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POMPES

On appelle pompes les machines qui réalisent l’écoulement d’un liquide en utilisant une certaine quantité d’énergie mécanique fournie par un moteur. Cette dépense d’énergie est nécessaire parce que l’écoulement a lieu dans le sens des pressions croissantes; la pompe doit, par conséquent, vaincre une certaine résistance dont la nature varie suivant l’utilisation de l’appareil. Ainsi, si la pompe est destinée à remplir un réservoir d’eau se trouvant à un niveau élevé, elle doit vaincre une pression qui correspond à une colonne d’eau dont la hauteur est déterminée par la différence de niveau entre les réservoirs de refoulement et d’aspiration. De même, lorsque la pompe doit alimenter une chaudière à vapeur, la pression de refoulement est supérieure à celle de la vapeur produite. Dans tous les cas, la résistance à l’écoulement se trouve accrue par suite des pertes de charge subies par le liquide dans les conduites, particulièrement lorsque celles-ci comportent des changements de direction ou de section (cf. mécanique des FLUIDES).

La conception et la réalisation des pompes présentent une grande diversité. D’une manière générale, les différents types de pompes peuvent être divisés en deux classes: les pompes volumétriques et les turbopompes. Un exposé sommaire de la théorie générale des pompes sera suivi de quelques exemples de construction illustrant les conceptions qui caractérisent chacune de ces deux classes.

1. Relations générales

Définitions

La détermination des dimensions d’une pompe et de la puissance qu’elle absorbe exige la connaissance de toutes les grandeurs qui interviennent dans la définition des conditions de fonctionnement. Parmi ces données figurent, en premier lieu, le débit de liquide q (qu’on peut désigner aussi par q^m , ou par q ^v , si l’on veut préciser qu’il s’agit d’un débit-masse ou d’un débit-volume) et la hauteur d’élévation totale h^t . Cette dernière grandeur est la somme de deux termes, définis ci-dessous, correspondant l’un à l’aspiration, l’autre au refoulement.

Supposons que l’axe de la pompe se trouve au-dessus du plan d’eau à l’aspiration; la différence de niveau h^a entre ce plan et l’axe de la pompe est la hauteur géométrique d’aspiration . Soit J^a la hauteur de liquide correspondant à la perte de charge dans la conduite d’aspiration, et V^a la vitesse du liquide dans cette conduite. Conformément au théorème de Bernoulli ^{[cf. HYDRAULIQUE]}, la pression statique du liquide à l’entrée de la pompe est inférieure à la pression ambiante, et la différence entre ces deux pressions, qui est la hauteur manométrique d’aspiration h^ma , s’exprime par:

le terme V^{a 2}/2g étant la hauteur de liquide due à la vitesse.

Si le réservoir alimentant la pompe se trouve au-dessus de l’axe de celle-ci, la différence de niveau correspondante h^c est la hauteur géométrique de charge . Les conditions d’aspiration sont alors définies par la hauteur manométrique de charge :

De la même manière, la hauteur géométrique de refoulement étant h^r , la hauteur manométrique de refoulement h^mr est donnée par:

où J^r est la perte de charge dans la conduite de refoulement, p la pression dans le réservoir alimenté par la pompe et V^{r 2}/2g la hauteur dynamique au niveau de la prise du manomètre. Toutes ces grandeurs sont exprimées en mètres de colonne liquide. L’expression (3) ne tient pas compte de la hauteur dynamique à l’arrivée dans le réservoir de refoulement, hauteur habituellement négligeable.

Dans toutes ces expressions figure un terme, V^{a 2}/2g ou V^{r 2}/2g , qui dépend du débit de liquide et de la section de passage qui lui est offerte. En supprimant ce terme, on obtient des expressions qui ne dépendent que des conditions de l’installation et qu’on appelle hauteur pratique d’aspiration, ou de charge, ou de refoulement . Il en résulte que la hauteur pratique d’élévation totale h^pt , est donnée, suivant les conditions d’aspiration, par:

ou par:

Capacité pratique d’aspiration

On appelle capacité pratique d’aspiration la valeur maximale de la hauteur pratique d’aspiration pouvant être assurée sans cavitation par une pompe donnée, c’est-à-dire sans qu’une partie du fluide aspiré se trouve à l’état gazeux. Cette valeur maximale dépend, d’une part, du débit et de la vitesse de rotation de la pompe, d’autre part, de la nature du liquide et de sa température et, enfin, de l’altitude, dans la mesure où celle-ci influe sur la pression atmosphérique. Un document édité par le syndicat des constructeurs de pompes fixe les variations de la capacité pratique d’aspiration d’une pompe en fonction de la température et de l’altitude, le liquide aspiré étant de l’eau pure. En passant, par exemple, de 20 ⁰C à 50 ⁰C, la capacité pratique d’aspiration diminue de 1 m; de même, en passant du niveau de la mer à 1 000 m, cette capacité diminue de 1,2 m.

