ROUE à AUBES pour GRANDE HAUTEUR d'EAU WHEEL in AUBES for HIGH WATER HEIGHT
Domaine technique de l'invention La présente invention est relative à un dispositif qui utilise l'énergie cinéti-5 que de l'eau des hautes chutes d'eau de toutes natures pour la transformer en énergie mécanique et ou en électricité. Etat de la technique Les turbines existantes jusqu'à ce jour, d'utilisation de l'énergie des hautes chutes d'eau sont de différents types, principalement des systèmes hélices 10 Kaplan ou Francis et pour les plus hautes chutes par des turbines à godets type Pelton à jets cylindriques orientés par des buses en bas de conduites forcées. Pour des débits plus faibles et des hauteurs moyennes le système cross-flow est basé sur un flux d'eau qui traverse par deux fois des aubes par l'inté- 15 rieur de la roue agissant par effet hydrodynamique sur la paroi des aubes en entrée et en sortie d'eau, l'eau traverse la roue. Aucune roue à aubes traditionnelle à aubes cylindriques, sans flux traversant, n'a été conçue à ce jour pour traiter les hautes chutes d'eau, les roues à aubes ont toujours été utilisées au fil de l'eau ou pour de faible chutes en roue 20 de coté ou par dessous jusqu'à quelques mètres pour les roues par dessus. La présente TURBINE à AUBES adapte la roue à aubes traditionnelle, afin de permettre une utilisation pour de grandes hauteurs de chutes et sans limites, par la transformation de l'énergie de vitesse induite par ces hauteurs et par le forçage circulaire du trajet du jet d'eau entrant dans la roue lequel for- 25 çage est obtenu par la forme adaptée des aubes afin de maintenir le trajet de l'eau à l'intérieur du volume des aubes, ceci quelle que soit la vitesse entrante, le jet qui pénètre dans la roue a une section rectangulaire d'une épaisseur faible et de toute longueur, aussi sera-t-il appelé jet plan. L'énergie potentielle de hauteur au niveau du jet plan entrant est transfor- 30 mée en énergie de vitesse, cette énergie de vitesse est elle-même transformée, par le trajet circulaire du jet, en totalité en énergie mécanique dans la Turbine. lui permettant les meilleurs rendements, c'est le principe hydraulique de la transformation de l'énergie cinétique de la roue Pelton. 35 2945584 -2 Description La présente invention concerne une roue hydraulique à aubes qui récupère l'énergie hydraulique de toutes hauteurs de chutes pour la transformer en énergie mécanique laquelle peut être transformée en électricité, elle se compose d'une partie mobile tournante constituée par des aubes(4) portées par des disques (3) qui sont reliés à l'arbre (1) par des rayons (2) de forme et de nombre variable en fonction des efforts à transmettre., l'arbre tournant est maintenu en ses extrémités par des roulements tenus par des boîtiers , un à chaque extrémité. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a device that uses the kinetic energy of water of high waterfalls of all kinds to transform it into mechanical energy and or electricity. STATE OF THE ART The turbines existing up to now, of using the energy of high waterfalls are of different types, mainly Kaplan or Francis propeller systems and for the highest falls by bucket turbines. Pelton type with cylindrical jets oriented by nozzles at the bottom of penstocks. For lower flow rates and average heights the cross-flow system is based on a flow of water which passes through blades twice through the inside of the wheel acting by hydrodynamic effect on the inlet vane wall. and at the water outlet, the water passes through the wheel. No conventional paddle-wheel impeller with no through-flow has been designed to date to treat high waterfalls, paddle wheels have always been used over water or for low waterfalls. wheel 20 on the side or from below to a few meters for the wheels above. The present TURBINE at AUBES adapts the traditional impeller, in order to allow a use for great heights of falls and without limits, by the transformation of the speed energy induced by these heights and by the circular forcing of the jet path. water entering the wheel which forcing is obtained by the adapted shape of the blades to maintain the water path within the volume of the blades, this whatever the incoming speed, the jet which enters the the wheel has a rectangular section of a small thickness and of any length, so it will be called plane jet. The potential energy of height at the level of the incoming jet plane is transformed into velocity energy, this velocity energy is itself transformed, by the circular path of the jet, into total mechanical energy in the Turbine. allowing it the best yields, it is the hydraulic principle of the transformation of the kinetic energy of the Pelton wheel. The present invention relates to a waterwheel that recovers hydraulic energy from all heights of falls to transform it into mechanical energy that can be converted into electricity, it consists of a rotating mobile part consisting of blades (4) borne by disks (3) which are connected to the shaft (1) by radii (2) of variable shape and number as a function of the forces to be transmitted., the rotating shaft is held at its ends by bearings held by casings, one at each end.
