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CA 02918777 2016-01-15
WO 2015/018914 PCT/EP2014/067034
Hydrolienne de rivière
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne une hydrolienne de rivière
destinée à convertir l'énergie cinétique d'une rivière en électricité.
Etat de la technique
[0002] Les documents US3986787, US6013955 et US2007063520
décrivent des turbines submersibles aptes à la production d'électricité à
partir d'un flux d'eau, par exemple d'une rivière. Les documents US3986787
et US6013955 décrivent des turbines comprenant un passage d'eau
turbinée au centre, et un carénage ou d'autres éléments auxiliaires autour
de ce passage d'eau. La forme externe de ces carénages est optimisée de
manière à créer un effet d'aspiration du flux d'eau dans la région
immédiatement en aval de la turbine.
[0003] Le document US2007063520 dévoile un dispositif équipant un
canal d'écoulement d'eau apte à la production hydroélectrique. Les
dimensions du canal ainsi que sa forme sont modifiées afin de créer une
zone d'accélération du flux d'eau dans laquelle une turbine trouve place.
Cette solution est particulièrement adaptée à des turbines à axe vertical.
[0004] Le document US2007284884 dévoile une turbine submersible
pour la génération d'énergie électrique. L'accélération du flux d'eau
traversant la turbine est provoquée par un passage d'eau au travers d'une
partie centrale vide de la turbine ainsi qu'à la périphérie de la turbine.
[0005] Le document US2009087301 dévoile une turbine submersible
pour la génération d'énergie hydroélectrique. La partie postérieure de la
roue de la turbine peut être équipée d'aubages pour la création d'une
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chute de pression du flux d'eau dans la région postérieure au rotor. Le
conduit ainsi que les aubages sont réglables.
[0006] Ces différentes solutions permettent certes d'accélérer la
vitesse
d'eau traversant l'hydrolienne et donc d'augmenter la production
électrique pour un flux d'eau donné. L'augmentation reste cependant
modeste. Elle dépend en outre de la vitesse initiale du flux d'eau, et donc
du débit de la rivière qui peut être très variable.
[0007] Par ailleurs, le flux d'eau accéléré dans le passage qui ne
traverse
pas la turbine tend à perturber l'écoulement du flux d'eau à travers la
turbine, ce qui créé des perturbations et un écoulement non laminaire qui
affecte le rendement total de l'hydrolienne.
[0008] L'ancrage d'hydroliennes au fond d'une rivière fait l'objet des
documents US2005285407 et GB2445284. Les dispositifs d'ancrage dévoilés
comprennent soit des câblages, soit des piliers télescopiques.
Bref résumé de l'invention
[0009] Un but de la présente invention est de proposer une hydrolienne
de rivière ayant un effet d'aspiration accru par rapport aux hydroliennes
pour rivière connues.
[0010] Un autre but de l'invention est la réalisation d'une hydrolienne
de rivière apte à opérer dans une rivière avec des flux d'eau variables entre
des flux modestes et des flux plus importants.
[0011] Un autre but de l'invention est la réalisation d'une hydrolienne
de rivière apte à être ancrée de manière efficace sur tout type de nature de
terrain de fond d'une rivière ainsi que positionnable en hauteur dans le
flux d'eau afin d'exploiter le flux d'eau le plus profitable.
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[0012] Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen
d'une hydrolienne de rivière comprenant :
un carénage ;
une génératrice entraînée par une première roue de turbine afin
de générer un courant électrique lorsqu'un premier flux d'eau met la
première roue de turbine en rotation ;
un passage pour un deuxième flux d'eau traversant ledit
carénage sans traverser la première roue de turbine, et agencé pour
provoquer une accélération de l'eau à travers la première roue de turbine ;
et
une deuxième roue de turbine agencée pour exercer une action
de pompage sur le deuxième flux d'eau.
[0013] Cette solution présente notamment l'avantage par rapport à l'art
antérieur d'offrir un degré d'efficience plus élevé grâce à un effet
d'aspiration accru par rapport aux hydroliennes connues.
