FR2682432A2 - Hydraulic system for forcing liquid at a height by use of hydrostatic thrust (upthrust), and water raising machine - Google Patents

Abstract

Dispositif d'alimentation et d'évacuation de l'eau par utilisation de la colonne guide (13), recevant bouches (10, 14), bagues de coulisse (7, 8) pour la retenue (en 14) d'exhausseur immergé au remplissage et l'augmentation de la longueur d'action de la poussée d'Archimède pendant l'émersion à vide. Turbine hydrostatique caractérisée par un dispositif d'évacuation gravitaire de l'eau captée par des aubes (23), constitué par une ouverture (21) circonférentielle sur un stator (20) autour duquel tourne un rotor (22) avec les aubes, sous la poussée d'un courant en avant de la poussée d'Archimède.

Description

Compléments techniques apportés au brevet principal nO 88 05732, et suite aux Certificats d'Addition nO 88 16590 et nO 89 16686.

Concernant les exhausseurs qui figurent en l'état fonctionnel d'un compartimentage intermédiaire (figure 3 du
CA 16590 et figures 1, 2, 3 du CA 16686), les compartiments (2) et (3) sont présentés avec une imprécision descriptive.

Il s'agit notamment de la bouche (12) d'admission et de vidage communs qui apparait sous-dimensionnée.

Le présent Certificat d'Addition apporte à ce sujet l'observation suivante
Dans un exhausseur de puissance le compartiment haut n'a qu'un rôle structurel. En principe les éléments tubulaires qui surmontent solidairement le compartiment bas (1) assurent le fonctionnement de l'appareil. Dans ces conditions, une insuffisance de débits par la/les bouches (12) ferait perdre de la puissance à la poussée d'Archimède puisque soulevant inutilement de l'eau avec l'émersion du compartiment haut (2 ou 3).

La caractéristique de la bouche (12), si le compartiment directement situé au-dessus du compartiment bas (1) est conservé dans la conception de l'exhausseur, afin d'assurer sa solidité, est d'être de très grande dimension ou multiple à la base, de sorte que l'eau entre et sorte, passe aussi facilement qu'en l'absence de compartiment.

Une variante d'exhausseur de puissance, et en toute utilisation (avec levier, en système moteur), se caractérise d'une constitution en compartiment (1) unique.

Dans cette version les tubes asservis (14-4-7 : figures précédentes) prolongeant le corps creux (1) profondément immergeable peuvent nécessiter un renforcement.

Le présent Certificat d'Addition apporte, d'autre part, les améliorations représentées en la figure I et un développement du système représenté en la figure 2, pour les applications du principe d'Archimède spécifiées depuis le brevet principal.

La figure 1 indique une variante d'alimentation et de vidange, convenant autant à l'exhausseur dit "en liquide" comme à l'exhausseur dit "de puissance", qui se substitue aux tuyauteries souples.

La colonne guide (13) se caractérise, en le présente dispositif, en servant également comme conduit d'évacuation de l'eau et d'introduction d'un conduit d'alimentation en eau. La colonne est constituée en tube métallique inox ou en matériau composite extérieurement traité, dans lequel est introduit un tube (19) dont la section partage la section du tube (13) principal.

La colonne (13) se caractérise par une ouverture (11) ovale ou circulaire d'évacuation gravitaire du volume d'eau de compartiment bas (1). Cette ouverture est disposée en partie inférieure de la colonne, en correspondance avec la base de l'exhausseur lors de son immersion à fond de colonne, reposant sur une butée en caoutchouc (12).

Le tube interne (19) se caractérise par une bouche de sortie (10) soudée hermétiquement en affleurement circonférentiel de la colonne (13). Cette ouverture est disposée en partie supérieure de la colonne, en correspondance avec la base de l'exhausseur lorsque celuici est entièrement vidé et émergé au maximum.

Le dessous de l'exhausseur intégre un dispositif qui est caractérisé en ce que l'appareil coulisse librement le long de colonne sans échange de liquide avec le réservoir (6).

Le dispositif est constitué d'une bague (8) coulissante, en matériau comportant un lubrifiant par alliage. La bague est constituée avec une cannelure (9) de retenue.

L'indispensable tube d'aération (4), qui concerne tous les genres d'exhausseurs, selon l'invention, est rendu concentrique à la colonne (13). Cet endroit caractérise un dispositif qui permet le guidage en évitant le problème de l'étanchéité. I1 est constitué d'une bague (7) coulissante haute, moins épaisse que la bague (8) coulissante basse, laquelle est intégrée à la base du tube d'aération (4). La bague haute (7) comporte une série de percements (5) qui permettent le passage de l'eau et de l'air. La tolérance en jeu de cette bague haute est dès lors plus grande que la tolérance en jeu exigée pour la coulisse de la bague basse.

