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Les machines lvatoires

POMPES ROTO-DYNAMIQUES

Pompes roto-dynamiques: principes de base

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

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

en la lanant sur une trajectoire circulaire, de sorte ce que l'vacuation sefasse sous l'effet de la force centrifuge, exactement comme un poids s'chappeaprs avoir t acclr par un mouvement circulaire au bout d'une ficelle.

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

Les premires pompes roto dynamiques rellement utilisables ont t mises au pointvers la fin du 18me et au dbut du 19me sicle ( Figure 56). Les pompes du type Areprsentes sur la figure ont simplement pour rle de refouler l'eau vers le haut. Les

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

pompes du type B sont effectivement des pompes centrifuges aspiration et ellesdoivent tre amorces pour pouvoir fonctionner. Elles sont munies d'un clapet deretenue l'admission destin empcher la perte de l'eau d'amorage une fois lapompe arrte. Un carter circulaire reoit l'eau dbite par la roue du ct durefoulement. Ces pompes ont un trs mauvais rendement, puisque l'nergie cintiquerelativement importante communique l'eau sa sortie du rotor (du fait de la grandevitesse) est purement et simplement dissipe. La pompe du type C, ou pompeMassachusetts de 1818, comporte un collecteur mont autour d'un axe horizontal, desorte que les filets d'eau soient dirigs vers la conduite de refoulement et refouls surune certaine hauteur. A certains gards la pompe C annonait les pompes centrifugesmodernes qui sont les pompes entranement mcanique les plus rpandues l'heureactuelle.

Pompes centrifuges volute, turbopompes et pompes auto-amorage

La diffrence essentielle entre les premires pompes dcrites ci-dessus et les pompesmodernes c'est que l'eau sort de la roue une vitesse leve 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 illustr la figure 57 apermis de mettre au point des pompes roto-dynamiques performantes. D'aprs ceprincipe la vitesse d'coulement des fluides peut tre 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, undbit d'eau donn contraint emprunter un passage section transversale rduite, il lefera une vitesse plus grande. Cependant, toute augmentation de vitesse est due unepression agissant sur la masse d'eau en question. Inversement, le passage des filetsliquides travers une section transversale largie est accompagn d'une rduction de lavitesse d'coulement pour couvrir la totalit de la section d'coulement. La dclrationdu fluide requiert une force supplmentaire qui accrot par consquent la pression subiepar le fluide ralenti. On peut dmontrer que, (si l'on ne tient pas compte desphnomnes de frottement) la relation entre la hauteur manomtrique H et les vitessesd'eau dans une conduite section transversale variable Ventre et Vsortie, est donne par

formule dans laquelle g reprsente l'acclration de la pesanteur.

Le schma de la figure 57 illustre la diminution de la pression dans un ajutage au fur et mesure que la vitesse de l'eau augmente. Le contraire se produit dans le cas d'undiffuseur qui a pour effet de ralentir l'coulement et d'augmenter la pression du fluide.Sur le plan qualitatif, ce phnomne pourrait tre accept sans dmonstration par laplupart des gens. Cependant s'il est bien vident que la pression est requise pourraliser un jet liquide, par contre il est moins vident que le ralentissement progressifd'un jet liquide rsulterait encore en une augmentation de la pression.

La mise en vidence de ce phnomne a permis de confirmer que l'amlioration dufonctionnement des pompes centrifuges pourrait tre obtenue en projetant l'eau grande vitesse la sortie d'une roue (pour communiquer l'eau la plus grande nergiecintique possible), puis en la faisant passer dans un diffuseur de section transversalecroissante. Une partie de l'nergie cintique l'entre du diffuseur sera ainsi

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transforme en pression. Il est essentiel que la variation de la section transversale soitprogressive et rgulire, car toute variation brusque crerait de fortes turbulences quiprovoquent la dissipation de l'nergie hydraulique au lieu d'augmenter la pression. Ilexiste deux mthodes essentielles pour parvenir ces rsultats. Elles sont illustres parles schmas A et B de la figure 58, et une autre mthode moins courante illustre par leschma C.

Le schma A reprsente le type de pompe le plus courant, la pompe centrifuge volute,gnralement connue sous le nom simple de "pompe centrifuge". Elle comporte uncarter en volute, communiquant avec un canal extrieur en forme de coquille d'escargot section transversale graduellement variable. L'coulement de l'eau la sortie du rotorse transforme en coulement tangentiel dans ce canal o il sera ralentiprogressivement. Ainsi l'eau sort tangentiellement et passe dans la conduite derefoulement vitesse rduite et forte pression.

Le schma B reprsente un autre type, savoir la pompe dite "centrifuge turbine" ou"turbo pompe". Elle comporte un diffuseur 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 reprsente sur la figure, les filets liquides sontdvis la sortie des aubes pour suivre une trajectoire moins tan-gentielle et plusradiale afin faciliter son passage dans le canal entourant le diffuseur, sectionconstante avant de sortir la partie suprieure.

