Brevet FR2580037A1 — publié le 19861010

Dispositif de mise en circulation d'eau, notamment dans un tunnel d'essais hydrodynamiques L'invention concerne la mise en circulation d'eau à travers une section de passage d'aire importante telle que celle d'un tunnel ou d'un canal d'essais hydrodynamiques. C'est-à-dire qu'elle vise à réaliser le pompage d'un débit important sous une faible hauteur de refoulement, donc avec une vitesse spécifique élevée. La vitesse spécifique en ques- tion est définie par l'expression Ns = nQ1/2 / (gH)3/4 dans laquelle n désigne le nombre de tours par minute d'une pompe g l'accélération de la pesanteur, Q le débit de liquide exprimé en m3/s et H la pression de refoulement exprimée en W4jmètresh de hauteur d'eau. L'invention concerne le cas o cette vitesse spécifique est supérieure à 0,15 environ. On connatt des dispositifs de pompage utilisés dans ces conditions et comportant plusieurs pompes recevant et refoulant chacune une frac- tion du débit total traversant le dispositif. La direction d'écoulement de celui-ci peut être appelée longitudinale. Chaque pompe comporte une hélice entrainée en rotation autour d'un axe longitudinal par un moteur. La vitesse de rotation est limitée par le risque de cavitation. La pompe comporte de plus des surfaces de guidage s'étendant longitudinalement en amont et en aval de ces hélices pour guider l'eau et conférer à la pompe un rendement sensiblement maximal. Dans certains de ces dispositifs connus le nombre de pompes est très petit, par exemple deux ou trois, et on réalise une tuyauterie pour chaque pompe. Cette tuyauterie comporte un coude dont la paroi extérieure est traversée par l'arbre de l'hélice (voir la Fig. 1). Cet arbre s'étend dans l'axe d'une branche du coude jusqu'à l'hélice. Il est entraîné en rotation par un moteur extérieur à la tuyauterie. Ce moteur est souvent muni (dans le cas de grosses pompes) d'un réducteur de vitesse, parce que, si l'entrainement était direct, la vitesse de rota- tion qui permet un bon rendement du moteur conférerait aux pales de l'hélice des vitesses excessives. Ces dernières provoqueraient des phé- nomènes de cavitation et nuiraient ainsi tant au rendement hydraulique -2 - qu'à la longévité de l'hélice. Dans d'autres de ces dispositifs connus une ligne horizontale de pompes barre une section d'un écoulement à surface libre dont la hauteur est faible par rapport à la largeur, cette ligne s'étendant selon cette largeur. Dans ce cas chaque moteur est immergé dans l'axe de l'hélice qu'il entraîne. Ces divers dispositifs connus présentent notamment les inconvé- nients suivants - Encombrement longitudinal et coût de construction des surfaces de guidage importants. - Perte de rendement soit par mauvaise adaptation des vitesses de l'écou- lement à l'entrée de la machine, soit par frottements à l'intérieur d'un réducteur mécanique, qui est de plus coûteux. La présente invention a pour but de permettre de mettre de l'eau en circulation par exemple dans un tunnel d'essais hydrodynamique, de manière à obtenir notamment un faible encombrement et un faible coût du dispositif de pompage tout en conservant un bon rendement. Elle a pour objet un dispositif de mise en circulation d'eau, comportant plusieurs pompes recevant et refoulant chacune une fraction du débit total traversant le dispositif selon une direction longitudi- nale d'écoulement, chaque pompe comportant une hélice entraînée en rota- tion autour d'un axe longitudinal par un moteur à une vitesse limitée par le risque de cavitation et comportant en outre des surfaces de guidage s'étendant longitudinalement en amont et en aval de ces hélices pour guider l'eau et conférer à la pompe un rendement sensiblement maximal, ce dispositif étant caractérisé par le fait que le nombre N desdites pompes est choisi supérieur à dix de manière à diminuer l'encombrement longitu- dinal desdites surfaces de guidage dans le rapport N1/2 environ (racine carrée du nombre N). Selon la présente invention il est de plus apparu avantageux d'adopter, au moins dans certains cas, les dispositions plus particu- lières suivantes: - L'hélice de chaque dite pompe est entraînée par ledit moteur sans réducteur de vitesse de rotation. - Lesdites pompes se succèdent selon au moins deux directions dans un - 3 - plan transversal par rapport audit écoulement de manière à occuper sen- siblement toute une section d'un tunnel hydraulique. On peut remarquer que, dans de grandes souffleries d'air connues, on utilise de multiples ventilateurs