hydraulique

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UNIVERSITE ABDEL MALEK ESSAÂDI Faculté des Sciences et Techniques à Tanger

Département de Génie Mécanique

Cour d’: Hydraulique, Module P 232

MST Maintenance

Préparé par : Z. EL FELSOUFI,

Enseignant chercheur au département de Génie Mécanique


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1- Titre du module : Mécanique II

2- Intitulé du cour : Hydraulique

3- Objectif : Connaître les lois générales de l’hydrostatique et de l’hydrodynamique, Connaître les différentes composantes d’un circuit hydraulique, Lire un schéma hydraulique, Concevoir un circuit hydraulique, Dimensionner une composante hydraulique, Calculer un circuit hydraulique, Etude de cas pratique : Irrigation, Eau potable, circuits Industriels, traitement des eaux usées,

Incendie, …

4- Contenu :

Introduction :

Partie I : Hydraulique de débit - Généralité et définitions sur les machines hydrauliques - Mode d’action et choix d’une pompe centrifuge - Calcul d’un réseau hydraulique - Etablissement d’un projet de pompage - Etude cas : eau potable, adduction, traitement des eau usées, incendie, irrigation

Partie II : Hydraulique industrielle : - Notions fondamentales d’hydrostatique et d’hydrodynamique - Constitution des circuits hydrauliques, groupe générateur de puissance - Le fluide hydraulique (huile) - Les pompes volumétriques - La filtration, les limiteurs de pression - Les distributeurs - Les clapets anti-retour - Vérin VDE, VSE, VR, VT et VP - Moteurs hydrauliques, régulateurs de débit - Les accumulateurs, les tuyauteries et raccords - La maintenance de circuit hydraulique - Conception et calcul d’un circuit hydraulique

5- Travaux pratiques associés : - Etude des performances des pompes centrifuges, - Pompe en parallèle et en série, - Similitude des pompes centrifuge, - Mesure de débit, - Mesure des pertes de charge


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Introduction Générale

L’Hydraulique a pour mot d’origine Hudor. Hudor=Eau. Cela veut dire que les hommes

d’auparavant ont très bien compris que l’eau peut très bien être une source d’énergie. Actuellement l’eau

est remplacée par les fluides d’une manière générale. Toutefois la manière avec laquelle on traite cette

énergie à un petit peu évoluée et a été élargie.

Pourquoi l’hydraulique ? ? ?

L’hydraulique a pour objectif :

Transporter un fluide

Convertir une énergie en utilisant un fluide,

Stoker une énergie en utilisant un fluide,

Transmettre ou Transporter une énergie en utilisant un fluide

Ces objectifs peuvent être répartis en deux fonctions principales. La première fonction qui va

faire l’objet de la première partie de ce cour ( hydraulique de débit ) a pour but principale de transporter

un fluide, convertir ou stoker une énergie hydraulique. Ce domaine est caractériser par :

- Fluide : généralement l’eau ou parfois des fluides plus visqueux ( produits pétroliers, alcools, … )

- Débit :

• unité utilisée : m3/h

• grand débit

• plage de débit : dizaine de m3/h et plus

- Pression :

• unité utilisée : mce par fois le bar

• moyenne ou faible pression

• plage de pression : dizaine de mce

- Moyen utilisés : Pompe centrifuge ( axe horizontal, axe vertical, verticalisée, immergée,

submersible, vide-cave, vide-fût, …), ventilateurs, turbines, vannes, crépines,

clapets anti-retour, ballons hydrophore, conduites, pressostats/, …

- Domaines :


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• Adduction,

• Irrigation,

• Eau potable,

• Incendie

• Barrage : turbinage, pompage, …

La deuxième fonction qui va faire l’objet de la deuxième partie de ce cour ( hydraulique

Industrielle ) a pour but principale de transporter une énergie hydraulique. Ce domaine est caractériser

par :

- Fluide : les huiles industrielles

- Débit :

• unité utilisée : l/min

• faible débit

• plage de débit : dizaines de l/min

- Pression :

• unité utilisée : bar

• Grande pression

• plage de pression : centaine de bars

- Moyen utilisés : Pompe volumétrique ( à vis, a palettes, à pistons axiaux et radiaux, …), vérins,

moteur hydraulique, multiplicateurs de pression, régulateurs de débit, filtres,

tubes, limiteurs de pression, limiteurs de débit, …

- Domaine :

• Travaux public : nivelage, terrassement, ….

• Manutention : chariot élévateur, ….

• Machine outil ; tours, faiseuses, presses a forger ou a estamper, …

• Machine industrielle


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Généralités

1 : Définitions :

Ecoulement permanent :

Ecoulement dont toutes les caractéristiques et les propriétés sont indépendantes du temps. Ces

caractéristiques sont variables dans l’espace, mais en un point donné elles sont fixes. Un observateur qui

regarde l’écoulement à des instants différents voit donc toujours le même spectacle.

La notion de temps est en générale associée à une échelle de durée. En effet un écoulement pourra

être déclaré permanent pour une échelle de temps et non permanent pour une autre échelle de temps, soit

plus grande ou plus petite. Par exemple, à l’échelle de la journée, l’écoulement de l’Oued Oum Arrabî

peut être qualifié le plus souvent de permanent. Mais à l’échelle du mois ou de l’année, il est non

permanent. Il en est de même à l’échelle de la seconde, l’écoulement est en effet le siège de fluctuations à

courtes périodes.

Ecoulement uniforme :

Ecoulement dans toute les caractéristiques et les propriétés sont indépendantes en tout points de

l’espace. Ces caractéristiques peuvent variées au cour du temps. Un observateur qui balaye rapidement

l’écoulement du regard voit partout le même spectacle.

Comme précédemment la notion de l’espace est relative. Un écoulement pourra être déclaré

uniforme dans une zone donnée mais non uniforme à une échelle d’espace plus grande ou plus petite. Par

exemple, un écoulement en canal prismatique est uniforme si l’on considère une partie de longueur

modérée; au-delà apparaissent des variations de la géométrie qui détruisent l’uniformité. A l’inverse si

l’on examine ‘à la loupe’ une zone très réduite de l’espace on observe en générale un écoulement très

chaotique.

Amont, Aval :

Au sens propre, l’amont désigne la partie d’une rivière qui est du côté de la montagne. A l’opposé

l’aval désigne la partie de la rivière situé du côté de la vallée. Le fluide s’écoule de l’amont à l’aval. Par

analogie en hydraulique, on utilisera fréquemment ces termes pour situer un point de l’écoulement par

rapport à un autre en faisant référence au sens de l’écoulement.

Fluide réel, fluide parfait :

Les fluides se présentent comme un ensemble de particules douées d’une certaine mobilité les unes

par rapport aux autres. Cette mobilités n’est pas parfaite et quand deux particules voisines se déplacent a


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des vitesse différentes, il existe un effort d’entraînement de la plus lente par la plus rapide et inversement

de ralentissement de la plus rapide par la plus lente. Ces forces qui ne se manifestent que dans un fluide

en mouvement portent le nom de forces de viscosités. La viscosité dépend de nombreux paramètres dont

les principaux sont la nature du fluide et sa température.

Comme toujours en physique, on est conduit à simplifier et à négliger les facteurs les moins

significatifs des phénomènes. Un fluide en mouvement est soumis à un certain nombre de forces et

d’accélération. On appel fluide parfait un fluide dans des conditions telles que les forces de viscosités sont

négligeables devant les autres forces appliquées au fluide. Le fluide réel est placé dans des conditions où

les forces de viscosité ne peuvent pas être négligeable.

Bien que la nature du fluide ait un rôle très important, les autres paramètres qui conditionnent

l’écoulement interviennent pour classer l’écoulement dans la catégorie des fluides parfaits ou celles des

fluides réels. Par exemple l’eau, considéré souvent comme un fluide parfait doit être classé comme un

fluide visqueux pour certaines conditions d’écoulements. Quelque soit sa nature, un fluide au repos est un

fluide parfait, puisque l’absence de mouvement implique qu’il y a pas de contrainte de viscosités.

Circuit hydraulique :

C’est une installation composée de machines et de composantes hydrauliques. Il a pour but la

conversion de l’énergie et/ou le transport du fluide. Il est composé de trois parties. Centrale hydraulique,

système d’aiguillage et l’actionneur ( partie active ).

Centrale hydraulique :

Son but est la conversion de l’énergie mécanique en énergie hydraulique. Elle est composée de

filtres ou crépine, pompe et d’un réservoir d’aspiration.

Système d’aiguillage :

C’est la deuxième partie du circuit hydraulique. Il a pour objet le cheminement et l’aiguillage en

fonction du sens d’utilisation du fluide transporté. Elle est principalement composée de conduites et de

composantes hydrauliques ( aiguillage, régulation, … ).

Composante hydraulique :

Système mécanique ( ou électromécanique ) travaillant dans un milieu fluide sans conversion de son

énergie. Toutefois, l’énergie peut diminuer en passant par une composante hydraulique du faite de son

rendement ( ≈95 % ) généralement négligé.

Exemple : vanne, clapet, crépine, distributeur, vérin, …

Actionneur hydraulique :


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Système mécanique travaillant dans un milieu fluide ayant pour but le développement d’une force

mécanique à partir de l’énergie hydraulique ( vérin, … ) ou l’utilisation de cette énergie hydraulique pour

le fonctionnement de la composante ( asperseur, … ). L’énergie peut diminuer en passant dans un

actionneur hydraulique du faite de son rendement ( ≈90 % ) généralement négligé.

Exemple : vérin, moteur hydraulique, asperseur, lance RIA, vanne, clapet, crépine, …

Hydrostatique : Caractéristiques d’un fluide au repos,

Pascal, stp gz C+= ρ , p : pression en un point de cote z (1)

Comme il est d’usage courant, quand on exprime la pression relative dans un fluide à surface

libre ( la surface du fluide prise comme origine des côtes est la surface atmosphérique. Cette équation

montre bien que les surfaces d’isobare sont des plans horizontaux.

Hydrodynamique : Caractéristiques d’un fluide en mouvement,

Bernoulli, 2 pV stz C2g g+ + =

ρ, p : pression en un point de cote z (2-1)

Euler, ( )F Q V V2 1= ρ −r ur ur

, Fr

: somme des forces, Q : débit Vur

: vitesse (2-2)

Conservation de mouvement, S V S V2 2 1 1=r ur r ur

, (2-3)

Machine hydraulique :

C’est une machine qui réalise un transfert d’énergie dans un milieu fluide. Il y a deux types de

machines hydrauliques :

- machine motrice : récupère l’énergie du fluide ( turbine hydraulique, turbine à gaz, les éoliennes, …)

- machine réceptrice : donne l’énergie au fluide ( pompe, compresseur, ventilateurs, … )

De point de vu fonctionnel ces machines se divise en :

- machine volumétriques : ils opèrent par variation de volume ( pompe à piston , … )

- turbomachines : c’est l’effet dynamique qui entraîne le déplacement du fluide ( rotation d’un

élément solide appelé rotor )


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Machine motrice

Ds Sortie (s) ps Vs Ts Entrée(e) pe Ve Te De

flux de fluide

si De = Ds alors Ve=Vs

Calcul d’énergie :

* Fluide incompressible : Eau, les huiles, l’air ( à faible vitesse ), produits pétrolières, …

. 01p p V²2= + ρ : pression d’arrêt ou pression totale

. 0 0s 0ep p p= −∆ , dans ce cas : 0 0s 0ep 0 p p≥ ⇒ ≥∆

* Fluide compressible : l’air ( à grande vitesse ), gaz de combustion, vapeur d’eau, …

. 01h h V²2= + ρ : enthalpie d’arrêt ou enthalpie totale

. 0 0s 0eh h h= −∆ , dans ce cas : 0 0s 0ep 0 p p≥ ⇒ ≥∆

En générale, si la pression total 0p augmente, alors que V reste constante, l’augmentation de

l’énergie communiqué au fluide se traduit une augmentation de la pression.

