FR2571276A1 - Dispositifs pour convertir l'energie d'un fluide en mouvement en un mouvement de rotation - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION EST RELATIVE A UN DISPOSITIF A TURBINE. UNE TURBINE ANNULAIRE 30 MONTEE DANS UN BOITIER CYLINDRIQUE 10 EST ENTRAINEE PAR LE COURANT DE FLUIDE. POUR LIMITER LA CHARGE AXIALE SUR LES PALIERS 64 PROVENANT DE LA POUSSEE DU FLUIDE, LA TURBINE AINSI QUE LE BOITIER INCLUENT DEUX JEUX D'AIMANTS 50, 51; 52, 53 DONT LES POLES SONT REPARTIS POUR QUE LES DEPLACEMENTS AXIAUX DE LA TURBINE DANS LES DEUX SENS SOIENT CONTRARIES PAR LA REPULSION MAGNETIQUE ENTRE LES AIMANTS DU BOITIER ET CEUX DE LA TURBINE. APPLICATION AUX FORAGES.
Description
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pour La présente invention est relative à des dispositifs/ appliquer un mouvement de rotation et plus particulièrement des dispositifs pour convertir l'énergie cinétique d'un courant de fluide en mouvement de rotation (ces dispositifs seront mentionnés par la suite comme étant "du type défini",
pour entraîner un générateur ou un instrument de signali-
sation par exemple.
Dans le domaine du forage, à cause des limitations de l'espace au fond du trou pour loger des batteries et
des problèmes associés à la nécessité de remplacer fréquem-
ment les batteries, il existe de nombreux cas dans lesquels il est souhaitable que l'énergie électrique soit engendrée au fond du trou par un turbogénérateur entraîné par le courant de boue (ou que l'énergie mécanique requise pour
entraîner une pièce en déplacement au fond du trou soit di-
rectement engendrée par une turbine entraînée par le cou-
rant de boue. On connaît des dispositifs pour remplir ces
fonctions au fond du trou. Par exemple les brevets FR-A-
de 2 489 407et FR-A-2 494 340/la Demanderesse exposent une disposition dans laquelle une turbine entraînée par la boue entraîne à la fois un générateur électrique et un organe d'
étranglement, déplaçable en ligne droite qui sert à engen-
drer des impulsions de pression dans le courant de boue,
dans le but de transmettre des valeurs de mesure à la sur-
face. Néanmoins, ces dispositifs connus nécessitent d'em-
ployer des paliers de turbine capables de supporter la pous-
sée importante due à l'action du courant de boue sur la
turbine et il est difficile de réaliser des paliers conve-
nables ayant une longue durée de vie.
L'invention a notamment pour objet de procurer un
dispositif du type défini qui est capable d'avoir une lon-
gue durée de vie, même dans des conditions hostiles.
Conformément à l'invention, on obtient un dispo-
sitif du type défini comprenant un boîtier cylindrique dont l'axe est aligné sur la direction du courant de fluide et une turbine annulaire disposée de manière à être entraînée par le courant de fluide et entourant le bottier de façon
à être coaxiale avec lui, le bottier et la turbine incorpo-
rant au moins deux aimants dont un premier est situé près d'une extrémité axiale de la turbine et comporte au moins un pôle Nord dirigé radialement vers l'extérieur et au moins un pôle Sud dirigé radialement vers l'intérieur et
dont un deuxième est situé près de l'autre extrémité axia-
le de la turbine et comporte au moins un pôle Sud dirigé
radialement vers l'extérieur et au moins un pôle Nord diri-
gé radialement vers l'intérieur, les aimants de turbine et de boîtier étant disposés l'un par rapport à l'autre de façon que le déplacement axial de la turbine-par rapport au boîtier dans une direction tendra à être contrarié par une force de répulsion magnétique agissant entre le premier aimant de boîtier et le deuxième aimant de turbine et le mouvement axial de la turbine par rapport au boîtier dans le sens opposé tendra à être contrarié par une force de répulsion magnétique agissant entre le deuxième aimant de
boîtier et le premier aimant de turbine.
