'eau et éviter leur entrée dans ledit deuxième volume.
Le troisième volume 141 , dont la forme d'ensemble cylindrique est agencée coaxiale avec le deuxième volume 107H pour contenir ledit deuxième volume, communique dans une partie inférieure du dit troisième volume avec une partie supérieure du premier volume 107B.
Plus particulièrement l'ouverture d'aspiration 108 forme des ouïes dans une paroi du premier volume dans une zone dépressionnaire de l'écoulement de l'eau traversant ledit premier volume de sorte que l'eau potentiellement contenue dans le troisième volume 141 soit aspirée par lesdites ouïes, comme l'illustrent les flèches représentées sur la figure 1 .
La prise d'air 16 comporte une conduite 161 débouchant à une extrémité distale 163 du troisième volume 141 dans l'atmosphère de sorte à permettre une entrée d'air à la pression atmosphérique et débouchant à une extrémité proximale 1 64 du troisième volume 141 dans ledit troisième volume de sorte que de l'air entrant par l'extrémité distale ressorte dans le troisième volume par l'extrémité proximale. Dans une forme de réalisation, la prise d'air 16 comporte une vanne V3 de régulation d'entrée d'air, par exemple située près de l'extrémité proximale 164 pour intégrer son installation à la structure du dispositif de turbinage.
Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 1 , il est agencé une vanne clapet inférieure V2 qui dans une position fermée obture le premier volume 1 07B de sorte qu'un écoulement vertical de l'eau suivant l'axe dudit premier volume est interrompu et qui dans une position plus ou moins ouverte autorise un tel écoulement en permettant le cas échéant d'en réguler le débit.
De manière similaire, il est également agencé une vanne clapet supérieure V1 qui dans une position fermée obture le deuxième volume 1 07H de sorte qu'un écoulement vertical de l'eau, vers le premier volume 107B, suivant l'axe dudit deuxième volume est interrompu et qui dans une position plus ou moins ouverte autorise un tel écoulement en permettant le cas échéant d'en réguler le débit.
La figure 2 illustre schématiquement un exemple d'ensemble turbine 10 adapté au cas de la production d'électricité. Dans cet exemple, une génératrice 11 de courant électrique est associée à une turbine 110 dont un rotor 104 est couplé à un rotor 101 de la génératrice.
Une structure fixe supporte un stator 102 de la génératrice pour maintenir un entrefer 103 avec le rotor de ladite génératrice, ceci de façon connue. Un axe XX' de rotation des parties tournantes de l'ensemble turbine est vertical, les dites parties tournantes étant maintenues libres en rotation par rapport à la structure fixe.
La turbine 110 est en elle même d'une forme conventionnelle qui sera adaptée au cas particulier du système de turbinage considéré, en particulier prenant en compte ses conditions de fonctionnement, tel que le débit et la hauteur de chute.
La turbine peut être du type à écoulement axial. La turbine peut être du type à écoulement radial.
Dans la forme illustrée sur la figure 2, la génératrice 11 est placée au- dessus de la turbine 110 et avec un rotor 101 intérieur. Cependant cet exemple n'est pas limitatif et l'homme du métier pourra appliquer toute forme connue de génératrice et de couplage entre la génératrice et la turbine qu'il considérera adaptés en fonction de ses contraintes : dimensions, refroidissement, étanchéité ...
Les accessoires du type paliers, guidages, carters de protection de l'ensemble rotor/stator, les moyens de fixation sur le châssis 18 ne sont pas représentés, étant à la portée de l'homme de l'art et dépendant de la configuration du lieu.
Le châssis 1 8 est schématiquement représenté sous forme d'une structure métallique 181 avec des pieds 182 reposant sur le fond F du réservoir R, avantageusement sur une plate-forme, non représentée, construite à cet effet pour assurer au dispositif de turbinage une position précise et stable pour laquelle il a été conçu.
Le châssis 18 supporte l'ensemble des autres éléments constitutifs du dispositif de turbinage qui vient d'être décrit de façon à constituer un ensemble monolithique.
De façon avantageuse, il est prévu des moyens de maintien au fond du réservoir sous forme de lests 183 et d'un ancrage au sol éventuel, non représenté.
Avantageusement un ou des réservoirs de ballast 185 sont formés dont le remplissage avec de l'eau, et la vidange sont contrôlés de façon à immerger et à émerger le dispositif de turbinage par remplissage, respectivement vidange, desdits réservoirs de ballast.
Dans ce mode de réalisation, lors de la vidange des réservoirs de ballast 185, l'eau est remplacé par de l'air et, par un dimensionnement adapté du volume desdits réservoir de ballast, la poussée d'Archimède produite assure le flottage du dispositif de turbinage.
