EP3249155A1

EP3249155A1 - Dispositif pour actionner un moteur à air

Info

Publication number: EP3249155A1
Application number: EP17172604.5A
Authority: EP
Inventors: Mohamed Benkendil
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2017-11-29
Also published as: FR3051855B1; FR3051855A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif muni d'une source de vide pour actionner un moteur (100), lequel moteur est constitué d'un cylindre (110) à l'intérieur duquel se déplace un piston (120) séparant le cylindre en deux chambres (111, 112) dont le volume varie en fonction du déplacement du piston dans le cylindre, le piston étant muni d'une tige (130) saillant du cylindre à l'extrémité de l'une des deux chambres, chaque chambre étant munie d'au moins une soupape d'admission et d'au moins une soupape d'échappement, un distributeur étant prévu pour raccorder alternativement les chambres (111, 112) à une source de vide via leurs soupapes d'échappement et à la pression atmosphérique via leurs soupapes d'admission. Conformément à l'invention, la source de vide comprend au moins une prise de vide placée dans un dispositif à effet Venturi (200).

Description

L'invention concerne un dispositif pour générer du vide en vue d'actionner un moteur à air selon le préambule de la revendication 1.
L'invention vise à faire fonctionner un moteur selon le préambule sans dégager de polluants tels que des déchets gazeux (gaz à effet de serre) ou des déchets radioactifs (déchets des usines nucléaires par exemple).
La recherche de nouvelles énergies renouvelables s'est accélérée ces dernières décennies pour répondre aux crises énergétiques et environnementales et pour diminuer la pollution atmosphérique. Par ailleurs, le changement climatique que nous observons est dû en grande partie au rejet de gaz à effet de serre. Selon les spécialistes, les barrages hydrauliques, les éoliennes et l'énergie solaire ont aussi des effets négatifs sur l'environnement. Il est donc important de les améliorer sans cesse, car malgré tout, l'énergie qu'elles produisent est propre et sans rejets.
On connait depuis longtemps les moteurs à air qui fonctionnent non pas sous l'effet d'une surpression comme les machines à vapeur, mais sous l'effet d'un vide. Généralement, un tel moteur à air est constitué d'un cylindre fermé à ses deux extrémités et à l'intérieur duquel se déplace un piston séparant le cylindre en deux chambres dont le volume varie en fonction du déplacement du piston dans le cylindre. Le piston est muni d'une tige saillant du cylindre à l'extrémité de l'une des deux chambres. Chaque chambre est munie d'au moins une soupape d'admission et d'au moins une soupape d'échappement. Chaque chambre peut être raccordée par sa soupape d'échappement à un générateur de vide et par sa soupape d'admission à l'air ambiant. Quand la valve d'échappement d'une chambre est ouverte, la soupape d'admission de cette chambre est fermée, tandis que dans l'autre chambre la soupape d'admission est ouverte et la soupape d'échappement est fermée. Les soupapes d'échappement sont raccordées à tour de rôle au générateur de vide. Il est courant que les soupapes d'admission et d'échappement d'une même chambre soient confondues. Un distributeur peut être prévu pour raccorder alternativement les chambres à un générateur de vide via leurs soupapes d'échappement et à la pression atmosphérique via leurs soupapes d'admission.
L'objectif de l'invention est de faire fonctionner un moteur à air du type de celui évoqué précédemment en utilisant une source d'énergie renouvelable et propre qui ne nuise pas à l'environnement. Un second objectif est d'améliorer le rendement des barrages. Un autre objectif est d'améliorer la qualité de l'eau des rivières ou celle sortant des barrages. Un quatrième objectif de l'invention est de contribuer à la dépollution de l'air.
Ces objectifs sont atteints du fait que la source de vide utilisée pour actionner le moteur à air comprend au moins une prise de vide placée dans un dispositif à effet Venturi destiné à être placé dans un courant d'eau gravitaire. La prise de vide du dispositif à effet Venturi est raccordée au distributeur du moteur. L'air aspiré pour faire fonctionner le piston est introduit dans le courant d'eau contribuant à l'oxygéner, ce qui a un effet bénéfique sur la faune et la flore aquatique. Par eau gravitaire, on comprend une eau qui est mobilisable par gravité. On exploite ainsi l'énergie potentielle de flux d'eau qui, transformée en énergie cinétique, permet de générer du vide servant à actionner un moteur à air. Il peut s'agir d'eau d'un barrage ou de l'eau d'un cours d'eau.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif à effet Venturi comprend un tube de Venturi placé dans une conduite réalisée dans un barrage hydraulique. Dans une première variante de réalisation, la prise de vide du tube de Venturi est placée dans une restriction réalisée à cet effet dans la conduite. La conduite peut n'avoir aucune autre fonction, ou la restriction est placée dans une conduite existante, à distance d'une turbine de sorte à n'avoir aucun effet sur le fonctionnement de celle-ci.
Dans une deuxième variante, la prise de vide du tube de Venturi est placée dans une restriction déjà existante dans la conduite, au niveau d'une turbine. Dans un premier exemple, la prise de vide est placée dans une restriction située en aval d'une turbine du barrage hydraulique, au début de la conduite d'aspiration. Cette solution est particulièrement bien adaptée aux turbines Francis.
Dans un deuxième exemple, la prise de vide du tube de Venturi est placée à la fin de la conduite d'alimentation en eau, ou à proximité de celle-ci, de préférence dans la zone de basse pression au voisinage des pales de la turbine. Notamment, la prise de vide pourra être placée en amont des pales d'une turbine du barrage hydraulique et/ou directement en aval de celles-ci. Cette solution est destinée par exemple aux turbines Kaplan ou aux turbines de type bulbe.
Dans un troisième exemple, le tube de Venturi est placé dans un barrage fonctionnant avec des turbines Pelton qui utilisent un pointeau pour réguler le débit au sortir de la conduite d'alimentation en eau de la turbine. Le pointeau est fixé à l'extrémité d'une tige de commande et est mobile dans une buse. Conformément à l'invention, la tige de commande et le pointeau sont creux et en communication l'un avec l'autre, l'extrémité du pointeau opposée à la tige de commande étant ouverte, et la tige de commande servant de prise de vide au tube de Venturi.
Pour une meilleure répartition de l'entrée d'air dans la conduite, il est préférable que la prise de vide comprenne plusieurs ouvertures réparties sur la périphérie de la conduite et que ces ouvertures soient placées dans un même plan radial.
Dans un deuxième mode de réalisation, le dispositif à effet Venturi est placé dans un courant d'eau à l'air libre, de préférence dans un cours d'eau ou dans un déversoir de barrage hydraulique. Les torrents sont particulièrement bien adaptés à ce type d'application de même que les déversoirs des barrages. Dans de tels cas, le dispositif à effet Venturi peut être constitué par au moins une structure de type hydrofoil, une ou plusieurs ouvertures étant réalisées dans chaque hydrofoil, dans une zone dans laquelle se forme une dépression lorsque l'hydrofoil est plongé dans un courant d'eau, chaque structure de type hydrofoil étant reliée à une conduite servant de prise de vide pour le moteur. Il est préférable de prévoir des valves antiretour à la jonction entre chaque structure de type hydrofoil et la conduite et/ou dans chaque ouverture. Selon la profondeur disponible, plusieurs structures de type hydrofoil peuvent être placées les unes au-dessus des autres dans le cours d'eau, à distance les unes des autres, de préférence sans inclinaison en formant une batterie.
Afin d'améliorer la qualité de l'air ambiant, il est possible de placer un filtre à air en amont de la prise de vide du tube de Venturi. Ainsi, l'air aspiré est filtre avant d'être injecté dans le courant d'eau. Le filtre peut être placé par exemple dans la conduite d'alimentation en air du moteur.
L'invention est décrite plus en détail à l'aide des figures suivantes qui montrent des exemples de réalisation de l'invention non limitatifs :

