Rappel des tyupes de pompes et des techniques d'elevation ... · Rappel des types de pompes et des techniques d'élévation de l'eau pompes du type B sont effectivement des pompes

Les machines élévatoires

POMPES ROTO-DYNAMIQUES

Pompes roto-dynamiques: principes de base

Toutes les pompes dites roto-dynamiques sont conçues selon le même principe defonctionnement qui consiste à mettre l'eau en mouvement à l'aide d'une roue mobile ourotor. On utilise l'un ou l'autre ou bien les deux mécanismes suivants pour pousser l'eauvers la sortie du rotor.

en lui communiquant la pression par l'action propulsive ou élévatoire des aubessur le liquide (pour les pompes à hélices).

en la lançant sur une trajectoire circulaire, de sorte à ce que l'évacuation sefasse sous l'effet de la force centrifuge, exactement comme un poids s'échappeaprès avoir été accéléré par un mouvement circulaire au bout d'une ficelle.

FIGURE 57La relation entre la vitesse et la pression d'un fluide à la fois au passage dans un ajutageet dans un diffuseur

Les premières pompes roto dynamiques réellement utilisables ont été mises au pointvers la fin du 18ème et au début du 19ème siècle ( Figure 56). Les pompes du type Areprésentées sur la figure ont simplement pour rôle de refouler l'eau vers le haut. Les

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Rappel des types de pompes et des techniques d'élévation de l'eau

pompes du type B sont effectivement des pompes centrifuges à aspiration et ellesdoivent être amorcées pour pouvoir fonctionner. Elles sont munies d'un clapet deretenue à l'admission destiné à empêcher la perte de l'eau d'amorçage une fois lapompe arrêtée. Un carter circulaire reçoit l'eau débitée par la roue du côté durefoulement. Ces pompes ont un très mauvais rendement, puisque l'énergie cinétiquerelativement importante communiquée à l'eau à sa sortie du rotor (du fait de la grandevitesse) est purement et simplement dissipée. La pompe du type C, ou pompeMassachusetts de 1818, comporte un collecteur monté autour d'un axe horizontal, desorte que les filets d'eau soient dirigés vers la conduite de refoulement et refoulés surune certaine hauteur. A certains égards la pompe C annonçait les pompes centrifugesmodernes qui sont les pompes à entraînement mécanique les plus répandues à l'heureactuelle.

Pompes centrifuges à volute, turbopompes et pompes à auto-amorçage

La différence essentielle entre les premières pompes décrites ci-dessus et les pompesmodernes c'est que l'eau sort de la roue à une vitesse élevée et elle n'est ralentie quepar les forces du frottement, pour cela les anciennes pompes avaient un faiblerendement. L'application d'un principe hydraulique essentiel illustré à la figure 57 apermis de mettre au point des pompes roto-dynamiques performantes. D'après ceprincipe la vitesse d'écoulement des fluides peut être convertie en pression etinversement. Il suffit donc tout simplement de modifier la section de passage de l'eau(ou de n'importe quel autre fluide). Comme l'eau est pratiquement incompressible, undébit d'eau donné contraint à emprunter un passage à section transversale réduite, il lefera à une vitesse plus grande. Cependant, toute augmentation de vitesse est due à unepression agissant sur la masse d'eau en question. Inversement, le passage des filetsliquides à travers une section transversale élargie est accompagné d'une réduction de lavitesse d'écoulement pour couvrir la totalité de la section d'écoulement. La décélérationdu fluide requiert une force supplémentaire qui accroît par conséquent la pression subiepar le fluide ralenti. On peut démontrer que, (si l'on ne tient pas compte desphénomènes de frottement) la relation entre la hauteur manométrique H et les vitessesd'eau dans une conduite à section transversale variable Ventrée et Vsortie, est donnée par

formule dans laquelle g représente l'accélération de la pesanteur.

Le schéma de la figure 57 illustre la diminution de la pression dans un ajutage au fur et àmesure que la vitesse de l'eau augmente. Le contraire se produit dans le cas d'undiffuseur qui a pour effet de ralentir l'écoulement et d'augmenter la pression du fluide.Sur le plan qualitatif, ce phénomène pourrait être accepté sans démonstration par laplupart des gens. Cependant s'il est bien évident que la pression est requise pourréaliser un jet liquide, par contre il est moins évident que le ralentissement progressifd'un jet liquide résulterait encore en une augmentation de la pression.

La mise en évidence de ce phénomène a permis de confirmer que l'amélioration dufonctionnement des pompes centrifuges pourrait être obtenue en projetant l'eau àgrande vitesse à la sortie d'une roue (pour communiquer l'eau la plus grande énergiecinétique possible), puis en la faisant passer dans un diffuseur de section transversalecroissante. Une partie de l'énergie cinétique à l'entrée du diffuseur sera ainsi

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transformée en pression. Il est essentiel que la variation de la section transversale soitprogressive et régulière, car toute variation brusque créerait de fortes turbulences quiprovoquent la dissipation de l'énergie hydraulique au lieu d'augmenter la pression. Ilexiste deux méthodes essentielles pour parvenir à ces résultats. Elles sont illustrées parles schémas A et B de la figure 58, et une autre méthode moins courante illustrée par leschéma C.

Le schéma A représente le type de pompe le plus courant, la pompe centrifuge à volute,généralement connue sous le nom simple de "pompe centrifuge". Elle comporte uncarter en volute, communiquant avec un canal extérieur en forme de coquille d'escargotà section transversale graduellement variable. L'écoulement de l'eau à la sortie du rotorse transforme en écoulement tangentiel dans ce canal où il sera ralentiprogressivement. Ainsi l'eau sort tangentiellement et passe dans la conduite derefoulement à vitesse réduite et à forte pression.