Le schma C reprsente le troisime type le moins connu des pompes centrifuges,appele gnralement "pompe auto-amorage", parfois aussi "pompe chambrelatrale", ou bien (par erreur) "turbo pompe". Dans ce type de pompes, le rotor est munid'un grand nombre d'ailettes radiales et il tourne l'intrieur d'une couronne de sectionrectangulaire. Les ailettes acclrent les filets liquides en crant deux puissants vortexqui ragissent avec le rotor la priphrie de la pompe sur prs de trois quarts de tour.L'nergie de ces deux vortex croit constamment chaque passage dans le rotor. Pourles gens qui sont familiers avec la transmission automatique de vhicules automobiles,le principe est tout fait similaire celui du volant fluide.

A sa sortie de la couronne, l'eau passe dans un diffuseur qui reconvertit sa vitesse enpression. Les pompes auto-amorage sont mentionnes ici pour mmoire. Comme lespassages internes de ces pompes sont trop justes, elles ne peuvent pas tolrer laprsence des matires en suspension. Elles ne sont donc utilises normalement qu'avecdes eaux (ou d'autres fluides) propres, ou bien l o elles se prsentent comme la seulealternative. Elles ne sont pas utilises pour l'irrigation. Leur principal avantage c'est depouvoir fournir un dbit 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'lvation de l'eau114


Caractristiques des pompes roto-dynamiques et des rotors

II est n'est certes pas question de traiter ici en dtail ce sujet complexe. Mais nous allonsvoquer certaines caractristiques essentielles des pompes, afin de mettre en relief lesfacteurs importants qui conditionnent le bon fonctionnement des pompes et qui font quele rendement est trs sensible aux conditions de fonctionnement rel.

Toutes les pompes roto-dynamiques ont des caractristiques semblables cellesreprsentes la figure 16, o l'on voit que le rendement optimum est obtenu dans unemarge de vitesse, de dbits et de hauteurs d'eau assez rduite. 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 paramtres soit trop loignde la valeur optimale . Autrement, on pourra la limite tomber dans des conditions defonctionnement absurdes rendement et dbit nuls. Sur la figure 16 on voit parexemple, que si la pompe est entrane par un moteur dont la vitesse maximale est de2000 tr/min., on voit que le dbit est maximum pour une charge nulle. D'autre part, onvoit aussi que la hauteur est maximum pour un dbit nul. Le point de fonctionnementthorique se trouve en gnral au centre de la zone de rendement optimal.

Comme toute pompe roto-dynamique est gnralement conue pour travailler dans desconditions de fonctionnement bien dtermines, les fabricants lancent dans le marchune large gamme de pompes, comportant gnralement de nombreux lmentscommuns. Ceci leur permet de couvrir une large gamme de hauteurs et de dbits. Parailleurs, chaque type de rotor correspond une marge bien dfinie de hauteurs et dedbits, ainsi un grand jeu de rotors ou roues a t mis au point. Nous verrons plus loinqu'il y a aussi des sous-groupes dans chaque type de roue afin que la pompe rpondele mieux aux conditions relles de fonctionnement. Les principaux types sontreprsents 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 coulement radial, soit axial, ou encore un coulement mixte. Pour lepompage de forts dbits de faibles hauteurs d'eau ce qui est trs courant dans le casde l'irrigation par pompage, la roue la plus performante est celle coulement axial. Laroue est semblable une hlice installe dans une conduite (figure 60). Comme pourune hlice, l'lvation de l'eau est produite par l'nergie communique par une palettemobile bien profile (arodynamique). Comme dans le cas de la pompe l'hlice estmonte dans un carter, la raction met l'eau en mouvement. Par contre, pour deshauteurs d'eau importantes et des dbits faibles, le rotor doit tre coulementcentrifuge (coulement radial). Le rotor est gnralement caractris par un rapport dudiamtre l'entre au diamtre la sortie lev pour que l'coulement soit pratiquementradial (figure 59). Entre ces deux cas extrmes on trouve toute la gamme des pompeshlico-centrifuges (voir galement figures 61 et 62) et les pompes centrifuges aubescaractrises par un faible rapport du diamtre entre-sortie.