Domaines d’utilisation :

- Station de pompage,

- centrale électrique : turbines hydraulique, turbines à vapeur,

- propulsion navale et terrestre

- Aérage, ….


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Différents types de pompes :

a- Machines volumétrique : procèdent par variation de volume

* machine à piston :

Refoulement

Aspiration

Liquide Piston

. haute pression : 100 à 400 bar

. faible débit

• machine rotatives : à engrenage, à palette à vis à piston, …

• Pompe à une seule vis :

• Pompe à deux vis : moteur et entraînée


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• Pompe à engrenage : moteur et entraînée, interne et externe

• Pompe à palette : régulation de débit, 4, 8, 12 palettes, …


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b- Turbopompes ou machines centrifuges : effet centrifuge

Une pompe centrifuge se compose de :

- distributeur : sorte de tubulure profilé qui comme son nom l’indique, sert à conduire l’eau à une

vitesse et une direction convenable dans l’axe de la pompe ou ce qu’on appel « Ouie ou Ouillard »

de la roue.

Le distributeur est généralement constitué par un cône convergent qui permet de réaliser une

meilleure disposition des filets liquides ( lignes de courant ) en améliorant le parallélisme et l’égalité

des vitesses. Il est précédé à l’amont par la canalisation d’aspiration

- d’une roue, turbine, rotor ou mobile. Elle constituée d’un noyau menu d’aubes tournants à

l’intérieur de deux coquilles formant le corps de la pompe, les aubes peuvent être fixé, sur un ou

deux côtés, à des disques.

Ainsi, on distingue les rotors ouverts, rotors demi-ouverts et les rotors fermés

. Rotor ouvert : Eaux chargées ( boue, béton, eau d’oued trop chargés, …)

. Rotor demi-ouvert : Eaux un petit peu chargées (eaux pluie, … )

. Rotor fermé : Eaux claire ( eau potable, … )

- d’un diffuseur : la théorie des pompe centrifuges montre qu’entre l’entrée et la sortie de la roue,

l’énergie mécanique total du fluide augmente. Cette augmentation provient :

• d’une part, d’un accroissement de l’énergie de pression ( énergie potentiel )

• d’autre part, d’un acroissement de l’énergie cinétique

Cette dernière se transforme en énergie de pression par un ralentissement progressive qui est

obtenu dans une pièce placée à l’extérieur de la roue et qui suivent le cas peut être un diffuseur

lisse, d’un diffuseur à ailettes ou d’une volute. Dans tout les cas cette pièce se termine par un cône

divergent qui contribue encore à ralentir la vitesse du fluide et à récupérer sous forme de pression

l’énergie cinétique correspondant.

En définitive, dans le type de pompe le plus courant, l’eau entre par le centre de la roue et sort

par la périphérie, décrivant une trajectoire centrifuge d’où le nom donné à ces machines. En faite

ce nom est mal choisi, puisqu’ils existe des pompes de même type dont le fonctionnement obéit au

même loi et dont les quelles la trajectoire générale des filets liquides est parallèles à l’axe de la

machine. D’où le nom des turbopompes correspondant aux plus part des machines.


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h

Centrifuge hélico - centrifuge axiale

c- Caractéristiques des différents types de roue :

Turbine

Turbine ouverte Turbine semi - ouverte Turbine fermée

Fluides trop chargés fluides moyennement chargés fluides claires Centrifuge hélico - centrifuge axiale

H élevés et Q faible H et Q modérés H faible et Q élevés

H : Hauteur énergique, p0Hg

=ρ

(m), Q : débit délivré par la pompe

d- Groupement des pompes :

- montage en série : Si on désire augmenter H, on fait un groupement de plusieurs rotor (pompes multicellulaires) ou plusieurs pompe en série. H H H et Q Q Qeq eq1 2 1 2= + = = . Pour une seule pompe : H 100 m≈

Pompe multicellulaire


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- montage en parallèle :Si on désire augmenter Q, on fait un groupement de plusieurs pompes en

parallèle. Q Q Q et H H Heq eq1 2 1 2= + = =


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Partie I : Hydraulique de débit

I-1 : Introduction

Jusqu'à la révolution industrielle, le bois et la force animale fournissaient l'essentiel de l'énergie

utilisée par l'homme. Mais, utilisée depuis longtemps pour entraîner des machines, l'énergie hydraulique

fournissait la plus grande partie de l'énergie mécanique. Aujourd'hui, l'énergie hydraulique représente 6 à

7 % de l'énergie consommée mondialement, mais près de 20 % de l'électricité.

L'énergie hydraulique est une énergie peu concentrée : pour produire 1 kWh électrique dans

une usine ayant un rendement de 85 %, il faut faire chuter 10 tonnes d'eau d'une hauteur de 40 m. Il en

résulte que, pour produire des quantités importantes d'électricité, il faut soit disposer de gros débits ( se

comptant en milliers de m3 par seconde), soit disposer d'une grande hauteur de chute ( se comptant en

centaines de mètres), soit les deux. Il faut en outre que l'eau soit disponible en quantités suffisantes, ce

qui dépend du bassin versant et de la pluviométrie.

Lorsque ces conditions sont réunies, on parle de la grande hydraulique : la majeure partie du

débit des grands fleuves est turbinée dans des chutes d'environ 10 m de hauteur, sans retenue), alors que

sur les rivières moins importantes on a construit des barrages qui retiennent l'eau et permettent de

produire de l'électricité quand on en a le plus besoin. Au Maroc les hauteur de chute peuvent atteindre

parfois des dizaines de mètre, les débits sont variables en fonction de l’importance du barrage ( qcq m3

par seconde).

Dans de nombreux cas, cependant, ces conditions ne sont pas réunies, et on ne dispose que de

petites quantités d'eau, parfois mais pas toujours associées à de grandes hauteurs de chute. On parle alors

de "petite hydraulique"; la puissance de ces unités va de quelques kW à quelques MW. On en recense

plus de 1500 en France par exemple qui, à elles toutes, représentent environ 10 % de l'énergie

hydraulique.

Il faut noter aussi que de nombreux ouvrages hydrauliques ne servent qu'à la production

d'électricité : beaucoup constituent des réserves d'eau exploitées pour l'irrigation, d'autres ont pour objet

principal la maîtrise des crues. De très nombreux barrages ne sont pas équipés de turbines.

Les caractéristiques, les avantages et les inconvénients, l'économie même, de la "grande" et de

la "petite" hydraulique, ont assez peu de choses en commun.


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I-1-1. Les différents types d'ouvrages hydrauliques

I-1-1.1 Les bassins versants et le stockage naturel de l'eau

L'énergie hydraulique est une énergie d'origine solaire. L'eau évaporée par la chaleur solaire,

pour la plus grande partie sur les grandes étendues d'eau (océans, mers, grands lacs) mais également sur

les terres, par évapotranspiration, se condense sous forme de précipitations, et ceci de préférence sur les

montagnes. Grâce à ce mécanisme, l'eau gagne une énergie potentielle directement proportionnelle à

l'altitude de son point de chute.

Une partie de cette eau s'infiltre dans le sol, alimente des nappes phréatiques et réapparaît plus

ou moins bas. Une autre partie est stockée sous forme de neige ou de glace, et est susceptible d'être

déstockée au moment de la fonte des neiges. Le reste s'écoule vers les rivières.

Le bassin versant d’une rivière désigne l'ensemble des zones dont l'eau de pluie s'écoule vers la

rivière. Plus il est grand, et plus il reçoit de précipitation, stockée ou pas sous forme de glace, plus le

"potentiel hydraulique" de la rivière sera important.

I-1-1.2 Les différents types d'aménagements hydrauliques

Chaque site possède ses propres caractéristiques, hydrologiques, géologiques, topographiques,

et sera aménagé en fonction de ses caractéristiques et des objectifs poursuivis : fourniture quasi

permanente d'électricité, fourniture en période de pointe uniquement, stockage temporaire, etc. Bien que

chaque aménagement hydraulique soit très spécifique du site choisi, les différents aménagements

peuvent être classés en quelques grandes familles.

a- les aménagements avec retenue

De nombreuses rivières ont un débit très variable au cours de l'année, notamment du fait de la

variation saisonnière des précipitations et du stockage naturel de la neige en hiver, et ceci d'autant plus

que leur bassin versant est limité. C'est le cas de la plupart des rivières en altitude. Lorsque l'on veut

exploiter leur potentiel hydraulique, on est amené à construire des barrages qui vont eux-mêmes stocker

l'eau lorsqu'elles arrive en abondance, et permettre de la restituer et de la turbiner lorsqu'on en a besoin.

Ces barrages ont des hauteurs variables entre quelques dizaines de mètres et largement plus de 100

mètres en fonction de la topographie des lieux et des quantités d'eau à stocker. Ces quantités sont

elles-mêmes très variables, de quelques centaines de millions à quelques milliards de m3 voire beaucoup

plus (barrage Nasser sur le Nil en Egypte ou Kariba sur le Zambèze).

b- les aménagements "au fil de l'eau"


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Lorsque le débit d'une rivière ne varie pas trop au cours de l'année, on choisit généralement de

l'équiper "au fil de l'eau", sans créer de retenue. C'est le cas de la plupart des fleuves une fois qu'ils sont

arrivés en plaine, avec un débit important mais une faible pente. L'eau que l'on veut turbiner est en

général dérivée dans un canal latéral, sur une distance suffisante pour obtenir une hauteur de chute

suffisante (de l'ordre de 10 m.). En turbinant environ 1000 m3/s sur une hauteur de 10 à 15 m, nous

aurons une capacité de 80 à 120 MW ; la pente générale du fleuve permet d'installer une usine de ce type

tous les 30 km environ.

c- les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP)

L'électricité ne peut pas être stockée, aussi cherche-t-on les moyens de stocker de l'énergie sous

diverses formes. Une des plus efficaces est de la stocker sous forme d'énergie potentielle de l'eau. En

heures creuses, alors que l'on dispose d'une production d'électricité excédentaire, on pompe de l'eau entre

un bassin bas et un bassin haut; en période de pointe, cette eau est turbinée pour fournir de l'électricité.

Les hauteurs de chute sont en général très élevées (800 à 1000 m), les capacités des réservoirs

(généralement artificiels) étant adaptées aux objectifs poursuivis ( plus que 1000 MW ).

d- Les différents types de turbines

La turbine va permettre de transformer l’eau qui s’échappe de la conduite en énergie de rotation.

La forme et les caractéristiques des turbines dépendent des catégories d’installations hydroélectriques

dans lesquelles elles sont employées :

La turbine Pelton, généralement réservée aux usines de haute chute (de 300 à 1800 mètres), a été mis

au point par Pelton au XIXe siècle. Cette turbine est constituée d’une roue, sur la périphérie de

laquelle sont fixés des séries de cuillères doubles métalliques appelées augets. L’eau sort de la

conduite forcée à grande vitesse et vient percuter avec force les augets de la roue par l’intermédiaire

des injecteurs. La puissance maximale unitaire atteinte est de 400 MW.

La turbine Francis est utilisée pour les moyennes chutes (entre 30 et 750 mètres). Elle ressemble à un

cylindre évasé, divisé sur sa longueur par une série de cloisons longitudinales incurvées. Le pourtour

élargi de la turbine est cerclé par une couronne percée d’une vingtaine d’ouvertures par lesquelles

pénètre l’eau sous pression venant de la conduite forcée. Cette eau glisse sur les pales de la turbine et

se dirige vers son cœur, d’où elle est évacuée. Lorsque l’eau s’écoule par les canaux de la turbine,

elle abandonne sa pression aux pales de la turbine. C’est cette différence de pression qui est à

l’origine de rotation de la turbine. La puissance maximale atteinte est de 800 MW par unité..

