Machine hydraulique à roue à aubes
DOMAINE DE L'INVENTION [0001] La présente invention concerne les machines à turbine hydraulique pour des cours d'eau de basse chute. Elle vise particulièrement l'équipement de sites nouvellement créés, ou le rééquipement de sites anciens exploités antérieurement avec des roues à aubes traditionnelles, comme source d'énergie électrique renouvelable sur des cours d'eau de petite ou moyenne taille. ÉTAT DE LA TECHNIQUE [0002] Un des enjeux de ce type d'installation est de créer des équipements relativement faciles à mettre en exploitation sur les plans technique et juridique tout en préservant au maximum le milieu naturel et notamment la faune piscicole. On a vu récemment se développer des installations qui mettent en oeuvre une turbine ou roue à aubes d'axe horizontal possédant une vitesse de rotation réduite, typiquement ne dépassant pas environ vingt tours par minute, et dont les aubes ou pales sont aménagées pour permettre aux différentes espèces aquatiques, telles que poissons ou anguilles, emportées par le courant, de traverser la machine sans dommage. [0003] Une telle machine est par exemple décrite dans le document de demande de brevet WO 2004/048773. Le courant aquatique est canalisé en tout ou partie dans un couloir à parois verticales entre lesquelles est installée la roue. Le canal est limité par une paroi de fonds incurvée selon un arc cylindrique entre une entrée du côté amont du canal et une sortie en aval au voisinage de l'aplomb de l'axe de la roue. Un organe fixe est monté à l'intérieur de la roue avec une paroi qui couvre un arc de cercle et délimite une quatrième face pour ce canal. L'extrémité des aubes la plus proche de l'axe de la roue passe en tournant le long de cette paroi qui constitue ainsi un élément formant barrage pour l'eau admise du côté amont de la roue. En raison de cet effet de barrage le 2935447 -2- niveau de l'eau du courant avant son entrée entre les aubes de cette roue du canal s'élève par rapport au niveau de sortie du canal en bas de cette roue. Cet effet de retenue avant l'entrée du courant d'eau dans la roue aide à assurer la captation de l'énergie du courant pour entraîner la roue. Le courant d'eau après avoir traversé le canal parcouru par les 5 aubes est rejeté en aval de la roue. La roue est équipé d'un système de transmission de son mouvement vers une génératrice de courant électrique après une importante multiplication du rapport de transmission en raison de la faible vitesse de rotation de la roue par rapport aux besoins des génératrices électriques actuellement utilisées pour obtenir une énergie commercialisable. 10 [0004] Le système qui vient d'être présenté comporte un inconvénient du fait que l'élément formant barrage doit être fixé entre deux disques tournants entre lesquels sont montées les aubes de la roue. Il en résulte de grosses difficultés pour la récupération de l'énergie mécanique produite par ce moyen. En effet le seul moyen de fixer l'élément formant barrage à l'environnement de la roue dans son site, sans interférer avec le 15 déplacement des aubes autour de l'axe de la roue, consiste précisément à maintenir cet élément de barrage par une fixation qui traverse les disques dans leur partie centrale pour y être supporté par les parois verticales du canal de captation du courant d'eau motrice. Une première solution pour monter la roue à rotation dans le canal consiste alors à fixer les disques sur des moyeux articulés autour des éléments de fixation du 20 barrage fixe qui traversent ces disques. L'autre solution consiste à monter les disques rotatifs à l'aide de galets roulant à la périphérie d'un ou plusieurs organes cylindriques porté par l'élément de barrage fixe. [0005] Dans les deux solutions qui viennent d'être évoquées, la récupération du mouvement de la roue par une transmission suffisamment performante et fiable pour 25 transmettre l'énergie captée à machine génératrice pose des problèmes tout à fait considérables. Parmi ceux-ci on peut