Le schéma B représente un autre type, à savoir la pompe dite "centrifuge à turbine" ou"turbo pompe". Elle comporte un diffuseur à aubes dont la section augmenteprogressivement (six dans le cas de la figure) afin de ralentir la vitesse de l'eau tout enaugmentant sa pression. Pour la turbine représentée sur la figure, les filets liquides sontdéviés à la sortie des aubes pour suivre une trajectoire moins tan-gentielle et plusradiale afin à faciliter son passage dans le canal entourant le diffuseur, à sectionconstante avant de sortir à la partie supérieure.

Le schéma C représente le troisième type le moins connu des pompes centrifuges,appelée généralement "pompe à auto-amorçage", parfois aussi "pompe à chambrelatérale", ou bien (par erreur) "turbo pompe". Dans ce type de pompes, le rotor est munid'un grand nombre d'ailettes radiales et il tourne à l'intérieur d'une couronne de sectionrectangulaire. Les ailettes accélèrent les filets liquides en créant deux puissants vortexqui réagissent avec le rotor à la périphérie de la pompe sur près de trois quarts de tour.L'énergie de ces deux vortex croit constamment à chaque passage dans le rotor. Pourles gens qui sont familiers avec la transmission automatique de véhicules automobiles,le principe est tout à fait similaire à celui du volant fluide.

A sa sortie de la couronne, l'eau passe dans un diffuseur qui reconvertit sa vitesse enpression. Les pompes à auto-amorçage sont mentionnées ici pour mémoire. Comme lespassages internes de ces pompes sont trop justes, elles ne peuvent pas tolérer laprésence des matières en suspension. Elles ne sont donc utilisées normalement qu'avecdes eaux (ou d'autres fluides) propres, ou bien là où elles se présentent comme la seulealternative. Elles ne sont pas utilisées pour l'irrigation. Leur principal avantage c'est depouvoir fournir un débit important sous une forte charge par rapport aux autres types depompes centrifuges monocellulaires.

FIGURE 58Pompes centrifuges

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Rappel des types de pompes et des techniques d'élévation de l'eau114


Caractéristiques des pompes roto-dynamiques et des rotors

II est n'est certes pas question de traiter ici en détail ce sujet complexe. Mais nous allonsévoquer certaines caractéristiques essentielles des pompes, afin de mettre en relief lesfacteurs importants qui conditionnent le bon fonctionnement des pompes et qui font quele rendement est très sensible aux conditions de fonctionnement réel.

Toutes les pompes roto-dynamiques ont des caractéristiques semblables à cellesreprésentées à la figure 16, où l'on voit que le rendement optimum est obtenu dans unemarge de vitesse, de débits et de hauteurs d'eau assez réduite. Bien que les conditionsde fonctionnement pratiques des pompes ne sont pas toujours voisines du rendementmaximum, il ne faut pas non plus que l'un ou l'autre de ces paramètres soit trop éloignéde la valeur optimale . Autrement, on pourra à la limite tomber dans des conditions defonctionnement absurdes à rendement et débit nuls. Sur la figure 16 on voit parexemple, que si la pompe est entraînée par un moteur dont la vitesse maximale est de2000 tr/min., on voit que le débit est maximum pour une charge nulle. D'autre part, onvoit aussi que la hauteur est maximum pour un débit nul. Le point de fonctionnementthéorique se trouve en général au centre de la zone de rendement optimal.

Comme toute pompe roto-dynamique est généralement conçue pour travailler dans desconditions de fonctionnement bien déterminées, les fabricants lancent dans le marchéune large gamme de pompes, comportant généralement de nombreux élémentscommuns. Ceci leur permet de couvrir une large gamme de hauteurs et de débits. Parailleurs, à chaque type de rotor correspond une marge bien définie de hauteurs et dedébits, ainsi un grand jeu de rotors ou roues a été mis au point. Nous verrons plus loinqu'il y a aussi des sous-groupes dans chaque type de roue afin que la pompe répondele mieux aux conditions réelles de fonctionnement. Les principaux types sontreprésentés à la figure 59 en demi-section, pour mieux illustrer leur aspect.

Les sections types de la figure 59 nous montre que les aubes d'une pompe peuventimposer soit un écoulement radial, soit axial, ou encore un écoulement mixte. Pour lepompage de forts débits à de faibles hauteurs d'eau ce qui est très courant dans le casde l'irrigation par pompage, la roue la plus performante est celle à écoulement axial. Laroue est semblable à une hélice installée dans une conduite (figure 60). Comme pourune hélice, l'élévation de l'eau est produite par l'énergie communiquée par une palettemobile bien profilée (aérodynamique). Comme dans le cas de la pompe l'hélice estmontée dans un carter, la réaction met l'eau en mouvement. Par contre, pour deshauteurs d'eau importantes et des débits faibles, le rotor doit être à écoulementcentrifuge (écoulement radial). Le rotor est généralement caractérisé par un rapport dudiamètre à l'entrée au diamètre à la sortie élevé pour que l'écoulement soit pratiquementradial (figure 59). Entre ces deux cas extrêmes on trouve toute la gamme des pompeshélico-centrifuges (voir également figures 61 et 62) et les pompes centrifuges à aubescaractérisées par un faible rapport du diamètre entrée-sortie.