Par conséquent, avec cette disposition, la pous-
sée axiale due au courant de fluide agissant sur la turbi-
ne est largement absorbée par l'interaction magnétique en-
tre les aimants de boîtier et les aimants de turbine et il y a peu ou pas de poussée axiale qui doive être supportée
par les paliers axiaux. Lorsque de tels paliers sont pré-
vus, ils ont seulement besoin d'avoir une structure très
légère et ne seront pas soumis à une usure rapide en ser-
vice. Il faut comprendre que le terme "aimants", tels qu'appliqué aux aimants de boîtier et aimants de turbine
dans le présent mémoire est prévu pour inclure non seule-
ment les aimants permanents et les électro-aimants, mais
également des aimants induits tels que ceux qui sont four-
nis par exemple par la polarisation magnétique d'une pièce
de matière ferro-magnétique dans un champ magnétique.
Dans un mode de réalisation préféré de l'inven-
tion, le premier aimant de boîtier est disposé radialement au voisinage du premier aimant de turbine et le deuxième aimant de bottier est disposé radialement au voisinage du deuxième aimant de turbine, ce qui fait que des forces d'
attraction magnétique sont établies entre les deux pre-
miers aimants et entre les deux deuxièmes aimants. Dans ce cas, le premier et le deuxième des aimants de boîtier sont de préférence axialement adjacents et le premier et
le deuxième des aimants de turbine sont de préférence axia-
lement adjacents.
Dans ce mode de réalisation préféré, les aimants
de boîtier peuvent être montés sur un organe d'entraîne-
ment rotatif qui est disposé-à l'intérieur du boîtier,
de façon à pouvoir tourner sous l'action du couple d'en-
traînement transmis à l'organe d'entraînement par la tur-
bine par l'intermédiaire du couplage magnétique entre la->
turbine et l'organe d'entraînement. L'organe d'entraîne-
ment peut être relié mécaniquement pour entraîner un géné-
rateur électrique à l'intérieur du boîtier. Le premier ai-
mant et le deuxième aimant sur le boîtier ainsi que sur un la turbine comprennent chacun/jeu d'aimants constitués par un nombre pair d'aimants répartis sous des angles
égaux autour de l'axe central, avec des aimants présen-
tant des pôles Sud dirigés radialement vers l'extérieur ou vers l'intérieur alternant sur la circonférence avec des aimants ayant des pôles Nord dirigés radialement vers 1'
extérieur ou vers l'intérieur, le premier jeu et le deuxiè-
me jeu des aimants sur le boîtier et sur la turbine étant décalés angulairement l'un par rapport à l'autre, de façon que les pôles Sud du premier jeu soient alignés axialement
avec les pôles Nord dans le deuxième jeu et vice-versa.
Dans une forme plus évoluée de l'invention, la turbine incorpore au moins un autre aimant qui est disposé par rapport aux aimants de boîtier de manière à tendre à produire une autre force de répulsion magnétique résistant au déplacement axial de la turbine sous la poussée axiale
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due au courant de fluide agissant sur la turbine.
Afin de mieux comprendre l'invention, on décri-
ra maintenant une forme préférée de dispositif selon 1' invention à titre d'exemple, avec référence aux dessins ci-annexés parmi lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un émetteur de signaux placé au fond du trou et connu en soi, avec lequel le dispositif de l'invention peut être utilisé;
la figure 2 est une coupe transversale du dispo-
sitif de l'invention, pratiquée le long de la ligne II-II de la figure 3; et la figure 3 est une coupe axiale de la turbine d'un côté du boîtier, étant entendu que la coupe complète
serait symétrique autour de l'axe A-A.