FIGURE 59Caractristiques types des pompes roto-dynamiques

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La figure 59 reprsente galement les variations du rendement en fonction de la vitessespcifique des diffrents types d'aubes. La vitesse spcifique est une grandeur sansdimensions trs utile pour caractriser les aubes d'une pompe, ou bien les rotors ou lesroues mobiles des turbines hydrauliques. Les manuels consacrs l'hydrodynamiquedes pompes et des turbines traitent ce coefficient en dtail. La vitesse spcifique est lavitesse en tours par minute d'un rotor thorique de dimensions rduites dbitant 1 1/ssous une hauteur de 1 m. La vitesse spcifique utilise pour comparer ou bien pourchoisir le type du rotor d'une pompe, et elle s'crit comme suit:

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

La figure 59 indique les vitesses spcifiques les plus indiques pour les diffrents typesd'aubes d'une roue ou d'un rotor. Ainsi le rotor d'une pompe hlice a unfonctionnement optimal pour des dbits de 500 1000 1/S une vitesse spcifique de5000 10000, et des hauteurs manomtriques de l'ordre 5 m environ. La vitessespcifique peut tre convertie de nouveau en vitesse relle exprime en tr/min (n) pourune hauteur (H) et un dbit (Q) donns, par la relation suivante:

avec n en tr/min, N vitesse spcifique tire de la figure 59, H hauteur d'eau en m et Qdbit en litres/s.

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Le choix du rotor n'est pas uniquement fonction des valeurs de la hauteur et du dbit,mais aussi de la taille de la pompe. Ainsi quel que soit le type du rotor, le rendement despompes de faible puissance est en rgle gnrale sensiblement infrieur 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 galement l'incidence sur la puissance requise et sur le rendement(courbes "kw" et "eff") des variations de la hauteur manomtrique par rapport lahauteur nominale de fabrication. Pour une pompe centrifuge, la courbe montre qu'unelgre augmentation de la hauteur d'eau correspond une diminution de la puissancerequise, tandis que pour une pompe hlice c'est l'inverse. Paradoxalement, unerduction de la hauteur d'eau par rapport la valeur nominale a pour effet d'accrotre lapuissance de fonctionnement d'une pompe centrifuge. Cela vient du fait qu'unediminution de la charge de 10% pourrait accrotre le dbit de 25%, et ventuellementune diminution de 10% du rendement. Comme la puissance est toujours dfinie commele produit de la hauteur d'eau par le dbit, divise 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 ncessaire. Ainsi, le choix des conditions de fonctionnement diffrentes desconditions de fonctionnement nominales peut avoir des consquences inattendues etparfois nfastes. L'utilisation des pompes loin des conditions de fonctionnementoptimales est souvent l'origine des pertes importantes du rendement et du gaspillagedu carburant.

Pompes axiales (pompes-hlices)

Nous avons dj vu que la majeure partie de la pression exerce par la pompe hliceest due l'action propulsive de ses aubes en rotation sur l'eau. Cette pousse 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'nergie. En effet lespin de l'eau aurait pour consquences l'augmentation des forces de frottement et desphnomnes de turbulence, sans toute fois avoir aucun effet positif pour le refoulementde l'eau dans la conduite. Les pompes hlices sont donc munies d'aubes de guidagedont l'angle d'inclinaison permet de redresser l'coulement et de transformer lacomposante rotative de la vitesse en une pression supplmentaire, tout fait de lamme manire que le diffuseur d'une pompe centrifuge. Le schma de la figure 60reprsente un exemple type d'une pompe hlice avec des aubes de guidage montesjuste au-dessus du rotor. Ces aubes ont en outre un second rle structurel puisqu'ilscomportent un grand palier plat facilitant le centrage de l'arbre. Ce palier estgnralement lubrifi l'eau et prsente les mmes caractristiques avec la botearrire du moteur d'un bateau.

FIGURE 60Pompe axiale (pompe-hlice)

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FIGURE 61Pompe hlico-centrifuge monte en surface

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FIGURE 62Pompe hlico-centrifuge immerge

Les pompes hlices sont gnralement fabriques pour une gamme de dbits de l'ordrede 150 1500 m3/h. Elles sont axe vertical et leurs hauteurs manomtriques varient de1,5 3,0 m. Les pompes hlices plusieurs tages (c'est--dire de plusieurs roues surle mme arbre) peuvent avoir des hauteurs de refoulement de l'ordre de 10 m environ.

Comme les pompes de ce genre sont conues pour pomper des dbits trs forts desfaibles hauteurs de refoulement, les conduites de refoulement associes sontnormalement en bton afin d'viter les cots prohibitifs des tuyaux en acier de grosdiamtres. Les pompes hlices sont pour la plupart trop encombrantes, et leurinstallation requiert d'importants travaux de gnie civil. Par suite leur domained'utilisation serait celui des plus grandes exploitations agricoles. En rgle gnrale, ellessont surtout utilises dans projets d'irrigation canaux ciel ouvert par lever des dbitsimportants des hauteurs de 2 3 m partir d'un canal principal vers un canald'alimentation ou de distribution.