mentionner le fait que si l'on souhaite employer la première solution évoquée ci-dessus pour équiper un moyeu solidaire de la roue tournant sur un bout d'arbre fixe, il est nécessaire de l'équiper d'un pignon primaire de sortie dont la taille et le nombre de dents soient compatibles avec la puissance à transmettre. En pratique les couples à transmettre dans ces conditions, compte tenu du 2935447 -3- rapport de multiplication considérable à mettre en oeuvre, sont technologiquement impraticables sans la mise en oeuvre d'un engrenage de grand diamètre. [0006] On peut vouloir également employer, avec l'une ou l'autre des deux solutions d'articulation évoquées précédemment, une prise du mouvement de la roue par 5 une couronne à denture cylindrique de diamètre relativement important pour engrener sur un pignon dont l'axe est couplé à une transmission adaptée. Dans ce cas également des problèmes majeurs se manifestent pour réaliser et maintenir le couplage entre le pignon et la couronne dentée avec le degré de précision et de fiabilité nécessaires dans le temps. Dans ce cas, la protection des pièces mises en oeuvre vis à vis de 10 l'environnement relativement hostile des installations est difficile à réaliser . Enfin, les efforts en jeu restent à des niveaux tels que non seulement les pièces de la machine doivent être renforcées, à un coût évidemment non négligeable, mais également les couples de réaction exercés sur le disque portant la couronne dentée aboutissent à créer des torsions entre les disques qui se répercutent sur les aubes et affectent le 15 fonctionnement de la machine. Toutes ces difficultés viennent grever le bilan d'exploitation de machines fonctionnant sur ce principe, voire dans certains cas interdisent même tout recours à des solutions de ce type.
EXPOSE DE L'INVENTION 20 [0007] Face à ces difficultés, la présente invention vise à permettre la réalisation d'une machine hydraulique à roue à aubes qui pallie les inconvénients rapportés ci-dessus à propos de la récupération de l'énergie mécanique produite par son fonctionnement. [0008] Plus spécifiquement l'invention vise une machine hydraulique à roue à aubes dans laquelle la roue est montée sur un arbre, ou équivalent, tournant dans des paliers 25 fixes pour permettre de réaliser la prise de l'énergie produite à partir de la rotation de cet arbre avec des moyens de transmission classiques. [0009] A cet effet, l'invention a notamment pour objet une machine hydraulique à aubes comprenant une roue équipée d'une série d'aubes montées circonférentiellement entre deux flasques latéraux, propres à tourner par rapport à des paliers fixes, extérieurs à ces 2935447 -4- flasques, dans un couloir aménagé dans un site naturel sur un cours d'eau pour définir un canal d'écoulement d'eau dans ladite roue. Ce canal est limité, de chaque côté, vers l'amont par une paroi dudit couloir, puis plus en aval par l'un des flasques de la roue à aubes et, au fond, par une paroi inférieure concave à profil circulaire, au ras de laquelle 5 peuvent défiler les arêtes radiales externes des aubes, ladite paroi concave étant disposée entre une zone d'admission pour le remplissage par devant des aubes en amont de ladite roue, et une zone d'échappement en aval de ladite roue. [00101 Conformément à l'invention, cette machine est caractérisée en ce que le canal d'écoulement est limité vers le haut par la paroi d'un bouclier monté pivotant par 10 rapport à l'axe de ladite roue, entre les deux flasques, et indépendant en rotation de celle-ci. Le bouclier pivotant forme donc un obstacle sur le trajet de l'eau vers son canal d'écoulement dans la roue et participe à la formation d'une retenue en amont de cette roue. En outre il peut être opportun de prévoir que le point d'entrée de l'eau dans la zone d'admission de la paroi inférieure concave à profil circulaire est plus élevé que le point 15 de sortie de cette paroi dans la zone d'échappement. [00111 Selon une forme préférée, le bouclier qui forme la paroi supérieure du canal