Puissance et rendement

La puissance utile de la pompe est la puissance communiquée par cette pompe au liquide; elle est égale au produit du débit-masse par la hauteur d’élévation totale exprimée en mètres de colonne liquide. En adoptant pour cette hauteur la valeur de h ^pt donnée par (4) ou (5) et exprimée en mètres, on obtient pour la puissance utile P^u l’expression:

où le débit-masse q^m est mesuré en tonnes par seconde et où la puissance utile P^u est mesurée en kilowatts.

Si, au lieu du débit-masse q ^m , on considère le débit-volume q ^v, exprimé en mètres cubes par seconde, on a:

諸 étant le poids volumique du liquide en kilogrammes par mètre cube (soit, pour l’eau, dans des conditions normales de température, 1 000 kg/m³).

En désignant par P^a la puissance absorbée par la pompe et mesurée sur l’arbre de celle-ci, on a pour le rendement 兀 de la pompe l’expression:

2. Pompes volumétriques

Définition et classification

On appelle pompes volumétriques les appareils dans lesquels l’écoulement du liquide est réalisé grâce à la variation du volume d’une ou de plusieurs capacités. Le liquide est aspiré par la pompe lors de l’accroissement du volume de la capacité variable, et il est refoulé lors de sa diminution. La liaison entre les capacités variables et les tubulures d’aspiration et de refoulement est le plus souvent assurée par des soupapes; celles-ci sont dites automatiques lorsque leur ouverture et leur fermeture ont lieu sous l’effet de la variation de la pression du liquide et ne sont pas dues à l’action d’un organe de réglage.

Le volume de liquide aspiré par cycle est théoriquement égal au volume engendré , c’est-à-dire à la différence entre le volume maximal et le volume minimal de la capacité variable. En réalité, par suite des jeux inévitables et des fuites internes qui en résultent, le volume réellement aspiré est inférieur au volume engendré; le rapport entre le premier de ces volumes et le second constitue le rendement volumétrique de la pompe.

Dans une pompe volumétrique, la variation de volume est due au mouvement d’un organe commandé mécaniquement, et c’est la nature de ce mouvement qui sert de base à la classification des pompes de ce type. On distingue ainsi les pompes à mouvement alternatif rectiligne et les pompes volumétriques à mouvement rotatif . La première catégorie comprend les pompes à un ou plusieurs pistons, ainsi que les pompes à membrane; dans la seconde figurent des pompes à capacité variable qui comportent un, deux ou même trois axes de rotation et dont les organes mobiles sont soumis soit seulement à un mouvement de rotation continu, soit à la fois à un mouvement de rotation et à un mouvement alternatif rectiligne. Les types de pompes volumétriques sont très nombreux, et seuls quelques-uns d’entre eux seront brièvement décrits ci-dessous.

Pompes à piston

Sous sa forme la plus simple, une pompe à piston fonctionne suivant le schéma de la figure 1 a. Cette pompe est dite à simple effet , car le piston n’a qu’une seule face active qui, dans le cas de la figure, est celle de gauche. Une telle pompe convient particulièrement au cas où le débit de liquide est faible, mais où la pression de refoulement est, en revanche, élevée.

L’étude du fonctionnement d’une telle pompe montre que son débit varie, en fonction de l’angle 見 décrit par la manivelle, d’après la courbe a de la figure 2; il est donc nul pour 0 麗 見 麗 神 et passe par un maximum pour 見 = 3 神/2.

Une telle irrégularité de débit risque de produire des coups de bélier dans les conduites ^{[cf. HYDRAULIQUE]}; pour les éviter, on doit placer sur la conduite de refoulement (et, dans certains cas, sur la conduite d’aspiration) un réservoir d’air .

L’irrégularité du débit peut être atténuée (et donc la capacité du réservoir d’air réduite) en plaçant des soupapes d’aspiration et de refoulement de part et d’autre du piston, ce qui conduit à une pompe à double effet (fig. 1 b). En négligeant la section de la tige de piston, on peut assimiler le fonctionnement d’une telle pompe à celui de deux pompes à simple effet dont les manivelles de commande sont calées à 180⁰. La variation du débit d’une telle pompe en fonction de l’angle de rotation est représentée, dans la figure 2, par la courbe b . De même la courbe c de la même figure montre la variation du débit d’un groupe de deux pompes à double effet dont les manivelles sont calées à 90⁰.