La turbine Kaplan sert dans les usines de basse chute (10 à 80 m) . L’eau est canalisée par des puits

ou des conduites en acier ou en béton de cinq à dix mètres de diamètres vers une chambre dont le


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tracé en colimaçon permet à l’eau d’arriver sur la turbine avec la meilleure efficacité. Les turbines

Kaplan ont une forme d’hélices de navire. Leurs pales sont généralement orientables et permettent,

par simple variation de leur inclinaison, d’ajuster la vitesse de rotation des turbines aux conditions de

niveau. La puissance maximale atteinte est de 200 MW. Une variante des turbines Kaplan est celle

des ‘groupes bulbes', pour les très basses chutes (5 à 20 m) dont la technique a été développée en

France pour l’usine marémotrice de la Rance. L’alternateur est accolé à la turbine. Grâce à un

système de protection étanche, ces groupes peuvent être complètement immergés dans l’eau. La

puissance maximale atteinte est de 60 MW.

Pour les STEP, on emploie soit des groupes ternaires (dont la ligne d’arbre comporte la turbine,

l’alternateur et la pompe) soit des groupes avec pompes-turbines réversibles capables d’assurer

turbinage et pompage (de type Francis).

I-1-2. La grande hydraulique

I-1-2.1 Situation en 2000

La puissance installée et l'énergie produite par les installations hydrauliques dans le monde sont

présentées dans le tableau 1. Ces chiffres incluent également la "petite hydraulique", mais la part de

celui-ci ne dépasse pas quelques %. Figurent également dans le tableau les puissances des installations en

cours de construction.

La production hydraulique représente plus de 50 % de l'électricité générée dans 61 pays, plus de 80 %

dans 31 pays et près de 100 % dans 13 pays. En Europe, l'hydraulique fournit environ 13 % de l'électricité,

et en France près de 15%. Les grands pays qui ont une stratégie hydroélectrique forte sont notamment la

Chine, l'Inde, le Brésil, l'Iran et la Turquie.

Tableau 1

Amérique Nord et Centrale

Amérique Sud

Europe (ouest & est)

Afrique Asie Océanie

Puissance installée (GW) 157 108 171 20 225 11 Electricité produite (TWh) 700 512 567 75 750 42

Puissance en cours de construction (GW)

1,2 14,8 2,2 2,3 84 -

Les grands pays qui ont une stratégie hydroélectrique forte sont notamment la Chine, l'Inde, le Brésil,

l'Iran et la Turquie.

I-1-2.2 Avantages et inconvénients


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Comme la plupart des activités humaines et industrielles, l'exploitation de l'énergie hydraulique

présente des avantages et des inconvénients, tant pour l'environnement, que pour la santé et pour les

aspects sociaux.

a- pour l'environnement

Les grands aménagements hydrauliques modifient par définition les écosystèmes. Beaucoup de

rivières françaises ont été aménagées, souvent dès le Moyen âge par des digues et des moulins, ou par des

ouvrages d'art destinés à favoriser la navigation. Peut-on parler d'atteinte à l'environnement ?

Probablement pas quand les précautions nécessaires sont prises, par exemple en sauvegardant les zones de

frayage, en permettant aux poissons de remonter la rivière jusqu'à eux, et en laissant une quantité

suffisante d'eau emprunter le cours normal de la rivière. Il est également essentiel que l'eau qui est

turbinée poursuive sa route vers son exutoire normal : les modifications de l'environnement proviennent

plutôt de prélèvements importants effectués pour d'autres usages que la production d'électricité,

notamment l'irrigation; l'exemple le plus connu est celui des fleuves qui débouchent dans la mer d'Aral et

y arrivent pratiquement exsangues, ce qui a eu pour effet de provoquer un assèchement de cette mer

intérieure. Ceci est d'autant plus absurde que le mauvais drainage des terres agricoles a conduit à gâcher

l'eau d'irrigation sans bénéfice agricole.

Un des principaux avantages de l'énergie hydraulique, énergie renouvelable, est que, dans la

plupart des cas, elle ne rejette pas de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Si les 20 % d'électricité

d'origine hydraulique étaient produits dans des centrales à charbon, les rejets de CO² dans l'atmosphère

seraient majorés de 500 à 600 mégatonnes de carbone contenu (600 MtC), alors qu'ils sont déjà beaucoup

trop élevés. Dans certains cas, cet avantage risque d'être compensé, au moins de façon transitoire, par des

rejets de méthane, gaz à effet de serre plus ‘efficace’ que le CO², mais à durée de vie plus courte. Lorsque

la retenue de l'aménagement hydraulique couvre une importante zone à forte végétation, la décomposition

des matières végétales produit du méthane rejeté dans l'atmosphère et, consomme l'oxygène contenu dans

l'eau qui peut devenir impropre à la vie aquatique. Ce genre de situation est susceptible de se rencontrer

dans les zones tropicales avec des retenues de faible profondeur et nécessite des mesures particulières de

protection de l'environnement. Ces problèmes ont en général un caractère transitoire

b- pour la santé

L'énergie hydraulique a été dans de nombreux pays, et notamment en Europe, le premier moyen

de produire des quantités importantes d'électricité. C'est dire que l'énergie hydraulique a très fortement

contribué au redressement économique des pays et, par là même, à l'amélioration de la santé.


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Dans les pays à climat tempéré, on ne connaît pas d'effet nocif pour la santé de l'énergie

hydraulique. Dans les pays tropicaux, certains aménagements hydrauliques mal conçus conduisent à la

diffusion de maladies hydriques, et notamment du paludisme et de la bilharziose (ou schistosomiase). Les

problèmes rencontrés sont cependant au moins autant imputables aux réseaux d'irrigation qu'aux retenues

des barrages et les traitements préventifs et curatifs existent même s’ils ne sont pas souvent mis à la

disposition des populations concernées.

c- sociaux

Un des principaux griefs fait à l'énergie hydraulique est qu'il nécessite souvent des déplacements

de population. De tout temps, en effet, les rivières et les fleuves ont été des lieux privilégiés d'habitat.

Dans les zones de montagne, il s'agit le plus souvent de hameaux ou de terres à usages

agropastoraux. Bien que traumatisant pour les quelques familles affectées, le changement peut être

accompagné et il est possible de proposer à ces familles un cadre de vie peu différent que celui qu'elles

connaissaient avant, confort en plus ou de les accompagner dans un changement qu’elles peuvent

souhaiter ou accepter.

En plaine, les conséquences peuvent être beaucoup plus importantes, et l'impact social plus

difficile à maîtriser. La mise en eau du barrage des Trois-Gorges, en Chine, s'accompagne du

déplacement de près de 2 millions de personnes. Il s'agît là d'un bouleversement. Mais d'un autre côté, ce

barrage permet de maîtriser les crues dévastatrices du Fleuve Jaune, qui bon an mal an, font des milliers

de victimes, sans parler des dégâts matériels. Les autorités chinoises ont jugé que le bilan était

globalement positif; mais une des difficultés évidentes est que ceux qui subissent les inconvénients de ce

projet ne sont pas les mêmes que ceux qui en bénéficient comme cela arrive souvent pour les grands

projets d’infrastructures (aéroports, TGV..).

I-1-3. La petite hydraulique

Le terme de ‘petite hydraulique’ désigne communément des installations de capacité inférieure

ou égale à 10 MW (petites centrales hydroélectriques; PCH). Ce seuil, lié à des considérations

administratives ou juridiques, diffère selon les pays: au Brésil ou en Chine, ces limites peuvent atteindre

50 MW.

La petite hydraulique appartient à la famille des énergies renouvelables. La commission

européenne, dans sa directive du 27 septembre 2001 traitant de l’électricité produite à partir de sources

d’énergie renouvelables, entend ainsi par source d’énergie renouvelable l’énergie hydraulique sans

distinction de puissance.


20

En France, les catégories d’installation qui peuvent bénéficier de l’obligation d’achat en

application des directives européennes, concernent néanmoins les installations d’une puissance installée

inférieure ou égale à 12 MW.

I-1-3.1 Situation en 2000

Au niveau européen, les puissances installées en 1998 sont données dans le tableau 3 suivant :

Pays Puissance installée en MW Italie 2200

France 2000 Espagne 1548

Allemagne 1380 Suède 970

Autriche 820 Finlande 305 Portugal 245

Royaume-Uni 165 Belgique 60 Irlande 55 Grèce 44

Pays-Bas 40Luxembourg 35 Danemark 11 Total UE 9878

I-1-3.2 Avantages et inconvénients

a- Les avantages et inconvénients pour l’environnement

Les petites centrales hydrauliques ne rejettent aucun déchet dans l’eau, n’affectent pas la qualité

de l’eau (centrales ‘fil de l’eau’) et n’émettent aucun gaz à effet de serre. Le CIDFER (Centre

d’Information sur l’Energie et l’Environnement) estime qu’une centrale de 1 MW produisant 5 GWh

évite chaque année l’émission d’environ 5000 tonnes de CO2 (1300 tonnes de C contenu) par rapport à

une centrale à combustion classique (sans parler des émissions d’oxydes de soufre et d’azote). Leur

développement participe donc à la lutte contre l’effet de serre et va dans le sens d’un développement

durable.

Au niveau local, les impacts visuels et les nuisances sonores constituent des aspects à surveiller.

Les équipements actuels permettent de limiter ces nuisances.

La perturbation des cours d’eau et de la vie aquatique constitue un autre impact qui impose des

mesures adaptées : maintien d’un débit permettant la vie, la circulation et la reproduction des espèces;

dispositifs de franchissement le cas échéant pour les poissons migrateurs ; respect des pratiques et des

usages sur le cours d’eau.


21

b- Les avantages sociaux

La petite hydroélectricité maintient ou créée une activité économique dans les zones rurales. Elle

constitue une source de revenus pour les communes, une fois les installations amorties.

L’industrie européenne de la petite hydraulique représente environ 10000 emplois pour un

chiffre d’affaires de l’ordre de 400 millions d’euros (EurObserv’ER). En ce qui concerne le poids

économique des exploitants, le CIDFER le situe en France à environ 300 millions d’euros et 2500

emplois.

I-1-4 Perspectives de développement

Les perspectives de développement de la petite hydraulique en Europe sont étroitement liées au

contexte réglementaire constitué par la directive européenne 2001/77/CE du 27 septembre 2001 qui

constitue le texte de référence en matière d’énergie renouvelable. La directive comprend notamment les

points suivants :

La directive fixe un objectif global de 22 % pour la part d’électricité renouvelable consommée dans

l’Union en 2010. En France par exemple, cet objectif est de 21% ( tableau 4), alors que la part

d’électricité renouvelable atteint 15% en 1999 ;

Un régime de soutien pour le développement des sources d’énergie renouvelables sera appliqué dans

chacun des états membres, pour compenser le fait que les énergies « classiques » n’internalisent pas

les coûts externes liés aux effets sur la santé et l’environnement.

Un mécanisme de garantie d’origine de l’électricité produite à partir de sources d’énergies

renouvelables sera appliqué au plus tard le 27 octobre 2003. La garantie d’origine ne garantit pas

forcement l’accès au régime de soutien ;

Les états membres prennent les mesures nécessaires pour faire en sorte que les opérateurs de systèmes

de transport et de distribution présents sur le territoire garantissent le transport et la distribution de

l’électricité produite à partir de sources d’énergie renouvelables.

