Pompe radiale à trois pistonsLes chaudières monotube-monopasse ont besoin d'être alimentées en continu par de l'eau pressurisée. Les pompes alternatives monopiston ont l'inconvénient de produire un débit pulsé.

Un principe à bien comprendre est que les pompes à piston sont des

générateurs de débit de fluide et ne produisent aucune pression. La

pression dans le circuit ne dépend que des pertes de charge de ce circuit aval, pour autant que la pompe soit correctement motorisée et suffisamment étanche. Les pressions de service des pompes industrielles peuvent aller couramment jusqu'à 150 bars.

L'objet de cette étude est d'imaginer une solution la plus simple possible pour atteler une pompe à lachaudière.

Dimensionnement pompe

Débit volume de vapeur

C'est le volume balayé par le piston chaque seconde.

Vitesse moteur 5000 trs/mn83,33 trs/s

Cylindrée 5 cm³Taux de coupure admission 0,75Débit_volume vapeur 312,5 cm³/s

0,00031250 m³/s

Caractéristiques de la vapeur

A 15 bars absolusVapeur saturanteTempérature 198,30 °CMasse volumique 7,59 kg/m³Vapeur surchaufféeTempérature 248,3 °CMasse volumique 6,61 kg/m³

Ces valeurs sont lues dans des tables thermodynamiques. Sur Internet il existe des applications en ligne qui donnent ces valeurs

Calcul du débit volumique d'eau La masse de vapeur admise au moteur provient d'une masse égale d'eau vaporisée (aux fuites près bien sûr).

La masse de vapeur c'est le débit volumique multiplié par la masse volumique de la vapeur.

Les débits volumiques sont dans l'inverse du rapport des masses volumique

Qv_eau=Qv_vapeur*(MasseVol_vapeur / MasseVol_eau)

Masse volumique eau 1000 kg/m³

Ratio Vapeur_surchauffée/liquide 0,00535Débit_volume eau 1,67 cm³/sMasse d'eau vaporisée par heure 6,01 kg/h

Le débit minimal de la pompe sera de 1,7 cm³/s. Il faut faire faceaux fuites diverses et on visera plutôt 3 cm³/s soit un surdébit de 75 %.

Ce débit-volume sert au dimensionnement de la pompe à eau et à sa vitesse d'entraînement.

Design de la pompeLes liquides sont incompressibles. Une force exercée sur le pistonva immédiatement se traduire par une augmentation de pression, pour autant que le circuit soit en charge et que tout l'air soit purgé.

Pression= Force /Surface P en Pa ; F en N ; S en m² d'où

Force= Pression*Surface

Il vient alors par calcul pour un premier dimensionnement

Coeff sécurité débit 1,7Rendement Pompe 0,8Pertes de charge circuit 3 bars

Puissance pompe 5,5 WDiamètre piston 6 mmCourse piston 30 mmNbe de coups/mn 204Force sur le piston 4,9 kgf

Pour obtenir le débit volumique on peut jouer sur trois paramètres : diamètre du piston, course du piston, cadence de pompage (nbe de coups par minute).

Augmenter le diamètre Avantages : augmente la cylindrée. On peut alors diminuer la course et/ou le nombre de coups/mn ; augmente la ridigité du piston et facilite les usinagesInconvénient : augmente la poussée à exercer sur le piston

Augmenter la course Avantage : augmente la cylindrée, augmente à vitesse donnée la durée de poussée ou de succion.Inconvénients : dans les systèmes bielles manivelle ou assimilable augmente les angulations et le couple moteur à exerceraugmente la vitesse linéaire

Augmenter la vitesse (coups par seconde)

Avec la technologie clapets à bille, limitation de la vitesse sous peine de perte de rendement (affolement des clapets, temps de miseen circulation) et de matage prématuré des sièges des billes (fuites). Les valeurs courantes trouvée dans la littérature sont de

100 à 400 coups par minute.

Une fois la pompe dimensionnée pour le débit nominal, la variation de vitesse sera utilisée pour moduler le débit.