L'émetteur de signaux/, connu en soi, représenté sur la figure 1, est installé à l'intérieur d'un collier de forage disposé à l'extrémité d'un train de tiges dans un trou de forage pendant le forage. L'émetteur de signaux 1 sert à transmettre des valeurs de mesure à la surface, sous la forme de pulsations de pression, par une modulation
de la pression de la boue passant dans le train de tiges.
L'émetteur 1 comprend un tube 2 pourvu à son ex-
trémité supérieure d'un étranglement d'écoulement annulai-
re 4 qui définit un orifice d'étranglement 6 pour le cou-
rant de boue passant au travers du train de tiges dans la direction de la flèche 8. A l'intérieur du tube 2 se trouve un boîtier 10, de forme allongée, portant à son extrémité
supérieure, au voisinage de l'orifice étranglé 6, un orga-
ne d'étranglement 12 qui peut se déplacer par rapport au boi-
tier 10 de façon à faire varier la section transversale de débit de l'orifice d'étranglement 6. Une turbine annulaire 22 entoure le boîtier 10 et est capable de tourner dans le courant de boue. La turbine 22 est couplée magnétiquement
à un organe d'entraînement 18 situé à l'intérieur du boi-
tier, de façon à entraîner cet organe d'entraînement, le-
quel entraîne à son tour à la fois la pompe 16 et un géné-
rateur électrique 20 servant à fournir l'énergie électrique
au fond du trou. La pompe 16 est prévue pour déplacer l'or-
gane d'étranglement 12 en ligne droite, la direction de dé-
placement de l'organe d'étranglement 12 étant déterminée
par un actionneur à solénoïde (non représenté) sous la com-
mande d'un signal d'entrée électrique.
La structure et le fonctionnement détaillé d'un
tel émetteur de signaux peuvent être déterminés en se re-
portant au brevet FR-A-2 529 942 de la Demanderesse, dont
le contenu est incorporé ici par référence.
Dans la forme du dispositif selon la présente in-
vention qu'on va maintenant décrire-en se reportant aux fi-
gures 2 et 3 des dessins, la turbine représentée sur les
dessins de FR-A-2 529 942 est remplacée par une turbine an-
nulaire 30 comprenant un anneau intérieur 44 portant des aimants et un anneau 46 portant des ailettes 36 inclinées par rapport à la direction 28 du courant de boue. L'anneau 44 présente six fentes longitudinales 48 dans sa surface extérieure, ces fentes étant réparties sous des angles égaux autour de la circonférence de l'anneau 44. Chaque fente 48 contient une série de trois aimants à terres rares 49, 50
et 51/qui sont, de préférence/des aimants au samarium-co-
balt. Les trois aimants 49, 50 et 51 sont disposés dans
chaque fente 48 de façon que leurs pôles opposés soient res-
pectivement dirigés radialement vers l'intérieur et radia-
lement vers l'extérieur, la polarité du pôle dirigé vers l'intérieur (ou celui dirigé vers l'extérieur) alternant le long de la rangée des trois aimants. En outre, chaque jeu de six aimants 49, 50 ou 51, répartis sous des angles égaux autour de l'axe central est disposé de façon que les aimants comportant des pôles Sud dirigés radialement vers
l'extérieur (ou vers l'intérieur) alternent circonféren-
tiellement avec les aimants ayant des pôles Nord dirigés
radialement vers l'extérieur (ou respectivement vers l'in-
térieur). Il est clair que les trois jeux d'aimants 49, 50 et 51 doivent être décalés angulairement l'un par rapport à l'autre, de manière à assurer que les pôles des trois aimants 49, 50 et 51 dans chaque fente 48 alternent les
uns avec les autres dans le sens axial.
De plus, six jeux d'aimants, de type semblable aux aimants 49, 50 et 51 de la turbine 30, sont disposés dans six fentes longitudinales réparties sous des angles égaux autour de la circonférence d'un arbre entraîné à 1'
intérieur du boîtier 10. L'arbre entraîné n'est pas spéci-
fiquement montré sur les figures 2 et 3 afin de rendre ces figures plus claires. Chaque jeu d'aimants à l'intérieur de chaque fente prévue dans l'arbre entraîné comprend deux
aimants 52 et 53 disposés de façon que leurs pôles alter-
nent dans la direction axiale et en outre de façon que les
pôles des six jeux d'aimants alternent circonférentielle-
ment, de façon semblable aux aimants 49, 50 et 51 sur la
turbine 30.