FIGURE 59Caractéristiques types des pompes roto-dynamiques

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La figure 59 représente également les variations du rendement en fonction de la vitessespécifique des différents types d'aubes. La vitesse spécifique est une grandeur sansdimensions très utile pour caractériser les aubes d'une pompe, ou bien les rotors ou lesroues mobiles des turbines hydrauliques. Les manuels consacrés à l'hydrodynamiquedes pompes et des turbines traitent ce coefficient en détail. La vitesse spécifique est lavitesse en tours par minute d'un rotor théorique de dimensions réduites débitant 1 1/ssous une hauteur de 1 m. La vitesse spécifique utilisée pour comparer ou bien pourchoisir le type du rotor d'une pompe, et elle s'écrit comme suit:

avec n vitesse de rotation en tr/min., Q débit de la pompe en 1/s, et H la hauteur d'eauen m.

La figure 59 indique les vitesses spécifiques les plus indiquées pour les différents typesd'aubes d'une roue ou d'un rotor. Ainsi le rotor d'une pompe à hélice a unfonctionnement optimal pour des débits de 500 à 1000 1/S une vitesse spécifique de5000 à 10000, et des hauteurs manométriques de l'ordre 5 m environ. La vitessespécifique peut être convertie de nouveau en vitesse réelle exprimée en tr/min (n) pourune hauteur (H) et un débit (Q) donnés, par la relation suivante:

avec n en tr/min, N vitesse spécifique tirée de la figure 59, H hauteur d'eau en m et Qdébit en litres/s.

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Le choix du rotor n'est pas uniquement fonction des valeurs de la hauteur et du débit,mais aussi de la taille de la pompe. Ainsi quel que soit le type du rotor, le rendement despompes de faible puissance est en règle générale sensiblement inférieur auxrendements des pompes similaires de taille plus importantes. D'autre part, la hauteur derefoulement optimal des petites pompes est aussi nettement plus faible que pour lesgrosses pompes.

La figure 59 montre également l'incidence sur la puissance requise et sur le rendement(courbes "kw" et "eff") des variations de la hauteur manométrique par rapport à lahauteur nominale de fabrication. Pour une pompe centrifuge, la courbe montre qu'unelégère augmentation de la hauteur d'eau correspond à une diminution de la puissancerequise, tandis que pour une pompe hélice c'est l'inverse. Paradoxalement, uneréduction de la hauteur d'eau par rapport à la valeur nominale a pour effet d'accroître lapuissance de fonctionnement d'une pompe centrifuge. Cela vient du fait qu'unediminution de la charge de 10% pourrait accroître le débit de 25%, et éventuellementune diminution de 10% du rendement. Comme la puissance est toujours définie commele produit de la hauteur d'eau par le débit, divisée par le rendement, la nouvelle valeurde la puissance requise passe de:

soit une augmentation du rapport 1.25:1, ou bien une augmentation de 25% de lapuissance nécessaire. Ainsi, le choix des conditions de fonctionnement différentes desconditions de fonctionnement nominales peut avoir des conséquences inattendues etparfois néfastes. L'utilisation des pompes loin des conditions de fonctionnementoptimales est souvent à l'origine des pertes importantes du rendement et du gaspillagedu carburant.

Pompes axiales (pompes-hélices)

Nous avons déjà vu que la majeure partie de la pression exercée par la pompe à héliceest due à l'action propulsive de ses aubes en rotation sur l'eau. Cette poussée a poureffet de propulser l'eau vers la sortie du rotor ou de la roue, et elle imprime aussi l'eaud'un mouvement rotatif (spin), qui est une source de gaspillage d'énergie. En effet lespin de l'eau aurait pour conséquences l'augmentation des forces de frottement et desphénomènes de turbulence, sans toute fois avoir aucun effet positif pour le refoulementde l'eau dans la conduite. Les pompes hélices sont donc munies d'aubes de guidagedont l'angle d'inclinaison permet de redresser l'écoulement et de transformer lacomposante rotative de la vitesse en une pression supplémentaire, tout à fait de lamême manière que le diffuseur d'une pompe centrifuge. Le schéma de la figure 60représente un exemple type d'une pompe hélice avec des aubes de guidage montéesjuste au-dessus du rotor. Ces aubes ont en outre un second rôle structurel puisqu'ilscomportent un grand palier plat facilitant le centrage de l'arbre. Ce palier estgénéralement lubrifié à l'eau et présente les mêmes caractéristiques avec la boîtearrière du moteur d'un bateau.

FIGURE 60Pompe axiale (pompe-hélice)

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FIGURE 61Pompe hélico-centrifuge montée en surface

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FIGURE 62Pompe hélico-centrifuge immergée

Les pompes hélices sont généralement fabriquées pour une gamme de débits de l'ordrede 150 à 1500 m3/h. Elles sont à axe vertical et leurs hauteurs manométriques varient de1,5 à 3,0 m. Les pompes à hélices à plusieurs étages (c'est-à-dire de plusieurs roues surle même arbre) peuvent avoir des hauteurs de refoulement de l'ordre de 10 m environ.

Comme les pompes de ce genre sont conçues pour pomper des débits très forts à desfaibles hauteurs de refoulement, les conduites de refoulement associées sontnormalement en béton afin d'éviter les coûts prohibitifs des tuyaux en acier de grosdiamètres. Les pompes hélices sont pour la plupart trop encombrantes, et leurinstallation requiert d'importants travaux de génie civil. Par suite leur domained'utilisation serait celui des plus grandes exploitations agricoles. En règle générale, ellessont surtout utilisées dans projets d'irrigation à canaux à ciel ouvert par élever des débitsimportants à des hauteurs de 2 à 3 m à partir d'un canal principal vers un canald'alimentation ou de distribution.