Etude de conception

Pompe alternative à piston opposés

Les dessins ci-après illustrent le concept. Les pistons opposés sont entraînés par un accouplement appelé « scotch yoke » qui présente des avantages par rapport à l'accouplement bielle manivelle traditionnel. Si cette pompe est d'un usinage classique elle a par contre un encombrement assez important et ne permet pas d'augmenter le nombre de cylindres

Pompe à pistons radiaux

Cette pompe nécessite un plateau diviseur pour être usinée. A gauche de l'image il s'agit d'un petit manifold. Sur l'image d'ensemble, les tubes d'admission et d'échappement ne sont pas figurés.

La figure suivante montre l'entraînement par came des pistons. Cette pompe n'en demeure pas moins un pompe avec clapets à bille libre. La came pourrait être remplacée par un roulement excentré mais les roulements s’accommodent mal de l'humidité.

Cette étude de faisabilité montre qu'il y a une piste intéressante à creuser. Nul doute qu'il y a encore du travail pour augmenter la compacité et diminuer le poids. Il reste à construire le prototype pour s'assurer des performances.

Pour ceux qui seront intéressés j'ai édité les plans cotés.

1.000ECHELLE

1.700ECHELLE LONGI-LONGICOUPE

1.700ECHELLE FACIALE-FACIALECOUPE

40 20

R30

R20

29.9

18

M6 trous

4

26

24.4

R10

M4 trous

4

17.6

20

2040

25

34912

M6

8

12

5

30

30

30

18

25

M2 trous

4

M6

9

1

Corps de pompeVue arrière

LONGITUD-LONGITUDCOUPE

5 5 1040 12 1889

20

R30

6 trous4.1

25

16 8 12

6 9

15

8

4

106

16

M4

7

8

2.1

83

5

M6

M6

Couvercle palier avant

Boulon Avant de piètement

Palier bronze

526

.523

54.5

2024

M6

4 trous4.1

R20

19.1

19.1

11.8

17.6

24.4

12 11

15

6M8

11.5

M6

12.5

6.5

3.9

60

4 Fi

leta

ge M

4 au

x 2

extré

mité

s

3

3

19

50

42.4

18

30

8

2 trous4.1

4.1

Piètement Av & Ar

6

10

6

15

2.5

1228

42.5

12

1

1.2

20

1.6

10 5.8

20.4

156

110

Piston

Pointe de touche sur excentrique

Ressort de rappel du piston fil de 0.5 inox ext=12

VOIR DETAIL C

4.000ECHELLE CDETAIL

Selon joint torique

1.8

4 ca

naux

15 3 8

26

10

15

R5

10

M6

5

13

10

63

14 3 1090

3

S 5

Bille (clapet)

Chapelle à clapet d'introduction d'eau

Contre-écrou

VOIR DETAIL A

selon système raccordchoisi

Portée clapet6.000ECHELLE

ADETAIL

Outlet

3.000ECHELLE

8

8490

25

8

14

5

R24.5

M6

10 3.513.5

4

Vilebrequin axe

Excentrique

Vis CHC réglage de butéede vilebrequin

Butée (bille)

VOIR DETAIL B

Appui butée à bille2.000ECHELLE

BDETAIL

2514

11.5

70

11 24 24 11

3219 19

4 3.5

M6

10

4

M4

Lam

age

1.5

84

M3

7.5

19.2 3

24.7

2.5

25 14

5 3

8

Virole

Fond (soudé sur virole)Piètement

(soudé ou collé sur virole)

8

8 3 2 6

M4

2.5

60M6

6

10

8.58 3 2 6

M6

8.5

6 2.5

M4

10

78 3 2 6

M4

2.5

M4

19

9.9

Raccord manomètre(selon mano.)

Entrée eau pressurisée(selon système de plomberie)

Raccord vanne de pressurisation

Vanne de contrôle de débit

14

86

2

516

21 6

3

5 5

M5

13.5

5

21

8

5

53

M3

3

7

13

5

M5

20

3

27.5 2.

5

16

582

Pointeau

2.000ECHELLE

VOIR DETAIL A

Filetage M3 sur environ 15mm

4.000ECHELLE ADETAIL