[0014] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux,
l'hydrolienne comprend en outre un séparateur de flux d'eau de façon à
séparer le flux d'eau entrant en un premier flux d'eau et en un deuxième
flux d'eau.
[0015] Selon un mode de réalisation, la génératrice est connectée
magnétiquement à la première roue de turbine.
[0016] Selon un mode de réalisation, la génératrice est connectée
mécaniquement à la première roue de turbine.
[0017] Selon un mode de réalisation, la première roue de turbine
comprend au moins un aubage de turbine et la deuxième roue de turbine
comprenant au moins un aubage de pompage.
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[0018] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la
première roue de turbine et la deuxième roue de turbine sont coaxiales et
sont montées l'une à l'intérieure de l'autre.
[0019] Selon un autre mode de réalisation particulièrement avantageux,
la première roue de turbine entraîne mécaniquement la deuxième roue de
turbine. Dans un mode de réalisation, l'hydrolienne comprend en outre une
démultiplication et/ou une multiplication des rapports de rotation apte à
faire tourner les aubages de pompage à une vitesse différente de celle des
aubages de turbine.
[0020] Selon un mode de réalisation, une première partie du séparateur
est positionnée à l'entrée du carénage, une deuxième partie du séparateur
est positionnée entre la première roue de turbine et la deuxième roue de
turbine.
[0021] Selon un mode de réalisation, l'hydrolienne comprend en outre
un diffuseur de turbine dans lequel est positionné une partie du
séparateur.
[0022] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le
carénage comprend en outre un convergeant de flux d'eau apte à
augmenter la vitesse d'écoulement d'eau du premier et/ou du deuxième
flux d'eau.
[0023] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux,
l'hydrolienne comprend en outre au moins un distributeur de flux d'eau
apte à imposer une direction au flux d'eau du premier flux d'eau et/ou du
deuxième flux d'eau de manière à réduire la formation de tourbillon en
sortie de la turbine. Dans un mode de réalisation, au moins un distributeur
de flux d'eau est apte à imposer séparément une direction fixe au premier
flux d'eau et/ou au deuxième flux d'eau. Dans un mode de réalisation, au
moins un distributeur de flux d'eau est apte à imposer une direction
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variable au premier flux d'eau et/ou au deuxième flux d'eau. Le distributeur
peut être orientable.
[0024] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux,
l'hydrolienne comprend en outre un dispositif d'ancrage qui comprend une
5 pluralité de câbles de tension réglables ainsi qu'une pluralité de pieux
réglables en hauteur, chaque pieu comprenant une pointe d'ancrage et
une assiette de répartition de la pression exercée sur un fond d'une rivière.
[0025] Selon un mode de réalisation, le dispositif d'ancrage comprend
en outre un dispositif de contrôle automatique du positionnement vertical
de la turbine par rapport au fond de la rivière.
[0026] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux,
l'hydrolienne comprend en outre un moyeu ayant fonction de support à au
moins un distributeur de flux d'eau, à la première roue de turbine, à la
deuxième roue de turbine, à un dispositif de protection et/ou au dispositif
d'ancrage.
[0027] Selon un mode de réalisation, la génératrice est logée dans le
moyeu.
[0028] Selon un autre mode de réalisation, la génératrice est logée dans
le carénage.
[0029] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le
carénage a une forme extérieure de parallélépipède permettant un
empilement modulaire de plusieurs hydroliennes sans passages d'eau entre
les hydroliennes.
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Brève description des figures
[0030] Des exemples de mise en oeuvre de l'invention sont indiqués dans
la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :
La figure 1 illustre une vue en coupe latérale d'une hydrolienne de
rivière selon l'invention.
Les figures 2 et 3 illustrent respectivement une vue en coupe latérale
et une vue de face d'un système de production hydroélectrique
comportant une pluralité d'hydroliennes de rivière selon l'invention.
La figure 4 illustre la partie supérieure d'une hydrolienne de rivière
selon l'invention.