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FIGURE 63Pompe-hélice portable (IRRI)

Les petites pompes hélices sont plutôt fabriquées ou assemblées sur place. Ellesdonnent en général des résultats assez probants, ce qui fait qu'elles ne sont pasfabriquées en série en usine. Les hélices ordinaires des bateaux ont été fixées sur unlong arbre pour le pompage de l'eau nécessaire à la submersion des rizicultures danscertaines régions d'Asie du Sud-Est. L'Institut International de Recherche sur le Riz(IIRR) a mis à profit ce principe pour mettre au point un système de pompage portatif àgrand débit (voir figure 63). Ce dispositif a été conçu pour être fabriqué dans de petitsateliers mécaniques, le débit peut 180 m3/h, et la hauteur manométrique est d'environ 1à 4 m. Cette pompe doit être entraînée par un moteur thermique ou électrique de 5 CVde puissance (3 kW) avec une vitesse de rotation de 3000 m tr/min. L'arbre est de 3,7 mde long, la conduite de refoulement de 150 mm de diamètre et le poids total, machinemotrice non comprise, est de 45 kg.

Pompe hélico-centrifuge (à écoulement mixte)

Comme son nom l'indique, la pompe hélico-centrifuge est à la fois en partie pompeaxiale et pompe centrifuge. Cette pompe est d'un grand intérêt pour l'irrigation parpompage car elle constitue un bon compromis permettant d'éviter le désavantage de lahauteur derefoulement faible d'une pompe hélice, et en même temps avoir desrendements et de débits supérieurs à ceux d'une pompe centrifuge à volute. De plus, lespompes à débit axial fonctionnent uniquement à aspiration nulle tandis que les pompeshélico-centrifuges peuvent fonctionner à des hauteurs d'aspiration non nulles tout enn'étant pas à auto-amorçage.

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Le schéma de la figure 61 représente une pompe aspirante hélico-centrifuge installée ensurface. L'écoulement hélicoïdal créé par la rotation de l'hélice est redressé en refoulantl'eau dans un colimaçon ou diffuseur, d'une manière identique à celle d'une pompecentrifuge à volute.

Le schéma de la figure 62 représente un autre dispositif de pompage plus proche d'unepompe à hélice. Ce dispositif comporte un carter en cuvette afin que l'écoulement soitradial dans le rotor. Il converge vers l'axe au moyen d'aubes de guidage fixes quiéliminent la composante rotative, ce qui permet, comme pour les pompes à hélice,d'augmenter le rendement de la pompe. Ce type de dispositifs est toujours immergé, cequi élimine les problèmes d'amorçage dont souffrent les grosses pompes dynamiquesaspirantes installées en surface (figure 61). La pompe hélico-centrifuge à carter encuvette est parfois qualifiée de pompe à turbine ou turbo pompe, et elle est tout à faitanalogue aux pompes centrifuges à turbine ou turbopompes décrites ci-dessus. Lasection réduite de l'aire de passage des filets liquides à l'entrée des aubes du rotorpermet d'accélérer l'écoulement et de lui imprimer une certaine énergie cinétique. Lesaubes de guidage fixes jouent le rôle de diffuseur à section élargie afin de transformer lavitesse en pression et donc augmente la hauteur de pompage et améliore le rendement.On peut toujours associer plusieurs pompes en série sur le même arbre, pour réaliserune pompe multicellulaire à turbine. Ces pompes sont souvent employées commepompes de forage puisqu'elles sont de forme allongée (faible diamètre, et grangehauteur). Le débit des pompes hélico-centrifuges est de l'ordre de 200 à 12 000 m3/hpour des hauteurs de refoulement de 2 à 10 m. les pompes multicellulaires sontcouramment utilisées pour des hauteurs d'élévation pouvant atteindre une quarantainede mètres.

Pompes centrifuges

Technologie de la pompe centrifuge à arbre horizontal

C'est la catégorie de pompes la plus utilisée dans l'irrigation à petite est moyenneéchelle. Ces pompes sont généralement entraînées par des moteurs thermiques ouélectriques. Le schéma de la figure 64 représente une vue en coupe d'un modèlecourant d'une pompe centrifuge à volute. Le corps de cette pompe et son bâti sonthabituellement en fonte ou en acier coulé, la roue pouvant être soit en bronze soit enacier. Les éléments les plus critiques de la pompe sont les extrémités des aubes àl'entrée et à la sortie de la roue. En effet, les pertes les plus importantes sont celles duesau retour d'eau à l'aspiration par l'espace libre à la sortie entre la partie fixe et la partietournante de la pompe. Pour réduire ces pertes, le corps des pompes de bonne qualité,comme celle de la figure, est munie d'un anneau d'usure à faible jeu à l'entrée du rotor.Cette pièce est sujette à l'usure du fait des matériaux en suspension et aux autresmatières abrasives transportées par l'eau. Elle est généralement remplacée chaque foisque le jeu entraine une baisse notable du rendement. Toutefois, la plupart desagriculteurs ne se rendent pas compte des pertes dues à l'usure, et ils essaient deremédier à la baisse du rendement par l'augmentation de jour en jour de la vitesse derotation ou de la durée de fonctionnement de la pompe, d'où un gaspillage de carburantou d'électricité.