identiques se succèdant selon deux directions et fonctionnant tous dans les mêmes conditions pour remplacer un grand ventilateur dont la réalisation serait trop coateuse. Mais l'équivalent de ce "rideau" de ventilateurs n'existe pas en hydraulique o, dans le cas d'un écoulement à surface libre, on utilise une "ligne" de pompes, cette disposition présentant l'avantage de suivre les varia- tions de la demande de débit par la mise en route successive des pompes. De plus, dans une soufflerie d'air il suffit de remplacer le grand ventilateur par un rideau de ventilateurs, de telle sorte que la pression engendrée par chaque ventilateur unitaire soit égale à celle du grand ventilateur. Dans le cas du "rideau" de pompes hydrauliques, il faut, en plus des conditions d'implantation éventuellement liées à la surface libre du liquide, ajouter une condition supplémentaire concernant les risques de cavitation de ces petites pompes. La théorie de la similitude des turbo-machines montre que l'on obtient les mêmes conditions de limite de cavitation pour des machines semblables, si les vitesses tangentielles de l'extrémité des pales sont égales. Si Vtg vitesse tangentielle d'extrémité de pales D = diamètre de la pompe n = vitesse de rotation de la pompe en radians par seconde N = le nombre de pompes 1 = indice de la grande pompe 2 = indice des petites pompes les deux égalités suivantes sont vérifiées: Vtg1 = D1. n1, Vtg2 = D 2 Il en résulte que: D1. n = D2. n2 2 2= D1car l'aire de la section de Pmpage est onserve Or:N. D 2 Di car l'aire de la section de pompage est conservée 258003? 4- À - - _ N1/2 et il en résulte que: n2 = n1. N Les petites pompes auront donc une vitesse de rotation supérieure. Par exemple, pour N = 100, n2 = 10 n1 Les petites pompes pourront donc être entraînées directement par un moteur, sans utilisation d'un réducteur comme c'est généralement le cas pour les grosses pompes. La théorie de similitude montre aussi que, à hauteur de refoule- ment et à débit total inchangés les dimensions des surfaces de guidage optimales varient comme N1/2. A -l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et repré- sentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue en coupe axiale d'un dispositif de mise en circulation d'eau connu pour un tunnel d'essais hydrodynamiques. La figure 2 représente une vue en coupe axiale d'un dispositif de mise en circulation selon l'invention, selon la ligne de coupe II-II de la figure 3. La figure 3 représente une vue partielle en coupe transversale à échelle agrandie du même dispositif, selon la ligne de coupe III-III de la figure 2. La figure 4 représente une vue à échelle agrandie d'un détail IV de la figure 2. Selon la figure 1 un tunnel connu d'essais hydrodynamique 100 pré- sente un coude 102. Dans la branche aval 104 est disposée une hélice 106 de 2,6 m de diamètre tournant autour d'un arbre 108 dans l'axe de cette branche. Des surfaces de guidage profilées telles que 110 et 112 s'éten- dent en long sur environ 10 mètres et permettent d'obtenir un bon rende- ment hydrodynamique avec l'aide de formes convenables connues des pales de l'hélice et d'un choix convenable de sa vitesse de rotation.. Cette vitesse, par exemple 100 tours/mn, est obtenue à l'aide d'un réducteur 114 placé en sortie du moteur d'entraînement 116, à l'exté- rieur du coude, ce moteur tournant par exemple à 1000 tours par minutes. Conformément aux figures 2 et 3, le dispositif de mise en circula- tion de l'eau selon l'invention dans un tunnel d'essais hydrodynami- ques 2 comporte un grand nombre, par exemple 100, de petites pompes. Le nombre représenté est plus petit pour faciliter la compréhension du dessin. Ces pompes occupent quasi entièrement une section du tunnel. Des surfaces de guidage auxiliaires 4 simples et peu coûteuses sont dispo- sées en amont de cette section à seule fin d'uniformiser l'écoulement. Conformément à la figure 4 chaque pompe comporte une hélice 6 de diamètre 0,26 m entraînée directement à 1000 tours par minutes par un moteur électrique ou hydraulique immergé 8. Bien entendu, dans certains cas particuliers, un même moteur pourrait être utilisé pour plusieurs hélices. Des surfaces de guidage principales 10, 12 et 14 permettent, avec l'aide de la forme convenable des pales de l'hélice et du choix de la vitesse de rotation, d'obtenir un rendement hydrodynamique optimal, qui reste cependant très légèrement inférieur à celui de la pompe de la figure 1. Ces surfaces de guidage principales s'étendent par