TURBOPOMPE ET CENTRALE HYDRO-ELECTRIQUE INCLUANT UNE TELLE TURBOPOMPE

La présente invention concerne une turbopompe ainsi qu'une centrale hydroélectrique utilisant une telle turbopompe.

Dans le document US-Al-5,289,068, est présenté un propulseur submersible à deux étages de forte puissance et à faible bruit, pour sous-marins.

Le propulseur submersible comprend un carénage comportant une entrée d'eau et une sortie d’eau, un ensemble arbre monté centralement dans le carénage, une première hélice en amont et une seconde hélice contrarotative en aval, chacune comprenant un moyeu séparé monté de manière rotative sur l’arbre, et des moteurs électriques faisant tourner séparément les hélices amont et aval. Chaque moteur comprend un rotor monté autour de la périphérie extérieure de chaque hélice et un stator monté autour du carénage. Le moteur est du type électrique asynchrone du type à induction ou du type à aimants permanents en raison de la plus grande efficacité de conversion de la puissance électrique en travail utile.

Le propulseur comprend encore des premier et second ensembles de paliers de butées pour absorber la charge de poussée générée entre les moyeux des première et seconde hélices et de l'ensemble arbre. Les deux ensembles de paliers de butées sont contenus dans un logement situé sur l'extrémité aval de l'ensemble arbre. L’arbre comprend un arbre extérieur fixe dans lequel les première et seconde hélices sont montées de manière rotative, et un arbre interne rotatif qui est connecté au moyeu de l’hélice amont pour transférer la poussée de l’hélice amont au premier ensemble de palier de poussée situé dans l'extrémité aval de l’arbre.

L'agencement évite de placer un ensemble de palier de butée devant l'hélice amont, ce qui gênerait le bon écoulement de l'eau dans l'unité et créerait du bruit.

On connaît encore à la lecture du brevet CA-A1-2 199 781, une turbopompe dimensionnée pour être utilisée dans une centrale hydro-électrique, comprenant deux hélices montées co-axialement dans une tuyère et deux moteurs électriques d'entraînement à rotation respectivement des deux hélices, par l'intermédiaire d'une transmission.

La tuyère s'étend au travers d'une bifurcation oblique pour permettre de retirer les deux hélices et leur transmission à des fins d'inspection ou d'entretien. Partant de ce constat, le demandeur a cherché une solution pour concevoir une turbopompe incluant deux hélices contrarotatives et qui puisse être plus économique à fabriquer tout en conservant de bonnes performances.

A cet effet, est proposée une turbopompe dimensionnée pour être utilisée dans une centrale hydro-électrique, comprenant deux hélices montées coaxialement dans une tuyère, deux moteurs électriques d'entraînement à rotation respectivement des deux hélices; selon l'invention, la turbopompe comporte un cylindre d'admission de l'eau dans la tuyère, monté en amont de ladite tuyère en considérant le sens d'écoulement de l'eau dans ladite tuyère, la paroi cylindrique du cylindre d'admission étant perforée d'une pluralité de passages d'admission de l'eau vers ladite tuyère et les deux moteurs électriques sont montés dans le prolongement du cylindre d'admission et à l'opposé de la tuyère.

Avec une admission radiale et un organe d'entraînement à rotation des deux hélices contrarotatives, situé hors du flux de l'eau, on obtient une turbopompe performante par un plein passage sur les deux hélices contrarotatives et qui est relativement économique à fabriquer.

Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, les deux hélices sont respectivement montées sur deux arbres coaxiaux, le premier moteur et le second moteur sont respectivement associés à deux réducteurs, chaque réducteur étant monté sur un axe parallèle à l'axe des deux arbres, une transmission par engrenages étant interposée entre les deux réducteurs et les deux arbres.

La transmission de puissance entre les deux moteurs est réalisée simplement. Les deux arbres coaxiaux traversent le cylindre d'admission de l'eau dans la tuyère.

Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, un cône d'accélération de la vitesse de l'eau est monté en aval de la tuyère.

Ce cône d'accélération sert à accélérer la vitesse et la pression de l'eau à la sortie dudit cône d'accélération. Il fournit la puissance principale de la turbopompe.

Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, des racloirs sont montés à rotation autour du cylindre d'admission.

Ils servent à nettoyer la paroi cylindrique perforée du cylindre d'admission.

Un ensemble comprenant une turbopompe associée à une centrale électrique conçue pour être installée sur une rivière ou sur un fleuve, fait également partie de l'invention. La centrale électrique comprend une turbine Pelton associée à au moins un alternateur At(Tp), le cône d'accélération étant raccordé à ladite turbine par l'intermédiaire d'au moins une canalisation hydraulique.

Le flux d'eau dans la turbopompe produit du courant électrique. Le rendement de la centrale électrique est relativement élevé.

Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, la centrale électrique comprend deux roues à aubes disposées pour être exposées au flux d'eau, les deux roues à aubes étant respectivement associées à deux alternateurs At(Ra), pour fournir du courant électrique aux deux moteurs.

L'énergie du flux d'eau coulant dans le fleuve ou la rivière sert à alimenter en courant électrique les deux moteurs.

Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, la centrale électrique comprend une plateforme suspendue à coulissement le long d'une pluralité de colonnes ancrées dans le lit de la rivière ou du fleuve.

La hauteur de la plateforme peut être modifiée en fonction de la hauteur du cours d'eau.

Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :

[Fig 1] représente une vue en perspective et en coupe d'une turbopompe selon l'invention,

[Fig 2] représente une vue de face agrandie et en coupe d'une turbopompe selon l'invention,

[Fig 3] représente une vue en perspective et en coupe d'un moyen de captation et de forçage d'un flux d'eau dans une turbopompe selon l'invention,

[Fig 4] représente une vue en perspective d'une centrale électrique incluant une turbopompe selon l'invention,

[Fig 5] représente une vue agrandie et en perspective d'une centrale électrique dépourvue de sa toiture incluant une turbopompe selon l'invention,

[Fig 6] représente une vue arrière d'une centrale électrique incluant une turbopompe selon l'invention,

[Fig 7] représente une vue latérale en coupe d'une centrale électrique au niveau d'une roue à aube et incluant une turbopompe selon l'invention et, [Fig 8] représente une vue latérale en coupe d'une centrale électrique au niveau de la turbopompe selon l'invention.

La turbopompe 100 présentée sur la Fig. 1 est conçue pour être utilisée, notamment, dans une centrale hydro-électrique pour produire de l'énergie électrique à partir d'un écoulement d'eau dans une rivière ou dans un fleuve. Elle se compose principalement d'une tuyère Ty, à l'intérieur de laquelle sont montées coaxialement deux hélices El et E2 portées par une ligne d'arbres B, d'un cylindre d'admission Cia de l'eau dans la tuyère Ty, monté en amont de ladite tuyère, d'un cône Coa d'accélération de la vitesse de l'eau, monté en aval de la tuyère Ty. Le sens d'écoulement du flux d'eau dans la turbopompe 100 est indiqué par les flèches F. Le cône Coa d'accélération de la vitesse de l'eau sert à adapter la turbopompe 100 à son intégration dans une centrale électrique présentée ci-après.

La tuyère Ty est formée de plusieurs tronçons T creux intérieurement et qui sont assemblés de manière coaxiale par des frettes Ft qui portent des paliers de la ligne d'arbres B. On distingue trois tronçons T, respectivement Tl, T2 et T3, de la gauche vers la droite sur cette Fig. 1. La ligne d'arbres B est coaxiale avec l'axe du cylindre d'admission Cia et l'axe de la tuyère Ty.

Le premier tronçon Tl ainsi que le second tronçon T2 sont formés d'un cylindre creux intérieurement. Le diamètre du second tronçon T2 est inférieur à celui du premier tronçon TL Le troisième tronçon T3 est formé d'un tronc de cône creux intérieurement et il est interposé entre les deux tronçons Tl et T2 pour procurer une accélération de la vitesse de l'écoulement entre le premier tronçon Tl et le second tronçon T2.

Chaque tronçon T est bordé respectivement à ses deux extrémités par deux anneaux A coaxiaux de fixation avec un tronçon voisin, avec le cône d'accélération Coa ou bien encore avec le cylindre d'admission Cia.