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FIGURE 63Pompe-hlice portable (IRRI)

Les petites pompes hlices sont plutt fabriques ou assembles sur place. Ellesdonnent en gnral des rsultats assez probants, ce qui fait qu'elles ne sont pasfabriques en srie en usine. Les hlices ordinaires des bateaux ont t fixes sur unlong arbre pour le pompage de l'eau ncessaire la submersion des rizicultures danscertaines rgions d'Asie du Sud-Est. L'Institut International de Recherche sur le Riz(IIRR) a mis profit ce principe pour mettre au point un systme de pompage portatif grand dbit (voir figure 63). Ce dispositif a t conu pour tre fabriqu dans de petitsateliers mcaniques, le dbit peut 180 m3/h, et la hauteur manomtrique est d'environ 1 4 m. Cette pompe doit tre entrane par un moteur thermique ou lectrique 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 diamtre et le poids total, machinemotrice non comprise, est de 45 kg.

Pompe hlico-centrifuge ( coulement mixte)

Comme son nom l'indique, la pompe hlico-centrifuge est la fois en partie pompeaxiale et pompe centrifuge. Cette pompe est d'un grand intrt pour l'irrigation parpompage car elle constitue un bon compromis permettant d'viter le dsavantage de lahauteur derefoulement faible d'une pompe hlice, et en mme temps avoir desrendements et de dbits suprieurs ceux d'une pompe centrifuge volute. De plus, lespompes dbit axial fonctionnent uniquement aspiration nulle tandis que les pompeshlico-centrifuges peuvent fonctionner des hauteurs d'aspiration non nulles tout enn'tant pas auto-amorage.

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Le schma de la figure 61 reprsente une pompe aspirante hlico-centrifuge installe ensurface. L'coulement hlicodal cr par la rotation de l'hlice est redress en refoulantl'eau dans un colimaon ou diffuseur, d'une manire identique celle d'une pompecentrifuge volute.

Le schma de la figure 62 reprsente un autre dispositif de pompage plus proche d'unepompe hlice. Ce dispositif comporte un carter en cuvette afin que l'coulement soitradial dans le rotor. Il converge vers l'axe au moyen d'aubes de guidage fixes quiliminent la composante rotative, ce qui permet, comme pour les pompes hlice,d'augmenter le rendement de la pompe. Ce type de dispositifs est toujours immerg, cequi limine les problmes d'amorage dont souffrent les grosses pompes dynamiquesaspirantes installes en surface (figure 61). La pompe hlico-centrifuge carter encuvette est parfois qualifie de pompe turbine ou turbo pompe, et elle est tout faitanalogue aux pompes centrifuges turbine ou turbopompes dcrites ci-dessus. Lasection rduite de l'aire de passage des filets liquides l'entre des aubes du rotorpermet d'acclrer l'coulement et de lui imprimer une certaine nergie cintique. Lesaubes de guidage fixes jouent le rle de diffuseur section largie afin de transformer lavitesse en pression et donc augmente la hauteur de pompage et amliore le rendement.On peut toujours associer plusieurs pompes en srie sur le mme arbre, pour raliserune pompe multicellulaire turbine. Ces pompes sont souvent employes commepompes de forage puisqu'elles sont de forme allonge (faible diamtre, et grangehauteur). Le dbit des pompes hlico-centrifuges est de l'ordre de 200 12 000 m3/hpour des hauteurs de refoulement de 2 10 m. les pompes multicellulaires sontcouramment utilises pour des hauteurs d'lvation pouvant atteindre une quarantainede mtres.

Pompes centrifuges

Technologie de la pompe centrifuge arbre horizontal

C'est la catgorie de pompes la plus utilise dans l'irrigation petite est moyennechelle. Ces pompes sont gnralement entranes par des moteurs thermiques oulectriques. Le schma de la figure 64 reprsente une vue en coupe d'un modlecourant d'une pompe centrifuge volute. Le corps de cette pompe et son bti sonthabituellement en fonte ou en acier coul, la roue pouvant tre soit en bronze soit enacier. Les lments les plus critiques de la pompe sont les extrmits des aubes l'entre et la sortie de la roue. En effet, les pertes les plus importantes sont celles duesau retour d'eau l'aspiration par l'espace libre la sortie entre la partie fixe et la partietournante de la pompe. Pour rduire ces pertes, le corps des pompes de bonne qualit,comme celle de la figure, est munie d'un anneau d'usure faible jeu l'entre du rotor.Cette pice est sujette l'usure du fait des matriaux en suspension et aux autresmatires abrasives transportes par l'eau. Elle est gnralement remplace chaque foisque le jeu entraine une baisse notable du rendement. Toutefois, la plupart desagriculteurs ne se rendent pas compte des pertes dues l'usure, et ils essaient deremdier la baisse du rendement par l'augmentation de jour en jour de la vitesse derotation ou de la dure de fonctionnement de la pompe, d'o un gaspillage de carburantou d'lectricit.