De tels réservoirs de ballast 185 sont par exemple, comme illustré, réalisés sous le troisième volume 141 par un prolongement d'une paroi dudit troisième volume se poursuivant vers la bas jusqu'au châssis 18. Bien évidemment des cloisons séparent de manière étanche les différents volumes entre eux et avec le milieu ambiant. Cette paroi prolongée du troisième volume est en mesure de servir de structure verticale principale sur laquelle peuvent se fixer solidement les différentes parties du dispositif de turbinage, par exemple par des nervures et renforts non représentés.
Un tel agencement permet d'amener le dispositif de turbinage à flotter à la surface S du réservoir, sensiblement à la verticale de la position fonctionnelle, pour une intervention légère ou une inspection de routine, sans qu'il soit nécessaire de faire usage de moyens de levage complexes.
Dans tous les cas, les ancrages et réservoirs de ballast doivent permettre la mise au sec du dispositif de turbinage pour des opérations plus ou moins complexes de maintenance ou de réparation.
La flottabilité du dispositif de turbinage, dont les réservoirs de ballast ont été remplis d'air, permet de déplacer aisément le dispositif de turbinage, par remorquage par exemple, à la surface du réservoir vers des moyens de levage, non représentés, ou vers une cale sèche, non représentée. A ces fins, le dispositif de turbinage comportera autant que de besoins des anneaux ou des bollards pour être remorqué et levé en cas de besoins. Fonctionnement du dispositif de turbinage.
En complément de la précédente description détaillée d'une forme de réalisation de l'invention, la description à suivre du fonctionnement du dispositif de turbinage permet d'en comprendre plus précisément l'importance de certains éléments qui seront utiles à l'homme du métier pour en comprendre les diverses formes de réalisation possibles en reprenant les principes.
La figure 1 illustre le dispositif de turbinage décrit précédemment dans un environnement assurant son fonctionnement.
Comme il est représenté schématiquement sur cette figure 1 , le dispositif de turbinage est immergé dans un réservoir R de sorte que la prise d'eau 14 se trouve sous la surface S dudit réservoir. Cette prise d'eau 14 est donc alimentée en eau de manière continue.
L'extrémité distale 163 de la prise d'air est maintenue à l'air libre au- dessus de la surface du réservoir par un schnorchel ou un autre système équivalent, par exemple au moyen d'un flotteur 162 dans le cas d'une conduite 161 souple ou articulée.
Le divergent 122 du tube de Venturi est raccordé à la conduite de décharge E de sorte que, la vanne d'arrêt V étant ouverte, le flux d'eau, forcé dans la dite conduite de décharge par la pression hydrostatique résultant de la hauteur de chute H, traverse le tube de Venturi 12 en pénétrant par le convergent 121 ouvert dans le réservoir R.
Du fait de ce flux d'eau traversant le tube de Venturi, il se forme de manière connue une dépression dans la section du col, dépression résultant de l'accélération de l'écoulement dans cette section.
Cette dépression a pour effet d'aspirer l'eau qui se trouve dans le premier volume 107H dés lors que la vanne clapet inférieure V2 est ouverte et, par continuité des volumes communiquant par les ouïes, aspire également l'eau et ou de l'air qui se trouve dans le troisième volume 141 lorsque de l'air est admis par la prise d'air 16, ce qui suppose que la vanne V3 de régulation d'entrée d'air, si une telle vanne est mise en œuvre, est ouverte.
Le niveau d'eau dans ledit troisième volume diminue en conséquence, l'espace libéré étant alors occupé par l'air admis à la pression atmosphérique par la prise d'air 16.
L'aspiration d'eau par le tube de Venturi cessera lorsque l'équilibre des pressions sera atteint ou que toute l'eau aura été aspirée dans le premier volume et dans le troisième volume, ainsi que dans le deuxième volume 107H dont l'eau se déverse par gravité dans le premier volume 107B, ce pour autant que la vanne clapet supérieure V2 est maintenue fermée.
Lorsque la vanne clapet supérieure V2 est également ouverte, l'eau admise par la prise d'eau 14 dans le deuxième volume 107H maintien ce dernier plein en compensant le volume aspiré dans le premier volume 107B.
Dans ce mouvement descendant de l'eau à travers le second volume 107H puis le premier volume 107B, il est produit un effet d'aspiration vers le premier volume 107B depuis le troisième volume 141 au travers des ouïes laissant lesdits premier et troisième volume communiquer qui maintient un vide d'eau dans le troisième volume 141 , et aspire de l'air dudit troisième volume dans l'écoulement d'eau du premier volume 107B, ce qui a pour conséquence d'amener et maintenir la pression dans le premier volume 107B, sous l'ensemble turbine 140, à une valeur voisine de la pression atmosphérique.