Le cylindre d'admission Cia est fixé sur le premier tronçon TL Le cône d'accélération Coa est fixé sur le second tronçon T2. Les deux hélices El et E2 sont respectivement montées dans les deux tronçons Tl et T2 autour de la ligne d'arbres B.

Le fonctionnement de ces deux hélices El et E2 dans les tronçons Tl et T2 est du type KAPLAN. Chaque hélice El ou E2 comprend préférentiellement quatre pales montées sur un moyeu. Le cylindre d'admission Cia se compose d'un cylindre creux intérieurement et dont la paroi cylindrique est perforée d'une pluralité de passages, en forme de rainures oblongues sur cette Fig. 1, et qui sont dimensionnés pour permettre le passage d'eau au travers de la tuyère Ty.

L'extrémité amont du cylindre d'admission Cia, c'est-à-dire celle qui est tournée à l'opposé de la tuyère Ty, est raccordée à un organe d'entraînement Ot à rotation des deux hélices El et E2.

Des racloirs R sont montés à rotation autour de la paroi cylindrique du cylindre d'admission Cia pour enlever des branchages ou d'autres objets transportés dans l'eau et qui sont susceptibles d'obstruer les passages, afin de conserver un fonctionnement régulier à la turbopompe 100.

Le cône d'accélération Coa se compose d'un tronc de cône creux intérieurement formé d'une paroi pleine, dont la grande base est raccordée au tronçon T2 et dont la petite base est raccordée à une canalisation d'acheminement Cn de l'eau destinée à être raccordée par son autre extrémité à une turbine hydraulique, telle qu'une turbine Pelton. Le cône d'accélération Coa a pour fonction d'accélérer la vitesse et la pression de l'eau à la sortie de celui-ci. Il fournit la puissance principale de la turbopompe 100.

Le cylindre d'admission Cia ainsi que le cône d'accélération Coa sont également pourvus à leurs deux extrémités d'anneaux semblables à ceux qui équipent les tronçons T pour permettre leur assemblage par boulonnage avec respectivement le tronçon Tl et le tronçon T2.

Une frette Ft est interposée entre les anneaux des couples de tronçons T1-T3, T3-T2, entre les anneaux tournés en vis-à-vis du tronçon Tl et du cylindre d'admission Cia, ainsi qu'entre les anneaux tournés en vis-à-vis du tronçon T2 et du cône d'accélération Coa.

Chaque frette Ft est composée d'une couronne maintenue prisonnière par boulonnage entre deux anneaux tournés en vis-à-vis, et depuis laquelle s'étendent vers l'intérieur des bras radiaux, d'un palier monté à la convergence des bras radiaux, le palier étant coaxial à ladite couronne. Chaque palier sert à porter, par l'intermédiaire d'un moyen de roulement Mr, une partie de la ligne d'arbres B de transmission reliant l'organe d'entraînement à rotation Ot et les deux hélices El et E2, la ligne d'arbres B traversant coaxialement le cylindre d'admission Cia.

Chacune des hélices El ou E2 est montée entre une paire de roulements Mr. Chaque paire de roulements Mr comprend préférentiellement un roulement à double rangée de rouleaux cylindriques et un roulement à double rangée de billes pour encaisser les efforts axiaux relativement importants exercés par les deux hélices El et E2 sur la ligne d'arbres B.

L'organe d'entraînement à rotation Ot comprend deux moteurs électriques Mtl et Mt2 qui sont respectivement associés sur cette Fig. 1, à deux réducteurs Rdl et Rd2. Chaque moteur Mt et son réducteur Rd sont montés respectivement sur un axe. Chaque axe du réducteur Rd est parallèle à l'axe de la ligne d'arbres B.

Les deux réducteurs Rd servent à accorder la vitesse relativement élevée des moteurs Mt à celle relativement lente des hélices E.

Ces deux moteurs Mt et leurs réducteurs Rd sont utilisés pour fournir une puissance motrice aux deux hélices El et E2 et qui servent ainsi à procurer une puissance d'appoint à la turbopompe, c'est-à-dire une puissance complémentaire à celle fournie par le cône d'accélération Coa.