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 pice sujette l'usure est le joint de presse-toupe situ la sortie de l'arbredu ct postrieur du carter de la roue. Elle doit tre rgulirement resserre pourrduire au minimum les fuites. Cependant le serrage excessif acclre l'usure de lagarniture. Ce joint est gnralement fait d'une garniture en amiante graphite, mais lepolyttrafluoro-thylne graphit (PTFE), quand il est disponible est plus efficace. Lecot arrire de la pompe comporte un socle et un botier renfermant deux roulements billes. Ce type de pompe est lubrifi l'huile, avec un orifice de remplissage, une jauged'huile et un bouchon de vidange. L'entretien courant consiste remplacer l'huile detemps autre, et en vrifier assez frquemment le niveau. Ne pas observer ces rglespourrait entraner 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 reprsentent deux installations types de pompes centrifuges faiblehauteur d'lvation. La plus simple est l'installation en surface avec une tuyauteried'aspiration (figure 65). Comme on vient de le voir la section 2.1.5, la hauteur limited'aspiration des pompes centrifuges est de l'ordre de 4 5 m au niveau de la mer, de 2m environ 2000 d'altitude, et encore moins si la tuyauterie d'aspiration est longue.Autrement dit, l'amorage de la pompe sera plus difficile, et dans certains cas on risquele dsamorage de la pompe. Dans ces installations la conduite d'aspiration est munied'un clapet anti-retour, sinon la conduite se vide travers la pompe chaque fois qu'ellefonctionne au ralenti ou bien s'arrte. Il s'ensuit que la pompe ne peut plus redmarrer, moins de remplir d'eau au pralable 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 lectrique.

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FIGURE 67Divers types de rotors des pompes centrifuges

Si la longueur de la conduite de refoulement est trs 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'arrte brusquement,l'coulement se poursuit par inertie jusqu' ce que la chute de pression soitsuffisamment importante pour provoquer le phnomne de la cavitation dans laconduite. Lorsque la vitesse de l'eau s'annule, l'coulement s'inverse et les bulles decavitation implosent, provoquant ainsi un fort coup de blier. Un autre coup de blierintervient au moment o l'coulement change de sans entranant la fermeture brusquedu clapet de retenue. Des incidents pareils peuvent entraner l'clatement de la pompecentrifuge. Le clapet de retenue la sortie sert donc protger 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 l'aspiration). Les pompes centrifuges sont alorsplaces dans un puisard ou dans un puits, pour rendre minimum la hauteur d'aspiration,ou mme la pompe peut tre place au-dessous du plan d'eau comme le montre lafigure 66. Dans ce cas un arbre assez long accouple la pompe un moteur lectriqueinstall en surface, de sorte que le moteur et le matriel lectrique restent toujours l'abri de tout risque d'inondation.

Les roues d'une pompe centrifuge

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Les roues des pompes centrifuges sont les pices matresses qui dterminent leurscaractristiques. La figure 67 reprsente plusieurs types de roues. Bien que la forme dela roue est un important facteur, le rapport de la section de sortie de l'aube celle del'entre joue un rle dcisif sur les caractristiques des pompes centrifuges. Autrementdit, la variation de la section transversale de l'coulement travers la roue, ou bien lerapport du diamtre de sortie ou diamtre d'entre. Les schmas A et B de la figurereprsentent des rotors ouverts, tandis que les schmas C et D reprsentent des rotorscouverts ou ferms. Les premiers ont un rendement infrieur aux seconds puisqu'ilsdonnent lieu plus facilement des pertes par retour d'eau. D'autre part les frottements etles remous crs par la rotation des aubes dcouvert proximit de l'enveloppe fixesont trop importants. Cependant ces rotors sont moins exposs au colmatage par laboue ou par les herbes. En revanche, les rotors ferms sont nettement plus robustes ilsrisquent moins l'usure par les matires solides en suspension ou les autres corpstrangers entrans par l'eau. Les rotors ouverts sont moins coteux, ils sont doncgnralement utiliss dans les pompes bon march et de faible rendement. Quant auxrotors ferms, ils sont de loin les plus utiliss lorsque le rendement et le bonfonctionnement sont de premire importance.

De plus les schmas A et C de la figure 67 reprsentent des rotors de pompes uneroue simple effet. Tandis que les schmas B et D sont relatifs une pompe doubleeffet deux roues dans laquelle l'eau est aspire symtriquement des deux cts durotor. Le principal avantage de la disposition double effet rside dans l'attnuation ou la disparition de la pousse axiale qui s'exerce sur l'arbre de la pompe. Par contre, lespompes double effet sont plus complexes et plus coteuses. Elles sont par suiterarement employes dans le cas des quipements de petites et moyennes capacits.