Concernant la partie extérieure de la colonne et de l'exhausseur, la colonne, en sa fonction de tube d'évacuation, comporte un coude (18) prolongé d'une électro-vanne (17); le tube d'alimentation (19) est soudé en entrée de son passage dans le coude et il comporte une électro-vanne (16).

Un piston hydraulique ou électromagnétique (15) mettant en oeuvre une anse de retenue (14) fixée sur un socle et articulant sur un axe vertical (13) à la base du réservoir (6), caractérise un dispositif de retenu de l'exhausseur, par introduction dans la cannelure (9) de la bague (8) basse.

Le fonctionnement d'ensemble de ces dispositif se réalise de la manière suivante, en partant de la phase d'immersion d'un cycle d'exhausseur
Lorsque l'appareil immerge et touche la butée (12) qui entoure la colonne (13) à la base du réservoir (6), une commande automatique déclenche simultanément la retenue par l'anse (14) et l'ouverture de la vanne (17) d'évacuation.

L'eau s évacue par gravité à travers la bouche (11), pendant que l'appareil est retenu en immersion. Dès que vide ces opérations inversent et la retenue lâche avec l'écartement de l'anse, permettant à la poussée d'Archimède d'agir. L'appareil émerge et se trouve en sa phase motrice.

Lorsqu'il arrive au point mort haut, la vanne (16) d'alimentation s'ouvre et l'eau entre par la bouche (10) jusqu'au remplissage de l'exhausseur; la fermeture de la vanne (16) s'effectue avec l'immersion à fond de colonne.

Avec ce système, le contenu d'eau du réservoir reste indépendant du circuit d'eau de consommation. I1 est néanmoins préférable de perdre en étanchéité à la bague (8) pour n'avoir qu'un frottement négligeable.

La régulation peut être assurée par pressostats ou/et capteurs électroniques.

L'évacuation et l'alimentation peuvent également être effectuées par pompes, soit l'un ou l'autre. Dans ce cas les électro-vannes ne sont plus indispensables : il suffit d'un système anti-refoulement.

Le présent dispositif peut également fonctionner en l'absence du dispositif de retenu (14). Caractérisé, en cette version, par une surélévation de la bouche (11) qui est disposée directement en-dessous de niveau plein du volume de compartiment bas (1) - non compté le plein absolu qui est indiqué par le niveau de l'eau monté dans le tube d'aération (4); l'emplacement de la bouche (10) ne change pas. L'évacuation implique un débit important et l'exhausseur une forme longiligne; la colonne (13) munie d'une bouche (11) donc de section également en rapport au volume à évacuer, pour que pendant l'émersion la vidange ait le temps de s'accomplir quand la base de l'appareil arrive au regard de la bouche.

Le présent dispositif peut également être réalisé en utilisant la colonne (13) tubulaire à elle-seule. I1 est caractérisé, en cette version, en ce que l'alimentation se réalise par le sommet de la colonne et en ce que l'intérieur soit obstruée entre les deux bouches, afin que la partie tubulaire qui a pour fonction l'évacuation reste indépendante.

Le présent dispositif convient encore sans la bouche (10) d'alimentation. Version qui conserve le ou les compartiments comportant un système de régulation selon le brevet initial et les certificats d'addition précédents.

L'exhausseur se conçoit dans ce cas en mode mixte.

Ce dispositif se caractérise en ce que la colonne (13) serve, en plus de sa fonction de guide, seulement de moyen d'évacuation. I1 est constitué d'une bouche (11) unique ou doublée judicieusement répartie(s) le long de la colonne, de sorte à assurer l'évacuation gravitaire de l'eau ou par pompe du seul compartiment bas (1) ou du corps de l'exhausseur de puissance. La vanne (17) et le rendu coaxial du tube (4) d'aération, selon la présente invention, restant indispensables; le dispositif de retenu (14) étant facultatif. Dans ce mode d'alimentation le puisage a ainsi lieu dans le réservoir.

La figure 2 représente un dispositif de turbine mue par la poussée hydrostatique, selon le principe de substitution d'un volume d'air à un volume d'eau évacué, caractérisant l'ensemble des exhausseurs selon l'invention, et selon l'utilisation d'un tube comportant une ouverture de fuite, conformément au dispositif décrit ci-dessus.