I-1-4. Conclusions

L'énergie hydraulique a joué dans le passé un rôle essentiel dans le développement industriel de

nombreux pays. L'essentiel de ce potentiel hydraulique correspond à la grande hydraulique, bien adaptée

à une production d'électricité de masse, mais nécessitant des investissements élevés. Ce potentiel se

trouve en grande majorité dans des pays pauvres ou émergents, et ne pourra être réalisé que moyennant

l'aide financière des grandes institutions internationales (Banque Mondiale, Agences de crédit à

l’exportation…). Or celle-ci est de plus en plus difficile à obtenir du fait d'interrogations sur les effets


22

relatifs à l'environnement et sur les populations déplacées et de la difficulté de trouver un accord entre la

volonté de développement durable des pays émergents et la manière dont les pays riches projettent leurs

préoccupations environnementales et sociales dans ces mêmes pays.

La petite hydraulique est, quantitativement, beaucoup moins importante. Mais elle permet une

production décentralisée et bien adaptée aux besoins de développement des économies rurales,

notamment dans les pays pauvres ne disposant pas de réseaux de transport d'électricité.

Energie renouvelable, l'énergie hydraulique ne rejette pas de gaz à effet de serre. Aujourd'hui, avec

une production annuelle de 2600 TWh, elle permet d'éviter de rejeter sous forme de CO² environ 0,5 Gt

de Carbone, dont 90 % grâce à la grande hydraulique. Il est surprenant que cet atout de la grande

hydraulique ne soit reconnu ni par les grandes institutions internationales, ni par le protocole de Kyoto sur

les effets climatiques.

I-2 : Similitude des machines hydrauliques

I-2-1 Similitude des turbopompes :

Similitude entre machines géométriquement semblables. On définit le rapport de similitude : LL′

λ =

b’ Ds’ b

Ds α β

De’ γ

De’

Les deux rotors sont semblables ssi :


23

b Ds Deb Ds De

′ ′′= = = λ : pour les dimensions

, et′ ′ ′α = α β = β γ = γ : pour les angles

a- But :

- Transporter les résultats d’essais entre la modélisation d’essai ( labo. ) et le modèle réel

- Changement des conditions et paramètres d’utilisation

• variation des conditions de fonctionnement ( viscosité, vitesse rotation, … )

• variation des caractéristiques géométrique : diamètres, largeur, …

Unités : M L T : 3 unités

Temps (s)

Longueur ( m)

Masse ( Kg )

Refoulement R : Rayon du rotor ( L) ω : Vitesse de rotation ( T-1) P : puissance fournie sous l’arbre de la machine

( M L2T-3) P : puissance fournie sous l’arbre de la machine ( M L2T-3)

H : Hauteur énergique créer par la machine, e=g H (L2T-2)

Aspiration Q : Débit massique ou volumique (L3T-1) Fluide : * ρ masse volumique (ML-3) * µ viscosité ( M L-1 T-1)

L’énergie par unité de masse du fluide : e = fct (Q, ω, R, ρ, µ ). De la même manière :

P = fct (Q, ω, R, ρ, µ ).

b- Caractéristique de l’énergie

ai bi ci di fii

ie Q R= ξ ω ρ µ∑

au niveau des dimensions :


24

( ) ( ) ( ) ( ) ( )i i i i ia b c d f

a b d fc2 2 3 1 1 3 1 1

e Q R

L T L T T L M L ML T

M : 0 d fL : 2 3a c 3d fT : 2 a b f

− − − − − −

∝ ω ρ µ

∝

= +⎧⎪ = + − −⎨⎪ − = − − −⎩

C’est un système de 3 équations à 5 inconnues. Pour le résoudre, on fixera deux inconnus, par

exemple a et d, et on écrit :

(2 ) (2 3 2 )− + − + −∝ ω ρ µa a d a d d de Q R

2 22 2

3

⎛ ⎞⎛ ⎞∝ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

ω ρωω µ

dQ Re RR

Alors : 2

2 2 3 ,⎛ ⎞

= ⎜ ⎟⎝ ⎠

ω ρω ω µ

e Q RfctR R

Comme : R Uω = , vitesse tangentielle

U (m / s)

R ω

Donc 2 2 ,⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠

ρµ

e Q URfctU UR

On pose : 2

QUR

δ = : coefficient de débit

2

eU

ψ = : coefficient d’énergie

=ρµeURR : nombre de Rynold

Alors ( , , , , ) ( , )ee fct Q R e fct Rω υ ψ δ= ⇔ =

c- Caractéristique de la puissance

P = fct (Q, ω, R, ρ, µ ).

De la même manière, l’analyse adimensionnelle nous donnera :

2

3 5 3 ,⎛ ⎞Ρ

= ⎜ ⎟⎝ ⎠

ρωρω ω µ

Q RfctR R

On pose : 3 5

Ρ=τρω R

: coefficient de puissance


25

Alors ( , , , , ) ( , )= ⇔ =ω υ τ δ ee fct Q R e fct R

d- Caractéristique du rendement

De la même manière, l’analyse adimensionnelle nous donnera :

( , )=η δ efct R

ψ τ η

Cœfficients qui nous servent pour avoir une référence de :

Énergie Puissance Rendement

( 2

QUR

) ( 3 5

Ρρω R

) ( 2 2ωe

R)

Machine 1 machine 2

P, Q, e, ω, R, ρ, υ P’, Q’, e’, ω’, R’, ρ’, υ’ Les fonctions ψ, δ, τ s’appelle les coefficients de RATEAU

⇓ Ces paramètres restent constants pour un fonctionnement en similitudes

e- Conclusion :

( )

3

2

3 5

QRgHR

PR

δω

ψω

τµω

⎧⎪ =⎪⎪⎪ =⎨⎪⎪⎪ =⎪⎩

, restent constants pour un fonctionnement en SIMILITUDE

f- Cas particulier : Similitude d’une même machine


26

Une pompe est semblable à lui-même de rapport de similitude λ=1

2

3

,st

Qà R C H

P

ω

ω

ω

⇓

∝⎧⎪= ∝⎨⎪ ∝⎩

Pour un même fluide nous aurons :

3 3

2 2 2 2

3 5 3 5

Q QN D N C

H HN D N D

P PN D N D

′⎧=⎪ ′⎪

⎪ ′⎪ =⎨ ′ ′⎪⎪ ′

=⎪ ′ ′⎪⎩

g- Application : Essai d’une pompe centrifuge à l’air et à l’eau. Neau=1200 tr/min, Nair=3800 tr/min

HMTe=60m HMTa= ?

Qe= 150 l/h Qa= ?

Pe=100 kW Pa= ?

Conclure ?

I-3. : Phénomène de cavitation

Dépression interne provoquée par la diminution de pression au-dessous de la pression des vapeurs

saturées. La cohésion interne du fluide est alors rompue, il y a formation de cavités, de bulles de vapeur

contenant de l'air et de l'huile évaporée. Lorsque la pression retrouve sa valeur, les cavités se referment

subitement en produisant, en ces endroits, une augmentation énorme de la pression et de la température.

Le mélange correct du carbone de l'huile et de l'oxygène de l'air favorise une combustion interne

explosive. Les parties métalliques les plus proches du phénomène seront soumises à des chocs entraînant

une détérioration prématurée. De plus, la lubrification de ces cavités n'est plus assurée. Au démontage, on

constate cette détérioration sous la forme de piqûres, en forme de cratère, dans le matériau. Les particules

métalliques détachées ont été entraînées dans le circuit.

La cavitation se produit généralement dans :

- les pompes lorsque les conditions d'aspiration correcte ne sont pas remplies.


27

- les autres appareils du circuit ( vérins, soupapes ) lorsque la vitesse de l'huile augmente à un tel point

qu'elle crée la dépression décrite précédemment.

La cavitation se remarque de façon sonore :

- sur une pompe lorsque celle-ci est bruyante.

- sur un vérin lorsque, suite à un déplacement rapide, on entend un son sifflant.

Lorsqu'une pompe devient bruyante, il faut intervenir rapidement pour éviter une détérioration

prématurée. Les causes sont:

- vitesse de rotation élevée.

- - mauvaise aspiration de l'huile.

- - aspiration de l'air provoquant une émulsion de l'huile.

- - viscosité du fluide ( huile ) trop élevée.

Nota : La cavitation par émulsion est le résultat d'une entrée d'air dans le circuit ( raccord défectueux,.. ).

On observe alors une formation de mousse sur le niveau d'huile et le bruit de la pompe augmentant

progressivement. Cette émulsion est très longue à se dissiper dans le réservoir et on sera amené à

remplacer le fluide.

I-4 : Définitions

I-4-1 : Débit : exprimé en m3/h ou en l/s

C’est la quantité d’eau recueillie au refoulement de la pompe pendant l’unité de temps. En effet il y

a le débit d’aspiration et le débit de refoulement de la pompe.

I-4-2 : Vitesse du liquide dans une tuyauterie : m /s

C’est la vitesse linéaire moyenne du liquide à l’intérieur de la conduite a travers une section. Elle est

exprimée en m/s

I-4-3 : Hauteur géométrique d’aspiration : Hga


28

C’est la distance verticale séparent le niveau d’eau dans la capacité d’aspiration et l’axe de la pompe

centrifuge. Dans le cas d’une pompe a axe vertical, cette distance est a mesurée par rapport au plan

moyen d’entrée de la première roue.

Hga < 0 si la pompe est au dessus du niveau d’eau

Hga > 0 si la pompe est au dessous du niveau d’eau

I-4-4 : Hauteur géométrique de refoulement : Hgr

C’est la distance verticale séparent le niveau d’eau dans la bâche de refoulement et l’axe de la

pompe centrifuge. Dans le cas d’une pompe a axe vertical, cette distance est a mesurée par rapport au

plan moyen d’entrée de la première roue.

I-4-5 : Hauteur géométrique totale : Hgt

C’est la distance verticale séparent le niveau d’eau dans la capacité d’aspiration et le niveau d’eau

dans la bâche de refoulement.

Hgt=Hga + Hgr

I-4-6 : Pertes de charges :


29

Les pertes de charges peuvent être classées en deux catégories principales; d’une part celle qui

sont dues à un accident (singularité) sur la trajectoire et d’autres part celle qui sont dues à des frottements

internes ou sur les parois tout au de l’écoulement dans une conduite.

Les premiers sont appelés ‘pertes de charges singulière’. Ils apparaissent par exemple lors d’un

changement de section ou d’un changement de direction dans une conduite, au passage d’une vanne, etc …

elles produisent des tourbillons qui dissipent localement l’énergie par frottement internes.

Les secondes sont appelées ‘perte de charge linéaire ou régulières’ et représentent la perte

d’énergie causée par le frottement entre le fluide et la paroi interne d’un tube.

La perte de charge HAB∆ entre deux points A et B est exprimé en m (mce) pour des raisons de

clarté. Cette perte de charge est créer seulement par la vitesse du fluide ( si V= 0 , HAB∆ =0). On écrira

donc : H f (V)AB∆ = . ou encore pour des considération dimensionnel les :

V²H f ( )AB 2g∆ = .

• Perte de charge singulière :

Si l’écoulement au tour de la perte de charge peut être caractérisé par une seule vitesse V ( vitesse

en amont ou en aval de la perte de charge ) on pourra écrire : V²H kAB 2g∆ = . k est un coefficient sans

dimension. Il caractérise la singularité et s’appelle le coefficient de perte de charge.

Exemple de coefficient de perte de charge :

Coude à 90° de rayon de courbure moyen R dans un tuyau de diamètre D

R / D 1 2 4 10 k 0.2 à 0.5 0.15 à 0.4 0.1 à 0.25 0.1 à 0.2

Contraction brusque ( passage d’une section 1S à une section 2S ) :

S2 / S1 0.01 0.1 0.25 0.5 0.8 1 k 0.45 à 0.5 0.4 à 0.45 0.35 à 0.4 0.25 à 0.3 0.1 à 0.15 0

• Perte de charge linéaire :

Dans le cas d’une conduite, il est légitime d’exprimer la perte de charge comme étant

proportionnelle à la longueur L de la conduite. Or le produit V²L2g

n’est plus homogène à une longueur.