Figure 1 :: Schéma de principe d'un moteur à air ;
Figure 2 :: vue d'un tube de Venturi de type multiétage placé dans un courant d'eau, par exemple une rivière ou un déversoir en sortie de barrage ;
Figure 3 :: coupe à travers un barrage avec une conduite munie d'une restriction et de plusieurs prises de vide pour actionner le moteur à air, à la façon d'un Venturi multiétage;
Figure 4 :: vue d'une conduite d'un barrage munie d'une prise de vide au niveau d'une turbine Francis ;
Figure 5 :: vue d'une conduite d'un barrage munie d'une prise de vide au niveau d'une turbine bulbe ;
Figure 6 :: vue d'une conduite d'un barrage munie d'une prise de vide au niveau d'un injecteur d'une turbine Pelton ;
Figure 7 :: représentation schématique d'un pointeau pour un injecteur selon la figure 6 ;
Figure 8 :: coupe éclatée du pointeau de la figure 7 ;
Figure 9 :: coupe agrandie du pointeau de la figure 7 muni de valves unidirectionnelles placé dans la buse de l'injecteur ;
Figure 10 :: coupe agrandie au niveau d'une valve unidirectionnelle ;
Figure 11 :: vue de dos de la partie avant du pointeau de la figure 7 ;
Figure 12 :: représentation schématique d'un moteur à air actionnant une roue et raccordé à une prise de vide dans une restriction située dans une canalisation d'un barrage ;
Figure 13 :: représentation schématique en coupe de côté d'une batterie de structures de type hydrofoil placées dans un courant d'eau à l'air libre ;
Figure 14 :: représentation schématique en perspective de la batterie de structures de type hydrofoil de la figure 13 ;
Figure 15 :: représentation schématique de face de la batterie de structures de type hydrofoil de la figure 13.