Le présent dispositif est caractérisé en ce qu'un tube dit stator (20) est disposé, à l'horizontal en parallèle à une ligne (b) passant par son centre, en-dessous du niveau (a) d'une réserve d'eau, et selon que le départ d'une fente (21) d'échappement commence à 200 en-dessous à cette ligne, côté poussée hydrostatique utile, de telle sorte qu'une série d'aubes tubulaires (23) se vident par cette fente pour être animées.

Le dispositif est constitué d'un stator (20), en matériau inox léger ou lourd, traversant de son côté ouvert perpendiculairement une paroi verticale dont une face donne à l'air libre; la face opposée formant réservoir d'eau en laquelle se situe le stator de son côté fermé.

Le stator est caractérisé par son ouverture (21) d'échappement, laquelle est constituée en fente dont la longueur circonférentielle est de 1300 et la largeur légèrement inférieure au diamètre des aubes. En prolongement linéaire haut et opposé à la fente, le stator comporte une série de percements (24) sur une distance déterminée. La surface circonférentielle du stator est traitée pour recevoir un rotor (22), en vue de rotation sans frottement, tolérant des fuites négligeables.

Le rotor (22) est caractérisé par six ou huit aubes (23) régulièrement réparties autour de sa circonférence. Le rotor et les aubes sont constitués en un matériau inox et léger. La circonférence interne du rotor est constituée d'une surface traitée adaptée à la rotation autour du stator.

Chaque aube (23) est caractérisée par sa forme tubulaire constituée en deux bras identiques coudés en angle droit, de telle sorte que le bras dont l'entrée (25) arrive en dégagement des eaux au niveau (a), corresponde au bras dont la sortie (26) arrive à la base de la fente (21), afin que la pression atmosphérique agisse sur le contenu en eau de l'aube et que l'évacuation gravitaire s'amorce.

Les aubes sont de dimension, de longueur et de diamètre déterminés en ce que le volume d'eau puisé par chacune s'échappe entièrement par la fente avant que sa suivante commence son échappement lors de la rotation. Cet effet est conditionné par la hauteur de niveau (a) variable au-dessus du stator. Le bras d'entrée (25) étant dirigés dans le sens de rotation, vers la sortie en surface des eaux.

Lorsque le bras d'entrée retouche la surface des eaux, l'aube puise de l'eau par cette entrée (25) et l'air contenu s'échappe par la série de percements (24). L'eau recueillie à l'intérieur du stator s'évacue extérieurement par gravité; elle ne doit pas déborder par la fente, ce qui détermine en conséquence la section du stator et en relation au débit.

Quand chaque aube arrive de son bras de sortie (26) au seuil de la fente (21), alors la vidange s'accomplit sous effet conjugué de la pression de l'air et de la pesanteur de l'eau contenue. La poussée d'Archimède agit proportionnellement à l'allégement de l'aube qui tourne en ce sens (c).

La vitesse de la turbine hydrostatique dépend du débit des eaux en transit, sa puissance dépend du volume d'eau évacuable à la seconde ainsi que de la longueur des aubes. Cette puissance est également fonction de la hauteur des eaux, entre la surface (a) au centre (b) de turbine, qui conditionne soit la poussée entière sur une seule aube ou une poussée additionnelle partielle sur une seconde aube.

La présente mono-turbine peut être couplée, sur le même stator (20), d'autres turbines, chacune décalée par son rotor (22). Dans cette version le stator traverse nécessairement deux parois, facilitant l'évacuation de l'eau qui coule alors par les deux extrémités ouvertes. Un engrenage droit ou une poulie, solidaire du rotor, transmet le mouvement.

Selon l'invention, la turbine hydrostatique est fonctionnelle en eau morte. Un surcroît de puissance peut lui être donné par des ailerons (27) établis de part et d'autre du bras d'entrée (25). Dans ce cas les aubes sont également entrainées en eaux courantes ou sous chute, et leur configuration est particulièrement appropriée à l'action d'un courant de surface et de fond.

Rappelons le principe fonctionnel d'un exhausseur.

Lorsqu'avec 3 surfaces superposées, de gravite (b), de service (a), d'exhaussement (c), la surface (a) est alimentable naturellement, gardée en niveau constant, un exhausseur elève l'eau de (a) en (c) par évacuation d'eau de (a) en (b) à laquelle se substitue de l'aire
quand un corps creux rempli de liquide plongé dans un liquide prend une masse variable par échappement gravitaire (en b) d'un volume, le volume exhaussé (an c) par dessus la surface (a) peut eatre rendu supérieur L'exhaussement d'un potentiel d'énergie liquide est inversement proportionnel à l'abaissement d'un potentiel d'énergie liquide. Le rendement peut dépasser l'unité.