La turbine 30 est montée de façon à pouvoir tourner à chaque extrémité par rapport au boîtier 10 au moyen de paliers à rouleaux 64, fonctionnant radialement,
qui agissent entre un collier respectif 60, fixé au boî-
tier 10 et une extrémité respective 62 de la turbine 30.
Les paliers 64 sont lubrifiés par le courant de boue.
En fonctionnement, la turbine 30 tourne dans le
courant de boue et l'accouplement magnétique entre les ai-
mants 49, 50 et 51 sur la turbine 30 et les aimants 52 et
53 sur l'arbre entraîné fait que l'arbre entraîné est ver-
rouillé par rapport à la turbine 30, de sorte que l'arbre entraîné est amené à tourner sous l'action de la turbine sans qu'il y ait besoin d'aucune liaison mécanique directe
ou d'un joint tournant associé. Dans cette situation, com-
me il est montré sur les figures 2 et 3, chaque pôle, diri-
gé vers l'intérieur, des aimants 50 de turbine fait face à un pôle, dirigé vers l'extérieur, de polarité opposée des aimants 52 sur l'arbre entraîné et chaque pôle, dirigé vers l'intérieur, des aimants 51 de turbine fait face à un pôle, dirigé vers l'extérieur, de polarité opposée des aimants
53 sur l'arbre entraîné. De ce fait, il y a une interac-
tion magnétique entre des pôles semblables des aimants 50 et 53 et entre des pôles semblables des aimants 51 et 52, ce qui tend à maintenir l'alignement axial de la turbine , comme on voit sur la figure 3. Si la turbine 30 est déplacée vers la droite, sur la figure 3, en vertu d'une poussée axiale exercée par le courant de boue, les pôles semblables des aimants 50 et 53 se rapprocheront, et ce
mouvement tendra à être contrarié par une force de répul-
sion magnétique agissant entre ces pôles. De façon sembla-
ble, si la turbine 30 est déplacée vers la gauche sur la figure 3, les pôles semblables 51 et 52 seront rapprochés et ceci tendra à être contrarié par une force de répulsion magnétique agissant entre les aimants 51 et 52. De plus des
pôles semblables sur les aimants 49 et 52 réagiront magné-
tiquement afin de fournir une plus grande résistance au mou-
vement de la turbine 30 vers la droite sur la figure 3, car ceci représentera la direction dans laquelle la poussée axiale exercée par le courant de boue agira sur la turbine 30. On comprend que la disposition ci-dessus servant à supporter magnétiquement la turbine permet d'éliminer presque entièrement toute poussée axiale agissant sur les paliers, de sorte que les paliers de la turbine peuvent
être du type fonctionnant dans le sens radial et que l'u-
sure sur ces paliers sera, en service, relativement faible.
La disposition ci-dessus décrite peut être modi-
fiée en ajoutant des jeux d'aimants supplémentaires sur la
turbine et/ou sur l'arbre entraîné afin d'augmenter la ré-
sistance axiale de la disposition au niveau requis pour une
application particulière.