Les figures 5 et 6 illustrent une réalisation d'une première roue de
turbine comprenant des aubages de turbine encerclant une
deuxième roue de turbine comprenant des aubages de pompage,
selon l'invention. La figure 5 est une vue de face de la figure 4, selon
la coupe C.
Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention
[0031] La présente invention concerne une hydrolienne de rivière
destinée à convertir l'énergie cinétique d'un flux d'eau d'une rivière en
électricité, qui présente notamment l'avantage d'avoir un degré
d'efficience plus élevé grâce à un effet d'aspiration accru par rapport aux
hydroliennes connues.
[0032] La figure 1 illustre une hydrolienne de rivière selon l'invention.
L'hydrolienne 1 comprend une turbine 2, un carénage 3 autour de la
turbine ainsi qu'un dispositif d'ancrage 18,19,20 pour ancrer la turbine et le
carénage à un terrain 21 en fond de rivière.
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[0033] La structure interne du carénage 3 comporte une portion
convergente 12 en amont. La portion convergente a par exemple une
forme tronconique, en entonnoir, afin d'augmenter la vitesse d'écoulement
au travers de la turbine et ainsi augmenter la puissance qui est
proportionnelle au cube de cette vitesse. La section d'entrée de la portion
convergente 12 peut être circulaire, carrée ou rectangulaire.
[0034] Une zone centrale de la structure interne a une forme
cylindrique, en tout cas une forme symétrique axialement. La zone centrale
du carénage 3 loge la turbine 2 comprenant le stator et le rotor. Le stator
comprend des distributeurs 13 (ou directrices) de flux d'eau, alors que le
rotor comprend une première roue de turbine 5, et une deuxième roue de
turbine 7.
[0035] La turbine comprend un moyeu 14 de préférence disposé au
centre de la turbine 2. Le moyeu peut servir de support aux divers
composants de l'hydrolienne 1, en particulier aux distributeurs 13 de flux
d'eau. Il peut accueillir une génératrice.
[0036] Une portion avale de la structure interne du carénage forme un
diffuseur 11 tronconique, avec un diamètre progressivement croissant. Le
diffuseur11 permet de récupérer l'énergie cinétique en sortie du rotor de la
turbine et est de préférence plus long que le convergent 12. L'entrée du
diffuseur 11 peut comporter une section symétrique axialement tandis que
sa sortie peut comporter une section carrée ou rectangulaire. La section de
cette portion avale peut aussi être circulaire.
[0037] La structure externe du carénage 3 peut être parallélépipédique
comme illustré sur les figures. Cette forme parallélépipédique permet
d'empiler plusieurs hydroliennes disposées en ligne ou en matrice, comme
illustré sur les figures 2 et 3.
[0038] La structure externe du carénage peut aussi être optimisée de
manière à créer volontairement une différence de niveau d'eau sensible
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entre l'amont et l'aval de l'hydrolienne, en créant une résistance
hydraulique qui tend à former une accumulation d'eau en amont. Cette
solution permet d'augmenter la pression d'eau en amont et sur les
turbines, et donc d'augmenter l'efficience des hydroliennes. Il est aussi
possible d'ajouter d'autres éléments de retenue, par exemple des portions
de barrages, de manière à augmenter la différence de niveau. La forme des
carénages et/ou des éléments externes peut être adaptée au site et à
chaque court d'eau particulier. La différence de niveau d'eau est de
préférence supérieure à 10 centimètres, par exemple supérieure à 20
centimètres.
[0039] Le rotor de l'hydrolienne 1, comme illustré par les figures 4-6,
est
radialement divisé en deux parties. Une première roue de turbine 5 est
positionnée dans la partie externe alors qu'une deuxième roue de turbine 6
est positionnée dans la partie interne. La première roue de turbine 5
comprend des aubages 6 de turbine aptes à convertir le mouvement
linéaire du flux d'eau dans la partie externe en un mouvement circulaire du
rotor ( zone turbine ), afin de produire de l'électricité.