d'écoulement de l'eau dans la roue est suspendu entre les deux flasques. Il est avantageusement lesté par un balourd qui limite, par gravité, son pivotement avec le mouvement de la roue en évitant ainsi que ladite surface supérieure ne soit entraînée en 20 rotation autour de l'axe avec la roue. A cet égard, il peut être monté sur un tube ou sur un manchon, ou encore raccordé par des rayons à une ou, de préférence, deux bagues, tous ces éléments étant montés à rotation autour d'un arbre, ou de deux bouts d'arbre, solidaires des flasques de roue, de façon à permettre la rotation de ces derniers indépendamment du bouclier. En pratique le poids du lest agit pour maintenir ce 25 bouclier dans une position quasi stationnaire, où il ne subit qu'une rotation de petite amplitude sous l'effet des couples d'entraînement en rotation qui peuvent lui être appliqués, en tournant, par l'arbre sur lequel il pivote, ou même par la pression et le frottement des filets d'eau admis entre les aubes. Pour régler finement la position du bouclier, on peut prévoir de rajouter au lest initial un appoint sous forme de masses en 30 fonte ou en béton judicieusement positionnées. 2935447 -5- [0012] Une conséquence particulièrement importante pour une réalisation performante de l'invention est que le mouvement de la roue à aubes peut être directement prélevé sur un arbre solidaire de cette roue par un couplage direct à une prise de puissance pour exploiter l'énergie mécanique fournie à la roue par l'écoulement d'eau dans le canal . 5 [0013] En particulier, l'énergie mécanique développée peut être prélevée directement à l'extrémité de l'arbre de roue par exemple en aménageant l'installation pour qu'une de ses extrémités traverse le palier de rotation correspondant et débouche de l'autre côté dans un espace où ladite extrémité est couplée à un boîtier de multiplication et de transmission à une génératrice d'énergie électrique. Il en résulte une grande simplicité 10 de réalisation des accouplements correspondants avec des éléments de transmission classiques et largement disponibles commercialement. [0014] Les paliers de rotation de l'arbre de la roue peuvent être avantageusement intégrés de part et d'autre de la roue dans les parois du couloir d'aménagement du site de la machine. En outre, il est opportun de monter le bouclier pivotant par rapport aux 15 flasques de la roue à l'aide de deux articulations montées entre lesdits flasques. [0015] En fonctionnement, l'eau qui circule dans le canal d'écoulement est arrêtée par le bouclier pour former une retenue à partir de laquelle elle est canalisée dans la zone d'admission pour remplir les espaces inter aubes qui se présentent devant elle au fur et à mesure de la rotation de la roue. Elle suit le canal d'écoulement entre la paroi inférieure 20 et la face radiale externe du bouclier à l'intérieur de la roue jusqu'en un point vers l'aplomb de l'axe de la roue où la paroi inférieure s'interrompt pour permettre l'éjection de l'écoulement vers l'aval du cours d'eau. [0016] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemple non 25 limitatif, une forme de réalisation de l'objet de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 2935447 -6- [0017] La figure 1 est une vue schématique en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe de la roue d'une machine agencée selon l'invention. [0018] La figure 2 est vue de la machine de la figure 1 coupée selon un plan contenant l'axe de rotation, repéré par la ligne de coupe II-II sur la figure 1. DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS EXEMPLES DE REALISATION [0019] Sur les figures 1 et 2, une machine hydraulique comportant une roue à aubes 10 est installée dans un couloir 15 limité de chaque côté par deux parois de béton verticales 12, dans un bief non visible sur la figure aménagé sur un cours d'eau naturel 10 dont le fond est repéré par la référence 14 et la surface en amont par la référence 16. La roue 10, du type à admission "par devant", est installée de manière à pouvoir turbiner l'écoulement dans le sens figuré par la flèche 13 entre l'amont 18 sur la gauche de la figure et l'aval 19 du côté droit de la représentation en tournant autour d'un axe horizontal 35. 