Pour une bonne compréhension, l'innovation est décrite ci-après par les figures 1 à 5 La figure 1 représente la vue générale d'ensemble en coupe transversale d'une roue prise comme exemple et qui comprends : L'arbre porteur tournant (1) - les rayons (2) - les disques (3) - les aubes (4) 15 L'exemple comporte 36 aubes mais leur nombre pourra varier en fonction du diamètre de la roue, des débits et des hauteurs d'eau à traiter. La trajectoire des aubes n'utilise qu'un volume cylindrique extérieur restreint qui laisse parfaitement libre le volume intérieur dans lequel peut être implanté des arbres de diamètre adapté aux longueurs à franchir. 20 La forme générale est cylindrique et de toutes longueurs - pour de grandes longueurs des rayons intermédiaires seront nécessaires. L'eau est introduite par une injecteur extérieur dont la buse de sortie est de section rectangulaire. Est représentée l'entrée (E) du jet d'eau plan entrant, qui peut se situer en 25 d'autres points de la roue en fonction de la position de l'injecteur, et la sortie d'eau (S) qui se fait nécessairement en partie basse de la roue pour une évacuation par gravité. La figure 2 montre la forme de la section de ces aubes constituée de trois parties : une partie plane (7) qui est une partie droite ou de très faible courbure 30 qui reçoit le jet plan , une partie circulaire (9) partie essentielle qui contraint le jet plan à rester à l'intérieur de la roue dans une trajectoire circulaire et une partie courbe (8) de liaison entre les parties (7) et (9) . Les aubes sont assemblées en leur extrémités sur les disques minces circulaires (3) par l'intermédiaire de raidisseurs latéraux (5) boulonné (6) sur les 35 disques (3). La figure 3 montre le trajet et le mouvement circulaire du jet d'eau, les rayons de courbures (8) (9) de la figure 2 étant déterminés afin que ce trajet For a good understanding, the innovation is described hereinafter in FIGS. 1 to 5. FIG. 1 represents the overall cross-sectional view of a wheel taken as an example and which comprises: The rotating bearing shaft (1 ) - the spokes (2) - the discs (3) - the blades (4) 15 The example comprises 36 blades but their number may vary depending on the diameter of the wheel, flow rates and heights of water to be treated. The trajectory of the blades uses only a small external cylindrical volume which leaves perfectly free the interior volume in which can be implanted trees of diameter adapted to the lengths to be crossed. The general shape is cylindrical and of all lengths - for long lengths of intermediate radii will be required. The water is introduced by an external injector whose outlet nozzle is of rectangular section. The inlet (E) of the incoming plane water jet, which can be located at other points of the wheel according to the position of the injector, and the water outlet (S) which is necessarily at the bottom of the wheel for gravity evacuation. FIG. 2 shows the shape of the section of these blades consisting of three parts: a plane part (7) which is a straight part or a very small curvature 30 which receives the planar jet, a circular part (9) essential part which forces the plane jet to remain inside the wheel in a circular path and a curved portion (8) of connection between the parts (7) and (9). The blades are joined at their ends to the circular thin discs (3) via bolted lateral stiffeners (5) (6) on the discs (3). FIG. 3 shows the path and the circular motion of the water jet, the radii of curvature (8) (9) of FIG. 2 being determined so that this path