Pour une meilleure compréhension des figures, l'eau est représentée généralement par une flèche en trait continu, tandis que l'air est représenté par une flèche en trait discontinu.
L'objectif de l'invention est notamment d'augmenter le rendement d'une centrale hydraulique en faisant fonctionner, parallèlement aux turbines traditionnelles, un moteur à air utilisant une source de vide et l'air ambiant comme source d'énergie.
La figure 1 montre le schéma de principe de fonctionnement d'un tel moteur à air (100). Ce moteur fonctionne sensiblement comme un moteur à air comprimé, mais au lieu d'utiliser une source d'air comprimé, il utilise une source de vide. L'élément principal du moteur est un cylindre à double effet (110) fermé aux deux faces d'extrémité et dans lequel se déplace un piston (120) en formant deux chambres (111, 112) dont le volume varie en fonction du déplacement du piston à l'intérieur du cylindre. Une tige (130) est fixée au piston et saille par l'une des faces du cylindre. La tige est reliée à un mécanisme (140) qui transforme le mouvement de translation de la tige (130) en un mouvement de rotation pouvant être utilisé pour actionner un alternateur non représenté. Chaque chambre est munie d'au moins une valve d'admission et d'au moins une valve d'échappement, les valves d'admission et les valves d'échappement d'une même chambre pouvant être confondues (113, 114). Un tiroir de distribution, non représenté, permet d'alterner la prise de vide et l'entrée d'air ambiant dans les deux chambres en fonction de la position du piston dans le cylindre. Ainsi quand une chambre (112) est en contact avec la source de vide, l'autre chambre (111) est en contact avec l'air ambiant. Quand le piston est proche de sa fin de course, les raccordements sont inversés et la chambre (112) qui précédemment était en contact avec la source de vide se trouve maintenant en contact avec l'air ambiant, tandis que l'autre chambre (111) est raccordée à la source de vide. La différence de pression étant inversée, le piston se déplace vers la chambre (111) raccordée à la source de vide. Ce type de moteur est en soi connu, mais les sources de vide habituellement utilisées ont généralement besoin d'une source calorifique ou électrique. L'objectif de l'invention est de créer une source de vide qui ne nécessite pas d'apport calorifique ou électrique.
Comme source de vide ne nécessitant pas d'énergie artificiellement créée, telle que de l'électricité, on a prévu un tube de Venturi placé dans un courant d'eau préexistant. Il existe de nombreux courants d'eau déjà existants pouvant être ainsi exploités. L'avantage d'un tube de Venturi, outre qu'il utilise une source d'énergie déjà présente, mais non exploitée, réside dans le fait que l'air aspiré pour faire fonctionner le moteur à air (100) est introduit dans le courant d'eau favorisant ainsi son aération et augmentant le taux d'oxygène dans l'eau. Cet apport d'oxygène est favorable à la faune et la flore aquatique.
Un tube de Venturi (200) est constitué d'un canal principal dont le diamètre varie de façon continue et d'un canal secondaire appelée prise de vide. Le canal principal comporte placés les uns derrière les autres une chambre convergente (210) débouchant dans une restriction (220) qui se poursuit par une chambre divergente (230). La prise de vide (240) est placée au niveau de la restriction (220) dans le cas d'un Venturi simple. Dans le cas d'un Venturi multiétage comme ceux représentés schématiquement aux figures 2 et 3, les prises de vide (généralement 2 ou 3 prises de vide supplémentaires) sont placées les unes derrière les autres le long de la partie divergente du tube pour exploiter toute la zone de dépression.
Un tube de Venturi exploite le principe de Bernoulli. Si un liquide incompressible s'écoule dans une canalisation, alors son débit est constant. Lorsque le diamètre de la canalisation diminue, la vitesse du liquide augmente et sa pression diminue, tandis qu'à l'inverse, lorsque la canalisation s'élargit, le fluide ralentit et sa pression augmente. Par conséquent, lorsqu'un fluide s'écoule dans un tube de Venturi depuis l'entrée de la chambre de convergente (210) jusqu'à la restriction, le diamètre du canal diminue et la pression initiale diminue tandis que la vitesse augmente. Au sortir de la restriction (220), le diamètre du canal croit à nouveau et la pression augmente tandis que la vitesse diminue. Du fait de la diminution de la pression au niveau de la restriction (220), il se crée une dépression que l'on peut utiliser pour aspirer le fluide se trouvant dans la prise de vide. Cette prise de vide peut être raccordée au moteur (100) pour le faire fonctionner.
Le tube de Venturi est le coeur de l'invention. Sa conception doit être faite avec soin pour atteindre de très basses pressions ce qui va lui conférer un meilleur débit d'aspiration. Il doit pouvoir disposer d'un temps très court d'évacuation du volume d'air du cylindre de la machine, ce qui augmentera la puissance de la machine à laquelle il est attaché. Il doit être bien fixé pour supporter la force de l'eau. Comme il ne comporte aucune pièce mobile, le tube de Venturi demande très peu d'entretien. Si la pression de l'eau passe en dessous de la pression de vapeur saturante, il se produira des phénomènes de cavitation qui risquent d'endommager la partie divergente du tube. Nous comptons sur l'injection massive d'air pour éliminer la cavitation, c'est pour cette raison qu'il ne faut jamais couper l'arrivée d'air du Venturi, il faut trouver un juste équilibre entre le diamètre de la restriction et l'absence de cavitation. Il faut protéger le tube contre les débris charriés par l'eau. Le tube Venturi peut être utilisé comme un débitmètre intégré. Il a en outre l'avantage de ne pas se mettre en travers de l'écoulement de l'eau comme c'est le cas d'une turbine par exemple. Il s'agit seulement d'une forme de canalisation particulière avec un rétrécissement puis un élargissement du diamètre. Des pertes de charge se produisent en sortie du tube et doivent être prises en compte, car moins de pertes de charge signifient une amélioration du débit d'eau, source de l'énergie hydraulique classique. Il convient de ne pas laisser passer les poissons à travers un tube Venturi à cause des basses pressions qui les blessent, comme c'est déjà le cas pour les barrages hydrauliques.
L'expérience a montré que l'eau accélère sensiblement dans la partie divergente du tube de Venturi lorsqu'il y a aspiration d'air par rapport à la vitesse de l'eau sans aspiration de l'air. En effet, l'air et l'eau traversent la même section du tube, l'air passe sous forme de microbulles dans l'eau et le volume qu'il occupe peut être considéré comme une diminution de la section de la canalisation pour l'écoulement de l'eau, or une diminution de la section correspond à une accélération du fluide puisque le débit reste constant.
Des simulations numériques ont été réalisées avec un tube de Venturi simple effet d'une longueur de 20 m, d'un diamètre de 1 m, le diamètre de la restriction étant de 0,45 m de diamètre, l'angle convergent de 34°, l'angle divergent de 7°.
L'invention prévoit plusieurs endroits pour positionner le tube de Venturi. Dans un premier mode de réalisation, le tube Venturi est placé dans un cours d'eau ou un déversoir, par exemple au sortir d'un barrage. Dans un deuxième mode de réalisation, le tube Venturi est placé dans une conduite forcée placée entre une source située en hauteur et une sortie située à l'air libre. Dans tous les cas, le dispositif de l'invention utilise l'énergie potentielle de l'eau gravitaire, soit directement (dans une canalisation de barrage), soit transformée en énergie cinétique par exemple dans les cours d'eau ou les déversoirs.
Dans le premier mode de réalisation, le tube Venturi est placé dans un cours d'eau à l'air libre et utilise essentiellement l'énergie cinétique de l'eau. Un premier exemple de réalisation est représenté schématiquement à la figure 2, tandis qu'un second exemple de réalisation est présenté dans les figures 13 à 15.
Dans l'exemple de la figure 2, un ou plusieurs tubes de Venturi sont placés sur un déversoir à l'air libre. Les déversoirs (spillway) situés au sortir des barrages rejettent l'eau sans jamais en tirer profit, un déversoir en forme de tube de Venturi ou muni de tube de venturi ou de structures provoquant un effet venturi permettrait de tirer le maximum des ressources disponibles.