15 [0020] La roue comprend deux flasques de tôle 21 en forme de couronne circulaire entre lesquels sont fixées une pluralité d'aubes 24 possédant, comme représenté, un profil légèrement incurvé dont la concavité est tournée du côté de l'arrivée d'eau lorsqu'elles se présentent vers l'amont 18 du couloir 15 en tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, comme figuré par le sens de la flèche 25. Les intervalles 20 entre les aubes sont ouverts non seulement du côté de leur bord ou arête radiale externe 26 pour recevoir l'eau à turbiner mais également du côté de leur bordure ou arête radiale interne 27. [0021] Entre les flasques 21 est monté un bouclier 30 essentiellement indépendant de la roue 10 et qui comprend un carter en tôle dont la surface radiale externe 31 25 présente au moins un secteur convexe à profil circulaire centré sur l'axe 35, devant lequel défilent lesdits bords ou arêtes radiales internes 27 des aubes 24 lorsque la roue 10 est entraînée en rotation par le courant d'eau. Dans l'exemple représenté figure 1, le secteur convexe s'étend sur un arc de cercle entre un point 70, du côté amont, situé vers le milieu du quadrangle supérieur gauche de la trajectoire des bords internes 27 des 5 2935447 -7- aubes 24 et du côté aval jusqu'en un point 71 au-delà de l'aplomb de l'axe de rotation 35 de la roue 10. Le bouclier 30 constitue un obstacle qui participe à la formation d'une retenue de l'eau en amont du couloir d'admission 15. [0022] Dans le mode de réalisation préféré ici décrit, la roue 10 est montée sur un 5 arbre 75 tournant dans deux paliers de roulement 100 et 102 installés à poste fixe dans les parois 12 du couloir 15. Les flasques 21 sont raccordés à l'arbre 75 par des rayons rigides 105, très schématiquement représentés. Les extrémités radiales internes des rayons de chaque flasque 21 sont assujetties à un moyeu 106 bloqué en rotation sur l'arbre 75. L'arbre 75 traverse l'espace interne entre les deux flasques 21 comme 10 représenté. Le carter en tôle 31 du bouclier 30 comporte deux joues latérales 110 et 111 en tôle également qui sont chacune articulée autour de l'arbre 75 par un moyeu 107 muni d'un roulement 108. Selon une variante, la tôle du carter 31 peut être suspendue par deux jeux de rayons axialement espacés et réunis chacun à une bague articulée par des roulements autour de la portion de l'arbre 75 disposée entre les flasques. 15 [0023] Ainsi le bouclier 30 n'est relié à aucun élément fixe de l'installation. Il est suspendu par ses moyeux 107 entre les flasques 21, à l'arbre 75 autour duquel il peut pivoter en cas de sollicitation à cet effet. En pratique le bouclier 30 est lesté par exemple par le remplissage d'un container 114 à sa partie inférieure avec une masse M d'une matière pondéreuse, telle que du gravier ou du sable, mise en place après l'installation 20 de la machine dans le couloir du bief aménagé. La position du container 114 et la répartition du lest sont telles que le bouclier adopte en l'absence de sollicitation extérieure une position d'équilibre prescrite, telle que représentée à la figure 1 et déjà décrite ci-dessus. Il est possible de sélectionner la répartition du lest entre l'amont et l'aval du container 114 de manière à obtenir un ajustage fin de la position d'équilibre du 25 bouclier 30, y compris de modifier celui-ci au cours de la vie de la machine. [0024] En fonctionnement, lorsque la roue 10 est entraînée en rotation par le courant d'eau qui vient remplir les intervalles entre les aubes à l'entrée de la machine, les filets d'eau viennent au contact de la paroi 31 sur laquelle ils exercent par leur impact et leur frottement le long de la paroi 31, ainsi que la pression née du remplissage 30 du canal d'admission, un couple de faible importance par rapport au couple 2935447 -8- d'équilibrage du bouclier lesté. L'arbre 75 de roue exerce également par les frottements internes du palier de roulement 107, 108 articulant le bouclier 31, un couple de faible ampleur sur le bouclier. Ces couples provoquent une légère rotation du bouclier par rapport à sa position d'équilibre au repos. La masse du balourd du bouclier est choisie 5 de façon à limiter l'angle de pivotement du bouclier sous l'effet de ces couples parasites à quelques degrés d'angle. Pour les filets d'eau qui pénètrent entre les aubes du côté amont le contact avec le bouclier est donc essentiellement celui d'une paroi stationnaire par rapport à leur dynamique propre. Il ne perturbe pas la stabilité de l'écoulement de l'eau entraînant la roue. En revanche la solution présentée comporte des avantages l0 essentiels en ce qui concerne la qualité et le coût de la réalisation d'une prise de puissance permettant de recueillir l'énergie fournie par le déplacement de la roue 10. [0025] A cet effet, l'une des parois 12-1 en maçonnerie du couloir 15 créé sur le cours d'eau forme une cloison avec un petit local technique 120. Le palier de roulement 100 de l'arbre de roue 75 est installé dans la cloison de façon à permettre à l'extrémité 15 119 de l'arbre de ce côté-là de pénétrer dans le local 120. Cette extrémité 119 est munie, pour exemple, d'un accouplement 121 par lequel son mouvement est transmis à l'arbre d'entrée d'un poste de multiplication 123 dont une poulie de sortie 124 tourne à une vitesse de rotation environ cent cinquante fois plus élevée que celle de l'arbre de sortie de la roue 10 pour entraîner à son tour, éventuellement à partir d'un renvoi à courroie 20 125, l'arbre d'entrée 126 d'un générateur électrique 127. [0026] D'autres solutions existent dans l'état de la technique pour former une retenue d'eau en amont de la roue à aubes. En particulier, on sait, par exemple par la demande de brevet WO 2004/048773 déjà citée, qu'on peut disposer à cet effet, entre les flasques de la roue à aubes, un barrage fixe solidaire des parois du couloir dans 25 lequel est installée la roue. Selon cette technologie, la roue tourne autour d'un arbre ou d'un tambour fixe et la récupération de la puissance mécanique de la roue s'effectue par des couplage latéraux ou tangentiels à partir des flasques, avec les difficultés qui ont été évoquées précédemment . Par rapport à de telles solutions de couplage, la réalisation ici décrite, en soi classique, présente bien des avantages par sa simplicité et la possibilité 30 de la mettre en oeuvre avec des éléments industriellement disponibles, sans induire d'efforts anormaux ni déséquilibrés sur les flasques ou les aubes, sans torsion indues et 2935447 -9- avec des vibrations réduites et contrôlables. En outre l'atmosphère du local 120 peut être abritée par rapport aux intempéries ou autres facteurs environnementaux liés à des implantations en pleine campagne pas toujours faciles à surveiller. La lubrification des éléments de transmission en particulier peut s'effectuer dans des conditions industrielles 5 standard. [0027] Revenant maintenant au fonctionnement de la roue à aubes 10 dans le canal d'écoulement de l'eau, la surface 31 du carter en tôle ou bouclier 30 constitue une paroi supérieure d'un canal d'écoulement de l'eau captée par la machine dans le bief où elle est installée, dont les parois latérales sont d'abord les murs de béton 12 puis les faces 10 internes des flasques 21 à partir du point d'entrée de l'eau dans la roue. La paroi inférieure de ce canal est constituée par la surface concave à profil en arc de cercle 76 d'un carter en tôle 77 fixé de chaque côté en 177 à la maçonnerie des parois 12 à la partie inférieure de ladite roue 10, comme représenté à la figure 1. Cette paroi 77 s'étend entre un point 78 qui, dans cet exemple, se trouve sensiblement au milieu du quadrant 15 inférieur gauche sur la trajectoire des arêtes radiales externe 26 des aubes 24 et un point ou lèvre 79, juste après l'aplomb de l'axe 35, qui constitue