exemple sur une longueur de 1 m. Leur tracé est approximatevement semblable à celui des surfaces 110 et 112 de la Fig. 1. Des supports profilés 16 et 18 maintiennent l'ensemble de l'hélice et du moteur dans l'axe 20 de la pompe et servent éventuellement de redresseur pour les filets d'eau. Cet axe est quasi parallèle à la direction d'écoulement générale représentée pour la flèche 22 sur la figure 2. Ces supports permettent en même temps l'alimentation électrique ou hydraulique du moteur 8. Les avantages d'une telle disposition sont multiples. a/ La longueur totale du dispositif de pompage est diminuée dans le 1/2 rapport N1/2. Dans le cas de 100 pompes, ce rapport vaut 10. b/ Les ouvrages d'équi-répartition de débit dans ce dispositif, c'est-à-dire les surfaces de guidage, sont beaucoup plus simples à réa- liser. Par ailleurs, du fait de la structure modulaire, le dispositif de pompage lui-même améliore la répartition de débit dans le tunnel et s'adapte mieux qu'une pompe classique à une mauvaise répartition du débit amont. - 6- ci Les composants de petites pompes sont des composants classiques, aussi bien en ce qui concerne les roues que la tuyauterie ou les moteurs. Du fait de leur petite taille, ils peuvent être réalisés avec des maté- riaux adaptés à des problèmes spécifiques d'environnement. d/ Le choix des moteurs conduit généralement à les intégrer à chacune des pompes. Selon le cas, ils peuvent être hydrauliques ou électriques. La disposition permet de les intégrer dans les bulbes placés dans l'écoule- ment (moteurs électriques immergés par exemple). e/ Le bruit hydraulique est diminué en niveau. Sa fréquence est augmentée. Par ailleurs le bruit de chacune des pompes peut être déco- rellé de celui des autres. f/ Etant donné le grand nombre de pompes, il n'est pas nécessaire d'intervenir systématiquement en cas de panne de l'une d'elles. Par ailleurs le remplacement peut être fait par modules. g/ Il n'y a pas de réducteurs. h/ Par rapport à la solution avec pompe unique, ou même quelques pompes, la solution du rideau de pompes permet d'obtenir, suivant le but recher- ché, soit: - une veine liquide à vitesse bien uniforme - une veine liquide avec une carte de vitesses et des gradients de vitesses définis - une fraction de débit inverse au débit normal (courant de recir- culation ou effet de giration dans le cas des propulseurs marins). i/ Les conditions précédentes peuvent être réalisées dans les cas suivants: veine noyée veine à surface libre écoulement stratifié (par exemple par un gradient de salinité). j/ Dans les exemples d'applications précédents, on utilise des pompes, mais le même dispositif en rideau est utilisable avee d'autres machines comme les turbines. Ces avantages compensent dans de nombreuses applications l'inconvé- nient constitué par le fait que le rendement global est légèrement infé- rieur à celui d'une pompe unique. Les applications sont notamment les suivantes: - 7 - - Tunnels d'essais de cavitation. - Stations de pompage à grand débit, faible hauteur. - Propulseurs marins. -8- REVENDICATIONS 1/ Dispositif de mise en circulation d'eau, notamment dans un tunnel d'essais hydrodynamique, ce dispositif comportant plusieurs pompes rece- vant et refoulant chacune une fraction du débit total traversant le dispositif selon une direction longitudinale d'écoulement (22), chaque pompe comportant une hélice (6) entratnée en rotation autour d'un axe longitudinal (20) par un moteur (8) à une vitesse limitée par le risque de cavitation et comportant en outre des surfaces de guidage (10, 12, 14) s'étendant longitudinalement en amont et en aval de ces hélices pour -10 guider l'eau et conférer à la pompe un rendement sensiblement maximal, ce dispositif étant caractérisé par le fait que le nombre N desdites pompes est choisi supérieur à dix de manière à diminuer l'encombrement longitu- dinal desdites surfaces de guidage (10, 12, 14) dans le rapport N1/2 environ. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'hélice (6) de chaque dite pompe est entraînée par ledit moteur (8) sans réduction de vitesse de rotation. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites pompes se succèdent selon au moins deux directions dans un plan transversal par rapport audit écoulement (22) de manière à occuper sen- siblement toute une section d'un tunnel hydraulique (2). 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur est un moteur électrique. / Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moteur est un moteur hydraulique.