Brevet FR2597162A1 — publié le 19871016

La présente invention concerne un d';spositi* permettant d'améliorer le rendement des éoliennes de pompage et des pompes à bras a volant ou å balancier utilisant des pompes alternatives a piston ia simple u c'ouble effet, refoulantes si elles sont immergées, aspirantes-re+oulantes si elles sont émergées) et de régulariser leur débit de liquide. Une pompe å la fois aspirante et refoulante est appelée: pompe aspirante-refoulante. La figure 1 représente en coupe partielle, une pompe alternative a piston à simple effet, refoulante et dont le piston est mû par une tringle. La pompe alternative a piston comme représentée sur la figure 1 est constituée d'un piston (li, muni d'un clapet de refoulement L'espace (6) situé entre le piston et le clapet d'aspiration est la chambre de la pompe. Le corps de pompe est suspendu au bout de la colonne de refoulement ( Cette pompe alternative à piston fonctionne de la fanon suivante: Lors de la phase descendante du piston, le clapet de re+oulement est ouvert et le @lapet d'aspiration est fermé Le l@qu'de cont@nu dans la chambre de la pompe est refoulé à travers le clapet de refoulement; le débit de la pompe est nul. Lors de la phase ascendante du piston, le clapet de refoulement est fermé et le clapet d'aspiration est ouvert. A mesure que le piston remonte, la chambre se remplit de liquide et le liquide se trouvant au dessus du piston remonte dans la colonne de refoulement; le débit est non nul et proportionnel à la vitesse de remontée du piston. Le débit irrégulier de la pompe alternative a piston engendre deux problèmes: un problème hydraulique et un problème pratique d'utilisation du débit de liquide. Le problème hydraulique est dû à deux causes dont les effets vont se juxtaposer. La première cause du problème hydraulique est la surpression d'intensité variable du liquide contenu dans la colonne de refoulement créée par les pertes de charge dues à la vitesse du liquide dans cette colonne. La deuxième cause du problème hydraulique est la succession de surpressions et de dépressions du liquide contenu dans la colonne de refoulement dues aux accélérations et décélérations successives du liquide dans cette dernière. L'explication du phénomène donnant la première cause du problème hydraulique est faite dans les 21 lignes suivantes. La pompe alternative a piston a un débit irrégulier. Son débit instantané Le débit instantané de la pompe étant proportionnel a la vitesse du piston, il ne dépend que du mécanisme utilisé pour mouvoir le piston. Dans le cas des éoliennes et des pompes à bras a volant, les pistons sont mus par un système bielle-manielle ou un excentrique, la manivelle ou l'excentrique ayant une vitesse de rotation à peu près constante. Le débit instantané maximal atteint alors une valeur plus de trois fois plus grande que le débit moyen. L'écoulement du liquide dans la colonne de refoulement crée des pertes de charge se traduisant par l'apparition d'une surpression dans la colonne de refoulement (phénomène de pertes de charge). Cette surpression est proportionnelle au carré de la vitesse du fluide dans la colonne de refoulement; soit, pour un diamètre de colonne de refoulement donné, la surpression instantanée dans la colonne de refoulement est proportionnelle au carré du débit instantané de la pompe; la surpression instantanée atteint alors une valeur plus de neuf fois supérieure à la surpression moyenne (qui régnerait si le débit de la pompe était régulier). L'explication du phénomène donnant la deuxième cause du problème hydraulique est faite dans les 14 lignes suivantes. Au début de la phase ascendante du piston, la première tranche de liquide en contact avec le clapet de refoulement va se trouver comprimée entratnant une dilatation de la colonne de refoulement. Les tranches de liquide qui vont suivre vont subir le meme sort avec les memes conséquences pour la colonne de refoulement. Une onde de pression prend naissance au départ de la pompe et se propage le long de la colonne de refoulement. Rapidement, tout le liquide contenu dans la colonne de refoulement va se trouver en surpression. En fin de phase ascendante du piston, le phénomène contraire