[0040] La deuxième roue de turbine 7 comprend des aubages de
pompage 8 apte à créer un effet d'aspiration dans le flux d'eau au centre
( zone pompage ). Il est aussi possible d'inverser la zone de pompage et
la zone turbine. Cette roue de turbine permet donc d'accélérer de manière
active le flux d'eau au travers de l'hydrolienne.
[0041] Le profil hydrodynamique des aubages de pompage 8 diffère du
profil des aubages de turbine 6. Comme illustré sur la figure 6, les deux
profils peuvent notamment se distinguer par la cambrure des aubages. La
figure 6 illustre un exemple de profil des aubages de pompage 8 et de
turbine 6, selon les coupes A et B de la figure 5. La figure 6 illustre en
outre, à titre indicatif, les triangles de vitesse à l'entrée et à la sortie
des
roues de turbine 5 et 7, où C représente la vitesse absolue, U"
représente la vitesse circonférentielle alors que W représente la vitesse
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relative par rapport à la roue, dont la direction est donnée par l'angle des
aubages.
[0042] L'hydrolienne 1 comprend de préférence un séparateur de flux
d'eau 4 pour séparer le flux d'eau entrant en un premier flux d'eau 9 et en
un deuxième flux d'eau 10. Le premier flux d'eau 9 actionne la première
roue 5 (zone turbine) alors que le deuxième flux 10 est aspiré par l'action
de pompage de la deuxième roue 7 (zone pompage). Cette action de
pompage crée un effet Venturi, ce qui augmente le débit du premier flux 9.
L'action de cette deuxième roue 7 permet d'obtenir un effet de Venturi
plus important par rapport à celui obtenu par une turbine avec un passage
libre d'eau en périphérie et/ou centre de la turbine.
[0043] Le séparateur de flux d'eau 4 peut se réaliser par un cône
curviligne apte à séparer le flux entrant. La longueur de ce cône et sa forme
peuvent varier d'une réalisation à l'autre, afin de pouvoir maximiser la
puissance de l'hydrolienne selon les caractéristiques de la rivière concernée.
Un cône curviligne séparateur de flux est aussi envisagé dans le diffuseur.
[0044] Avantageusement, le séparateur 4 peut comprendre plusieurs
parties : une partie 40 peut être placé en amont des roues de turbine 5,7,
une partie 41 peut être positionnée entre les deux roues de turbine 5,7 et
une partie 42 peut être positionnées dans le diffuseur 11. La partie aval 42
dans le diffuseur est de préférence plus longue que la partie avant 40, afin
de réduire les turbulences en aval dans la partie sensible où les deux flux se
rejoignent à nouveau. Les formes ainsi que les dimensions des parties
amont 40 et avale 42 sont adaptées aux caractéristiques de la rivière
concernée, et peuvent être réalisées ajustées en fonction de ces
caractéristiques.
[0045] La génératrice est couplée au rotor de la turbine. Ce couplage
peut être soit directement au niveau du moyeu de la turbine si la
génératrice est coaxiale au moyeu, soit au niveau du carénage 3 si la
génératrice est logée dans le carénage.
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[0046] Le couplage entre le moyeu et la génératrice, et donc le couplage
entre les deux roues de turbine 5,7, peut être de type mécanique et/ou
magnétique, afin d'entraîner les aubages de pompe 8 par les aubages de
turbine 6. Les aubages de turbine 6 et de pompe 8 peuvent tourner avec la
5 même vitesse de rotation. Il est cependant aussi possible de prévoir une
démultiplication afin de faire tourner les aubages de pompage à une
vitesse différente, par exemple plus rapidement que les aubages de
turbine. L'adaptation des dimensions et de la forme des aubages de
pompage 8 aux conditions de flux de la rivière permet d'obtenir un
10 rendement total (c'est à dire la puissance de la turbine diminuée de la
puissance de la pompe) supérieur au rendement d'une turbine sans le
dispositif de pompage ou à celui d'une turbine avec simple passage d'eau.