Un tel déversoir, placé à la sortie d'un barrage ou d'une retenue d'eau, constitue un chenal présentant une longue pente douce en vue de diminuer l'énergie de l'eau avant de la déverser dans un cours d'eau. Ainsi, la vitesse de l'eau est modérée avant de pénétrer dans chaque tube. Dans l'exemple de la figure 2, les tubes de Venturi sont disposés de préférence les uns derrière les autres, espacés et parallèles à l'écoulement. Pour des raisons de simplification, il est préférable qu'ils partagent une même conduite d'acheminement d'air. Une autre configuration en escalier plutôt qu'en pente, pour atteindre le même but est possible, les tubes seraient sur le plan horizontal. Dans les deux cas, on réduit la force de l'eau du barrage. La figue 2 montre un tube Venturi encastré dans le chenal, l'entrée du tube présente une rampe inclinée d'un angle d'environ 45° pour faciliter le passage d'une partie de l'eau au-dessus du tube. Cette partie de l'eau recouvre le tube et glisse le long d'une dalle qui protège le tube pour rejoindre le chenal en aval. L'autre partie de l'eau traverse le Venturi, elle ralentit fortement en entrée et sa pression statique augmente. Quand l'eau entre dans la partie convergente, elle accélère fortement à l'étranglement, générant ainsi une forte dépression.
Le même type de tube Venturi que précédemment peut être placé dans un torrent ou dans un courant marin. Ces courants existent naturellement et peuvent être exploités sans pollution. L'installation d'un tube de Venturi dans les rapides des rivières permet de bénéficier de l'énergie cinétique de l'eau. Le système apparaît dans sa meilleure condition pour le respect du paysage et de la nature, car le tube de Venturi sera totalement immergé et non visible de la surface. Il est fixé solidement et parallèlement à l'écoulement d'une eau à grande vitesse et son apport en oxygène en profondeur sera important. Dans ce mode de réalisation, il n'est pas nécessaire de prévoir des conduites forcées ou des barrages. Il n'y a donc aucun aspect négatif pour la flore marine, mais bien au contraire, on aide la nature en aérant l'eau. De plus, il est possible de placer plusieurs tubes les uns derrière les autres ou les uns parallèlement aux autres, multipliant ainsi l'énergie à extraire.
Dans la quête d'aspiration maximale, on est tenté d'utiliser un goulot d'étranglement de plus en plus serré. Il peut en résulter que l'eau de plus en plus véloce provoque de fortes turbulences dans la partie divergente lesquelles freineront complètement l'écoulement à l'intérieur du tube, ce qui aura pour conséquence un contournement du tube par l'eau, le tube devient alors inopérant !
Dans un deuxième exemple de réalisation représenté aux figures 13 à 15, les tubes de Venturi classiques ont été remplacés par une ou plusieurs structures de type hydrofoil (450). Quand il y a plusieurs hydrofoils, ils sont placés à distance les uns des autres dans une batterie soit horizontalement les uns au-dessus des autres comme sur les figures 13 à 15, soit verticalement les uns à côté des autres. Habituellement, les hydrofoils sont des ailes profilées utilisées non pas dans l'air mais dans l'eau pour permettre à des coques de navire de déjauger à une certaine vitesse. Dans le cas présent, on a choisi des hydrofoils (450) symétriques placés sans inclinaison dans le courant d'eau, par exemple des profils de type NACA 0015. Chaque hydrofoil de par sa forme bombée provoque sur chacune de ses faces tout d'abord un rétrécissement de la section disponible pour le flux d'eau entre son bord d'attaque (451) et son épaisseur maximum (452), puis une augmentation entre son épaisseur maximum (452) et le bord de fuite (453). On voit donc qu'un hydrofoil peut être assimilé à tube de Venturi. L'effet de restriction est bien visible sur la figure 13, ente deux hydrofoils successifs. En plaçant des ouvertures (454) sur les deux faces (455, 456) de chaque hydrofoil, dans la zone dans laquelle il se produit une dépression lorsqu'il est immergé dans un courant d'eau, il est possible de créer des prises de vide menant à l'intérieur de l'hydrofoil. Dans la pratique, on placera les ouvertures (454) dans plusieurs rangées parallèles au bord d'attaque (451), et ce dans la zone où doit régner, lors de la circulation de l'eau, une dépression par rapport à la pression atmosphérique apte à créer un vide pouvant actionner le moteur (100). Chaque hydrofoil est relié par un tube de raccord (457) à une conduite d'air principale (458) reliée au moteur. Lors du fonctionnement, l'eau circulant autour de chaque hydrofoil provoque une dépression sur la partie bombée de chaque face, l'air contenu dans l'hydrofoil est aspiré dans l'eau en passant à travers les ouvertures (454). Il se crée une dépression dans l'hydrofoil, dépression qui est transmise via le tube de raccord (457) et la conduite principale (458) au moteur. Pour éviter des retours d'eau dans les hydrofoils, on peut prévoir des valves antiretour dans le tube de raccord (457) de chaque hydrofoil et/ou au niveau de chaque ouverture (454). Ainsi, si une ouverture se trouve dans une zone où ne règne pas la dépression escomptée, par exemple car la vitesse de l'eau n'est pas aussi élevée que prévu, l'eau ne rentrera pas dans l'hydrofoil. Comme le montre la figure 15, les hydrofoils s'étendent de préférence sur toute la largeur du courant d'eau. La distance qui sépare deux hydrofoils successifs d'une même batterie doit être suffisante et peut être déterminée par des essais en fonction du débit du courant d'eau dans lequel il est immergé.
Il est également possible de placer plusieurs batteries d'hydrofoils les unes derrière les autres à condition de respecter une distance minimale pour permettre à l'eau de reprendre de la vitesse.
Les hydrofoils sont protégés contre la cavitation par l'injection de l'air dans l'eau.
L'homme du métier comprend que ces structures de type hydrofoils peuvent être placées non seulement dans des courants d'eau à l'air libre comme les cours d'eau ou les déversoirs, mais également dans des conduites fermées telles que des conduites forcées. Dans ce cas, les conduites auront de préférence une section rectangulaire.
Dans le deuxième mode de réalisation de l'invention, le tube de Venturi est placé dans une canalisation placée entre une retenue d'eau placée en hauteur et une sortie placée plus bas que le niveau de l'eau de la retenue. Typiquement, la canalisation sera située dans un barrage. Le tube Venturi utilise essentiellement l'énergie potentielle de l'eau due à la différence de hauteur entre la source et la sortie.
Une première variante de réalisation de l'invention appliquée à une telle conduite est représentée à la figure 3. Le tube de Venturi est placé dans une conduite (311) du barrage (300). La dépression créée au niveau de la restriction (220) du tube de Venturi sert à faire fonctionner le moteur à air. Cette conduite peut être créée pour le fonctionnement exclusif du moteur et ne pas avoir d'autre fonction, auquel cas il n'est pas nécessaire de la placer dans un barrage comme représenté ici, mais par exemple de la placer comme une simple conduite forcée placée à flanc de montagne. Il est cependant envisageable de placer la restriction formant tube de Venturi dans une conduite existante, notamment bien en aval d'une turbine placée dans la conduite.
Une deuxième variante de réalisation consiste à utiliser les restrictions déjà présentes dans les conduites des barrages, mais non utilisées. En effet, les conduites, au niveau des turbines, constituent en soi des restrictions dans lesquelles il est possible de placer des prises de vide. Ainsi, on observe au niveau d'une turbine hydraulique un phénomène de cavitation qui habituellement doit être évité, car avec le temps il peut endommager la turbine et la canalisation. La cavitation apparaît quand la dépression atteint la pression de vapeur saturante de l'eau, laquelle dépend de la température de l'eau. Étirer un liquide avec une force croissante, c'est lui appliquer une pression négative. La pression négative ainsi appliquée finit par "casser" le liquide et il se produit alors un changement de phase liquide -> gaz se traduisant par l'apparition de bulles de vapeur d'eau. Quand l'eau traverse une restriction de diamètre, la pression chute. L'eau bout si elle atteint la pression de vapeur saturante. Il se forme alors de multiples bulles de vapeur. Quand l'eau regagne de la pression à la sortie de la zone de restriction, ces bulles éclatent contre les parois du tube. Ces éclatements de bulles de vapeur créent de petites cavités sur la surface de la conduite, cette érosion condamne cette dernière à sa destruction au fil du temps. C'est cette dépression qui est utilisée dans la présente invention.
Il existe différents types de turbines hydrauliques en fonction de la hauteur de chute d'eau et/ou du débit. Les turbines sont classées en deux grandes catégories :