30

C’est la raison pour laquelle on écrira : L V²HAB D 2g∆ = λ . Le coefficient λ est sans dimension et dépend

de la nature de la conduite, viscosité, régime d’écoulement, …

I-4-7 : Longueur développée a l’aspiration : Lda ( m )

C’est la longueur totale développée mesurée à partir de la crépine d’aspiration jusqu'à l’orifice

d’aspiration de la pompe.

I-4-8 : Longueur développée au refoulement : Ldr ( m )

C’est la longueur totale développée mesurée à partir de l’orifice de refoulement de la pompe jusqu'à

le point (s) de refoulement.

I-4-9 : Hauteur manométrique d’aspiration : HMa


31

Les hauteurs définis ci-dessus ne correspondent pas aux hauteurs ( ou charges ) réelles aux quelles

la pompe doit faire face. Il faut ajouter aux hauteurs géométriques d’aspiration et de refoulement, la

valeur des résistances que le liquide trouve au cour de son déplacement et qu’elle faut compenser, c'est-à-

dire les perte de charge :

HMa = Hga + ∆Ha + g

Ve

2

2

En général Ve=0 m/s. Cette hauteur manométrique, c’est ce que mesure un manomètre placé juste

avant l’orifice d’aspiration.

I-4-10 : NPSH : m

Net Positive Section Head ( NPSH), c’est la hauteur de charge Net absolu. Il caractérise les

conditions d’aspiration de la pompe et de l’installation. Autrefois il était courant d’indiquer le pouvoir

d’aspiration de la pompe et de le comparer directement avec la hauteur d’aspiration qu’elle fallait assurer

dans l’installation. Ce système avait l’inconvénient de passer sous silence des facteurs tels que la pression

barométrique, la nature et la température du fluide et de ce faite conduisait facilement a des erreurs

grossières. C’est en tenant compte de toute les variables entrant en jeu dans le phénomène d’aspiration

( cavitation ) qu’on est amené a cette notion de NPSH. Il y a :

• NPSH requis : caractérise le pouvoir d’aspiration de la pompe

• NPSH disponible : caractérise les condition d’aspiration de l’installation

D’une manière plus simple, le NPSH disponible est la charge nécessaire, donc la quantité d’énergie

présente, a l’entrée de la roue au dessus de la quelle la pompe ne va pas bien fonctionner et donnera

naissance a ce qu’on appel : la cavitation. La condition de non cavitation est :

CNC : NPSHrequis < NPSHdisponible

Dans la pratique, on prendra une marge de sécurité de 0.5 m et donc la CNC devient :

NPSHrequis < NPSHdisponible – 0.5 m

Estimation du NPSH :

NPSH = - Hga + avb H

gPPP

∆−−+

ρ0

P0 : pression effective régnant a la surface libre du bassin d’aspiration ou du réservoir ferme d’aspiration

Pb : pression atmosphérique mesurée par rapport au vide absolu

Pv : pression de la vapeur saturante mesurée par rapport au vide absolu ( Tab thermique )

ρ : masse volumique


32

g : pesanteur

Pour une aspiration à l’air libre, altitude =0, température ambiante, eau clair :

NPSH = 10 - Hga aH∆−

Le NPSH vari celons l’altitude et la température comme suit :

Ha

ute

ur

ma

no

mé

tri

qu

e

de

ref

oulement : HMr

HMr = Hgr + ∆Hr + Ps ( Ps ou + g

Vs

2

2

). Ps :pression de sortie

Cette hauteur manométrique, c’est ce que mesure un manomètre placer juste après l’orifice de

refoulement.

Cas général : Vs=0 m/s et Ps = 0 bar

Cas particulières : * incendie : Ps = 2.5 – 4.5 bars

* Irrigation par aspersion : Ps = 1.5 bars

* Irrigation par goût a goût : Ps = 1 bar

* Eau potable : Ps = 2- 3 bars

Si l’altitude est de : 500m 1000m 1500m 2000m 2500m 3000m 3500mLa capacité d’aspiration

calculée pour une altitude de 0 est à diminuer de

0.6m

1.2m

1.7m

2.2m

2.7m

3.2m

3.6m

Si un constructeur donne pour

une pompe à la T° de :

10°

Une capacité pratique

d’aspiration de

9m

8m

7m

6m

5m

4m

3m

2m

Cette pompe n’aura aux

températures de

20°

Qu’une capacité pratique

d’aspiration de

8.8 7.8 6.8 5.8 4.8 3.8 2.8 1.8 30° 8.6 7.6 6.6 5.6 4.6 3.6 2.6 1.6 40° 8.3 7.3 6.3 5.3 4.3 3.3 2.3 1.3 50° 7.8 6.8 5.8 4.8 3.8 2.8 1.8 0.8 60° 7.0 6.1 5.1 4.1 3.1 2.1 1.1 0.1 70° 5.9 4.9 3.9 2.9 1.9 0.9 -0.1 -1.1 80° 4.3 3.3 2.3 1.3 0.3 -0.7 -1.7 -2.7 90° 1.9 0.9 -0.1 -1.1 -2.1 -3.1 -4.1 -5.1100° -1.3 -2.3 -3.3 -4.3 -5.3 -6.3 -7.3 -8.3


33

* Lavage : Ps > 1 bars

I-4-11 : Hauteur manométrique total : HMT

C’est la somme de la Hauteur manométrique à l’aspiration et au refoulement :

HMT = HMa + HMr

I-4-12 : calcul de puissance

Pu Pa Pac Pn Pc

Puissance hydraulique Utile d’un groupe électropompe : Pu

La puissance utile correspond au travail a effectué pendant l’unité de temps pour élevée un volume

de liquide a la hauteur manométrique total :

3( ) ( / )( )367

HMT m Q m hPu KW =

Puissance mécanique absorbée par une pompe : Pa

C’est la puissance mécanique transmise au niveau de l’arbre de la pompe. ua

p

PPη

=

ηp : rendement de la pompe. Les pertes au nivaux de la pompe sont de deux types : hydraulique et

volumétrique. La première caractérise les frottements hydrauliques à l’intérieur de la pompe et est

matérialisée par le rendement hydraulique ηh. La deuxième caractérise les pertes volumétriques à

l’intérieur de la pompe et est matérialisée par le rendement volumétrique ηv. .p vhη η η=

Qa

Qr


34

Qav Qr

η = , Qa : débit aspiré et Qr : débit refoulé

Puissance mécanique au niveau de l’accouplement Pac

Elle caractérise les frottements mécanique dans l’accouplement généralement semi élastique :

a

PaPacη

=

ηa : rendement de l’accouplement

Puissance électrique consommée d’un groupe électropompe : Pc

Elle caractérise les pertes électriques au niveau du moteur : e

PacPcη

=

ηe : rendement électrique du moteur

Puissance nominale d’un groupe électropompe : Pn

C’est la puissance fournie par le moteur et donnant un rendement du moteur électrique ηe maximal.

Pn = Pac majorée de α puis standardisée

o = 20 % pour une puissance Pac < 5 kW

o = 10 % pour une puissance 5 kW < Pac =< 15 kW

o = 5 % pour une puissance Pac > = 15 kW

Les puissances standards : 0.5, 1, 1.5, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 21, 30, 45, 75, 100, 150 kW, ....

A défaut de données, on peut prendre pour les rendements : ηh = 0.8 et ηv =1 pour une pompe

centrifuge ( ηh =1, ηv =0.9 pour une pompe volumétrique ). ηa =1, ηe =0.9.

I-4-13 : Mesure :

Débit :

Pour les petites installations, il est possible de mesurer le débit en mesurant le temps nécessaire pour

remplir une capacité déterminée préalablement jaugée.

Il existe bien sûr d’autres méthodes plus modernes dans lesquelles on utilise les compteurs

volumétriques, les rotamètres, les diaphragmes, les flotteurs, les débitmètres électromagnétiques, les

ultrasons, etc.

Pression :


35

Mesurée par les manomètres de pression, ils sont gradués en mce (mètre colonne d’eau, Kg/cm2 ou

en bar on peut passer d’une unité à l’autre en remarquant que :

1 bar = 10.2 m.c.e = 1.02 Kg/cm2

1 m.c.e = 0.0981 bar = 0.1 Kg/cm2

1 Kg/cm2 = 0.981 bar = 10 m.c.e

1 m.c.e = 13.6 cm de mercure

Il est indispensable pour avoir des lectures correctes, que le manomètre soit muni ‘un robinet à trois

voies. Avant la lecture, on purgera le tuyau de liaison à la conduite jusqu'à ce qu’il sort un petit jet de

liquide bien régulier et sans aucune bulle d’air. Une fois le robinet est fermé, on ne doit constater aucune

fuite.

Dépression :

Mesurée par les manomètres de dépression (vaccumètre), ils sont gradués en cm ou mm de mercure,

Kg/cm2, bar ou en mbar. Tous ces manomètres mesurent soit une dépression effective à partir de la

pression atmosphérique, soit une pression absolue à partir du vide parfait (0 bar)

Application 1 :

Le manomètre indique : calculer la pression en mce. p= . . . ? . . . mce

Le manomètre indique : calculer la pression en bar. p= . . . ? . . . bar

Le Vaccumètre indique : calculer la pression en bar. p= . . . ? . . . bar

Application 2 : le vaccumetre indique 0.4 m

NPSHd = ?, NPSHr = ? et Hmax d’aspiration ( pour ne pas avoir de la cavitation ) si NPSHr = 2.5 m et

∆Ha=0.2m ?

Solution :

NPSHd = 10 - Hga – ∆Ha = 6 m. NPSHr < 5.5 m

NPSH = 2.5 m NPSHd > NPSHr 10- Hg > 2.5 + 0.2 Hg < 7 m

3

bar

15

cm mercure

4

Kg/cm2

cm mercure


36

I-5 : Courbes caractéristiques HMT/Q

I-5-1 : Courbe caractéristique HMT/Q de l’installation

HMT

∆H ( singulières et régulières )

Hg

Q

I-5-2 : Courbes caractéristiques HMT/Q de la pompe


37


38

I-6: Chois d’un groupe électropompe

I-6-1 : Choix de la pompe :

Une pompe est caractérisée par son débit, sa pression et son NPSHrequis. Se sont ces paramètres qui

figurent dans la plaque signalétique de la pompe. Lorsqu’on installe une pompe dans une installation nous

aurons :

pompe instalation

pompe instalation

requis disponible

Q QHMT HMTNPSH NPSH

⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩

===

Pour une installation donnée et des conditions de fonctionnement précises ( débit, NPSH, HMT ),

faire un bon choix de la pompe c’est un équivalent a :

maximal

0.5

=

pompe instalation

pompe instalation

requis disponible m

Q QHMT HMTNPSH NPSHη η

⎧⎪⎪⎪⎨

−⎪⎪⎪⎩

==<

Ceci veut dire que le point de fonctionnement de la pompe est sur le point de l’installation. Dans la

réalité ceci n’est pas toujours possible. Dans la pratique, on essayera de rapprocher ces deux points le plus

possibles. Plus ces deux point sont proche,plus l’énergie consommée par la pompe est minimum et

meilleur est le choix de la pompe. Inversement, plus ces deux point sont loin,plus on augment l’énergie


39

consommée et la pompe e choisie n’est pas bien adaptée aux conditions de fonctionnement de

l’installation.

Point de fonctionnement

Courbe caractéristique Courbe caractéristique installation pompe

I-6-2 : Choix du moteur :

Choisir le moteur consiste à choisir sa vitesse de rotation et sa puissance nominale ( généralement

en chevaux dans le cas d’un moteur diesel, en KW dans le cas d’un moteur électrique). La vitesse de

rotation doit être calibrée on mesurant le débit fournier par la pompe. Pour un moteur électrique les

vitesses possibles sont : 2900 tr/mm, 1450 tr/mm ou 725 tr/mm. en générale pour les grosses pompes la

vitesse est inférieure a 725 tr/mm, pour les petites pompes la vitesse= 2900 tr/mm. Pour une pompe

moyenne N= 1450 ou 2900 tr/mm. Le choix entre ces deux valeurs est faite sur d’autres paramètres liés a

la vibration et au bruit.