II est ainsi formé au sein du dispositif de turbinage une chute d'eau dont l'eau traversant verticalement le deuxième volume 107H génère une force motrice reprise par la turbine de l'ensemble turbine 10, qui dans le cas exposé produit une énergie électrique au moyen de la génératrice couplée à la turbine.
La vanne clapet inférieure V2 et ou la vanne clapet supérieure V1 sont avantageusement mises en œuvre pour réguler le fonctionnement du dispositif de turbinage, et avantageusement pour gérer des phases d'arrêt et de démarrage dudit dispositif de turbinage.
La vanne clapet inférieur V2 assure le pilotage de l'alimentation en eau aspirée par le tube de Venturi 12, en obturant plus ou moins une section du premier volume 107B.
La vannes clapet supérieure V1 permet de régler le débit de l'eau entrant dans le deuxième volume 107H, et à l'arrêt du dispositif d'isoler ledit deuxième volume du réservoir R.
La grille 143, comme représenté sur la figure 3, peut comporter un dégrilleur sous forme d'un couteau racleur 144, monté tournant sur un axe de révolution de ladite grille, afin de racler une paroi de ladite grille et éviter son obstruction par des objets indésirables flottants. Une motorisation, non représentée, entraîne avantageusement ce couteau racleur.
L'aspiration continue d'air depuis le troisième volume lorsque le dispositif est en fonctionnement a aussi pour conséquence de produire une surface d'échange importante entre des bulles d'air et l'eau entraînant l'air aspiré, ce qui favorise l'oxygénation de l'eau favorable au développement de la vie aquatique.
Il est ainsi possible de produire de l'énergie, notamment électrique, tout en étant parfaitement ichtyo compatible, et en limitant le besoin des échelles à poissons. L'énergie produite au moyen du dispositif de turbinage de l'invention vient se cumuler à une production primaire d'énergie par les moyens conventionnels mis en œuvre par le barrage B, si ledit barrage comporte de tels moyens, sans affecter la dite production primaire et permet ainsi d'améliorer le rendement global du barrage.
En outre l'énergie produite par le dispositif de turbinage de l'invention permet d'utiliser une partie de l'eau du débit réservé sans affecter le passage laissé libre pour la faune qui peut traverser sans obstacle le tube de Venturi.
Suivant d'autres conditions d'utilisation, le dispositif de turbinage de l'invention est placé dans un courant naturel ou forcé comme seul moyen de production d'énergie, de sorte à maintenir une section de passage du courant d'eau naturel exempt d'obstacle.
Par exemple, le dispositif de turbinage peut être placé en milieu marin dans un courant permanent ou dans un courant de marée pour autant qu'il soit pris soin d'orienter l'axe horizontal YY' suivant la direction du courant.
Par exemple, le dispositif de turbinage peut être placé dans le courant d'un cours d'eau, avec lequel il sera en mesure de produire une énergie sans former un obstacle au déplacement des poissons.
Par exemple, le dispositif de turbinage peut être placé dans un réservoir en amont d'un écoulement alimentant des turbines du barrage afin de produire une énergie supplémentaire sans prélèvement d'eau spécifique. Dans ce type d'installation, il sera pris la précaution de placer le dispositif de turbinage à une distance suffisante des turbines du barrage pour que l'écoulement d'eau ayant traversé ledit dispositif de turbinage soit stabilisé, sans tourbillons critiques, et éviter ou limiter le risque de faire apparaître des phénomènes de cavitation induit par le fonctionnement du dispositif de turbinage.
La figure 4 montre schématiquement en vue de dessus, une forme de mise en œuvre dans laquelle le dispositif de turbinage est intégré dans une structure technique du barrage B.
Dans la forme représentée, le barrage incorpore aussi une installation de production d'énergie hydroélectriques dans laquelle des turbines 90, par exemple des turbines Kaplan à axe vertical, sont également installées de manière conventionnelle placée dans des trompes à eau 91 traversant le barrage de l'amont vers l'aval de l'écoulement.
Dans cette exemple, le tube de Venturi 12 du dispositif de turbinage de l'invention est dimensionné pour délivrer en continu au moins le débit de réserve et le prélèvement d'eau dans le réservoir alimentant le convergent 121 du tube de Venturi est avantageusement placé dans une zone d'accumulation des sédiments 92 qui sont ainsi évacués en continu dans le flux traversant ledit tube de Venturi sans risque d'endommager une turbine. Le dispositif de turbinage de l'invention peut être mis en œuvre pour répondre à des besoins d'énergie localisés, son installation ne nécessitant pas, dans sa version immergée, de travaux de génie civil important ce qui limite son impact écologique.