se produit, et tout le liquide contenu dans la colonne de refoulement va se trouver en dépression. Ces surpressions et dépressions success'.ve- seront d'autant plus importantes que les accélérations et décélérations du 1 iquid" dans la colonne de refoulement seront grandes. Les effets juxtaposés des deux causes du problème hydraulique font que la colonne de refoulement est tantôt mise en surpression, tantôt mise en dépression. La première cause du problème hydraulique ne créant qu'une surpression à l'intérieur de la colonne de refoulement, la colonne de refoulement subit, en valeur absolue, des surpressions plus importantes que les dépressions; de même, elle est plus souvent en surpression qu'en dépression. La première cause du problème hydraulique crée, dans le liquide contenu dans la colonne de refoulement, une surpression pour toute évolution du débit, c1est-à-dire, lorsque le débit de la pompe baisse, augmente ou reste constant. La deuxième cause du problème hydraulique crée, dans le liquide contenu par la colonne de refoulement, une surpression lorsque le débit de la pompe augmente et une dépression lorsque ce dernier baisse.Les surpressions et dépressions créées par la deuxième cause du problème hydraulique sont généralement, en valeur absolue, plus importantes que les surpressions créées par la première cause du problème hydraulique, donc, pour le liquide contenu dans la colonne de refoulement, une surpression est généralement accompagnée d'une augmentation du débit de la pompe et une dépression est toujours accompagnée d'une diminution du débit de la pompe. Les conséquences des deux causes donnant le problème hydraulique sont exposées dans les 22 lignes suivantes. Lorsqu'il X a surpression dans la colonne de refoulement, le moteur (qui est l'hélice dans le cas des éoliennes ou l'homme dans le cas des pompes à bras) entratnant la pompe alternative à piston doit fournir un surcrolt de puissance, la puissance de ce dernier peut alors entre insuffisante pour entratner la pompe, la puissance du moteur doit alors être augmentée ou le débit de la pompe doit être diminué afin que la puissance de l'élément moteur soit suffisante pour entratner la pompe. Les surpressions et dépressions successives, conséquences des deux causes donnant le problème hydraulique.. augmentent les contraintes dans tous les éléments assurant la canalisation et la conduite du fluide dans la colonne de refoulement, c'est-à-dire: la colonne de refoulcment elle-meme, les joints du piston de la pompe alternative å piston et la partie mécanique d'entralnement de la pompe alternative à piston Ces contraintes peuvent entralner la rupture instantanée des éléments précités. Au mieux, elles accélèrent le vieillissement à la fatigue des éléments précités entratnant une rupture prématurée de ces derniers. Les surpressions et dépressions successives, conséquences des deux causes donnant le problème hydraulique, occasionnent des efforts longitudinaux sur la colonne de refoulement qui tendent a soulever cette dernière. fin d'éviter le soulèvement de cette dernière, elle est fixée bilateralement, son propre poids étant insuffisant pour l'empêcher de se soulever. La cause du problème pratique d'utilisation du débit de liquide est le débit irrégulier de la pompe alternative a piston, car, évidemment, un débit irrégulier offre une souplesse d'utilisation moins grande qu'un débit régulier. Le dispositif selon l'invention permet de remédier en grande partie aux deux problèmes (le problème hydraulique et le problème d'utilisation du débit de liquide) engendrés par le débit irrégulier de la pompe alternative a piston en supprimant les deux causes du problème hydraulique et la cause du problème d'utilisation du débit de liquide, ceci en régularisant le débit irrégulier de la pompe. Est appelé, aval de la pompe: la partie située après la pompe, dans le sens de circulation de liquide; par exemple, dans le cas d'un pompage vertical, l'aval de la pompe est la partie située au-dessus de la pompe. Le dispositif selon l'invention possède une réserve de liquide de uolume variable contenant du liquide maintenu à la pression normale de fonctionnement. Cette réserve est reliée à la