L’exécution des pompes à piston se prête à plusieurs variantes. Ainsi, dans les pompes à piston plongeur , le diamètre du piston est plus petit que celui de la paroi intérieure du cylindre; le piston se déplace donc sans frotter contre cette paroi, et l’étanchéité est assurée par un presse-étoupe. Un autre exemple est fourni par les pompes à piston différentiel (fig. 1 c), qui sont caractérisées par le fait que les deux faces du piston ont des sections différentes, l’une d’elles étant habituellement égale à la moitié de l’autre. Elles ne comportent qu’une seule soupape aussi bien à l’aspiration qu’au refoulement, mais leur fonctionnement est celui d’une pompe à simple effet à l’aspiration et celui d’une pompe à double effet au refoulement.

Pompes volumétriques rotatives

Les pompes volumétriques à engrenages sont constituées par deux roues dentées dont l’une est entraînée par le moteur de commande et transmet le mouvement à l’autre; le liquide est aspiré dans l’espace compris entre deux dents consécutives et passe ensuite dans la section de refoulement. Certaines pompes de ce type sont à denture intérieure, c’est-à-dire que l’une des roues dentées est placée à l’intérieur de l’autre, au lieu d’être montée à côté de celle-ci.

Dans les pompes à vis ou les pompes à engrenages hélicoïdaux , la vitesse d’écoulement du liquide comporte une composante axiale, ce qui rend l’écoulement plus régulier. Le nombre de rotors d’une telle pompe peut varier de un à trois.

Parmi les pompes volumétriques rotatives, on trouve encore des pompes à excentrique , des pompes à palettes et des pompes à pistons radiaux (ou disposés en étoile ).

3. Turbopompes

Propriétés générales

Les turbopompes (comme les turbomachines, en général) sont caractérisées par la continuité de leur fonctionnement: pour un régime de marche donné, l’état du fluide (en particulier, sa pression) reste invariable. D’autre part, ces machines satisfont à certaines lois de similitude résumées ci-dessous:

– si, pour une pompe donnée, on fait passer la vitesse de rotation (c’est-à-dire le nombre de tours par unité de temps) de n à n , le débit de liquide varie comme le rapport (n /n ), la hauteur engendrée comme le rapport (n /n )², et la puissance absorbée comme le rapport (n /n )³, le rendement restant pratiquement constant;

– en passant d’une pompe donnée à une pompe géométriquement semblable, le rapport de similitude linéaire étant k et les vitesses de rotation des deux pompes étant respectivement n et n , le débit de liquide est multiplié par k ³(n /n ), la hauteur par k ²(n /n )² et la puissance par k ⁵(n /n )³.

Ces propriétés permettent de représenter les différents régimes de fonctionnement d’un type donné de turbopompe au moyen de courbes caractéristiques qui donnent les relations entre certains coefficients réduits (nombres sans dimensions). Les lois de similitude se vérifient lorsqu’on considère des régimes de fonctionnement correspondant à un même point des courbes caractéristiques.

Vitesse spécifique

L’examen des lois de similitude montre qu’en éliminant le rapport k on obtient une certaine vitesse de rotation, qu’on appelle vitesse spécifique n^s , qui est la même pour toutes les pompes d’une même série et peut, par conséquent, servir à caractériser celle-ci. L’expression de cette vitesse est:

La vitesse spécifique est donc la vitesse de rotation d’une pompe d’un type donné qui fournirait un débit de 1 m³/s sous une hauteur de 1 m.

Constitution d’une pompe centrifuge

L’écoulement du liquide dans une turbopompe peut être radial, axial ou mixte; il en résulte que les turbopompes se divisent en trois classes: pompes centrifuges , pompes axiales (ou pompes à hélices ) et pompes hélicocentrifuges .

La figure 3 représente, à titre d’exemple, la constitution d’une pompe centrifuge. La roue mobile est suivie d’un diffuseur à aubes fixes, où l’énergie cinétique du liquide se transforme partiellement en pression. Cette transformation continue dans la volute, qui se termine par la tubulure de refoulement. Le diffuseur peut ne pas être muni d’aubes, mais, dans ce cas, le ralentissement du liquide et, par conséquent, l’accroissement de sa pression sont moins rapides que dans le cas représenté sur la figure ci-contre.

Pour augmenter le débit d’une pompe centrifuge, on réalise parfois celle-ci au moyen de deux roues symétriques accolées dos à dos et ayant une volute commune; une telle pompe est une pompe à deux ouïes d’aspiration .

Lorsque la pression fournie par une pompe à une roue est insuffisante, on monte sur le même arbre plusieurs roues fonctionnant en série; dans ce type de pompe, qu’on appelle multicellulaire , le refoulement de chaque roue est relié à l’aspiration de la roue suivante. Ce mode de construction est appliqué, en particulier, à la réalisation des pompes d’alimentation de chaudières, pompes qui, dans les centrales nucléaires, refoulent l’eau sous une pression de l’ordre de 20 à 30 mégapascals.