Un autre avantage du dispositif de turbinage de l'invention est de répondre à des besoins en énergie temporaire, ledit dispositif de turbinage pouvant être arrêté et remis en fonctionnement sans interrompre le flux du débit réservé.
La forme de réalisation décrite, en particulier dans son architecture d'ensemble mettant en œuvre des volumes cylindriques et coaxiaux, présente des avantages en termes de compacité et de masse du dispositif de turbinage.
Cependant toute forme dans laquelle il est mis en œuvre trois volumes interagissant comme dans le cas de l'invention pour produire une chute au moyen d'un tube de Venturi peut également être envisagée.
Par exemple les différents volumes peuvent être agencés différemment, par exemple juxtaposés pour certains ou avec des axes décalés afin de faciliter leur fabrication, leur assemblage et leur inspection.
Les dimensions de chaque élément du dispositif de turbinage seront adaptées à chaque cas d'espèce en fonction de paramètres tels que la hauteur de chute, le débit de réserve, la puissance attendue dudit dispositif de turbinage.
L'agencement de l'ensemble turbine peut également être différent en particulier en fonction du type de turbine mis en œuvre et en fonction du système entraîné par ladite turbine. Bien que l'invention soit particulièrement adaptée à l'entraînement d'une génératrice électrique, il est aussi possible d'entraîner d'autres équipements, par exemple des pompes, d'une manière générale tout équipement pouvant être entraîné par un arbre tournant, avec ou sans réducteur, l'équipement pouvant être monté au plus prés de la turbine, comme dans le cas décrit, ou l'équipement pouvant être installé au-dessus de la surface du réservoir sous réserve de mettre en œuvre un arbre de transmission de la puissance de longueur adaptée.
Dans le dispositif décrit, l'air amené par la prise d'air est à la pression atmosphérique pour une alimentation naturelle du troisième volume.
Dans d'autres formes de réalisation, l'alimentation en air du dispositif de turbinage est forcée. Dans ce cas un compresseur d'air, non représenté sur les dessins, est associé à la prise d'air 16 pour que l'air admis dans le troisième volume 141 soit à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Une telle forme offre des capacités supérieures de régulation par une plage de pression de l'air plus importante. Elle permet également d'assurer un démarrage plus rapide du dispositif de turbinage et de l'adapter à des chutes plus ou moins hautes.
La description détaillée du dispositif de turbinage et son application ont été décrites en regard d'une chute d'eau qui présente des conditions avantageuses pour installer un tel dispositif de turbinage, mais comme déjà précisé, la production d'énergie, électrique ou autre, peut être obtenue de façon identique avec un courant de fond naturel d'un cours d'eau ou marin.
A ce titre, la forme de réalisation illustrée sur la figure 1 n'est pas représentative dans ses proportions et dans les dimensions relatives des différents éléments d'une installation réelle mais seulement d'une représentation fonctionnelle.

Claims

REVENDICATIONS
- Dispositif de turbinage, destiné à être entraîné par un écoulement (E) d'eau d'un réservoir (R), caractérisé en ce qu'il comporte :
- un tube de Venturi (12) comportant un convergent (121 ) d'entrée d'eau, un divergent (122) de sortie d'eau et un col situé entre ledit convergent et ledit divergent ;
- un premier volume (107B), comportant une paroi latérale, dont une partie inférieure communique avec une partie intérieure du tube de Venturi dans une zone du col, et dont une partie supérieure comporte une ouverture supérieure (109) et une ouverture d'aspiration (108) ;
- un deuxième volume (107H), comportant une paroi latérale, dont une partie supérieure, destinée à être immergée sous une surface (S) du réservoir (R), comporte une prise d'eau (14) et dont une partie inférieure est ouverte sur l'ouverture supérieure (109) du premier volume (107B) ;
- un troisième volume (141 ), comportant une paroi latérale, dont une partie inférieure communique avec le premier volume (107B) par l'ouverture d'aspiration (108) dudit premier volume et comporte une prise d'air (16) destinée à introduire de l'air dans ledit troisième volume ;
dans lequel dispositif de turbinage un ensemble turbine 10 est agencé dans le deuxième volume (107H), une turbine dudit ensemble turbine déterminant une section de passage d'eau depuis ledit deuxième volume vers le premier volume (107B) ;
dans lequel dispositif de turbinage les parois latérales de chacun des premier volume, deuxième volume et troisième volume déterminent des volumes étanches, hors les ouvertures prévues pour les communications entre les différents volumes et le tube de Venturi, pour l'admission d'air et pour la prise d'eau.