colonne de refoulement immédiatement a l'aval de la pompe alternative à piston. La figure 2 représente schématiquement le dispositif selon l'invention (8) monté sur la colonne de refoulement (9) d'une pompe alternative a piston refoulante cil). Sa réserve La figure 3 représente schématiquement le dispositif selon l'invention Lorsque les effets juxtaposés des deux causes du problème hydraulique tendent à mettre le liquide contenu dans la colonne de refoulement en dépression, la tendance à la dépression est contrariée par une diminution du volume de la réserve de liquide, ainsi, ue partie du liquide contenu initialement dans la réserve est chassée dans la colonne de refoulement ce qui permet d'alimenter la colonne de refoulement en liquide à la pression normale de fonctionnement. L alimentation de la colonne de refoulement en liquide à la pression normale de fonctionnement permet ainsi de contrarier la tendance a la dépression et la baisse de débit (accompagnant toujours une tendance à la dépressfon3. Inversement, lorsque les effets juxtaposés des deux causes du problème hydraulique tendent à mettre le liquide contenu dans la colonne de refoulement en surpression, la tendance à la surpression est contrariée par une augmentatio du volume de la réserve de liquide: une partie du liquide de la colonne de refoulement est chassée dans le réservoir; ainsi, la tendance a la surpression est contrariée. De même, la tendance à l'augmentation de débit qui accompagne généralement une tendance à la surpression est contrariée. Dépendant de nombreux paramètres, le volume de la réserve de liquide de volume variable n'est pas quantifiable de manière générale. Toutefois, pour assurer un bon fonctionnement du dispositif selon l'invention, la variation de volume possible de la réserve de liquide de volume variable devra, au moins, être égale à la c/'indrée de la pompe alternati e à piston. Les divers modes de réalisation du dispositif selon 1 invention devront permettre cette variation importante de volume de la réserve de liquide de volume variable. Suivant un premier mode de réalisation, le dispositif selon l'invention est constitué d'un réservoir contenant du liquide et de l'air à la pression normale de fonctionnement. A l'apparition d'une dépression dans la colonne de refoulement, l'air contenu dans le réservoir se détent, le volume de la réserve de liquide contenue dans le réservoir diminue et une partie du liquide contenu initialement dans le réservoir est chassée dans la colonne de refoulement. Inversement, une tendance à la surpression comprime l'air contenu dans le réservoir et augmente le volume de la réserve de liquide contenue dans le réservoir. La figure 4 représente, en coupe partielle, le premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention monté sur une colonne de refoulement (16) (dans laquelle est située la tringle de manoeuvre Suivant un deuxième mode de réalisation, le dispositif selon l'invention est constitué de deux réservoirs contenant du liquide et de l'air à la pression normale de fonctionnement. Les deux réservoirs sont montés symétriquement de part et d'autre de la colonne de refoulement de manière à équilibrer les effors radiaux sur la colonne. Suivant le deuxième mode de réalisation, le dispositif selon l'invention peut être constitué d'un seul réservoir; mais des efforts radiaux seront engendrés sur la colonne. La figure 5 représente, en coupe partielle, le deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention monté sur une colonne de refoulement (28) immédiatement à l'aval de la pompe ( Suivant le deuxième mode de réalisation, le dispositif selon l'invention est constitué de deux réservoirs (30 et 31) réalisés en construction mécano-soudée. Chaque réservoir est constitué d'un tube en acier (32) fermé aux deux extrémités par deux plaques (33 et 34) rapportées soudées. Chaque réservoir devra être étanche et rigide. Chaque réservoir est relié à la colonne de refoulement par l'intermédiaire d'un manchon de raccordement (35) soudé sous la plaque inférieure de chaque réservoir et d'une petite canalisation (36) réalisée en éléments standards de plomberie assemblés. Ainsi, l'élévation du niveau de liquide