Claims (8)
1. Dispositif pour convertir l'énergie cinétique d'un courant de fluide en mouvement de rotation, comprenant un boîtier cylindrique (10) dont l'axe est aligné sur la direction de l'écoulement du fluide et une turbine annulai- re (30) disposée pour être entraînée par le courant de
fluide et entourant le boîtier (10) de façon à être coaxia-
le avec celui-ci, caractérisé en ce que le boîtier (10) et la turbine (30) comportent chacun au moins deux aimants
(50, 51; 52, 53) dont un premier est situé près d'une ex-
trémité axiale de la turbine (30) et comporte au moins un pôle Nord dirigé radialement vers l'extérieur et au moins un pôle Sud dirigé radialement vers l'intérieur et dont un deuxième est situé près de l'autre extrémité axiale de la
turbine (30) et comporte au moins un pôle Sud dirigé radia-
lement vers l'extérieur et au moins un pôle Nord dirigé radialement vers l'intérieur, les aimants de turbine et de
boîtier (50, 51; 52, 53) étant disposés les uns par rap-
port aux autres de façon que le déplacement axial de la turbine (30) par rapport au boîtier (10) dans une direction
tende à être contrarié par une force de répulsion magnéti-
que agissant entre le premier aimant de boîtier (52) et le deuxième aimant de turbine (51) et le mouvement axial de la turbine (30) par rapport au boîtier (10) en sens opposé
tende à être contrarié par une force de répulsion magnéti-
que agissant entre le deuxième aimant de boîtier (53) et
le premier aimant de turbine (50).
2. Dispositif selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que le premier aimant de boîtier (52) est dis-
posé radialement au voisinage du premier aimant de turbi-
ne (50) et que le deuxième aimant de boîtier (53) est dis-
posé radialement au voisinage du deuxième aimant de tur-
bine (51), ce qui fait que des forces d'attraction magnéti-
que sont établies entre les deux premiers aimants (50, 52)
et entre les deux deuxièmes aimants (51, 53).
3. Dispositif selon la revendication 2, caracté-
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risé en ce que le premier aimant de boîtier et le deuxième aimant de boîtier (52, 53) sont axialement adjacents et en ce que le premier et le deuxième aimants de turbine (50,
51) sont axialement adjacents.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à
3, caractérisé en ce que les aimants de boîtier (52, 53) sont montés sur un organe d'entraînement tournant (18) qui
est disposé à l'intérieur du boîtier (10) de façon à pou-
voir tourner sous l'effet du couple d'entraînement trans-
mis à l'organe d'entraînement (18) par la turbine (30) par
l'intermédiaire de l'accouplement magnétique entre la tur-
bine (30) et l'organe d'entraînement (18).
5. Dispositif selon la revendication 4, caracté-
risé en ce que l'organe d'enttaînement (18) est relié mé-
caniquement pour entraîner un générateur électrique (20) à
l'intérieur du boîtier (10).
6. Dispositif selon l'une des revendications pré-
cédentes, caractérisé en ce que chacun des premier et deu-
xième aimants (50, 51; 52, 53) sur le boîtier (10) et sur
la turbine (30) comprennent chacun un jeu d'aimants cons-
titués par un nombre pair d'aimants répartis sous des an-
gles égaux autour de l'axe central, avec des aimants ayant des pôles Sud dirigés radialement vers l'extérieur ou vers l'intérieur qui alternent circonférentiellement avec des
aimants ayant des pôles Nord dirigés radialement vers l'ex-
térieur ou vers l'intérieur.
7. Dispositif selon la revendication 6, caracté-
risé en ce que chacun des premier et deuxième jeux des ai-
mants (50, 51; 52, 53) sur le boîtier (10) et sur la tur-
bine (30) sont décalés angulairement l'un par rapport à 1' autre, de sorte que les pôles Sud dans le premier jeu sont alignés axialement avec les pôles Nord dans le deuxième jeu
et que les pôles Nord dans le premier jeu sont alignés axia-
lement avec les pôles Sud dans le deuxième jeu.
8. Dispositif selon l'une des revendications précé-
dentes, caractérisé en ce que la turbine (30) et/ou le boî-
tier (10) incorporent au moins un autre aimant (49) qui est disposé par rapport aux autres aimants (50, 51, 52, 53) de façon à tendre à produire une autre force de répulsion magnétique s'opposant au mouvement axial de la turbine (30) sous l'effet de la poussée axiale due à l'écoulement
de fluide agissant sur la turbine (30).
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