s'inscrive dans l'espace entre deux aubes successives sans chocs de l'eau d'une aube sur l'aube suivante, l'eau reste dans la roue et entre deux aubes reste dans l'espace entre ces deux aubes sans choc d'une aube à l'autre. Le forçage circulaire de l'eau par la forme de l'aube est accéléré par le mouvement circulaire de l'aube (R) induit par la rotation de la roue. Ce trajet permet la récupération de la totalité de l'énergie cinétique d'un jet d'eau plan de toute longueur ce qui permet des débits très importants avec de très hauts rendements. La figure 4 montre le principe de l'épaisseur (e) du jet plan qui dans le dessin présenté est de l'ordre de 10% de la profondeur (P) de l'aube, de telle sorte que l'impact sur l'aube entre deux positions successives extrêmes (p1) et (p2) se fasse sur la partie droite (7) en balayant, entre ces deux positions extrêmes la totalité de sa longueur. Conformément à la théorie hydrauliques, la vitesse de la roue doit être de l'ordre de la moitié de la vitesse du jet entrant - la figure 5 montre qu'au ni-veau des impacts successifs (il) (i2) (i3) du jet entrant sur la partie (7) les triangles de vitesses correspondant (t1) (t2) (t3) ont au niveau de l'impact une résultante similaire, la forme et le nombre d'aubes est tel que les angles 0, (a°) (A°) entre la partie droite (7) de l'aube, ou se produit l'impact de l'eau, et la résul- tante du triangle des vitesses restent inférieur à des valeurs maximums de l'ordre de 25° au point le plus défavorable A°, les résultantes trigonométriques très faibles, ne génèrent que des pertes par choc, proportionnels au sinus de ces angles. NOUVEAUTE : la nouveauté est constituée par la forme des aubes qui permet de maintenir un jet d'eau plan à l'intérieur de leur volume avec une trajectoire circulaire sans choc assurant ainsi la récupération de la totalité de l'énergie cinétique entrante et sa transformation en énergie mécanique, aucune forme d'aube n'a été inventée à ce jour permettant la récupération d'un jet d'eau plan animé d'une grande vitesse entrante en le maintenant à l'intérieur de la roue. Cette forme présente plusieurs intérêts : - sur le même principe théorique hydraulique que la Pelton cette forme aura des rendements du même ordre mais permettra des débits 100 fois plus importants en effet une section rectangulaire de 100cmxlcm est plus de 100 fois supérieure à une section circulaire d'un diamètre de 1cm - bien que la Pelton ait des rendements hydrauliques exceptionnels l'utilisation - en est réservée aux très hautes chutes de plusieurs centaines de m à cause des 5 10 15 20 25 30 - 4 débits qui restent limités par la section circulaire du ou des jets entrant - ces débits étant, par cette innovation, cent fois plus important, permettront d'utiliser ce principe pour toutes hauteurs de chutes et sur des domaines actuelle-ment traités par des turbines types hélices de conception en trois dimensions. - c'est une forme traitée en deux dimensions ce qui simplifie considérablement les études recherches et fabrication - c'est aussi le cas des roues cross-flow, mais dans lesquelles le jet traversant rend les rendements aléatoires du fait des perditions dans les flux entrant et sortant et et les débits restent limités - le volume global mobile est cylindrique ce qui permet à l'ensemble de s'inscrire dans un canal simple ce qui réduit de façon considérable les aménagements extérieurs nécessaires habituellement pour les turbines de moyenne et hautes chutes. Les dimensions géométriques peuvent être très variables : le diamètre hors tout de la roue, sa largeur, la profondeur des aubes et la hauteur de retenue de l'eau sont directement liés aux paramètres d'utilisation de la rivière ou des réservoirs d'eau, les hauteurs de chutes pouvant être pour les plus basses de l'ordre de 10m, jusqu'à des hauteurs de plusieurs centaines de m. Les seules limitations du dispositif sont imposées par les contraintes de tenue mécanique et de précision de fabrication des différents