FIGURE 64d'une pompe centrifuge de surface sur socle

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FIGURE 65Installation d'une pompe centrifuge de surface

FIGURE 66Installation d'une pompe centrifuge verticale (pompe de forage)

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Une autre pièce sujette à l'usure est le joint de presse-étoupe situé à la sortie de l'arbredu côté postérieur du carter de la roue. Elle doit être régulièrement resserrée pourréduire au minimum les fuites. Cependant le serrage excessif accélère l'usure de lagarniture. Ce joint est généralement fait d'une garniture en amiante graphitée, mais lepolytétrafluoro-éthylène graphité (PTFE), quand il est disponible est plus efficace. Lecoté arrière de la pompe comporte un socle et un boîtier renfermant deux roulements àbilles. Ce type de pompe est lubrifié à l'huile, avec un orifice de remplissage, une jauged'huile et un bouchon de vidange. L'entretien courant consiste à remplacer l'huile detemps à autre, et à en vérifier assez fréquemment le niveau. Ne pas observer ces règlespourrait entraîner l'usure des roulements, la flexion de l'arbre, l'usure des aubes et de laturbine.

Installation des pompes centrifuges

Les figures 65 et 66 représentent deux installations types de pompes centrifuges à faiblehauteur d'élévation. La plus simple est l'installation en surface avec une tuyauteried'aspiration (figure 65). Comme on vient de le voir à la section 2.1.5, la hauteur limited'aspiration des pompes centrifuges est de l'ordre de 4 à 5 m au niveau de la mer, de 2m environ à 2000 d'altitude, et encore moins si la tuyauterie d'aspiration est longue.Autrement dit, l'amorçage de la pompe sera plus difficile, et dans certains cas on risquele désamorçage de la pompe. Dans ces installations la conduite d'aspiration est munied'un clapet anti-retour, sinon la conduite se vide à travers la pompe chaque fois qu'ellefonctionne au ralenti ou bien s'arrête. Il s'ensuit que la pompe ne peut plus redémarrer, àmoins de remplir d'eau au préalable la conduite d'aspiration. De plus, dans certains casle retour d'eau peut bien inverser le fonctionnement et la pompe qui se transforme enturbine, ce qui pourrait aussi endommager l'installation électrique.

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FIGURE 67Divers types de rotors des pompes centrifuges

Si la longueur de la conduite de refoulement est très importante, il est plus prudentd'installer un autre clapet de retenue (clapet anti-retour) au niveau de la sortie de lapompe. Ainsi, lorsque pour une raison quelconque, la pompe s'arrête brusquement,l'écoulement se poursuit par inertie jusqu'à ce que la chute de pression soitsuffisamment importante pour provoquer le phénomène de la cavitation dans laconduite. Lorsque la vitesse de l'eau s'annule, l'écoulement s'inverse et les bulles decavitation implosent, provoquant ainsi un fort coup de bélier. Un autre coup de bélierintervient au moment où l'écoulement change de sans entraînant la fermeture brusquedu clapet de retenue. Des incidents pareils peuvent entraîner l'éclatement de la pompecentrifuge. Le clapet de retenue à la sortie sert donc à protéger la pompe contre cesreflux d'eau le long de la conduite de refoulement.

Dans certains cas le plan d'eau est tellement bas qu'il devient impossible d'installer lapompe en surface (conditions limites à l'aspiration). Les pompes centrifuges sont alorsplacées dans un puisard ou dans un puits, pour rendre minimum la hauteur d'aspiration,ou même la pompe peut être placée au-dessous du plan d'eau comme le montre lafigure 66. Dans ce cas un arbre assez long accouple la pompe à un moteur électriqueinstallé en surface, de sorte que le moteur et le matériel électrique restent toujours àl'abri de tout risque d'inondation.

Les roues d'une pompe centrifuge

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Les roues des pompes centrifuges sont les pièces maîtresses qui déterminent leurscaractéristiques. La figure 67 représente plusieurs types de roues. Bien que la forme dela roue est un important facteur, le rapport de la section de sortie de l'aube à celle del'entrée joue un rôle décisif sur les caractéristiques des pompes centrifuges. Autrementdit, la variation de la section transversale de l'écoulement à travers la roue, ou bien lerapport du diamètre de sortie ou diamètre d'entrée. Les schémas A et B de la figurereprésentent des rotors ouverts, tandis que les schémas C et D représentent des rotorscouverts ou fermés. Les premiers ont un rendement inférieur aux seconds puisqu'ilsdonnent lieu plus facilement à des pertes par retour d'eau. D'autre part les frottements etles remous créés par la rotation des aubes à découvert à proximité de l'enveloppe fixesont trop importants. Cependant ces rotors sont moins exposés au colmatage par laboue ou par les herbes. En revanche, les rotors fermés sont nettement plus robustes ilsrisquent moins l'usure par les matières solides en suspension ou les autres corpsétrangers entraînés par l'eau. Les rotors ouverts sont moins coûteux, ils sont doncgénéralement utilisés dans les pompes bon marché et de faible rendement. Quant auxrotors fermés, ils sont de loin les plus utilisés lorsque le rendement et le bonfonctionnement sont de première importance.

De plus les schémas A et C de la figure 67 représentent des rotors de pompes à uneroue à simple effet. Tandis que les schémas B et D sont relatifs à une pompe à doubleeffet à deux roues dans laquelle l'eau est aspirée symétriquement des deux côtés durotor. Le principal avantage de la disposition à double effet réside dans l'atténuation ou àla disparition de la poussée axiale qui s'exerce sur l'arbre de la pompe. Par contre, lespompes à double effet sont plus complexes et plus coûteuses. Elles sont par suiterarement employées dans le cas des équipements de petites et moyennes capacités.