La forme des aubes de la roue ou du rotor joue galement un rle important. Certainsfacteurs tendent adoucir la courbure de la caractristique H(Q) pour une vitesse derotation donne. Tandis que d'autres facteurs tendent augmenter la pente de cettecourbure. Les courbes de la figure 68 reprsentent l'effet de la forme des aubes sur lesfilets liquides. Bien que les caractristiques les plus plates correspondent des aubesde courbure concave, on constate que les aubes courbure convexe permettenteffectivement d'obtenir une hauteur manomtrique maximale dans les conditions defonctionnement nominales. D'une manire gnrale, plus la caractristique hauteurd'eau-dbit est plate, plus le rendement est lev, d'autre part la vitesse de rotation durotor doit tre d'autant plus importante que la hauteur de refoulement est leve. Ainsi,pour une vitesse de rotation donne on a toujours tendance utiliser les pompes caractristiques H (Q) les moins aplaties pour des hauteurs de refoulement leves.Ceci est bien entendu au prix d'une lgre baisse du rendement de la pompe.

Association en srie et en parallle des pompes centrifuges

Lorsque la charge requise dpasse celle que l'on peut obtenir avec une seule pompe,on peut installer deux ou plusieurs pompes en srie, tel qu'indiqu la figure 69a. Si parcontre, le dbit d'une pompe est infrieur celui ncessaire, deux ou plusieurs pompescentrifuges peuvent tre installes en parallle, tel qu'indiqu la figure 69b. L'incidencede ces associations en srie ou en parallle des pompes sur les courbescaractristiques H(Q) d'une pompe est reprsente la figure 69c. Ces courbesreprsentent les variations de la charge, du dbit et du rendement, exprimes 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 srie despompes n'influe pas sur le rendement ni sur le dbit, mais elle double la chargeeffective. Dans le cas de l'association en parallle des pompes, le dbit obtenu n'est pasexactement le double de celui d'une pompe unique. En effet le dbit supplmentaireentrane gnralement une lgre augmentation de la charge totale du fait del'augmentation des pertes de charge par frottement principalement dans lescanalisations de refoulement. Il en rsulte un fort dcalage du point de fonctionnement,et le dbit total sera lgrement diffrent du double du dbit 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 diamtre. Cependant, il y a toujours des limites qu'on ne peut pasdpasser tant pour les vitesses de rotation et que pour les diamtres des roues. Donc,on peut soit associer plusieurs pompes monocellulaires en srie, ou bien adopter uneautre alternative plus pratique qui consiste installer une pompe multicellulaire o l'eausort d'une roue pour alimenter la roue suivante ou l'tage suivant. Ceci est fait au moyend'un canal de retour spcialement conu dans le corps de pompe. Le schma de lafigure 70 reprsente une pompe de forage cinq cellules. L'utilisation d'une pompemulticellulaire s'impose du fait que le diamtre du rotor est limit par celui du forage. Lafigure 144 reprsente une autre pompe multicellulaire, trois tages, entrane par uneturbine.

Les pompes multicellulaires de surface sont plutt utilises pour l'irrigation des zonesmontagneuses. En effet, en dehors de ce contexte il est assez rare que les eaux desurface soient pompes des hauteurs d'eau importantes. Par contre, la pompemulticellulaire immerge de forage axe vertical, directement accouple un moteurlectrique au-dessus d'elle (lui aussi immerg), est beaucoup plus utilise actuellementen irrigation, surtout dans l'irrigation petite chelle, o la source d'eau est constitued'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 axe vertical o le moteur d'entranement est ensurface. Ce type d'installation requiert un long arbre moteur, dont la verticalit estassure par des paliers de centrage rgulirement espacs tout le long de la colonnemontante (figure 134(b)). On peut aussi utiliser un moteur d'entranement disposcomme l'indique la figure 66, accoupl une pompe multicellulaire axe verticalinstalle dans un puisard ou dans un puits.

FIGURE 69Association en srie ou en parallle des pompes centrifuges

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


FIGURE 70Groupe moto-pompe multicellulaire immerg de forage

Au cours de ces dernires annes, plusieurs types de pompes immerges de bonnesperformances entranes par des moteurs lectriques ont t mises au point (voir figure70). La section Energie lectrique traite plus en dtail les caractristiques lectriques etles dtails de construction de ce type de moteur. L'adjonction des tages de pompage

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supplmentaires sur le mme arbre ne pose gure de difficults. Cette technique permetd'obtenir une srie de pompes couvrant un large ventail des conditions defonctionnement. La pompe de la figure 70 est du type hlico-centrifuge cinq tages. Lemme schma montre aussi comment par la simple adjonction d'tagessupplmentaires (bien sr la puissance du moteur d'entranement doit aussi augmenteren consquence) on peut avoir une gamme complte de pompes pouvant lever l'eau une hauteur de 40 m environ pour les pompes les plus petites, et des hauteurs de 245m environ pour les pompes les plus grosses (voir figure). Le rendement et le dbit deces pompes sont pratiquement identiques, seules la hauteur de pompage et lapuissance nominale sont fonctions du nombre d'tages.