Sur la Fig. 2, les deux réducteurs Rdl et Rd2 sont fixés sur une platine Pn solidaire d'une frette Ft2 fixée elle-même sur un anneau d'extrémité du cylindre d'admission Cia. Cette frette Ft2 porte également un palier de la ligne d'arbres B. Les deux moteurs Mt ainsi que leurs réducteurs sont enfermés dans une cage Cg solidaire de la platine Pn.

La ligne d'arbres B comprend un premier arbre B 1 creux intérieurement et qui est monté coaxialement à rotation autour d'un second arbre B2.

Le premier arbre B 1 porte à une extrémité un premier engrenage El qui coopère avec un second engrenage E2 porté par l'arbre de sortie du premier réducteur Rdl. Cet arbre B 1 porte sur son autre extrémité et de manière solidaire le moyeu de la première hélice El pour l'entraîner à rotation.

Le second arbre B2 porte à une extrémité un troisième engrenage E3 qui coopère avec un quatrième engrenage E4 porté par l'arbre de sortie du second réducteur Rd2. Cet arbre B2 porte sur son autre extrémité et de manière solidaire le moyeu de la seconde hélice E2 pour l'entraîner à rotation.

La disposition des deux moteurs Mt et de leurs réducteurs Rd à l'arrière du cylindre d'admission Cia ne perturbe pas l'admission de l'eau dans ledit cylindre d'admission Cia et ne perturbe pas l'écoulement de l'eau autour des deux hélices dans la tuyère Ty. Dans une variante de réalisation, non représentée, les deux réducteurs sont remplacés par des rapports différents des modules des engrenages qui coopèrent mutuellement pour entraîner les deux arbres pour que leurs vitesses soient réduites comparativement à celles des deux moteurs.

Sur la Fig. 1, la turbopompe 100 est pourvue d'une structure porteuse Sp mécano-soudée conçue, notamment, pour permettre la fixation de la turbopompe 100 dans une centrale hydro-électrique. Elle porte la turbopompe 100 au niveau de la frette Ft2 et du tronçon Tl. La structure porteuse Sp se compose ainsi, d'une paire de poutres fixées sur la frette Ft2 et sur le tronçon Tl, nommées poutre basse Pb et poutre haute Ph, c'est-à-dire disposées horizontalement en-dessous et au-dessus de ladite frette et dudit tronçon dans la position d'utilisation de la turbopompe 100 et qui sont reliées à ladite frette et audit tronçon par l'intermédiaire d'un assemblage de plaques.

La structure porteuse Sp comprend également sur la Fig. 1, deux paires de poteaux PI et P2 qui sont fixées perpendiculairement et respectivement sur les deux poutres hautes Ph. Deux poutres supérieures Ps réunissent respectivement les extrémités hautes de ces deux paires de poteaux PI et P2. L'assemblage de la poutre haute Ph, de deux poteaux d'une paire PI ou P2 et de la poutre supérieure Ps forme un cadre. Les deux cadres ainsi disposés en vis-à-vis et solidarisés mutuellement procurent une grande rigidité à la structure porteuse Sp.

Sur la Fig. 2, le pas de la seconde hélice E2 est inversé par rapport à celui de la première hélice El, pour obtenir une turbopompe à double hélices contrarotatives et augmenter son rendement. Le pas des deux hélices est différent dans le même but. Dans ces conditions, le rendement de la turbopompe 100 est relativement élevé et peut atteindre 60 %. Il dépasse ainsi largement la limite de Betz qui caractérise le rendement maximal de 16/27 d'une hydrolienne.

Le second moteur Mt2 tourne en sens inverse du premier moteur Mtl. La vitesse de rotation des deux moteurs Mtl et Mt2 est différente et a été calculée pour obtenir le meilleur rendement de l'effet conjugué du travail des deux hélices El et E2.

Les racloirs R sont montés entre deux couronnes C 1 et C2 parallèles l'une à l'autre et coaxiales. La première couronne Cl est montée libre à rotation, par l'intermédiaire de galets, autour du cylindre d'admission Cia au niveau de sa jonction avec la frette Ft du tronçon TL La seconde couronne C2 est également montée libre à rotation, par l'intermédiaire de galets, autour du cylindre d'admission Cia au niveau de sa jonction avec la frette Ft2. Les deux couronnes Cl et C2 sont réunies par les racloirs R.