Remarque : Pour une même installation, plus on augmente la vitesse de rotation du moteur plus la taille

de la pompe sera réduits.

I-6-3 : Rognage des pompes

Si on veut réduire définitivement le débit d’une pompe centrifuge avec une vitesse constante (ω =

cst), il faut réduire son diamètre de roue. Les fournisseurs donnent des courbes pour différents diamètres

de rognage exprimés en mm.

Pour les roues radiales on peut appliquer au rognage la formule suivante entre Ø, Q et H.


40

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛12

12

12

2

HH

QQ

φφ

NB : le rognage n’est pas une diminution géométrique homothétique de la roue car la longueur de sortie

reste la plupart du temps inchangée.

Le diamètre de rognage peut être défini comme suit :

Dans le diagramme (Q, H) (arithmétique) en trace une droite passant par l’origine et les nouveaux

points de fonctionnements souhaite B2 et coupant la courbe caractéristique existant pour le diamètre de la

roue Ø1 en B1.

De cette façon on obtient les valeurs Q et H de la roue rognée.

HMT

B1

B2 Courbes pour Ø=Ø1

Courbes pour Ø=Ø2

Q

I-6-4 : changement de la vitesse d’entraînement

La courbe caractéristique d’une pompe est sous la forme ( fig. 5-1-2 ).La même pompe centrifuge

tournant à différentes vitesses de rotation a des courbes différentes. Ces courbes caractéristiques sont relie

par la loi de similitude. Si pour une vitesse de rotation n1 les valeurs Q1, H1 et P1 sont connus, alors les

nouvelles valeurs pour une vitesse n2 deviendront :

P2=P1

3

2

1

nn

⎛ ⎞×⎜ ⎟⎝ ⎠

; Q2= Q1 2

1

nn

⎛ ⎞×⎜ ⎟⎝ ⎠

; H2= H1

2

2

1

nn

⎛ ⎞×⎜ ⎟⎝ ⎠


41

La variation de la vitesse entraîne aussi le déplacement du point de fonctionnement de la pompe

(point à rendement maximal ).La figure 5-1-2 montre que pour chaque vitesse, la courbe HMT/Q de la

pompe ayant un point d’intersection P avec la courbe du réseau. Lorsque la vitesse est modifiée, le point

de fonctionnement P se déplace avec la courbe de réseau HMT/Q.

I-6-5 : changement du fluide pompé ( Pompage des liquides visqueux )

Lorsque la viscosité du liquide véhiculé augmente et N reste constante, la hauteur HMT, le débit Q

et le rendement η fournis par la pompe baissent. Le rendement optimal se déplace vers les débits les plus

faibles et le point de fonctionnement Bw se déplace en un point Bz. le point de fonctionnement Bw pour

l’eau avec Hw , Qw et ηw est convertis pour les liquides visqueux à l’aide des facteurs de conversion : fa, fH

et fη (voir abaque).

Cette méthode de conversion permet :

de calculer en partant de point de fonctionnement Bw, le Bz point de fonctionnement recherché au

moyen des abaques.

de déterminer la taille du point approprie en partant de point de fonctionnement Bz par

l’intermédiaire Bw (point de fonctionnement) et au moyen des abaques.

Cette méthode de conversion est valable pour :

les pompes a volute, mono étage et à roue radiale.

les vitesses spécifiques NQ= 6 à 45 tr/min

pour des viscosités cinématiques de (1 à 4.103) 10-6 m2/s (viscosité cinématique inférieure 22.10-6

m2/s n’est pas très souvent prise en considération dans la pratique).

I-6-6 : vitesse de dévirage :

Il s’agit d’un phénomène qui se produit lorsqu’une pompe ne comporte pas un clapet de retenue

reçoit un arrêt la totalité de la pression de refoulement, ce qui a tendance a la faire fonctionner en turbine.

C’est-à-dire a tourner à l’envers et donc a déviré il y a toujours un danger mécanique à laisser déviré une

pompe (desserrage possible, déblocage interne, distraction mécanique diverses notamment l’étanchéité

etc…).

I-7 : Détermination d’un ballon hydrophore :


42

Ballon hydrophore = réservoir + vessie

Montage : par dérivation

Intérêt : Stoker pour éviter les enclenchements et les déclanchement simultanés du groupe électropompe

qui aurait pour conséquence la défaillance du groupe.

Caractéristique d’un réservoir :

Pression de service Ps : pression au dessus de laquelle, il y a risque de la rupture du ballon,

Pression de prégonflage Pg : pression à l’intérieur de la vessie initiale,

Pression de déclanchement Pd : pression qui provoquera le déclanchement de la pompe,

Pression d’enclenchement Pe : pression qui provoquera l’enclenchement de la pompe,

Pression différentielle, ∆P : ∆P = Pd - Pe,

Capacité du réservoir : Il y a deux volumes :

Volume brute Vb Volume utile Vu

Vu < Vb

Si Q augmente alors V augmente

Exemple de calcul d’un réservoir

En général : ∆P=1.5 bar


43

Pe = HMT (bar)

Pd=Pe + ∆P

Pg=Pe - 0.5 bar

Ps : 10 bar, 16 bar, 25 bar, …

V: catalogue fournisseurs


44

II- Etablissement d’un projet de pompage L’établissement d’un projet de pompage a pour but de définir le réseau dans lequel on veut débiter

la quantité de liquide demander, de choisir la pompe la mieux adapter et d’étudier son installation.

I-1 Définition d’un réseau : Définir un réseau consiste a :

1) déterminer le débit d’eau qui doit le traverser.

2) choisir les diamètres d’aspiration et de refoulement.

3) préciser le niveau d’aspiration et la pression en ce point.

4) préciser le niveau de refoulement et la pression en ce point HMr.

5) estimer la hauteur manométrique totale du réseau HMTréseau et de la pompe HMTpompe.

1ére étape : ? Qd ⇒ tableaux et abaques consommation journalière de l’annexe ou cahier de charge, …

2éme étape : ? Da et Dr⇒ tableaux et abaques des diamètres économique de annexe

3éme étape : ? HMa et NPSHd

4éme étape : ? HMr

3éme étape : choisir la pompe et le moteur adéquats.

Débit :

En m3/h ou m3/s, il devra toujours être évalué largement. En le sous-estimant on risque de prendre

une pompe très faible, qui si on l’entente de lui faire débiter plus qu’il ne le peut normalement s’usera

rapidement et surchargera le moteur.

Aspiration :

Le cas que nous allons étudier supposera que la pompe aspire dans un seul collecteur où bassin et

qu’elle refoule dans une seule conduite. Pour le cas de plusieurs aspiration ou plusieurs refoulement des

précautions spéciales sont à prendre en compte dans l’étude.

Emplacement de la pompe :

La tuyauterie de l’aspiration doit autant que possible répondre aux conditions suivantes :

petite longueur d’aspiration.

faible hauteur géométrique d’aspiration.

Donc l’emplacement de la pompe doit être proche de la prise d’eau avec un niveau bas.

Choix de diamètre de la tuyauterie d’aspiration :

Ce choix est très important (cavitation), ce serait une erreur de mettre systématiquement une

tuyauterie d’aspiration avec un diamètre égale a celui de l’orifice de la pompe. En première

approximation, on pourra utiliser le tableau I ou l’abaque A7 (sur la base de 5% de perde de charge).

Niveau et pression à l’aspiration. :


45

Le diamètre à l’aspiration ayant été choisit, en première approximation, on déterminera la hauteur

manométrique ‘aspiration’ correspondant, on remarquant que :

HMa = Hga + ∆HLa + nca.∆Hco + ∆Hcr

Hga : hauteur géométrique d’aspiration.

∆HLa : perte de charge linéaire (régulière) dans l’aspiration.

∆Hco : perte de charge dans le coude.

nca : nombre des coudes à l’aspiration.

∆Hcr : perte de charge dans la crépine.

calcul de NPSH :

Le NPSHdisponible dit être toujours supérieur de NPSHrequis. Si non, il faut augmenter le diamètre

d’aspiration et refaire les calculs. On peux aussi faire diminuer la hauteur géométrique d’aspiration on

abaissant le plan de pose de pompe. Si malgré ces changement on a toujours NPSHrequit> NPSHdispo,

consulté le constructeur qui donnera une pompe avec un NPSHrequis plus faible ou une pompe à axe

verticale ou carrément immergée.

Remarque :

dans la pratique il ne faut pas dépasser 10m de longueur développée à l’aspiration.

Le NPSHrequis est essentiellement variable en fonction de débit par exemple une pompe pouvant

aspirer à 5m à faible débit ne peut plus aspirer que 2m pour un débit plus important.

Refoulement :

Dans un premier temps on choisit le diamètre de refoulement on utilisant le tableau J ou l’abaque

9.9 (sur la base de 10% de perte de charge). Après on détermine la perte de charge régulière ou les pertes

de charge singulières on remarquant que :

HMr = Hgr + ∆HLr + ncr.∆Hco + ∆Hcl + nvr.∆Hv + Ps

Hgr : hauteur géométrique de refoulement.

∆HLr : perte de charge linéaire.

∆Hco : perte de charge dans le coude

∆Hcl : perte de charge dans le clapet

∆Hv : perte de charge dans la vanne

ncr : nombre de coudes au refoulement

nvr : nombre de vannes au refoulement

Ps : pression de sortie

Détermination de la hauteur manométrique totale :

HMT = HMa + HMr


46


47

Partie II : Hydraulique industrielle

II-1 : Introduction

L'énergie hydraulique est une technologie employée dans de nombreux secteurs industriels comme :

- La sidérurgie

- La transformation des matériaux

- La plasturgie

- La papèterie

- L'automobile

- Etc...

Avantages :

- Grande souplesse d'utilisation : facilité de réglage de la pression (force) et du débit (vitesse).

- Pas de nécessité de lubrifier les ensembles mécaniques.

- Grande puissance massique : une très grande puissance de travail dans un faible encombrement.

- Grande résistence mécanique des appareils.

Inconvénients :


48

- Nécessité de deux énergies : électrique et hydraulique

- Sensible à la pollution

- Inflammable

- Prix de l'huile

Le circuit hydraulique de base se compose :


49

Du réservoir : permet de stocker l'huile à pression atmosphérique. C'est une réserve de fluide.

Il doit protéger l'huile contre la pollution mais il reste l'un des éléments les plus en contact avec l'air ambiant donc avec les polluants extérieures.

Cliquer sur l'image pour identifier certains composants

accessoires

Le bac

La trappe de visite

La chicane

Le couvercle

La tuyauterie d'aspiration

La tuyauterie de refoulement

De la pompe : génératrice de débit.

Elle fournie le débit d'huile sur l'installation. Il en éxiste différentes technologies : à engrenage, à palette, à pistons,...

Pompe à engrenage

Pompe à palette

Pompe à piston

D'un limiteur de pression : c'est une soupape de sureté qui protège l'installation contre les sur pressions ou les surcharges

C'est le fusible de l'installation hydraulique.

Limiteur de pression à action directe

Limiteur de pression à action pilotée

Limiteur de pression électropiloté

D'un distributeur : il permet d'aiguiller l'huile vers les actionneurs, vérins ou moteurs hydrauliques

Les distributeurs les plus couramment utilisé sont les

Distributeur 4/2 à commande électrique directe

Distributeur 4/3 à commande électrique directe


50

http://perso.orange.fr/laurent.stemart/Site_hydraulique/Le%20circuit%20hydraulique%20de%20base/Circuit

%20de%20base.htm


51


52


53


54

les pompes à palettes


55

Pièces principales

Rotation Les pompes à pistons


56

Les actionneurs


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Rôle

les actionneurs ont pour rôle de transformer l'énergie hydraulique en énergie mécanique. Ils créent soit un mouvement de translation (vérin), soit un mouvement de rotation (moteur).