les turbines à réaction dont le rotor provoque une différence de pression entre l'entrée et la sortie de la turbine ; et
les turbines à impulsion dans lesquelles l'énergie potentielle de l'eau s'écoulant dans une conduite forcée est transformée en énergie cinétique par l'intermédiaire d'un jet d'eau qui agit directement sur les augets de la roue.

Parmi les turbines à réaction, on citera par exemple les turbines Francis, destinées aux chutes d'eau moyennes à hautes et dans lesquelles l'eau pénètre radialement et s'évacue axialement, ainsi que les turbines Kaplan destinées aux faibles chutes d'eau (2 à 25 mètres de hauteur) et aux très grands débits (70 à 800 m³/s). Les turbines de type bulbe, dans lesquelles l'eau s'écoule axialement, sont des variantes des turbines Kaplan. Parmi les turbines à action, on trouve notamment les turbines à augets de type Pelton qui sont particulièrement bien adaptées aux grandes hauteurs de chute (> 400 m) et aux faibles débits d'eau (< 15 m³/s).
De façon générale, une turbine à réaction est placée à l'extrémité d'une conduite forcée (311, 312, 313) et se prolonge par un tube d'aspiration (411, 421) qui débouche plus bas dans un canal de fuite. Le tube d'aspiration doit être complètement rempli avec le fluide de travail qui le traverse. Il est réalisé de manière divergente pour réduire au minimum la vitesse à la sortie. Par conséquent, un tube d'aspiration est essentiellement un diffuseur et doit être conçu correctement avec un angle d'environ 8 degrés de manière à empêcher la séparation de l'écoulement depuis la paroi et à réduire en conséquence la perte d'énergie dans le tube.
Il faut éviter que la pression en amont du tube de Venturi ne soit trop importante lorsqu'il n'y a pas de turbine, car par exemple pour abaisser cent bars à moins d'un bar, il faut rétrécir davantage le passage de l'eau à l'étranglement. Il en résultera une grande vélocité de l'eau et d'importantes turbulences dans la partie divergente du tube. De telles turbulences risquent de freiner l'écoulement de l'eau et de faire apparaître des vibrations et du bruit.
Le corps de la turbine dans la conduite constitue une restriction et la pression de l'eau chute parfois jusqu'à la pression vapeur saturante d'où l'apparition de la cavitation sur les pales de la turbine et au sortir de la turbine. C'est en ceci que l'invention assimile cette construction à un embryon de tube de Venturi gigantesque. Si l'on pratique une ou plusieurs ouvertures dans la canalisation juste en dessous de la turbine, on crée une forte aspiration d'air. En se référant aux données de fournies par la société Mazzei, fabriquant de tube de Venturi (http://mazzei.net/venturi_injectors/), il est possible d'arriver à un volume 50 % eau - 50% air. Si l'on prend un débit d'eau moyen de 700 m³/s, on aura un débit d'aspiration d'air du même ordre de grandeur. En multipliant cette valeur par le nombre de turbines dont dispose un barrage (32 pour le barrage des trois gorges en Chine) le potentiel d'énergie est phénoménal. L'emplacement exact des ouvertures dépend du type de turbine utilisé. Le tube aspirateur prend une nouvelle envergure puisqu'il devient source d'énergie en plus d'un diffuseur.
L'eau sort de la turbine dans un mouvement hélicoïdal, puis s'écoule sous cette forme jusqu'au en bas du tube diffuseur. Il se forme aussi une corde de vortex au milieu, juste en dessous de la turbine, laquelle corde est constituée d'oxygène non dissout et de vapeur. Cette corde est responsable de fluctuation à haute fréquence de la pression ce qui cause des vibrations et nuisances sonores et a un effet direct sur la performance des générateurs, certaines études ayant montré que l'injection d'eau ou d'air par le milieu de l'arbre (creux) de la turbine réduit efficacement les vibrations et augmente la production par la même occasion. Une entrée d'air par le tube de Venturi comme le montre la figure 4 a le même effet.
Il faut que le tube aspirateur soit conçu pour ralentir suffisamment la vitesse de l'eau qui est augmentée en raison de l'injection massive d'air. La nouvelle architecture des barrages devra prendre en compte dans sa conception un tube aspirateur efficace au vu de la nouvelle donne. L'injection de l'air ne doit perturber en rien le fonctionnement normal de la turbine.
La figure 4 présente un premier exemple de cette deuxième variante de réalisation. Elle représente la conduite (312) d'un barrage au niveau d'une turbine Francis (410). L'eau est introduite dans la turbine de façon radiale en passant par un distributeur en spiral (210) jouant le rôle de chambre convergente et s'échappe ensuite axialement dans une conduite d'aspiration (411) qui joue le rôle de chambre divergente (230). En aval de la turbine, on observe une baisse de pression qui peut conduire à un effet de cavitation. Conformément à l'invention, il est prévu de placer sur le pourtour de la conduite d'aspiration (411), à proximité de la sortie de la turbine, une ou plusieurs ouvertures reliées à la prise de vide (240). Il est possible de placer une valve d'ouverture/fermeture (242) dans la conduite d'acheminement d'air jouant le rôle de prise de vide pour le tube de Venturi. Cette valve sert à interrompre l'aspiration d'air en cas de nécessité. Il est également possible de placer un clapet antiretour (241) pour éviter que l'eau ne reflue vers le moteur à air (100).
Le même principe peut être utilisé pour une turbine de type Kaplan.
La figure 5 présente un deuxième exemple de la deuxième variante de réalisation. Ici, la conduite (313) du barrage est munie d'une turbine de type bulbe (420). Les turbines de type bulbe sont des développements des turbines Kaplan dont les pales sont placées dans le courant d'eau de sorte qu'il se produit un écoulement hydraulique axial sans changement de direction, contrairement aux turbines Francis. Alors que dans la turbine Kaplan traditionnelle l'alternateur est placé à l'extérieur de la conduite, l'alternateur d'une turbine de type bulbe est placé dans une enveloppe profilée immergée dans le flux. Comme le montre la figure 5, la conduite (313) dans laquelle est placée la turbine de type bulbe se rétrécit au niveau de l'extrémité de l'enveloppe dirigée vers les pales. Au-delà des pales, la conduite s'élargit à nouveau en une conduite d'aspiration (421). La turbine placée dans la conduite et le rétrécissement au bout de la conduite forcée (313) constituent une restriction (220) qui peut être utilisée pour former un tube de Venturi. L'extrémité de la conduite forcée (313) constitue la chambre convergente (410) et le début de la conduite d'aspiration (421) la chambre divergente (230). Conformément à l'invention, il est prévu de placer sur le pourtour de cette restriction une ou plusieurs ouvertures reliées à une prise de vide (240).
Les turbines bulbe ont un fonctionnement réversible, c'est-à-dire que la turbine est entraînée par l'eau que celle-ci s'écoule dans un sens ou dans l'autre. C'est pourquoi elles sont utilisées notamment dans les usines marémotrices. L'invention peut être utilisée dans ce type de barrage.