La seconde couronne C2 porte une denture intérieure sur laquelle engrène un cinquième engrenage E5 qui coopère avec un sixième engrenage E6 porté par l'arbre de sortie du premier réducteur Rdl.

En fonctionnement, les racloirs R nettoient la paroi cylindrique ajourée du cylindre d'admission Cia.

La turbopompe 100 est équipée d'un moyen de captation Mc du flux d'eau conçu pour canaliser le flux d'eau de la rivière ou du fleuve, vers le cylindre d'admission Cia de la turbopompe 100.

Sur la Fig. 3, le moyen de captation Mc comprend un conduit Cd d'ouverture verticale et qui est conformé pour capter un flux d'eau dans la veine d'eau horizontale de la rivière ou du fleuve et pour le rediriger en l'accélérant dans une direction pratiquement verticale au travers dudit cylindre d'admission. Le flux d'eau est admis radialement au travers du cylindre d'admission Cia. Le conduit Cd est formé d'un assemblage de parois périphériques comprenant une paroi haute arrondie Pha et une paroi basse plane Ppi et qui sont orientées en direction du cylindre d'admission Cia pour accélérer la vitesse du flux d'eau dans la turbopompe 100.

Il faut noter à ce stade de la description de l'invention qu'il n'est pas obligatoire que les moteurs Mtl et Mt2 fonctionnent, c'est-à-dire qu'ils soient alimentés en courant électrique. Dans ce cas, les deux hélices El et E2 sont entraînées à rotation par le flux d'eau qui circule dans la tuyère Ty et elles entraînent par l'intermédiaire des réducteurs Rdl et Rd2, les deux moteurs Mtl et Mt2. Pour tenir compte de la baisse de rendement occasionnée par le freinage des deux hélices El et E2, le dimensionnement du moyen de captation Mc et notamment la section du conduit Cd d'ouverture verticale, a été calculé pour compenser la puissance absorbée par les deux réducteurs Rdl et Rd2, que les deux moteurs Mtl et Mt2 soient alimentés en courant ou non. L'efficacité de la turbopompe 100 est alors accrue.

Sur les Figs. 4, 5, 6, 7 et 8, est montrée une centrale électrique Ct, dans laquelle est montée la turbopompe 100 de l'invention.

La centrale électrique Ct se présente sous la forme d'un parc qui est installé sur un cours d'eau tel qu'une rivière ou un fleuve. La centrale électrique Ct comprend ainsi une plateforme Pm suspendue à coulissement le long d'une pluralité de colonnes Cln ancrées dans le lit de la rivière ou du fleuve pour adapter son fonctionnement à la hauteur du cours d'eau. Un châssis porteur Cp est fixé au sommet des colonnes Cln et sert à soutenir la masse de la plateforme Pm. Le châssis porteur Cp est composé d'un assemblage de profilés métalliques longitudinaux et transversaux. Sur la Fig. 5, la plateforme Pm est suspendue au châssis porteur Cp par l'intermédiaire d'une pluralité de vis Vs ancrées verticalement sur la plateforme Pm et qui coopèrent respectivement avec des premiers engrenages tenus dans des boîtiers suspendus B s sous ledit châssis porteur. Dans chaque boîtier suspendu B s est monté un moteur électrique associé à un motoréducteur sur lequel est monté un second engrenage coopérant avec un premier engrenage correspondant vissé sur une vis Vs.

Ainsi pendant le fonctionnement des moteurs, la plateforme Pm peut être soulevée ou abaissée dans le lit de la rivière ou du fleuve.

Sur la Fig. 4, le châssis porteur Cp porte une charpente Ch couverte d'un toit Tt qui couvre la surface de la plateforme Pm pour la protéger des intempéries.