- Dispositif de turbinage selon la revendication 1 , dans lequel le premier volume (107H) comporte un clapet supérieur (V1 ) d'isolement et ou de régulation agencé pour contrôler un flux d'eau entre la prise d'eau (14) et l'ensemble turbine (10).
- Dispositif de turbinage selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel, le premier volume (107B) comporte d'un clapet inférieur (V2) d'isolement et ou de régulation agencé pour contrôler un flux d'eau traversant ledit premier volume en direction du tube de Venturi (12).
4 - Dispositif de turbinage selon l'une des revendications précédentes dans lequel, la prise d'eau (14) comporte une grille (142) de filtration.
5 - Dispositif de turbinage selon la revendication 4 dans lequel, la grille (142) de filtration comporte un dispositif de nettoyage comportant un dégrilleur (143) dont un couteau racloir est agencé pour balayer une surface de ladite grille de filtration.
6 - Dispositif de turbinage selon l'une des revendications précédentes dans lequel, la prise d'air (16) comporte une vanne (V3) de régulation d'entrée d'air.
7 - Dispositif de turbinage selon l'une des revendications précédentes dans lequel, la prise d'air (16) comporte une conduite d'air (161 ) dont une extrémité proximale (164) débouche dans le troisième volume (141 ) et dont une extrémité distale (163), opposée à l'extrémité proximale sur ladite conduite d'air, débouche au-dessus d'une surface (S) du réservoir (R).
8 - Dispositif de turbinage selon la revendication 7 dans lequel, la conduite d'air (161 ) est une conduite souple dont l'extrémité distale (163) est maintenue au dessus de la surface du réservoir (R) par un flotteur (162).
9 - Dispositif de turbinage selon l'une des revendications précédentes dans lequel, la prise d'air (16) comporte des moyens pour délivrer de l'air à une pression supérieure à la pression atmosphérique.
10 - Dispositif de turbinage selon l'une des revendications précédentes dans lequel, le dispositif de turbinage comporte un ou des réservoirs de ballast (185) qui assure audit dispositif de turbinage une position immergée stable lorsque ledit ou lesdits réservoirs de ballast sont remplis d'eau et qui assure audit dispositif de turbinage une flottabilité lorsque ledit ou lesdits réservoirs de ballast sont vides d'eau et plein d'air.
11 - Dispositif de turbinage selon l'une des revendications précédentes dans lequel, l'ensemble turbine (10) comporte une génératrice électrique (11 ) couplée mécaniquement à la turbine dudit ensemble turbine. - Installation hydraulique de production d'énergie, comportant un réservoir (R) d'eau et un écoulement (E) d'eau du réservoir déterminant une hauteur de chute (H) entre une surface (S) dudit réservoir et ledit écoulement, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un dispositif de turbinage conforme à l'une des revendications précédentes de sorte que :
- l'axe YY' du tube de Venturi (12) soit orienté suivant la direction de l'écoulement (E) de sorte que l'eau dudit écoulement entre dans ledit tube de Venturi par le convergent (121 ) et ressorte par le divergent (122) ;
- la prise d'eau (14) soit immergée sous la surface (S) du réservoir (R) ;
- une extrémité distale (163) de la prise d'air (16) débouche à l'air libre.
- Installation hydraulique de production d'énergie selon la revendication 12 dans laquelle le réservoir (R) est une réserve d'eau résultant d'un barrage (B).
- Installation hydraulique de production d'énergie selon la revendication 13 dans laquelle l'écoulement (E) incorpore un débit réservé du barrage (B). - Installation hydraulique de production d'énergie suivant l'une des revendications 12 à 14, dans laquelle le dispositif de turbinage est immergé dans le réservoir en reposant sur un fond (F) du réservoir
- Installation hydraulique de production d'énergie suivant l'une des revendications 13 ou 14, dans laquelle le dispositif est agencé dans une structure du barrage.
- Installation hydraulique de production d'énergie, comportant au moins un dispositif de turbinage conforme à l'une des revendications 1 à 11 dans lequel le réservoir (R) est formé par un cours d'eau en écoulement, ou un milieu marin comportant un courant naturel, et dans lequel l'axe YY' du tube de Venturi (12) est orienté suivant la direction de l'écoulement, ou du courant naturel, de sorte qu'un flux de l'eau dudit écoulement, ou courant naturel, entre dans ledit tube de Venturi par le convergent (121 ) et ressorte par le divergent (122)
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