dans la colonne de refoulement au-dessus du niveau de la plaque inférieure de chaque réservoir permettra automatlquement l'emprisonnement de l'air dans les réservoirs. Suivant un troisième mode de réalisation, le dispositif selon l'invention est constitué de deux réservoirs contenant du liquide et un gaz qui peut être de l'air à la pression normale de fonctionnement. Une membrane élastique permet d'emprisonner le gaz dans une chambre et suite ainsi tout risque de réactio- chimique entre e gaz et le 1 Iqude. Les deux réservoirs sont montés svmétriquement de part et d'autre de la colonne de refoulemenit de mariere à seul vibrer les effors padiaux sur ta colonne. Suivant le trois@éme mode de réalisation. le dispositif selon l'invention peut atre constitué d'un @eul réservoir: mais des efforts radiaux seront engendrés sur la colone. La figure 6 représente, en couce partielle, le troisième mode de réallsation du dispositif selon Ilinention monté sur une colonne de refoulement (37) immédiatement à l@aval de la pomp (38). suivant le troisième mode de réalisation, le dispositif selon l invention est constitué de deux réservoirs (39 et 4-0} réalisés en construction mécano-soudée. Chaque réservoir est constitué de deux demi-coquilles assemblées vissées et venant insérer entre elles une membrane t.41) en élastomère de type soufflet (sur la figure 6 sont représentées, en trait discontinu, les deux positions limites de la membrane; et en trait continu épais, une position intermédiaire de la membrane).Une membrane de type soufflet a été préférée a une membrane plane car elle admet des débattements plus Importants et permet ainsi des variations plus importantes du volume de la réserve de : liquide. Caque demi-coquille est constituée d'un tube en acier (42) fermé a une extrémité par une plaque (43) et muni a l'autre extrémité d'une collerette (44) (permettant le serrage de la membrane entre les dec demi-coquilles) rapportées soudées. Chaque réservoir, une fois assemblé, devra être étanche et rigide. Chaque réservoir est relié à la colonne de refoulement par l'intermédiai@e d'un manchon de raccordement (45) soudé sur la plaque supérieure (46) de chaque réservoir et d'une petite canalisation (47) réalisée en éléments standards de plomberie assembles. La demi-coquille constituant avec la membrane, la chambre (48) oh le gaz est emprisonné est munie d'un organe (49) de remplissage de gaz sous pression. Suivant un quatrième mode de réalisation, le dispositif selon l'invention est constitué de deux cylindres; dans chaque cylindre coulisse un piston tendant à étire rapproché, par un ressort, vers l'extrémité du cylindre reliée a la colonne de refoulerlent. Les deux cylindres sont montés symétriquement de part et d autre de la colonne de refoulement de manière a équilibrer les efforts radiaux sur la colonne. a chambre, délimitée par le cylindre du côté où il est relié à la colonne de refouXement et le piston, et dont le volume @arie suivart la position du piston, etRnt ainsi la réser@e de 1 'qulde de volume variable. @@l appa@it on d'ure déoréssion dars la colorne de @efoulement, les effonis indests car@ le ressort foat que le piston se @approche de @@ext@émité du @@l@@dre rellés à la colon@e de @efon'ement, einsi le volume de la chambre fa@sant offise da resser@e da liquide de @e'ume va@lable dimin@e et une part a da liqurde contene In@tialement dans cette chambre est chassée dans la col@@ce de reforlement.Inversement, une tendan@e à la surpression @@dui@ des efforts dans le @essort qui font que le piston s'élo@gne de @'extrémité @é du cyl nde reliez a la colonne de refoulement, augmentant ainsi le volume de sa chambre fa:sant office de reserve de liquide de volume @ariable. Suivant le quatrième mode de réalisation le dispositif selon l invention peut être cor::st;tué d un seul cylindre dans lequel coul sse un piston tendant à être capprocné, par un ressort, vers I l estrémité du cylindre reliée -r la cclonne de refoulement, mais des efforts radiaux seront engendrés sur la colonne. La figures 7 représente, en coupe parttelle, le quatrième mode de réalisation du dispositif selon @@invention. La ligure 7 représente le dispositif selon le quatrième mode