Sur la Fig. 5, une turbopompe 100 est montée sous la plateforme Pm. Celle-ci porte au moins une roue à aubes Ra et un alternateur At(R _a ) associé, une turbine Pelton Tp et son ou ses alternateurs At(Tp) associés. La plateforme Pm porte sur les Figs. 4 à 8, deux roues à aubes Ra disposées latéralement et à l'arrière de la centrale électrique Ct, et la turbine Pelton Tp est disposée entre les deux roues à aubes Ra et à l'avant de la centrale électrique Ct, en considérant la direction F du flux d'eau. La turbopompe 100 est disposée entre les deux roues à aubes Ra. Le rendement d'une turbine Pelton est relativement élevé et peut atteindre 90 %.

La plateforme Pm est bordée par des anneaux An, au nombre de quatre sur ces Figs., et qui sont conçus pour coulisser le long des colonnes Cln ancrées verticalement dans la rivière ou le fleuve. Les colonnes Cln sont symbolisées par des traits d'axe discontinus. La centrale électrique Ct peut ainsi demeurer en poste sur le cours d'eau en suivant les fluctuations du niveau d'eau.

Sur la Fig. 7, la roue à aube Ra comprend un arbre d'axe horizontal Ah, autour duquel sont montés une pluralité d'augets G. Les augets G sont reliés mécaniquement à l'arbre Ah par l'intermédiaire de deux disques D entre lesquels ils sont flasqués. Les augets G sont conçus pour être exposés au flux d'eau F pendant leur rotation, afin de transmettre un couple moteur à l'arbre Ah. Cette puissance mécanique est transmise, pendant le fonctionnement de la centrale électrique Ct, à un alternateur correspondant At(R _a ) et qui est utilisé pour fournir une puissance électrique à un moteur correspondant de la turbopompe 100. Une paroi en forme de portion de cylindre relie les deux disques D pour confiner le flux d'eau sous le niveau de la plateforme Pm. Un conduit Cd2 est fixé sous la plateforme Pm et dans sa partie arrière pour canaliser un écoulement F vers les augets G. La paroi inférieure du conduit Cd est ascendante en direction de la roue à aube Ra pour accélérer la vitesse de l'écoulement F lorsqu'il atteint lesdits augets.

Sur la Fig. 8, au moins une canalisation hydraulique Cn relie le cône d'accélération Coa de la turbopompe 100, à la turbine Pelton Tp. Deux canalisations Cn relient sur cette Fig. 8, le cône d'accélération Coa à la turbopompe 100. La turbine Pelton Tp comprend un arbre d'axe horizontal Ah2, autour duquel sont montés une pluralité d'augets G2. Les augets G2 sont reliés mécaniquement à l'arbre Ah2 par l'intermédiaire d'un disque. Les augets G2 sont protégés dans un carénage.

Pendant le fonctionnement de la centrale électrique Ct, les deux moteurs, El et E2, de la turbopompe 100 entraînent à rotation respectivement les deux hélices El et E2. Le flux d'eau E parvenant dans la turbopompe est alors accéléré, et la puissance fournie par les deux hélices El et E2 accélère la vitesse du flux d'eau et augmente sa pression, dans le cône d'accélération Coa.

Ce flux d'eau sous pression est acheminé dans la turbine Pelton via les deux canalisations hydrauliques Cn et jaillit au travers de deux injecteurs I respectivement raccordés à la sortie des deux canalisations hydrauliques Cn. Les injecteurs I sont dirigés vers le passage des augets G2 en rotation.

L'énergie cinétique du flux d'eau est transférée aux augets G2 qui entraînent à rotation l'arbre Ah2 en lui fournissant un couple moteur. Cette puissance mécanique est transmise, pendant le fonctionnement de la centrale électrique Ct, aux alternateurs correspondants At(Tp), visibles sur la Fig. 7, et qui sont utilisés pour fournir une puissance électrique à un réseau électrique.

Sur la Fig. 8, le conduit Cd est fixé sous la plateforme Pm et dans sa partie arrière pour canaliser un écoulement F vers la turbopompe 100. La paroi inférieure du conduit Cd est ascendante en direction de la turbopompe 100 pour accroître le rendement de ladite turbopompe.

La construction de la centrale électrique de l'invention, comprenant une turbopompe 100 à deux hélices El, E2 contrarotatives, un moyen de captation Mc, une turbine Pelton, lui procure un rendement élevé et qui est bien meilleur que celui d'une hydrolienne, limité en théorie à 16/27.