[0047] Selon cette réalisation, les deux roues de turbine 5,7 forment
une
roue comprenant une zone de turbine proche du carénage 3 comprenant
au moins un aubage de turbine 6 sur laquelle agisse un premier flux d'eau
9. Cette roue comprend ensuite une zone de pompage, qui est positionnée
de manière radiale à la zone de turbine et à proximité du moyeu 14,
comprenant au moins un aubage de pompage 8 agissant sur un deuxième
flux d'eau 10. Une séparation des deux flux d'eau 9 et 10 peut être
maintenue entre les aubages 6 et 8 des deux roues 5 et 7 par une partie 41
du séparateur 4 de flux d'eau qui est logé entre les deux roues 5,7. Le
mouvement de la roue formée par les deux roues 5,7 peut être transmis,
mécaniquement et/ou magnétiquement, à une génératrice 22 placée à
l'intérieur du volume formé par le carénage, par exemple dans le carénage
3 (c'est-à-dire à l'extérieur des roues 5, 7) ou dans le moyeu 14 (à
l'intérieur
par rapport aux roues 5, 7, mais toujours dans le volume délimité par le
carénage).
[0048] Dans des situations particulière de flux de rivière, la zone
turbine
peut être placé à l'intérieure de la zone de pompage. Dans cette
configuration, la première roue 5 est placée à l'intérieure de la deuxième
roue 7. Grâce à l'effet de pompage du flux d'eau traversant la zone proche
du carénage 3, le débit total d'eau qui passe à travers l'hydrolienne, et en
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particulier du débit du flux d'eau traversant la zone turbine située proche
du moyeu 14, est augmenté.
[0049] Il est aussi possible de prévoir un moteur électrique pour
entraîner la deuxième roue de pompage. Il est en outre possible de
contrôler la vitesse de rotation de la deuxième roue de pompage, par
exemple au moyen de ce moteur électrique.
[0050] Dans un mode de réalisation où la génératrice est montée dans le
carénage, le moyeu 14 sert de support et de guidage à la deuxième roue 7
de pompage, alors que la première roue de turbine 5 peut être supportée
et/ou guidée par un anneau externe. Cet anneau peut transmettre son
mouvement, mécaniquement et/ou magnétiquement, à une génératrice
placée dans le carénage 3.
[0051] Dans un autre mode de réalisation où la génératrice se trouve au
centre, dans l'axe du moyeu, le moyeu 14 sert de support et de guidage à la
premier roue de turbine 5. Le mouvement de la première roue de turbine 5
est directement transmis à la génératrice. La deuxième roue de pompage 7
peut être supportée et/ou guidée à l'extérieur par un anneau externe. Il est
aussi possible d'avoir une roue de pompage 7 sans guidage sur l'extérieur,
et donc sans anneau externe.
[0052] Les distributeurs 13 (ou directrices) de flux d'eau sont disposées
en entrée du rotor. Le rôle des distributeurs 13 est de diriger le flux d'eau
en amont de la roue de turbine 5,7 de manière à réduire la formation de
tourbillon ( swirl ) en sortie de la roue de turbine 5,7 et donc les pertes
au sein du diffuseur 11.
[0053] Pour s'adapter aux variations de vitesse d'écoulement de la
rivière, une mode réalisation comprend une roue de turbine 5 à vitesse
variable avec orientation des distributeurs 13 fixe. Un autre mode de
réalisation comprend une roue de turbine 5 à vitesse fixe avec des
distributeurs 13 avec orientations variables.
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[0054] Les distributeurs 13 peuvent avoir des profils différents entre
la
zone turbine et la zone de pompage, afin de s'adapter au mieux aux
caractéristiques propres à l'aubage de turbine 6 et à l'aubage de pompage
8.
[0055] L'hydrolienne 1 peut comprendre en outre un dispositif de
protection apte à évacuer les sédiments et/ou les débris portés par le flux
d'eau entrant et qui peuvent endommager la turbine 2. Une grille de
protection 15 peut être utilisée à cet effet, dont la taille de sa maille
ainsi
que son positionnement sont adaptés pour entrainer le moins de perte de
vitesse du flux d'eau entrant.