Un troisième exemple de réalisation de la deuxième variante, représenté sur la figure 6, prévoit de modifier la buse d'une turbine Pelton pour créer un tube de Venturi. Une turbine Pelton fonctionne avec un grand dénivelé, mais un faible débit. L'eau est amenée à la turbine par une conduite forcée (314) depuis une retenue placée beaucoup plus haut. Elle est projetée dans le plan radial sur les augets de la roue par une ou plusieurs buses situées au bout de la conduite forcée. La force du jet d'eau est ajustable à l'aide d'un pointeau de forme sensiblement conique. Traditionnellement, le pointeau est placé à l'extrémité d'une tige de commande reliée à un vérin. La position du pointeau dans la buse est ajustée à l'aide du vérin en fonction du débit souhaité. On comprend qu'une restriction est formée au niveau du pointeau, laquelle restriction est exploitée conformément à l'invention pour placer une prise de vide. La solution retenue pour cet exemple de réalisation est différente du tube de Venturi traditionnel, étant donné qu'il n'est pas possible d'injecter l'air depuis la buse, car la région de basse pression (grande vitesse) n'est pas isolée de l'air environnant. Pour utiliser une méthode la moins invasive possible, il est donc proposé d'injecter l'air par un pointeau creux, car celui-ci est isolé de l'air ambiant par le jet d'eau qui l'entoure. L'entrée de la buse constitue la chambre convergente (210), l'espace situé entre l'extrémité avant du pointeau et la buse la restriction (220). Conformément à l'invention, la tige de commande (431) et le pointeau (430) sont creux et forment un canal pour la prise de vide. La figure 7 montre une vue schématique en perspective du pointeau (430) de l'invention.
Le pointeau peut être constitué d'une partie arrière (432) solidaire de la tige de commande (431) et d'une partie avant (433) comme le montre la figure 8. La partie arrière du pointeau et la tige de commande sont creuses. Une section cylindrique de la partie arrière du pointeau (432) est filetée (mâle), tandis qu'une section cylindrique de la partie avant (433) est filetée (femelle) dans le but de solidariser les deux parties, un joint d'étanchéité (434) pouvant être interposé entre elles. La partie avant (433) du pointeau est percée de nombreux conduits (435) parallèles entre eux qui débouchent à la sortie de la buse. L'air est injecté dans l'eau par ces conduits. La partie avant est de forme conique. Cette conception permet à l'eau de s'écouler le long de cette forme conique comme le montre la figure 9. Un exemple de la répartition géométrique des conduits est visible sur la figure 11 qui montre une vue de dos de la partie avant (433) du pointeau. Il est préférable de prévoir des valves unidirectionnelles (436) pour empêcher le reflux de l'eau dans la prise de vide quand le pointeau ou l'extrémité de certains conduits se trouvent dans les régions de haute pression. Ces valves unidirectionnelles (436) peuvent être placées dans chacun des conduits (435) de la partie avant du pointeau. La figure 10 montre une coupe à travers une telle valve unidirectionnelle. Une plaque de retenue (437) est placée en amont de la partie avant (433) du pointeau pour maintenir en place les valves unidirectionnelles (436). Cette plaque est de préférence vissée sur la partie avant (433). Il est également possible de placer un clapet antiretour de sécurité (241) dans le conduit de la tige de commande, par exemple à l'entrée de ce conduit, comme ceux montrés sur les figures 2 à 6 ou la figure 8.
Enfin, la figure 12 montre schématiquement le raccordement d'un moteur à air (100) à une prise de vide (240) provenant d'un tube de Venturi selon l'invention placé dans une conduite d'un barrage (300) et à un système bielle-manivelle (140) transformant le mouvement de va-et-vient du piston en un mouvement circulaire pour actionner un alternateur (non représenté).
Il est possible de placer un filtre (500) dans la conduite alimentant le moteur (100) en air ambiant. Ce filtre permet de dépolluer l'air aspiré avant de l'injecter dans l'eau après passage dans le moteur. Il faut noter une remarque importante, le moteur devient lui-même une pompe aspirante grâce au déplacement du piston pendant la phase d'admission, l'air admis sera absorbé par l'effet Venturi à la prochaine aspiration. La prise d'air a aussi son importance. On peut par exemple aspirer les COV (composés organiques volatils) dans la salle des machines et assurer ainsi un renouvellement automatique de l'air ambiant ou dans des zones particulièrement polluées et le faire passer sur des filtres avant de l'injecter dans l'eau.
L'invention présente de nombreux avantages. En faisant fonctionner un moteur à air entraînant un alternateur, elle contribue à augmenter le rendement d'un barrage. Elle peut être installée lors de la construction du barrage, ou bien être facilement installée dans un barrage existant.
L'effet Venturi comme décrit peut faire fonctionner une machine à vapeur tout autant qu'un moteur rotatif compliqué à air comprimé ou vapeur, la turbine Tesla étant une bonne candidate pour ce système. Le moteur à piston constitue une approche classique, mais il peut donner une idée sur la puissance qu'on peut tirer d'un tel système.
La pression atmosphérique fournit la force nécessaire pour faire fonctionner le moteur, il est important d'avoir une idée sur cette force. La force et la pression sont reliées par la formule P=F/S, où P est la pression en Pa, F la force en N et S la surface du piston en m². Autrement dit, F=P.S = P.π.D²/4 où D est le diamètre du piston.
La pression atmosphérique mesurée au niveau de la mer a pour valeur 1,01325·105 Pa.
F devient $F devient F = 0, 7958 \times 10^{5} \times D^{2}$
La pression atmosphérique étant en première approximation constante, la force dépend donc essentiellement du diamètre du piston élevé au carré et a la forme d'une fonction du type f(x)=kx ². La pression atmosphérique étant sensiblement constante, si nous voulons augmenter sa force, il faut augmenter la surface du piston, car c'est le seul paramètre variable dans notre équation. La course du piston et sa surface déterminent le volume d'air à extraire. Admettons que la dépression dans le barrage atteint 10 000 Pa avec un débit d'aspiration de 200 m3 /s.
Si nous prenons un piston de 10 m de diamètre et une course de 0,5 m, le volume d'air à extraire est de 78,56 m3, le temps d'évacuation de ce volume donne la vitesse linéaire du piston. Mais intéressons-nous à la force générée, 90 % de la pression atmosphérique sur la surface du piston correspond à 716,224 tonnes. Cette force atteint 2 864,88 tonnes si le piston fait 20 m de diamètre.
Ce petit calcul donne une idée de la puissance de ce moteur, disposant d'un important couple et capable d'améliorer le rendement d'une centrale hydraulique de façon significative. Le moteur fonctionne alors en implosion et non en expansion comme tous les moteurs connus. La taille de la machine est à l'image de l'ouvrage, tout est grand dans un barrage.
L'acheminement de l'air aspiré à travers une canalisation vers la machine et ensuite vers le tube Venturi (pompe à vide) nous amène à prendre en compte la conductance des canalisations, car dans notre système, les canalisations peuvent être très longues entre le tube Venturi et les machines. La conductance caractérise l'aptitude de la canalisation à l'écoulement de l'air et elle s'applique à tous les éléments de la pompe (tuyau, vannes, orifices, etc.). Il est préférable de tenir compte la conductance des canalisations d'acheminement d'air pour le calcul du rendement global du système qui sinon serait surestimé.
En injectant de l'air dans l'eau, on améliore la qualité de celle-ci ce qui bénéficie à la flore et la faune aquatique. L'oxygène tue les bactéries anaérobies et fait respirer les poissons. Le tube de Venturi n'ayant aucune pièce mobile, il est très robuste et ne nécessite pas un grand entretien. La salle des machines peut être placée loin du tube. L'invention est écologique puisqu'elle fait appel à une énergie existante qui est sinon perdue, c'est la part invisible de l'énergie hydraulique, la pression atmosphérique dont on a oublié l'importance et l'effet Venturi qui au final, n'est pas une notion intuitive.