de réalisation monté sur une colonne de refoulement (50) immédiatement à l'aval de la pompe (51). Suivant le quatrième mode de réalisation, le dispositif selon l'invention est constitué de deux cylindres (52 et 53) en cuivre. Un flasque (54) est visse a l'e@trémité supérieure de chaque cy@indre. Chaque cylindre est relié à la colonne de refoulement par 1 intermédiaire d'un manchon de raccordement (55) soudé sur le flasque, et dune petite canalisation (56) réalisée en éléments standards de plomberie assemblés.Le piston (57) relié au flasque par l'intermédiai@e d'un ressort de traction (58) est constitué de deux joints en cuir (59 et 60) en forme de calottes assurant l'étanchéité piston-cylindre et le guidage @type pivot glissant) du piston par rapport au cylindre. Les deux Joints en cuir sont maintenus par l'intermédiaire de rondelles (61) gracie à un boulon (62), une entretoise (63) donnant l'espacement des deux joints. Sur la tête de la vis du boulon a été rapporté soudé l anneau d'accrochage du ressort de traction. Suivant un cinquième mode de réalisation, le dispositif selon l'invention est constitué d'un réservoir. dont une partie est en élastomère, contenant du liquide à la pression normale de fonctionnement. A l'apparition d'une dépression dans la colonne de refoulement, le matériau élastique constituant une partie de chaque réservoir se comprime; ainsi, le volume du réserv@in dim@nue et une partie du liquide contenu initialement dans ce dernier est chassée dans la colonne de refoulement. Inversement, une tendance a la -urpression tend le matériau élastique constituant une partie du réservoir et augmente ainsi 'e voluTe de ce dernier. La figure 8 représente, en coupe, le cinquième mode de reali ation du dispositif selon l'invention monte sur une colonne de refoulement Suivant un sixième mode de réalisation, le dispositif selon l'invention est constitué de deux @éservoirs, dont une partie est en élastomère, contenant du liquide à la pression normale de fonctionnement. Les deux réservoirs sont montés symétriquement de part et d'autre de la colonne de refoulement de manière a équilibrer les effors radiaux sur la colonne. Suivant le sixième mode de réalisation, le dispositif selon l invention peut etre constitué d'un seul réservoi@; mais des efforts radiaux seront engendrés sur la colonne. La figure 9 représente, en coupe partielle, le sixième mode de réalisation du dispositif selon l'invention monté sur une colonne de refoulement (70) immédiatement à l'aval de la pompe (75 Suivant le sixième mode de réalisation, le dispositif selon l'invention est constitué de deux réservoirs (72 et 73). Chaque réservoir est constitué d'un manchon (74) en élastomère dans lequel est inséré, a chacune de ses extrémités, un bouchon (75 et 76). Chaque manchon est serré de manière étanche sur les bouchons par deux anneaux de serrage (77 et 78) de type connu. Chaque réservoir est relié à la colonne de refoulement par l'intermédiaire d'un manchon de raccordement Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux divers modes de réalisation du dispositif selon l'invention, qui viennent d'être décrits å titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Dispositi+ (8) pour augmente le rendement et regulariser le débit des éoliennes de pompage et des rompes a bras a balancier ou a volant utilisant des pompes alternatives à piston (simple ou double effet, refoulantes ou aspirantes-re+oulantes), caractérisé en ce que:: - il possède une réserve alternative a piston, - la réserve de i iquide de volume uariable diminue de volume lors dune tendance à la dépression du liquide contenu dans la colonne de refoulement et augmente de volume lors d'une tendance à la surpression du liquide contenu dans la colonne de refoulement. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qui est constitué d'un réservoir de l'air à la pression normale de fonctionnementl entourant la colonne de refoulement (16) de manière à ce que les axes de symétrie de la colonne et du réservoir soient confondus; ledit réservoir étant relié hydrauliquement à la colonne de refoulement par des trous 127i percés dans la partie de la colonne se trouvant dans le réservoir, ces trous étant situés le plus près possible de la base du réservoir. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le réservoir (19) est constitué d'un tube en acier (20) fermé aux deux extrémités par deux plaques (21 et 92j rapportées soudées; ces plaques étant percées de deux trous (23 et 94i permettant au réservoir d'entourer la colonne de refoulement (16) et soudées à cette dernière par l'intermédiaire de deux soudures (25 et 26) circulaires, étanches et continues. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est constitué de deux réservoirs (30 et 31 étanches et rigides, contenant de l'eau et de l'air à la pression normale de fonctionnement, montés symétriquement de part et d'autre de la colonne de refoulement (28), chaque réservoir étant relié à cette dernière par une canalisation (36) partant de la base de chaque réservoir. 5) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que chacun des réservoirs est constitué d'un tube en acier 6) Dispositif selon la @evendieation 1 caractérisé en ce qu@@@ es constitué de deux réservoirs (39 et 40) êtanthes et fig des, conte@ du liquide et un gaz ia la pression normale de fonctionnemert) séparés rer une membrane (41 élastique, montés symétrquement de part et d'autre de la colon@e de refoulement (37), chaque @éservoir étant relié à cette dernière par @ne canalisation (47) narrant du sommet de chaque réservoir. 7 Dispositif selon la revendicat on 6 caractérisé en ce que chacun des réservoirs est constitué de deux deml-coquilles venant insérer entre elles une membrane (41) élastique en élastomère de type soufflet emprisonnant le gaz dans la demi-coquille i@férieure sur laquelle est monté un organe (49) de remplissage de gaz sous pression; chaque demi-coquille étant constituée d'un tube en acier (42) fermé a une extrémité par une plaque 143s et muni à l'autre extrémité d'une collerette 144); sur la plaque de la dem-coquille supérieure, est soudé un manchon de raccordement (45). 8) Dispositif selon la revendication caractérisé e ce qu'il est constitué - de deux cylindres t52 et 53i d'axe @ertica), montés symétriquement de part et d'autre de la colonne de refoulerent (50), chacun des cylindres étant relié à cette dernière au niveau de son extrémité supérieure par 1'intermédiaire d'un flasque (54) et d'une canalisation (56), l'ensemble colonne-canalisation-flasque supérieur-cylindre formant un ensemble étanche, - de deux pistons (57, chacun coulissant dans un cylindre et tendant å être @approché par l'intermédiaire d'un ressont (53) vers l'estrémité supérieure du cylindre; la chambre délimitée par le cylindre, le piston et le flasque supérieur (54) étant remplie de liquide à la pression normale de fonctionnement. 9) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est constitué d'un réservoir étanche, dont une partie est en élastomère, contenant du liquide à la pression normale de fonctionnement. lü) Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce que 1 réseruoin est constitué d'un manchon (66) étanche en élastomére, entourant une portion de colonne de refou ement, serr ce manière tanche à ses deux ext@émités sur cette dernière pas deü@ annea@x de serrage @ et 68) de type connu -rt communiquant hrdeaul iquement avec cette colon par des trous (69) initialement percés dans la portion de colonne en regard avec 'e manchon en élastomère. 11) Dispositif seion la revendication 1 caractérisé en ce qu'li est constitué de deux réservoirs (72 et 73) étanches, comprenant une partie déformable en élastomère, montés symétriquement de part et d'autre de la colonne de refoulement (70), reliés à cette dernière au niveau de l'extrémité supérieure de chaque réservoir par l'istermédiaire d'une canalisation (80) et contenant du liquide à la pression normale de fonctionnement. 12) Dispositif selon la re@end@cation if caractérisé en ce que chacun des deux réservoirs (72 et 73) est constitué d'un manchon (74) en élastomère dans lequel est inseré, e. chacune de ses extrémités, un bouchon (75 et 76) sur lequel est pressé de manière étanche le manchon en élastomère par l'intarmediaire d'un anneau de serrage (77 et 78) de type connu, sur le bouchon supérieur, est soudé un manchon de raccordement (79).