le point de passage entre la sortie d'une zone motrice 80 du canal d'écoulement du fluide moteur dans la machine et l'entrée dans une zone d'échappement 82 de ce canal. Dans cette zone la lèvre 79 du carter inférieur 76 après un léger ressaut vers le bas rejoint une semelle en béton 85 20 formant plan incliné qui rattrape le sol naturel 14 du cours d'eau dans lequel est localisée l'installation. [0028] La partie terminale du carter 77 vers l'aval repose de façon étanche sur une poutre ou surélévation en béton 86 à laquelle est fixée l'extrémité inférieure d'une poutrelle métallique 32-1 supportant également le carter 77. Une deuxième poutrelle 32- 25 2 qui supporte le carter 77 dans sa partie amont est scellée, en amont de la poutre de béton 86, à une semelle de béton 88 qui recouvre le sol 14 jusque dans une zone où l'eau du cours d'eau forme une retenue dont la surface est désignée par la référence 16, en raison de l'obstacle constitué sur son trajet naturel par la paroi du carter 31 du bouclier 30. A cet endroit l'accumulation atteint une hauteur H supérieure à la hauteur h du 30 niveau de l'eau en aval de la zone d'échappement 82 en aval de la machine. Il se constitue donc une réserve d'énergie potentielle qui peut être exploitée pour faire 2935447 - 10- tourner la machine en liaison avec l'énergie cinétique contenue dans la veine d'eau qui pénètre entre les aubes dans une zone d'admission du canal d'écoulement. De préférence, un dispositif d'étanchéité est prévu en amont et/ou au niveau de la roue pour faire obstacle aux fuites d'eau entre la roue et les murs du canal. 5 [0029] Au niveau de l'arête supérieure 78 de la tôle de carter inférieure 77 est articulé un volet d'admission 90 de l'eau dans une zone d'admission 81 du canal d'écoulement. Le volet 90 possède une lèvre supérieure arrondie 91 qui peut pivoter autour d'un axe horizontal à l'extrémité 78 pour régler le niveau d'admission, par un mécanisme non représenté. En variante, la partie fixe du carter 77 peut se prolonger vers 10 l'amont jusqu'à une position de l'axe d'articulation du volet 90 plus éloignée de l'axe 35 que la lèvre 78. Il forme alors dans la zone d'admission 81 une section d'entonnoir fixe succédant à l'entonnoir à paroi mobile limité par le volet 90, vers l'entrée de la zone motrice au point 78. [0030] Selon une disposition complémentaire utile dans certains cas de figure, un 15 dispositif d' étouffoir dynamique peut être prévu pour éviter un risque d'entrée en résonance de l'obstacle suspendu formé par le bouclier 30 sous l'effet de sollicitations périodiques provoquées par l'impact de l'eau sur ce bouclier et le passage des aubes de la roue dans la zone au remplissage. Le dispositif peut être réalisé par l'installation à la partie arrière du bouclier 30 d'un système de masse et ressort possédant une fréquence 20 propre de vibration égale à la fréquence propre de l'obstacle suspendu pour vibrer en opposition de phase avec l'obstacle. [0031] On a ainsi réalisé un dispositif permettant de tirer parti avec un très bon rendement d'un site de basse chute sur un courant d'eau en limitant les perturbations qui peuvent en résulter à l'égard de l'environnent notamment des espèces vivantes, 25 l'ensemble avec un équipement nécessitant un investissement économiquement raisonnable. [0032] L'invention n'est bien entendu pas limitée aux exemples décrits et représentés. Ainsi par exemple elle peut également être mise en oeuvre dans le cas d'un cours d'eau qui au lieu d'offrir une surface libre à l'admission dans la roue permet de 30 capter une hauteur de chute supérieure à la hauteur de la roue par une conduite jusqu'à 2935447 -11- la zone d'admission de la roue. La conduite se termine par une ouverture ou buse de sortie orientée pour envoyer l'eau par devant dans les intervalles limités par les aubes de la roue et le bouclier suspendu. [0033] Diverses variantes et d'autres modifications peuvent y être apportées sans 5 sortir du cadre défini par les revendications annexées.