Les vérins :

Lorsque l'huile arrive soit sur le côté fond soit sur le côté tige du vérin, elle pousse sur le piston et permet de créer un effort et un mouvement de translation.

Les moteurs :

ils utilisent les même techniques que celles des pompes. A engrenage, à palette, à piston, sous l'effet de l'énergie hydraulique, l'arbre de transmission du moteur se met à tourner comme la roue d'un moulin à eau.

Technologie


58

Amortissements

Composition

Les actionneurs

Les différentes technologies d'actionneurs

Vérin double effet

Vérin télescopique

Vérin double tige

Vérin oscillant


59

Les appareils de pression

Limiteur de pression

Réducteur de pression

Valve d'équilibrage

Valve de séquence

Limiteur d'effort

Limiteur de couple


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Rôle : limite la pression maximume admissible sur un circuit hydraulique. Il protège le circuit en aval de la pompe contre les surcharges ou les surpressions. C'est une soupape de sureté de l'installation.

Il éxiste différent type d'appareils de pression

Le limiteur de pression à action directe

Le limiteur de pression à action pilotée

Le limiteur de pression électro-piloté

Limiteur de pression à action directe :

La pression arrive par la canalisation P sur le clapet conique.

La compression du ressort prétaré à l'aide de la vis de réglage détermine la pression de travail.

Lorsque la pression sous le clapet développe un effort hydraulique égale ou supèrieur pour vaincre l'effort mécanique du ressort, le clapet se soulève et le trop de pression retourne au réservoir par la canalisation T de droite.

Lorsque la pression devient légèrement inférieure à la force de tarage, le clapet se referme.

Il se crée un phénomène de battement entre le clapet et le siège. Un bruit de sifflement caractérise le laminage de l'huile dans l'appareil de pression


61

Limiteur de pression à action pilotée

Le limiteur de pression à action pilotée est utilisé lorsque le débit de passage de l'huile dans les composants atteint une valeur qui nécessite le dimensionnement des appareils à partir du calibre 10 (>120, 130 litres/minutes).

Il permet d'évacuer un débit d'huile vers le réservoir sans surdimensionner la taille du ressort de tarage.

Il evite également une bonne partie des problèmes liés à l'utilsation des limiteurs de pression à action directe : laminage sous forte puissance, battement du clapet et marquage du siège.

Les deux sous-ensembles qui composent l'appareil ont leur rôle bien défini


62

Etage de pilotage : tarage de la pression et pilotage du clapet principal sous un faible débit.

Etage de puissance : évacuation du débit max. de la pompe sous une faible pression d'ouverture du clapet principal.

Limiteur de pression à action électropilotée

Etage de commande électrique : permet la mise à vide ou la mise sous pression du limiteur

Etage de pilotage : tarage de la pression et pilotage du clapet principal sous un faible débit.

Etage de puissance : évacuation du débit max. de la pompe sous une faible pression d'ouverture du clapet principal.


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64


65

Le réducteur de pression


66

Son rôle est d'abaisser la pression de fonctionnement en aval du circuit à réguler. La pression sur le circuit de sortie est contrôlées par une canalisation de pilotage qui régule la position du tiroir. Le tiroir déterminer l'ouverture qui générera la perte de charge en aval du composant.

Animation

Les pièces


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Les distributeur

Rôle : aiguiller le fluide vers les actionneurs, les vérins ou les moteurs

Technologie


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Distributeur à tiroir

Le tiroir, pièce principale du distributeur, permet d'aiguiller le fluide de la canalisation d'alimentation vers les canalisations d'admission ou de retour au réservoir

Distributeur à clapet

Le clapet obture le passage du fluide d'une canalisation sur l'autre

Les appareils de débit

Le rôle d'un appareil de débit est de pouvoir modifier le débit d'alimentation d'un actionneur et ainsi de faire varier la vitesse de rotation ou de translation de celui-ci.

Il existe


69

des étranglements calibrés à paroi longue ou paroi mince

des limiteurs de débit bidirectionnels à paroi longue ou paroi mince

des régulateurs de débit à paroi longue ou paroi mince


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Les appareils de blocage

Le clapet anti-retour simple

Le clapet anti-retour piloté

Le clapet simple


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Le clapet anti-retour simple permet de bloquer le fluide dans un sens et laisser passer librement l'huile dans l'autre sens

Le clapet anti-retour piloté

Il a pour rôle de bloquer le fluide dans un sens (de B vers A), de laisser passer l'huile librement (de A vers B) et de pouvoir être déverrouillé lors du passage de B vers A par une pression de pilotage X.


72

L'huile passe librement de A vers B. Sous l'effet de la pression, le clapet se soulève et comprime le ressort de rappel

Lorsque l'huile arrive de B, la pression pousse le clapet sur son siège. Le passage ne peut pas se faire.


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Pour déverrouiller le clapet, il faut qu'une pression d'huile suffisante pilote en X le piston. Celui-ci pousse le clapet, comprime le ressort de rappel. L'huile peut circuler de B vers A

Les accumulateurs

Rôle

Technologie

Fonctionnement


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Rôle

Ils emmagasinent de l'énergie sous forme de pression et la restituent au moment voulu. Ils peuvent servir en temps que :

• Compensation de puissance

• Compensation de fuites

• Restitution d'énergie lors d'un arrêt d'urgence

• Ammortissement des coups de bélier

• Amortisseur hydraulique

...

Technologie


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Il existe trois technologie d'accumulateurs :

• A vessie

• A membrane

• A piston

Fonctionnement

Cliquer sur l'accumulateur pour voir son fonctionnement


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Le réservoir

Son rôle principal est de stocker l'huile. Sa capacité dépend généralement du débit de la pompe. La proportion se situe entre trois à cinq fois le débit de la pompe. La condition qui détermine également la taille du réservoir est le milieu ambiant où fonctionne le groupe hydraulique : si la centrale hydraulique fonctionne dans une usine ou la température est importante, il faudra dimensionner la capacité du réservoir afin qu'il puisse y avoir une régénération et un refroidissement de l'huile plus importante.

Car le réservoir sert également à :

• compenser les fuites externes.

• Refroidir l'huile.

• Condenser les vapeurs d'huiles dues à l'échauffement.

• Décanteur les impuretés contenue dans l'huile.

• Désaérer l'huile.

Il comporte également certains accessoires


77

Le groupe moto-pompe

Reniflard et bouchon de remplissage

Filtre au retour

Soupape de sureté

Le groupe moto-pompe

Le groupe moto-pompe génère la puissance du circuit hydraulique. La puissance du groupe moto-pompe dépend de la pression de travail de l'installation et du débit maximum consommé pendant le cycle de fonctionnement de la machine automatisée.

Phydr = pression x débit

P = p x Q

P en Watt

p en Pascal

Q en m3/s


78

Reniflard et bouchon de remplissage

Le reniflard maintient le réservoir à la pression atmosphérique. Le bouchon de remplissage équipé d'un filtre à air permet de faire l'appoint d'huile ou de vidanger le réservoir lors d'un opération de maintenance préventive

Le filtre au retour

Le filtre permet de retenir les impuretés solides lors du retour de l'huile à la bâche. Il est généralement facilement accessible et peut être contrôler, nettoyé ou chnagé assez facilement.

La soupape de sureté

Elle protège le circuit contre les surpression. Elle est situé directement après la pompe et la protège contre les surcharge. L'appareil peut être taré à la pression voulu à l'aide d'une molette de réglage. Lorsque le tarage est effectué par la société qui vous livre la centrale clé en main, le tarage de la soupape est protégé par un plombage.

La filtration

Ce n'est que depuis une dizaine d'années seulement que la lutte contre la pollution est devenue le cheval de bataille de certaines services de maintenance dont les entreprises sont équipées de matériel hydraulique. Jusque maintenant, le besoin de rajouter sur certaines installations, lors de la conception, un groupe de filtration ne dépendait que du bon vouloir du client. Ce besoin de conditionner l'huile paraissait superflu et inutile.

Mais depuis que les machines automatisées se sont vues équipées de composants hydrauliques de plus en plus précis au niveau de l'ajustement et des tolérances, "les petits grains de sables" que sont les particules en suspension dans l'huile ont pris de l'importance dans les causes de pannes des appareils. Lorsque l'on sait maintenant par expérience qu'une particule de 5 micron peut déjà engendrer des pannes, on comprend mieux le besoin de se protéger contre la pollution solide.

La technologie de la filtration fait partie de ce premier moyen de lutte contre ces polluants.

Rôle des filtres

Technologie de filtration

Implantation des filtres

Choix des filtres

Technologie de filtration

Filtre en surface


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Filtre en profondeur

La filtration en surface

Les particules solides supèrieurs à la section de maillage du filtre sont retenues à la surface de l'élément filtrant.

Avantage :

Le filtre peut être réutilisé après avoir été nettoyé car les particules ne sont pas toute retenues dans l'épaisseur du filtre.


80

Il peut être utilisé pour être monté à l'aspiration ou retour d'un circuit

De part son pouvoir de filtration, il ne génère pas une trop grandes perte de charge

Inconvénients :

Les particules retenues sont d'une taille assez grosse

La filtration en profondeur

Les particules solides supèrieurs à la section de maillage du filtre sont retenues dans la profondeur de l'élément filtrant.

Avantage :

Plus le filtre est colmaté, plus il filtre fin ; les particules qui ont été retenues à l'intérieur du filtre obturent une partie du passage. La partie restée libre, non obturée, permet de retenir des particules encore plus petites

Inconvénients :

Les particules retenues sont bloquées dans l'élément filtrant ne peuvent pas être retirées. Le filtre ne peut à être nettoyé facilement.

Le filtre, de par sa constitution, crée des pertes de charges plus importante lors du passage de l'huile.

MAINTENANCE HYDRAULIQUE

FLUIDES HYDRAULIQUES SOUS PRESSION

Risques Généraux

Mesures de prévention à respecter lors de l'utilisation et de l'entretien des circuits hydrauliques sous pression.

Document issu de la Fiche pratique de sécurité ED 018 de l'INRS


81

CAUSES DE PANNES SUR LES COMPOSANTS HYDRAULIQUE

FLUIDES HYDRAULIQUES SOUS PRESSION

Risques Généraux

Mesures de prévention à respecter lors de l'utilisation et de l'entretien des circuits hydrauliques sous pression.

Document issu de la Fiche pratique de sécurité ED 018 de l'INRS

1. Quelques rappels

2. Réglementation - directives officielles - normes

3. Prévention

4. Rappel de quelques mesures de prévention

1. Quelques rappels

1.1. Caractéristiques des circuits hydrauliques

Les pression de travail des installations sont décomposées de la façon suivante : Basse pression 30 et 100 bars - 3 et 10 Mpa

Moyenne pression 100 et 300 bars - 10 et 30 Mpa

Haute pression entre 300 et 500 bars - 30 et 50 Mpa

Très haute pression > à 500 bars - 50 Mpa

Ex : découpe au jet d'eau, hydro - démolition , Pasteurisation de produit alimentaire entre 3000 et 4000 bars

1.2. Avantages


82

Transmission de puissances élevées à l'aide de composants peu encombrants et nécessitant un entretien limité : grande puissance massique.

Energie véhiculée dans des tuyauteries rigides ou flexibles, ce qui permet d'éliminer des transmission mécaniques encombrantes et complexes.

Transformation aisée d'un mouvement de rotation en mouvement de translation.

Vitesse de commutation élevée due à la faible inertie des moteurs et des pompes.

Incompressibilité de l'huile qui rend la transmission de l'énergie immédiate de la pompe vers les actionneurs.