Liste des références :

100: Moteur à air
110 Cylindre à double effet
111 Première chambre
112 Deuxième chambre
113 Valve d'admission et d'échappement de la première chambre
114 Valve d'admission et d'échappement de la deuxième chambre
120 Piston
130 Tige
140 Mécanisme transformant le mouvement de translation de la tige en un mouvement de rotation
200: Tube de Venturi
210 Chambre convergente
220 Restriction
230 Chambre divergente
240 Prise de vide
241 Clapet antiretour
242 Valve d'ouverture et de fermeture
300: Barrage
311 Conduite forcée
312 Conduite forcée
313 Conduite forcée
314 Conduite forcée
410: Turbine Francis
411 Tube d'aspiration
420 Turbine de type bulbe
421 Tube d'aspiration
430 Pointeau d'une turbine Pelton
431 Tige de commande du pointeau de la turbine Pelton
432 Partie arrière du pointeau
433 Partie avant du pointeau
434 Joint d'étanchéité
435 Conduits
436 Valves unidirectionnelles
437 Plaque de retenue
450 Structure de type hydrofoil
451 Bord d'attaque
452 Épaisseur maximale
453 Bord de fuite
454 Ouvertures servant de prise de vide
455 1^ère face
456 2^ème face
457 Tube de raccord
458 Conduite d'air principale
500 Filtre à air