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

Pompes roto-dynamiques auto-amorage

Les pompes roto-dynamiques de toutes sortes ne dmarrent que lorsque leur rotor estpralablement rempli d'eau. Evidemment, la mthode la plus sre pour viter toutedifficult de dmarrage consiste immerger la pompe au-dessous du plan d'eaud'alimentation. Mais cette mthode n'est pas toujours applicable ou bien approprie.Ceci est plutt valable en petite irrigation chaque fois que l'on doit avoir recours desgroupes de pompage portables, qui doivent tre arrts et ramorces chaque posted'irrigation.

Si le carter de pompe est bien rempli d'eau, la pompe peut bien dmarrer et l'eau serarefoule, mme si la conduite d'aspiration est vide au dpart. Plusieurs mthodespeuvent tre utilises pour remplir les pompes roto-dynamiques installes au-dessus duniveau d'alimentation. Toutefois, il est particulirement important de noter que si laconduite d'aspiration est vide et que la conduite de refoulement est pleine, il vaut mieuxparfois vider cette dernire pour supprimer la contre-pression qui pourrait empcherl'amorage de la pompe. Sinon, il serait difficile, voire impossible, de pourvoir chasserl'air contenu dans l'installation et l'amorage n'aura pas lieu. Une des mthodes utilisespour chasser l'air Consiste monter au dpart du refoulement un robinet qui permet de"purger" la pompe en facilitant la sortie de l'air pige dans le systme.

Le dispositif le plus simple pour maintenir l'eau en permanence la fois dans la[tuyauterie d'aspiration et la pompe c'est d'installer un clapet de non-retour l'aspiration.Au dpart, la tuyauterie d'aspiration doit tre remplie d'eau la main l'aide d'un seaud'eau. Ensuite le clapet de non-retour devrait empcher l'eau de s'chapper du systme,mme 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 tanches. Des fuitesd'eau interviennent souvent surtout lorsque l'eau est charge de boue ou de graviers quiforment un dpt entre le clapet et son sige entravant ainsi sa fermeture. D'autre part,un autre souci s'ajoute celui du risque dsamorage c'est celui du fonctionnement vide. En effet, plusieurs types de pompes peuvent d'tre fortement endommags si ellesfonctionnent vide pour un certain temps. Il s'ensuit que les, points d'tanchit interneset les surfaces de frottement qui sont normalement lubrifis l'eau pourraient dans cesconditions s'user rapidement. De plus, une pompe qui fonctionne vide aura tendance

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surchauffer, ce qui fait que la graisse utilise pour lubrifier les roulements pourrait fondreet s'chapper, provoquant ainsi la dtrioration des joints d'tanchit, et toute autrepice en plastique et chaque lment ne pouvant pas supporter de trs fortestempratures.

FIGURE 71Une installation complte d'un groupe moto-pompe lectrique immerg

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FIGURE 72Pompe directement accouple un moteur diesel refroidissement l'air munie d'unepompe manuelle d'amorage membrane

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Les deux mthodes d'amorage les plus courantes des groupes moto-pompescentrifuges de surface consistent utiliser, soit une petite pompe main monte sur laconduite de refoulement (figure 72) (le schma reprsente une pompe d'amorage membrane dont la capacit d'aspiration est excellente), soit un "jecteur d'puisementpour faire le vide ncessaire dans la conduite d'aspiration (figure 57) ce principe defonctionnement sera trait en dtail dans la section suivante.

FIGURE 73Pompe centrifuge auto-amorage

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D'autres mthodes d'amorage des pompes aspirantes montes en surface peuventfrquemment tre mises au point sur place. Par exemple, on peut installer un rservoirdcanteur d'eau au-dessus de la pompe avec un by-pass fermeture automatique. Audmarrage, le by-pass est ouvert et la pompe fonctionne en court-circuit sur le rservoirdcanteur et le by-pass en utilisant l'eau se trouvant dans le rservoir dcanteur.Lorsque la pompe est amorce le by-pass se referme. Ceci est trs intressant surtoutsi l'on a redmarrer la pompe aprs le vidange de la canalisation. L'eau du rservoirse vide dans la pompe et dans la conduite d'aspiration facilitant ainsi l'amorage de lapompe. Les fuites d'eau dans la plupart des clapets de retenue, mme ceux de qualitmdiocre, sont suffisamment lentes et le rservoir dcanteur s'avre tre une solutionefficace. Une fois la pompe amorce le rservoir pourrait tre rempli d'eau pour tre prtpour le prochain dmarrage.

On peut aussi installer un grand rservoir sur la conduite d'aspiration juste au-dessus dela pompe. Ce rservoir doit tre de capacit suffisante pour pourvoir remplir d'eau lacanalisation d'aspiration suite la dpression cre par la pompe. Une installation de cegenre doit cependant tre soigneusement conue pour viter l'apparition de bouchonsd'air dans la canalisation d'aspiration.