Ce rendement est valable en un milieu ouvert et pour un exhausseur de type 3. Il est évidemment autre si l'on observe l'échange de quantités de liquide en milieu ferme, entre les surfaces (a) et (c).

Considérons le système dont la surface (a) est alimentée à partir de la surface (c) au-dessus L'échange de haut en bas est une "restitution", de bas en haut il est une "récupération'1. Le rendement doit tenir compte en (c) de la perte d'eau par rapport au gain* Dans le premier des cas type 3 - (c) échange 3 volumes contre 2 volumes avec (a) qui cède 1 volume à (b). Dans le cas le plus défavorable type 1 - (c) échange 3 volumes contre t volume avec (a) qui cède 2 volumes à (b).L'emploi de l'exhausseur en liquide, étudié pour fonctionner en puits (CA précédent, avec la figure 1), c) échange 8 volumes contre seulement 3 volumes avec (a) qui cede 4 volumes a' (b); mais ceci à toute hauteur déterminée par la séparation du compartimentage e
Ces trois figurations représentatives permettent des taux de rendement successivement de 0,66 (+2/3) de 0,33 (+1/-3), de 0,37 (+3/-8). En le premier cas (rend. 0,66) l'on élève beaucoup d'eau à minime hauteur; en les autres cas l'on élève moins dteau a plus grande hauteur.

Si l'on considère le mode d'échange en milieu fermé entre (c) et (a) également en milieu ouvert, c'est-à-dire avec une alimentation en (a) par sources, cours d'eau, partielle ou totale, les rendements de ci-dessus deviennent absolus, respectivement : de 2 (+2/-i), de 0,5 (+1/-2), de 0,75 (+3/-4). Tous les types d'exhausseur et dispositifs precedement décrits ont alors leur utilité spécifique
Considérons maintenant le système en partant de la surface (a) de service ouvert, librement alimentée, et qui devisent lieu d1évacuation au moyen d'une pompe.

L'exhaussement de (a) en (c) forme encore un gain en énergie qui s' avère supérieur à la dépense d'énergie par la force motrice, dans les cas de taux de rendement précédent à 2 et 0,75, Vérification fate d'expérience suivante ;
L'on mesure la consommation en intensité de la pompe qui vide le bas de l'exhausseur...; on mesure le volume d'eau proprement exhaussé...; l'on effectue ensuite la remontée d'un volume identique directement avec la pompe en mesurant à nouveau l'intensité consommée C....> . L'on constate que le rapport 3/4 peut devenir un rapport inverse de 4/3, lorsque le choix de la hauteur est grand et que la pompe ne peut plus refouler au mêe débit qu'à la base où la différence manométrique est nulle.

Par ce fait, en un cours dont la pesanteur cause la dénivellation des eaux, celui-ci peut donc se rendre réversible sous l'effet de la poussée d'Archimède sur un exhausseur en produisant une "renivellation" des eaux.

Par ce fait, m3ne chose concernant la chute d'eau : la charge soulevée au moyen d'un exhausseur de puissance et rapport à la hauteur apparait d'énergie contraire et identique. A poids egal, la poussée hydrostatique l'élève d'une force toute aussi continue de bas en haut que lorsque celui-ci chute de haut en bas.

Ces résultats montrent l'interne du dispositif : 1 - A la "renivellation" des eaux (Forces naturelles sont en jeu, comme en dénivellation sans refoulement..).

Cette utilisation convient à l'alimentation de réservoir d'irrigation, etc.. Rentable même avec pompe.

2 - A la récupération des eaux. Cette utilisation convient à la remontée des eaux déverses en aval d'un barrage hydro-électrique. Pas de pope nécessaire en principe.

3 - A la production d'energie électrique d'appoint en barrage, au moyen de l'exhausseur de puissance, vue la grande profondeur et le présent dispositif (fig.1) qui permet d'exploiter celle-cs au mieux. L'on associe alors de préférence l'intérêt 2 et 3 : l'eau consommée, tant par la chute que par exhausseurs-générateurs, peut se remonter partiellement à partir de réservoir-puits du bas de la retenue principale 4 - A L'épuration biologique des eaux et leur recyclage.

Utilisation en station d'épuration, pisciculture, etc.