La forme des aubes de la roue ou du rotor joue également un rôle important. Certainsfacteurs tendent à adoucir la courbure de la caractéristique H(Q) pour une vitesse derotation donnée. Tandis que d'autres facteurs tendent à augmenter la pente de cettecourbure. Les courbes de la figure 68 représentent l'effet de la forme des aubes sur lesfilets liquides. Bien que les caractéristiques les plus plates correspondent à des aubesde courbure concave, on constate que les aubes à courbure convexe permettenteffectivement d'obtenir une hauteur manométrique maximale dans les conditions defonctionnement nominales. D'une manière générale, plus la caractéristique hauteurd'eau-débit est plate, plus le rendement est élevé, d'autre part la vitesse de rotation durotor doit être d'autant plus importante que la hauteur de refoulement est élevée. Ainsi,pour une vitesse de rotation donnée on a toujours tendance à utiliser les pompes àcaractéristiques H (Q) les moins aplaties pour des hauteurs de refoulement élevées.Ceci est bien entendu au prix d'une légère baisse du rendement de la pompe.

Association en série et en parallèle des pompes centrifuges

Lorsque la charge requise dépasse celle que l'on peut obtenir avec une seule pompe,on peut installer deux ou plusieurs pompes en série, tel qu'indiqué à la figure 69a. Si parcontre, le débit d'une pompe est inférieur à celui nécessaire, deux ou plusieurs pompescentrifuges peuvent être installées en parallèle, tel qu'indiqué à la figure 69b. L'incidencede ces associations en série ou en parallèle des pompes sur les courbescaractéristiques H(Q) d'une pompe est représentée à la figure 69c. Ces courbesreprésentent les variations de la charge, du débit et du rendement, exprimées enpourcentage des valeurs obtenues dans le cas d'une seule pompe dans les conditions

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normales de fonctionnement. Il est manifestement clair que l'association en série despompes n'influe pas sur le rendement ni sur le débit, mais elle double la chargeeffective. Dans le cas de l'association en parallèle des pompes, le débit obtenu n'est pasexactement le double de celui d'une pompe unique. En effet le débit supplémentaireentraîne généralement une légère augmentation de la charge totale du fait del'augmentation des pertes de charge par frottement principalement dans lescanalisations de refoulement. Il en résulte un fort décalage du point de fonctionnement,et le débit total sera légèrement différent du double du débit d'une pompe unique.

FIGURE 68Effet du profil des aubes du rotor ou de la roue d'une pompe centrifuge

Pompes multicellulaires et pompes roto-dynamiques de forage

Si l'on veut utiliser une seule pompe centrifuge, on doit pour des hauteurs derefoulement importantes soit augmenter la vitesse de rotation du rotor, ou bien avoir unrotor de grand diamètre. Cependant, il y a toujours des limites qu'on ne peut pasdépasser tant pour les vitesses de rotation et que pour les diamètres des roues. Donc,on peut soit associer plusieurs pompes monocellulaires en série, ou bien adopter uneautre alternative plus pratique qui consiste à installer une pompe multicellulaire où l'eausort d'une roue pour alimenter la roue suivante ou l'étage suivant. Ceci est fait au moyend'un canal de retour spécialement conçu dans le corps de pompe. Le schéma de lafigure 70 représente une pompe de forage à cinq cellules. L'utilisation d'une pompemulticellulaire s'impose du fait que le diamètre du rotor est limité par celui du forage. Lafigure 144 représente une autre pompe multicellulaire, à trois étages, entraînée par uneturbine.

Les pompes multicellulaires de surface sont plutôt utilisées pour l'irrigation des zonesmontagneuses. En effet, en dehors de ce contexte il est assez rare que les eaux desurface soient pompées à des hauteurs d'eau importantes. Par contre, la pompemulticellulaire immergée de forage à axe vertical, directement accouplée à un moteurélectrique au-dessus d'elle (lui aussi immergé), est beaucoup plus utilisée actuellementen irrigation, surtout dans l'irrigation à petite échelle, où la source d'eau est constituéed'un puits ou d'un forage (voir Figure 70). De plus, il est toujours possible d'installer des

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pompes de forage multicellulaires à axe vertical où le moteur d'entraînement est ensurface. Ce type d'installation requiert un long arbre moteur, dont la verticalité estassurée par des paliers de centrage régulièrement espacés tout le long de la colonnemontante (figure 134(b)). On peut aussi utiliser un moteur d'entraînement disposécomme l'indique la figure 66, accouplé à une pompe multicellulaire à axe verticalinstallée dans un puisard ou dans un puits.

FIGURE 69Association en série ou en parallèle des pompes centrifuges

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Rappel des types de pompes et des techniques d'élévation de l'eau128


FIGURE 70Groupe moto-pompe multicellulaire immergé de forage

Au cours de ces dernières années, plusieurs types de pompes immergées de bonnesperformances entraînées par des moteurs électriques ont été mises au point (voir figure70). La section Energie électrique traite plus en détail les caractéristiques électriques etles détails de construction de ce type de moteur. L'adjonction des étages de pompage

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supplémentaires sur le même arbre ne pose guère de difficultés. Cette technique permetd'obtenir une série de pompes couvrant un large éventail des conditions defonctionnement. La pompe de la figure 70 est du type hélico-centrifuge à cinq étages. Lemême schéma montre aussi comment par la simple adjonction d'étagessupplémentaires (bien sûr la puissance du moteur d'entraînement doit aussi augmenteren conséquence) on peut avoir une gamme complète de pompes pouvant élever l'eau àune hauteur de 40 m environ pour les pompes les plus petites, et à des hauteurs de 245m environ pour les pompes les plus grosses (voir figure). Le rendement et le débit deces pompes sont pratiquement identiques, seules la hauteur de pompage et lapuissance nominale sont fonctions du nombre d'étages.

Enfin les figures 71 et 134(a) représentent des groupes moto-pompes électriquesinstallés dans des forages. La pompe de la figure 71 est munie de capteurs de niveauxmontés tout le long de la colonne montante, ces capteurs désamorcentautomatiquement la pompe en cas de baisse sensible du plan d'eau.