Surveillance facile du fonctionnement à l'aide des appareils de contrôle : manomètre, débitmètre, indicateur de niveau, indicateur de température, indicateur de colmatage des filtres…

Sécurité assurée de manière simple et efficace par les soupapes de charges (limiteur de pression ou clapet de surpression).

1.3. Inconvénients

Pertes de charges dans les tuyauteries et fuites internes des composants (moteur, pompe, distributeurs...) diminuant le rendement et créant des échauffements.

Influence de la variation de la viscosité de l'huile en fonction de la température et de la pression du fluide qui modifie les performances du procédé de fabrication.

Maintien difficile des vitesses constantes lors de la variation de la charge ou de la viscosité qui influencent le réglage des appareils de limitation de débit.

Sensibilité de l'huile aux polluants solide (joint, limaille, papier, chiffons…), liquide (eau, produit chimiques…) et gazeux (air) qui détériorent les conditions de fonctionnement de l'installation, diminue son temps de vie et qui obligent à une maintenance plus approfondie.


83

RETOUR

2. Réglementation - directives officielles - normes

Il n'existe pas de réglementation spécifique relative à la mise en œuvre des composants hydrauliques. Toutefois, les normes suivantes doivent être prises en considération :

NF E 04-056 - Transmission hydrauliques et pneumatiques - représentation symbolique fonctionnelle des appareils et accessoires.

NF E 48-350 - Recommandation pour la mise en service, l'utilisation et l'entretien des pompes, moteurs et variateurs hydrauliques.

NF E 48-201 - Transmissions hydrauliques - Règles à l'usage des constructeurs et des utilisateurs.

RETOUR

3. Prévention

3.1. Principales causes d'accidents

Les principales causes d'accidents sont les suivantes

Défauts d'entretien des installations


84

Les installations hydrauliques dans l'industrie ont toujours été considérées comme des sous-ensembles fiables et robustes ne nécessitant qu'une maintenance réduite. Beaucoup de ces process ont vieilli. Les systèmes deviennent

Réservoir

Visuel :

Niveau d'huile

Trop bas : fuite externe

Trop élevé : risque de débordement, le volume d'huile contenu dans les actionneurs ou les tuyauteries peut être supérieure au volume du réservoir et peut générer un baisse importante dans celui-ci : ne pas remplir le réservoir lorsque l'installation est en fonctionnement ou lorsque les actionneurs de forte cylindrée sont actionnés.

Fuite externe


85

Moussage de l'huile

- Prise d'air sur canalisation d'aspiration

- Huile trop visqueuse ; nécessité d'un additif anti-mousse ou ajouter un additif de désaération

- Huile trop fluide : désaération trop rapide, il faut utiliser un additif qui ralentisse et atténue le moussage

Sur élément de raccordement

- Tuyauterie rigide

- Tuyauterie flexible

Pression sur manomètre

Limiteur de pression sur centrale

- Pas de pression

- Pression trop haute

- Pression trop basse

- Pression irrégulière : vibrations, etc.

- Chute de pression progressive lors du démarrage

- Chute de pression immédiate lors du démarrage

Couleur de l'huile

Foncée : huile brûlée


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Couleur mayonnaise : pollution par l'eau

Etat du ou des filtres

Couleur de la cartouche filtrante

Type de particules retenues sur la cartouche

- Grosseur des particules

- Forme des particules

- Texture des particules

Température de l'huile

Echauffement anormal de l'huile sur le thermomètre

- Viscosité de l'huile trop élevée

- Usure ou avarie d'un composant générateur d'un laminage du fluide entraînant son échauffement

- Insuffisance ou mauvais réglage du circuit de refroidissement

- Mauvais réglage de la distribution

Auditif :

Bruit de la pompe

Cavitation

Surcharge moteur

Craquements

Bruit sur les appareils de pression


- Laminage : sifflement dû à la surpression de l'appareil et à l'écoulement de l'huile à travers une paroi mince.

- Vibration et coup de bélier sur l'installation dû à d'autres appareils

Bruit du moteur

Surcharge : augmentation du bruit dû à une surcharge du moteur

Mécanique

- Contrôler l'état des roulements ou des éléments de guidage

- Contrôler l'alignement mécanique moteur / pompe


87

Olfactif :

Odeur d'huile brûlée

Laminage : échauffement de l'huile

Echauffement dû au contact avec des éléments ou pièces extérieure chaudes

Fatigue mécanique de l'huile dû à son vieillissement prématuré ou normal

Odeur sur moteur

Echauffement des enroulements : défaut d'isolement, cour circuit

Tactile :

Température sur bobine :

Echauffement de la bobine par un maintien de la tension de commande lors de l'utilisation d'un limiteur de pression électro-piloté

Cours circuit sur la bobine, défaut d'isolement du solénoïde

Température sur appareils de pression :

Laminage de l'appareils de pression : échauffement dû à l'écoulement de l'huile à travers une restriction, déperdition de chaleur

Lors de l'utilisation du limiteur de pression électro-piloté : transmission de la chaleur dû à l'échauffement des bobines vers le limiteur de pression

Température sur réservoir :

Réservoir sous dimensionné

Pas assez d'huile dans le réservoir

Elévation de la température de l'huile dû au laminage

Mauvaise dissipation des calories emmagasinées

Etat de fonctionnement des échangeurs thermique

Mauvais choix des additifs pour l'utilisation de l'huile en haute température

Combustion de l'huile à l'intérieur du réservoir

RETOUR

Pompe

Visuel :

Fuite sur la pompe


88

Vérifier son montage

Vérifier les joints d'étanchéités

Fuite sur les canalisations de raccordement

Mauvais raccordement des colliers de raccordement des tuyauterie

Mauvais sertissage des tuyauteries flexibles

Mauvais état des flexibles

Forçage sur les olives de montage

Mauvais raccordement des manchons de dilation ou de vibrations

Mauvais alignement de la pompe et du moteur

Vibrations importante du banc moteur

Mauvais alignement de la pompe et du moteur

Absence de silentbloc

Fuites sur le joint d'arbre

Surpression sur le joint d'arbre

- Mauvais sens de rotation

- Dépassement de la limite de pression du joint

Absence de tuyauterie de drainage

Drain bouché

Détérioration du joint d'arbre :

Fatigue mécanique

Pollution extérieure

Arbre de transmission cassé

Surcharge

Grippé

Mauvais sens de rotation

Branchement moteur

Branchement de la pompe ; inversion de l'aspiration et du refoulement

Pompe grippée


89

Pollution solide importante

Absence de lubrification

Surcharge de la pompe, échauffement des pièces mécaniques qui se dilatent et grippent

Auditif :

Bruit dû à la cavitation : sifflement, craquement comparable au bruit d'une machine à moudre le café

Prise d'air sur l'aspiration

Présence importante d'air dans la tuyauterie

Bruit dû à l'état des roulements

Mauvais état des roulements par le vieillissement normal

Surcharge et déformation des roulements du à la surcharge

Défaut d'alignement des éléments d'accouplement

Olfactif :

Odeur d'huile brûlée

Tactile :

Echauffement de la pompe

Dû à l'huile

Dû au surcharge

Dû au grippage ou aux frottements mécaniques

Vibrations du carter

RETOUR

Distributeur

Visuel :

Utiliser la commande de secours et vérifier l'état de déplacement du tiroir

Utiliser un tournevis et pousser la commande

Tiroir grippé

- Pollution

- Fonctionnement à sec


90

- Gommage du tiroir après un arrêt prolongé

Noyau de commande grippé

- Pollution

- Fonctionnement à sec

- Gommage

Pas de commande électrique

Défaut sur le bobinage

Vérifier à l'aide d'un tournevis l'état de magnétisation de la bobine



Mauvais serrage des raccords

Fuite sur l'embase de raccordement

Etat des joint de raccordement

Etat de la plaque embase

Compatibilité de la plaque et du distributeur

Auditif :

Sifflement dans le distributeur

Vibration de la bobine

Grippage du tiroir

Olfactif :

Odeur provenant de l'état de la bobine

Echauffement

Court circuit

Tactile :

Vibration de la bobine

Etat de la commande électrique

Mouvement oscillatoire du tiroir

Distributeur chaud


91

Laminage de l'huile dans le tiroir

Elévation de température dû à l'échauffement de la bobine qui se transmet dans le corps du distributeur

Vibration du tiroir

Tiroir grippé ou bloqué à mis course

- Pollution

- Effort de commande trop faible

- Ressort cassé

- Contre-pression sur le tiroir

RETOUR

Appareils de pression

Visuel :







Compatibilité de la plaque et de l'appareil de distribution

A la lecture du manomètre

Pas de pression

Clapet ouvert, chute de pression

Pas de commande pour les appareils élèctropilotés

Pression trop faible

Pression trop grande

Pression irrégulière

Auditif :


92

Laminage : sifflement dû à la surpression de l'appareil et à l'écoulement de l'huile à travers une paroi mince.

Vibration et coup de bélier sur l'installation dû à d'autres appareils ou au réglage de l'appareil de pression

Tactile :

Echauffement de l'appareil de pression dû au laminage de l'huile

Vibration de l'appareil de pression

RETOUR

Appareils de débit

Visuel :







Compatibilité de la plaque et de l'appareil de débit

Auditif :

Laminage de l'appareil

Réglage trop fin de l'appareil : laminage de l'huile dans l'étranglement

Tactile :

Echauffement de l'appareil

Réglage trop fin de l'appareil : laminage de l'huile dans l'étranglement

RETOUR

Appareils de blocage

Visuel :




93





Compatibilité de la plaque et de l'appareil de blocage

Pas de maintien de la charge ou de la pression

Le clapet de blocage reste ouvert

Pas de déblocage

Pas de pilotage pour les appareils pilotés

Pas assez de pression de pilotage

Auditif :

Vibration de l'appareil

Appareil sous dimensionné

Mauvais choix du type de clapet anti-retour en fonction de l'utilisation

Tactile :

Echauffement de l'appareil

Laminage de l'huile dans l'élément de blocage

Vibration dû au mauvais dimensionnement ou au mauvais choix de l'appareil

RETOUR

Actionneurs

Visuel :

Fuite sur le vérin

Fuite sur le corps

Fuite sur la tige du vérin

Etat du joint racleur





94




Compatibilité de la plaque et de l'appareil de blocage

Mouvement de l'actionneur

Pas de mouvement

Panne sur les appareils de distributions

Problème mécanique

Etat de la tige du vérin

Etat des guidages

Etat du corps du vérin

Etat du sous ensemble de guidage

Mouvement trop faible

Réglage des appareils de débit

Effort mécanique de frottement anormal

Mouvement trop rapide

Réglage des appareils de débit

Entraînement du vérin par la charge

Mouvement irrégulier ou par saccades

Auditif :

Sifflement

Laminage de l'huile dans le vérin

Cavitation

Mouvement du vérin plus rapide que le débit admis sur les canalisations ; l'huile rentre en cavitation

Tactile :

Vibration du vérin

Mouvement irrégulier ou par saccades


95

Cavitation

Mouvement du vérin plus rapide que le débit admis sur les canalisations ; l'huile rentre en cavitation

RETOUR

Les appareils de conditionnement

Echangeur de température

Visuel

Fuite sur les canalisation d'eau ou d'huile ; rupture d'un raccordement, mauvais sertissage

Couleur de l'huile ; mélange de l'eau du refroidisseur avec l'huile du réservoir

Vérification d'une élévation de la température sur l'indicateur ; mauvais fonctionnement du refroidisseur par manque d'eau ou mauvais fonctionnement de la vanne thermostatique

Tactile

Elévation de la température sur le réservoir ou sur l'échangeur ; échauffement de l'huile

Pressostat

Visuel

Pas de détection du contact électrique lorsque la pression atteint la valeur préréglée

RETOUR

Documents

hydraulique