Claims

Dispositif pour générer du vide pour actionner un moteur à air (100), lequel moteur est constitué
- d'un cylindre (110) à l'intérieur duquel se déplace

- un piston (120) séparant le cylindre en deux chambres (111, 112) dont le volume varie en fonction du déplacement du piston dans le cylindre, le piston étant muni d'

- une tige (130) saillant du cylindre à l'extrémité de l'une des deux chambres, chaque chambre étant munie d'

- au moins une soupape d'admission et d'au moins une soupape d'échappement,

- un distributeur étant prévu pour raccorder alternativement les chambres (111, 112) à une source de vide via leurs soupapes d'échappement et à la pression atmosphérique via leurs soupapes d'admission,
caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins une prise de vide placée dans un dispositif à effet Venturi (200).
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif à effet Venturi comprend un tube de Venturi (200) placé dans une conduite (311, 312, 313, 314) réalisée dans un barrage hydraulique (300).
Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la prise de vide (240) du tube de Venturi (200) est placée dans une restriction (220) réalisée à cet effet dans la conduite (311).
Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la prise de vide (240) du tube de Venturi (200) est placée dans une restriction située en aval d'une turbine (410) du barrage hydraulique, au début de la conduite d'aspiration (411).
Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la prise de vide (240) du tube de Venturi (200) est placée à la fin de la conduite d'alimentation en eau, ou à proximité de celle-ci, dans la zone de basse pression au voisinage des pales de la turbine (420).
Dispositif selon la revendication 2 appliqué à un barrage muni d'une turbine Pelton dans laquelle le débit au sortir de la conduite d'alimentation en eau est réglé au moyen d'un pointeau fixé à l'extrémité d'une tige de commande et mobile dans une restriction, caractérisé en ce que la tige de commande (431) et le pointeau (430) sont creux et en communication l'un avec l'autre, l'extrémité du pointeau opposée à la tige de commande étant ouverte, et la tige de commande servant de prise de vide au tube de Venturi.
Dispositif selon la revendication 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que la prise de vide comprend plusieurs ouvertures réparties sur la périphérie de la conduite.
Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les ouvertures sont placées dans un même plan radial.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif à effet Venturi est placé dans un courant d'eau à l'air libre, de préférence dans un cours d'eau ou dans un déversoir de barrage hydraulique.
Dispositif selon la revendication 1 ou 9, caractérisé en ce que le dispositif à effet Venturi est constitué par au moins une structure de type hydrofoil (450), une ou plusieurs ouvertures (454) étant réalisées la structure de type l'hydrofoil, dans une zone dans laquelle se forme une dépression lorsque la structure de type hydrofoil est plongée dans un courant d'eau, la structure de type hydrofoil (450) étant relié à une conduite (458) servant de prise de vide pour le moteur, des valves antiretour étant de préférence prévues à la jonction (457) entre chaque structure de type hydrofoil et la conduite (458) et/ou dans chaque ouverture (454).
Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que plusieurs structures de type hydrofoil (454) sont placées à distance les unes des autres horizontalement les unes au-dessus des autres ou verticalement les unes à côté des autres, de préférence sans inclinaison.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un filtre à air (500) est placé en amont de la prise de vide (240) du tube de Venturi.
Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif est muni d'un moteur à air (100) raccordé à la prise de vide (240) et constitué d'un cylindre (110) à l'intérieur duquel se déplace un piston (120) séparant le cylindre en deux chambres (111, 112) dont le volume varie en fonction du déplacement du piston dans le cylindre, le piston étant muni d'une tige (130) saillant du cylindre à l'extrémité de l'une des deux chambres, chaque chambre étant munie d'au moins une soupape d'admission et d'au moins une soupape d'échappement, les soupapes d'admission et d'échappement d'une même chambre pouvant être confondues (113, 114), un distributeur étant prévu pour raccorder alternativement les chambres (111, 112) à la source de vide via leurs soupapes d'échappement et à la pression atmosphérique via leurs soupapes d'admission.
Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif est muni d'un filtre (500) placé dans la conduite d'alimentation en air du moteur (100).