matériaux mis en oeuvre. inscribed in the space between two successive blades without shocks of the water of a dawn on the next dawn, the water remains in the wheel and between two blades remains in the space between these two blades without shock of d one dawn to another. The circular forcing of water by the shape of the blade is accelerated by the circular movement of the blade (R) induced by the rotation of the wheel. This path allows the recovery of all the kinetic energy of a flat water jet of any length which allows very high flows with very high yields. FIG. 4 shows the principle of the thickness (e) of the plane jet which in the drawing presented is of the order of 10% of the depth (P) of the blade, so that the impact on the dawn between two successive extreme positions (p1) and (p2) is done on the right side (7) by sweeping between these two extreme positions the entire length. According to the hydraulic theory, the speed of the wheel must be of the order of half the speed of the incoming jet - figure 5 shows that at the level of the successive impacts (il) (i2) (i3) of the jet entering on the part (7) the corresponding velocity triangles (t1) (t2) (t3) have at the impact a similar result, the shape and the number of vanes is such that the angles 0, (a °) (A °) between the right part (7) of the blade, where the impact of the water occurs, and the resultant of the velocity triangle remain lower than maximum values of the order of 25 At the most unfavorable point A °, the very weak trigonometric results generate only shock losses proportional to the sine of these angles. NEW: the novelty is constituted by the shape of the blades which makes it possible to maintain a jet of water plan inside their volume with a circular trajectory without shock thus ensuring the recovery of the totality of the incoming kinetic energy and its transformation in mechanical energy, no form of blade has been invented to date allowing the recovery of a jet of water plane animated with a high speed entering maintaining it inside the wheel. This form has several advantages: - on the same hydraulic theoretical principle as the Pelton this form will have yields of the same order but will allow flow rates 100 times greater indeed a rectangular section of 100cmxlcm is more than 100 times greater than a circular section d a diameter of 1 cm - although the Pelton has exceptional hydraulic efficiencies use - is reserved for very high falls of several hundred m because of the 5 flows which are limited by the circular section the incoming jet (s) - these flows being, by this innovation, a hundred times greater, will allow to use this principle for all heights of falls and on areas currently treated by turbines type propellers design in three dimensions. - it is a form treated in two dimensions which considerably simplifies the studies research and manufacture - it is also the case of the wheels cross-flow, but in which the throwing jet makes the random yields because of the perditions in the flows entering and outgoing and and flow rates remain limited - the overall moving volume is cylindrical which allows the assembly to fit into a single channel which significantly reduces the outdoor arrangements usually required for medium and high-pressure turbines. The geometric dimensions can be very variable: the overall diameter of the wheel, its width, the depth of the blades and the height of water retention are directly related to the parameters of use of the river or water tanks, the heights of falls can be for the lowest of the order of 10m, up to heights of several hundred meters. The only limitations of the device are imposed by the constraints of mechanical strength and manufacturing precision of the different materials used.