[0056] L'hydrolienne 1 peut être ancrée au terrain 21 en fond d'une
rivière par une série de pieux 18 et par des câbles de de fixation ou tension
17. Une extrémité des câbles 17 de fixation est fixée à un élément ancré au
terrain 21, élément qui peut être par exemple un pieu, une ancre ou une
plateforme dédiée, et qui est placé à mont ou en aval de l'hydrolienne 1.
L'autre extrémité peut être connectée soit directement au carénage 3, soit
à une tige 16 de support solidaire au carénage 3 ou au moyeu 14. Un flux
d'eau peut ainsi passer par-dessous et par-dessus l'hydrolienne, constituant
ainsi aussi un passage pour les poissons.
[0057] Pour permettre un ancrage efficace quelle que soit la nature du
terrain 21 en fond de rivière, ces pieux 18 sont avantageusement équipés
d'une pointe d'ancrage 20 qui s'enfonce dans le terrain et d'une assiette 21
permettant de répartir la pression d'ancrage. L'ancrage peut être ainsi
complété par le réglage de la tension de câbles 17.
[0058] Le positionnement en hauteur de l'hydrolienne 1 par rapport au
terrain en fond de la rivière a le but de pouvoir jouir d'une puissance
maximale de l'hydrolienne 1. La hauteur idéale étant fonction de la surface
libre de la rivière et du débit de la rivière, l'usage de pieux 18 réglable en
hauteur et des câbles 17 de tension facilite le positionnement de
l'hydrolienne 1 dans le flux d'eau de la rivière.
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[0059] Un positionnement définitif peut être réalise lors de
l'installation
de l'hydrolienne 1 dans des rivières avec un débit peu variable, alors qu'un
positionnement variable peut être obtenu en équipant l'hydrolienne 1 d'un
dispositif d'ajustement automatique.
[0060] Comme mentionné, la structure externe du carénage 3 peut
prendre une forme de parallélépipède afin de permettre un montage
modulaire efficace de plusieurs hydroliennes 1 standard, comme illustré sur
les figures 2 et 3. Un système comportant plusieurs hydroliennes 1 peut se
réaliser par un empilage de plusieurs hydroliennes 1 en fixant les carénages
3 l'un à côté de l'autre. Ce type de disposition d'une pluralité
d'hydroliennes 1, en hauteur ainsi qu'en travers par rapport au flux d'eau
d'une rivière, forme un obstacle efficace aux flux d'eau de la rivière. La
chute qui en découle permet d'augmenter la puissance unitaire par rapport
à une hydrolienne solitaire.
[0061] L'installation, l'ancrage, le positionnement ainsi que la protection
d'un système comportant une pluralité d' hydroliennes 1 peuvent utiliser
des dispositifs de protection et d'ancrage susmentionnés.
Avantageusement, ce système permet des synergies entre les diverses
hydroliennes 1. Le placement d'une grille de protection 15. par exemple,
peut exploiter des tiges 16 de renfort fixées à certains carénages 3 et/ou à
certains moyeux 14 de ces hydroliennes 1. De manière similaire, les pieux 18
du dispositif d'ancrage peuvent retenir les hydroliennes 1 placées dans la
ligne inférieure alors que les câbles 17 de fixation peuvent retenir les
hydroliennes 1 placées dans des lignes supérieures.
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Numéros de référence employés sur les figures
1 hydrolienne
2 turbine
3 carénage
4 séparateur de flux d'eau
première roue de turbine
6 aubage de turbine
7 deuxième roue de turbine
8 aubage de pompage
9 premier flux d'eau
deuxième flux d'eau
11 diffuseur de la turbine
12 convergeant de flux d'eau
13 distributeur de flux d'eau
14 moyeu
grille de protection
16 tige de renfort
17 câble de fixation
18 pieu d'ancrage
19 assiette d'ancrage
pointe d'ancrage
21 terrain en fond d'une rivière
22 génératrice
40-42 Parties du séparateur de flux d'eau