Pompes roto-dynamiques à auto-amorçage

Les pompes roto-dynamiques de toutes sortes ne démarrent que lorsque leur rotor estpréalablement rempli d'eau. Evidemment, la méthode la plus sûre pour éviter toutedifficulté de démarrage consiste à immerger la pompe au-dessous du plan d'eaud'alimentation. Mais cette méthode n'est pas toujours applicable ou bien appropriée.Ceci est plutôt valable en petite irrigation chaque fois que l'on doit avoir recours à desgroupes de pompage portables, qui doivent être arrêtés et réamorces à chaque posted'irrigation.

Si le carter de pompe est bien rempli d'eau, la pompe peut bien démarrer et l'eau serarefoulée, même si la conduite d'aspiration est vide au départ. Plusieurs méthodespeuvent être utilisées pour remplir les pompes roto-dynamiques installées au-dessus duniveau d'alimentation. Toutefois, il est particulièrement important de noter que si laconduite d'aspiration est vide et que la conduite de refoulement est pleine, il vaut mieuxparfois vider cette dernière pour supprimer la contre-pression qui pourrait empêcherl'amorçage de la pompe. Sinon, il serait difficile, voire impossible, de pourvoir chasserl'air contenu dans l'installation et l'amorçage n'aura pas lieu. Une des méthodes utiliséespour chasser l'air Consiste à monter au départ du refoulement un robinet qui permet de"purger" la pompe en facilitant la sortie de l'air piège dans le système.

Le dispositif le plus simple pour maintenir l'eau en permanence à la fois dans la[tuyauterie d'aspiration et la pompe c'est d'installer un clapet de non-retour à l'aspiration.Au départ, la tuyauterie d'aspiration doit être remplie d'eau à la main à l'aide d'un seaud'eau. Ensuite le clapet de non-retour devrait empêcher l'eau de s'échapper du système,même si la pompe est mise hors fonctionnement pour un certain temps. Or, dans laplupart des cas les clapets de non-retour ne sont pas parfaitement étanches. Des fuitesd'eau interviennent souvent surtout lorsque l'eau est chargée de boue ou de graviers quiforment un dépôt entre le clapet et son siège entravant ainsi sa fermeture. D'autre part,un autre souci s'ajoute à celui du risque désamorçage c'est celui du fonctionnement àvide. En effet, plusieurs types de pompes peuvent d'être fortement endommagés si ellesfonctionnent à vide pour un certain temps. Il s'ensuit que les, points d'étanchéité interneset les surfaces de frottement qui sont normalement lubrifiés à l'eau pourraient dans cesconditions s'user rapidement. De plus, une pompe qui fonctionne à vide aura tendance à

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surchauffer, ce qui fait que la graisse utilisée pour lubrifier les roulements pourrait fondreet s'échapper, provoquant ainsi la détérioration des joints d'étanchéité, et toute autrepièce en plastique et chaque élément ne pouvant pas supporter de très fortestempératures.

FIGURE 71Une installation complète d'un groupe moto-pompe électrique immergé

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FIGURE 72Pompe directement accouplée à un moteur diesel à refroidissement à l'air munie d'unepompe manuelle d'amorçage à membrane

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Les deux méthodes d'amorçage les plus courantes des groupes moto-pompescentrifuges de surface consistent à utiliser, soit une petite pompe à main montée sur laconduite de refoulement (figure 72) (le schéma représente une pompe d'amorçage àmembrane dont la capacité d'aspiration est excellente), soit un "éjecteur d'épuisementpour faire le vide nécessaire dans la conduite d'aspiration (figure 57) ce principe defonctionnement sera traité en détail dans la section suivante.

FIGURE 73Pompe centrifuge à auto-amorçage

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D'autres méthodes d'amorçage des pompes aspirantes montées en surface peuventfréquemment être mises au point sur place. Par exemple, on peut installer un réservoirdécanteur d'eau au-dessus de la pompe avec un by-pass à fermeture automatique. Audémarrage, le by-pass est ouvert et la pompe fonctionne en court-circuit sur le réservoirdécanteur et le by-pass en utilisant l'eau se trouvant dans le réservoir décanteur.Lorsque la pompe est amorcée le by-pass se referme. Ceci est très intéressant surtoutsi l'on a à redémarrer la pompe après le vidange de la canalisation. L'eau du réservoirse vide dans la pompe et dans la conduite d'aspiration facilitant ainsi l'amorçage de lapompe. Les fuites d'eau dans la plupart des clapets de retenue, même ceux de qualitémédiocre, sont suffisamment lentes et le réservoir décanteur s'avère être une solutionefficace. Une fois la pompe amorcée le réservoir pourrait être rempli d'eau pour être prêtpour le prochain démarrage.

On peut aussi installer un grand réservoir sur la conduite d'aspiration juste au-dessus dela pompe. Ce réservoir doit être de capacité suffisante pour pourvoir remplir d'eau lacanalisation d'aspiration suite à la dépression créée par la pompe. Une installation de cegenre doit cependant être soigneusement conçue pour éviter l'apparition de bouchonsd'air dans la canalisation d'aspiration.

Une autre méthode simple utilisée uniquement lorsque la conduite de refoulement est detrès grande longueur consiste à monter immédiatement à la sortie de la pompe, unevanne au lieu d'un clapet de non-retour. Cette vanne est en position de fermeturelorsque la pompe est arrêtée. L'ouverture du robinet aura pour effet de remplir la pompepar l'intermédiaire de la conduite de refoulement, et d'assurer ainsi sa mise en eau aumoment au démarrage.