Dans l'exemple représenté par les figures 1 à 5 : - le diamètre de la roue est de 3,2m - la profondeur des aubes est de 40cm l'épaisseur du jet est de 4cm - la largeur prise comme exemple est de 300cm - la hauteur H de la retenue d'eau est de 100m In the example shown in Figures 1 to 5: - the diameter of the wheel is 3.2m - the depth of the blades is 40cm the thickness of the jet is 4cm - the width taken as an example is 300cm - the H height of the water reservoir is 100m
La vitesse entrante de l'eau sera égale à 44m/sec ( racine carrée de 2x9,81xH) Le débit sera égal à 3mx0,04mx44m/sec soit 5,28m3/sec La puissance produite à la sortie du générateur sera de l'ordre de 5,28m3/ sec x 100m x 7 soit de l'ordre de 3,7mW - ce qui est considérable pour une simplicité et pour un encombrement de cet ordre 35 INVENTIVITE Bien que le concept dit Pelton, de la récupération de l'énergie hydraulique cinétique en énergie mécanique soit connu depuis plus de cent ans et alors que, pendant des décennies, des centaines d'ingénieurs dans le monde entier ont travaillés étudiés et réalisés des roues Pelton de toute puissance avec de très hauts rendements, le concept d'utilisation d'un jet plan n'a jamais été abordé étudié ni imaginé, ce qui suffit à caractérisé l'inventivité du procédé. INDUSTRIALISATION La fabrication générale des éléments, y compris celle des aubes, du fait de leur forme, est très simple et économique. L'assemblage de l'ensemble peut parfaitement être réalisé sur les sites eux-mêmes. Les dimensions des ensembles peuvent être étudiées et réalisées avec des composants standards qui par combinaisons peuvent répondre à de multiples variations de production d'énergie, ce qui conduira à une industrialisation du système et une bonne maîtrise des coûts. La conception permet de s'affranchir des contraintes lourdes des installations hydroélectriques traditionnelles, les travaux de génie civil se résument à une construction simple, il suffit de prévoir en bas de la colonne d'eau une chambre d'eau sur laquelle est fixé l'injecteur sur lequel vient s'accoler la turbine qui reste apparente et accessible dans tous ses composants ce qui permet l'installation simple et rapide de l'hydrogénérateur ainsi constitué, ce qui ouvre, du fait des coûts et de la simplicité, un champ d'équipement totalement nouveau avec l'utilisation notamment des chutes de dénivellation moyennes actuellement peu utilisées pour des raisons économiques et d'entretien et par la possibilité ainsi offerte, d'installations hydrauliques de tout types par des opérateurs non ou peu spécialisés. Ce dispositif est parfaitement adapté au développement à faible coût, dans 30 le cadre des énergies écologiques et durables et la simplicité de la conception ouvre l'exécution sans contrainte aux pays en développement. 35 The incoming speed of the water will be equal to 44m / sec (square root of 2x9,81xH) The flow will be equal to 3mx0,04mx44m / sec or 5,28m3 / sec The power produced at the output of the generator will be of the order of 5.28m3 / sec x 100m x 7 is of the order of 3.7mW - which is considerable for simplicity and for a footprint of this order 35 INVENTIVITY Although the concept says Pelton, energy recovery Kinetic hydraulics in mechanical energy has been known for over a hundred years and while, for decades, hundreds of engineers around the world have worked studied and made Pelton wheels of any power with very high efficiencies, the concept of use of a plane jet has never been approached studied or imagined, which is enough to characterize the inventiveness of the process. INDUSTRIALIZATION The general manufacture of the elements, including that of the blades, because of their shape, is very simple and economical. The assembly of the whole can be perfectly realized on the sites themselves. The dimensions of the assemblies can be studied and realized with standard components which in combination can respond to multiple variations of energy production, which will lead to industrialization of the system and good cost control. The design makes it possible to overcome the heavy constraints of traditional hydropower installations, the civil engineering works boil down to a simple construction, it suffices to provide at the bottom of the water column a water chamber on which is fixed the injector on which sticks the turbine which remains apparent and accessible in all its components which allows the simple and fast installation of the hydrogenerator thus constituted, which opens, because of the costs and simplicity, a field d completely new equipment with the use in particular of average falls of height currently not used for economic and maintenance reasons and by the possibility thus offered, hydraulic installations of any type by operators not or little specialized. This device is perfectly suited to low-cost development, in the context of sustainable and environmentally friendly energies, and the simplicity of design opens up uncomplicated execution to developing countries. 35