Une autre mthode simple utilise uniquement lorsque la conduite de refoulement est detrs grande longueur consiste monter immdiatement la sortie de la pompe, unevanne au lieu d'un clapet de non-retour. Cette vanne est en position de fermeturelorsque la pompe est arrte. L'ouverture du robinet aura pour effet de remplir la pompepar l'intermdiaire de la conduite de refoulement, et d'assurer ainsi sa mise en eau aumoment au dmarrage.

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

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amorce, l'eau est lance vers le haut du ct refoulement et une petite zone dedpression se forme autourdu moyeu de la roue. Tant que la pompe n'est pas amorce,l'eau introduite par l'orifice d'entre la partie suprieure de la pompe continue circulerautour du dflecteur, tandis qu'une fraction de l'air entran remonte la conduite derefoulement vide. L'air aspir de la tuyauterie d'aspiration est remplac par l'eau jusqu'ce que celle-ci soit compltement remplie d'eau et que les bulles d'air autour de la rouede la pompe soient compltement limines. Une fois l'air entirement chass, l'eaucesse de circuler autour de dflecteur et l'coulement dans les deux compartimentsserait de mme sens de sorte, que l'eau se dirige vers la sortie de la pompe du ct durefoulement. Grce un clapet anti-retour plac son entre, l'eau reste dans la pompemme si elle est en arrt. Ainsi, mme 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-amorage d'une manire tout faitidentique celle dcrite plus haut. Par consquent, ce type de pompes requiert leremplissage manuel seulement au moment de leur installation, ou bien suite unepurge complte de l'installation.

Pompe venturi auto-amorage

Un autre type de pompe centrifuge auto-amorage est conu sur le principe d'un jetd'eau. En effet un courant liquide acclr ou un jet moteur envoy travers unrtrcissement cre une chute de pression (voir section Pompes centrifuges volute,turbo pompes et pompes auto-amorage). Dans ce cas la pompe est loge dans undouble carter contenant l'eau la pression de la conduite du refoulement (voir figure 74).Une partie de cette eau est dvie vers un rtrcissement suivi d'un diffuseur mont l'aspiration de la pompe qui dirigent les filets liquides vers le centre du rotor. Lorsque lapompe est mise en marche par la premire fois (aprs un amorage manuel initial), ellereste remplie d'eau. Les dmarrages suivants sont assurs en alimentant l'aspiration parle by-pass amnag sur la conduite du refoulement. Comme dans le cas prcdent, l'airest aspir et vacu vers le refoulement, tandis que l'eau commence remplirprogressivement la conduite d'aspiration. Ds que la tuyauterie est compltementpurge d'air qu'elle contient, la grande proportion de l'eau aspire est refoule traversla conduite de refoulement. Mais une fraction repasse par le rtrcissement (ou jet) l'aspiration, ce qui accrot considrablement le pourvoir d'aspiration de cette pompe parrapport l'aspiration d'une pompe centrifuge normale. Par consquent, ce type depompe a un double avantage de pouvoir fonctionner avec une forte charge l'aspiration,et de fonctionner correctement (sans risque d'usure) tout en "ronflant" (c'est--dire enaspirant un mlange d'air et d'eau sans se dsamorcer). Elle est donc d'un intrtcertain pour le pompage des eaux peu profondes, o l'on ne peut pas assurerl'immersion complte du clapet de retenue, ou bien dans les cas o l'on risquel'puisement complet de la source d'eau par pompage.

Le principe de fonctionnement des pompes jecteurs est galement valable pour lespompes de forage, tel qu'indiqu la figure 75. Dans ce type d'installations la pompe etle moteur sont installs en surface, et ils peuvent puiser l'eau une profondeur de 10 20 m. Le diffuseur install la sortie du jet sert accrotre la pression dans la colonnemontante et empcher la cavitation. Bien que le systme venturi requiert un dbit 1.5 2 fois suprieur au dbit refoul ce qui constitue donc une source de perte depuissance notable, ce type de pompe est particulirement 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 immerges. Cependant dans le cas de pompage d'eauxcharges, un bassin de dcantation est amnag en surface entre l'aspiration et lerefoulement pour dbarrasser l'eau autant que possible de matires en suspension et derduire au minimum les risques de colmatage.

FIGURE 74Pompe venturi aspirante (ejecteur) installe en surface

Parmi les inconvnients des pompes jecteurs nous pouvons citer, premirement, leurgrande complexit, donc leur cot trop lev, deuximement leur faible rendement carune partie de l'nergie de pompage est perdue travers le venturi (convergent-divergent). Cette nergie n'est pas totalement perdue car elle est rcupre plus tard enpartie sous la forme d'effet de pompage du venturi. Il est videmment prfrable

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d'utiliser une pompe centrifuge classique lorsque la hauteur d'aspiration est faible ounulle. Dans les autres cas o le pompage par aspiration est indispensable, une pompe auto-amorage de ce type serait tout fait indique.

FIGURE 75Pompe ejecteur de forage

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AH810F08