La solution la plus sûre dans certains cas consiste à utiliser une pompe centrifugespéciale dite "à auto-amorçage" (figure 73). Dans ce cas la partie supérieure du corpsde la pompe comporte deux compartiments séparés par un déflecteur. Lorsque lapompe et la canalisation d'aspiration sont vides, le carter est rempli directement parl'orifice de remplissage à la partie supérieure du corps de la pompe. Une fois la pompe

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amorcée, l'eau est lancée vers le haut du côté refoulement et une petite zone dedépression se forme autourdu moyeu de la roue. Tant que la pompe n'est pas amorcée,l'eau introduite par l'orifice d'entrée à la partie supérieure de la pompe continue à circulerautour du déflecteur, tandis qu'une fraction de l'air entraîné remonte la conduite derefoulement vide. L'air aspiré de la tuyauterie d'aspiration est remplacé par l'eau jusqu'àce que celle-ci soit complètement remplie d'eau et que les bulles d'air autour de la rouede la pompe soient complètement éliminées. Une fois l'air entièrement chassé, l'eaucesse de circuler autour de déflecteur et l'écoulement dans les deux compartimentsserait de même sens de sorte, que l'eau se dirige vers la sortie de la pompe du côté durefoulement. Grâce à un clapet anti-retour placé à son entrée, l'eau reste dans la pompemême si elle est en arrêt. Ainsi, même si des fuites d'eau interviennent au niveau declapet anti-retour de la conduite d'aspiration et que celle ci se vide, l'eau retenue dans lecorps de la pompe serait suffisante pour l'auto-amorçage d'une manière tout à faitidentique à celle décrite plus haut. Par conséquent, ce type de pompes requiert leremplissage manuel seulement au moment de leur installation, ou bien suite à unepurge complète de l'installation.

Pompe venturi à auto-amorçage

Un autre type de pompe centrifuge à auto-amorçage est conçu sur le principe d'un jetd'eau. En effet un courant liquide accéléré ou un jet moteur envoyé à travers unrétrécissement crée une chute de pression (voir section Pompes centrifuges à volute,turbo pompes et pompes à auto-amorçage). Dans ce cas la pompe est logée dans undouble carter contenant l'eau à la pression de la conduite du refoulement (voir figure 74).Une partie de cette eau est déviée vers un rétrécissement suivi d'un diffuseur monté àl'aspiration de la pompe qui dirigent les filets liquides vers le centre du rotor. Lorsque lapompe est mise en marche par la première fois (après un amorçage manuel initial), ellereste remplie d'eau. Les démarrages suivants sont assurés en alimentant l'aspiration parle by-pass aménagé sur la conduite du refoulement. Comme dans le cas précédent, l'airest aspiré et évacué vers le refoulement, tandis que l'eau commence à remplirprogressivement la conduite d'aspiration. Dès que la tuyauterie est complètementpurgée d'air qu'elle contient, la grande proportion de l'eau aspirée est refoulée à traversla conduite de refoulement. Mais une fraction repasse par le rétrécissement (ou jet) àl'aspiration, ce qui accroît considérablement le pourvoir d'aspiration de cette pompe parrapport à l'aspiration d'une pompe centrifuge normale. Par conséquent, ce type depompe a un double avantage de pouvoir fonctionner avec une forte charge à l'aspiration,et de fonctionner correctement (sans risque d'usure) tout en "ronflant" (c'est-à-dire enaspirant un mélange d'air et d'eau sans se désamorcer). Elle est donc d'un intérêtcertain pour le pompage des eaux peu profondes, où l'on ne peut pas assurerl'immersion complète du clapet de retenue, ou bien dans les cas où l'on risquel'épuisement complet de la source d'eau par pompage.

Le principe de fonctionnement des pompes éjecteurs est également valable pour lespompes de forage, tel qu'indiqué à la figure 75. Dans ce type d'installations la pompe etle moteur sont installés en surface, et ils peuvent puiser l'eau à une profondeur de 10 à20 m. Le diffuseur installé à la sortie du jet sert à accroître la pression dans la colonnemontante et à empêcher la cavitation. Bien que le système à venturi requiert un débit 1.5à 2 fois supérieur au débit refoulé ce qui constitue donc une source de perte depuissance notable, ce type de pompe est particulièrement utile pour le pompage deseaux sablonneuses ou boueuses. En effet ces pompes sont moins sujettes aux risques

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de colmatage que les pompes immergées. Cependant dans le cas de pompage d'eauxchargées, un bassin de décantation est aménagé en surface entre l'aspiration et lerefoulement pour débarrasser l'eau autant que possible de matières en suspension et deréduire au minimum les risques de colmatage.

FIGURE 74Pompe venturi aspirante (ejecteur) installée en surface

Parmi les inconvénients des pompes éjecteurs nous pouvons citer, premièrement, leurgrande complexité, donc leur coût trop élevé, deuxièmement leur faible rendement carune partie de l'énergie de pompage est perdue à travers le venturi (convergent-divergent). Cette énergie n'est pas totalement perdue car elle est récupérée plus tard enpartie sous la forme d'effet de pompage du venturi. Il est évidemment préférable

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d'utiliser une pompe centrifuge classique lorsque la hauteur d'aspiration est faible ounulle. Dans les autres cas où le pompage par aspiration est indispensable, une pompe àauto-amorçage de ce type serait tout à fait indiquée.

FIGURE 75Pompe ejecteur de forage

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Documents

Rappel des tyupes de pompes et des techniques d'elevation ... · Rappel des types de pompes et des techniques d'élévation de l'eau pompes du type B sont effectivement des pompes