Le rendement excellent de tous les dispositifs, selon l'invention, concerne ainsi autant ceux consommant de l'énergie électrique que potentielle. Les débits sont améliorés par utilisation de la colonne guide (13) selon le présent dispositif, permettant l'exhaussement de volumes et de charges considérables

Claims (10)

REVENDICATIONS

1) Ensemble de dispositifs d'un système hydraulique qui concerne l'utilisation de la poussée hydrostatique à l'exhaussement de liquide et à sa conversion en mouvement rotatif, selon la revendication 1 du brevet initial; qui concerne les revendications 3 et 6 du certificat d'addition n0 88 16590 et la revendication 1 du certificat d'addition n0 89 16686; caractérisé en ce que la distribution de l'eau dans le dispositif dit exhausseur peut s'effectuer à travers la colonne guide (13) tubulaire; caractérisé en ce que le volume d'eau évacuable, actif, lorsqu'il s'agit d'un exhausseur dit de puissance, est avantageusement contenu en un compartiment (1) bas unique; caractérisé, d'autre part, en ce que la poussée d'Archimède s'utilise à l'animation d'une turbine, selon le principe d'évacuation gravitaire de l'eau.

2) Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la colonne guide (13) est constituée avec une bouche d'évacuation (11) se situant en partie inférieure, en correspondance avec le lieu bas de l'exhausseur, ou se situant à une hauteur de colonne plus élevée, en correspondance avec le lieu directement en-dessous du sommet de compartiment (1), lorsque l'appareil pose en immersion à fond de colonne.

3) Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un tube d'alimentation (19) se dispose en enfilement par la base dans la colonne tubulaire (13), en communiquant d'une bouche (10) de sortie en partie supérieure de la colonne et en correspondance avec le lieu bas de l'exhausseur lorsque l'appareil est entièrement émergé sans charge à vide; caractérisé en ce que l'alimentation en eau par ce tube intériorisé et l'évacuation de l'eau dans la colonne se réalisent indépendamment au moyen d'électro-vannes (16 et 17) à leur base.

4) Dispositif, selon la revendication 2, caractérisant une version en laquelle la fonction d'évacuation et d'alimentation est assurée uniquement par la colonne (13) tubulaire, constitué d'une obturation de la colonne entre la bouche d'évacuation (11) et la bouche d'alimentation (10) qui est servie par le sommet de la colonne.

5) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la coulisse de l'exhausseur le long de la colonne (13) se réalise sans friction et d'une manière sans fuites d'eau, constitué d'une bague (8) traitée à cet effet, solidaire du dessous de l'exhausseur, comportant une cannelure (9) de retenue; et constitué d'une bague (7) intégrée au tube d'aération (4) disposé concentriquement à la colonne, comportant des percements (5) de communication.

6) Dispositif, selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'exhausseur est retenu puis lâché après immersion et évacuation de compartiment bas (1), lorsqu'il se trouve coulissé à fond de colonne, constitué d'une anse (14) qui se positionne dans la cannelure (9) sous l'action d'un piston hydraulique ou électromagnétique (15).

7) Dispositif constituant une turbine hydrostatique dont les caractéristiques fonctionnelles sont conformes à l'exhausseur, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un stator (20) tubulaire traverse par son côté ouvert perpendiculairement une paroi, son côté opposé étant fermé et sous eau, ou en ce qu'il est installé avec ses deux côtés ouverts entre deux parois parallèles, et en ce que l'eau s'évacue par gravité soit d'un côté ou des deux côtés en partant d'aubes solidaires d'un rotor (22) tournant autour du stator; et caractérisant une monoturbine ou un groupe de turbines identiques décalées et couplées entre elles.

8) Dispositif, selon la revendication 7, caractérisé en ce que le rotor rencontre, en cours de rotation libre ajustée sans friction, une ouverture de fuite de l'eau par le stator, à la suite du remplissage des aubes lors de leur immersion à la surface (a) des eaux et de leur disposition d'évacuation de l'eau au moment de leur émersion à cette surface, constituée d'une fente (21) circonférentielle réalisée dans le stator et ayant une largeur légèrement inférieure au diamètre d'aube, une longueur d'angle de 1300 dont la base se situe à un angle de 200 en-dessous d'une ligne (b) horizontale parallèle à la surface (a) des eaux et passant au centre du stator.

9) Dispositif, selon la revendication 8, caractérisé en ce que le stator, en prolongement du sommet de la fente (21), est constitué d'une série de percements (24) destinés à évacuer l'air des aubes lors de leur remplissage en eau.

10) Dispositif, selon la revendication 7, caractérisant une suite de 6 à 8 aubes semblables, équidistantes et solidaires du rotor (22), qui sont constituées de tubes (23) à bras de longueur identique, coudés au milieu à angle droit, dont chaque bras d'entrée (25) ouvert est dirigé dans le sens de rotation et dont chaque bras de sortie (26) ouvert débouche sur la fente (21) du stator; caractérisant des aubes qui peuvent être munies d'ailerons (27) en bout de chaque bras d'entrée pour être poussées par un courant ou une chute d'eau en complément de la poussée d'Archimède.