Brevet FR2657653A1 — publié le 19910802

La présente invention concerne les pompes de fLuides à forte capacité d'aspiration et auto-amorçantes. Un domaine spécifique d'application est le pompage d'eau de puits ou de forage à partir d'une pompe de surfaces la prcfsndeur d'aspiration étant importante sans jamais prétendre la limite physiaue de la hauteur de colonne d'eau correspondant à la pression atmosphèrique du lieu de pompage. Les pompes selon l'invention, pour une gamme de dimensionnement, sont actionnables par un opérateur humain (bras cu balancier). Les pompes eistantes, de surface et à forte capacité d'aspiration exigent généralement un clapet de pied et sont consti tuées d'un cylindre rigide à face intérieure lisse, d'un piston mobile et de joints d'étanchéité fixés sur le piston et frottant dans le cylindre, le piston étant le plus souvent muni d'un clapet anti retour d'aspiration ou de refoulement, le cylindre ou le corps portant un autre clapet.Les performances de ces pompes en hauteur d'aspiration et en rendement dobit-pression dépendent de l'état de surface du cylindre et de la qualité des joints de piston. AL sec, sans eau, les oints sont le plus souvent inefficaces du fait soit de frottements à sec trés élevés proches du collage, soit de rétraction du joint laissant un jeu énorme incompatible avec le pompage. Ges pompes doivent être remplies 'eau du -clapet de pied jusqu'au cylindre inclus pour assuer un amorçage et un fcnctionnement corrects. l'usure des joints et du cylindre et la dégradation des états de surface accélérés par les particules abrasives en suspension posent des problèmes de maintenance particulièrement sensibles dans de nombreux pays tels ceux de l'Afrique sahèlierne. les popes réalisées selon l'invention évitent une grande partie des inconvénients des pompes volumétriques conventionnelles: -elles sont pas besoin de clapet de pied, meme pour des profondeurs d'aspiration de 7 à 8 mètres. Une simple crépine reste conseille en cas de présence de corps étrangers dans l'eau. -la colonne plongeante d'aspiration n!a pas à être remplie d'eau avant le pompage; la pollution du puits est ainsi évite lors de l'amorçage -elles sont auto-amorçantes à l'air pour des profondeurs moyennes d'aspiration (3 à 4 mètres). -pour les profondeurs plus importantes, la présence d dans le bac d'aspiration spécifique de l'invention permet un auto-amorçage; cette eau Drovient soit d'un DomDaee Drécédent (eau résiduelle dans le bac) soit d'un premier apport; des'poches d'airYimportantes peuvent subsister. -elles n'utilisent pas de cylindres rigides ni de pistons à joints d'étanchéité: ces pièces sont remplacées par un ou deux vérins souples ou soufflets. -les pièces principales mobiles sont limitées aux clapets d'aspiration et de refoulement, où la valve mobile vient en appui de compression sur son siège pendant la phase de fermeture. Sebn une forme de réalisation préférentielle, les vérins souples utilisés sont ceux développés pour les suspensions pneumatiques de véhicules, pour des applications de levage et de manutention et pour l'entrainement des machines d'irrigation (vérins à eau sous pression). Ces soufflets sont abusivement et couramment appelés "pneuride" en référence au principal fabricant. Des soufflets de marques concurrentes ou même des pneumatiques de roues de véhicules montés avec des flasques séparées au lieu des jantes usuelles conviennent également. Une caractéristique essentielle de ces soufflets à une ou plusieurs ondes en élastomères armés ou toilés réside dans la grande capacité de déformation engendrant une variation du -Nolume en fonction de la course sans déformation élastique (variation du volume sous l'effet des varia tions de pression ou d'effort sans variation de la course).Une autre caractéristique réside dans la capacité 4 e déformations angulaires non seulement pour pallier aux défauts d'alignement de la course mais encore pour admettre des courses angulaires en remplacement ou en complément des courses linéaires. Ces soufflets utilisent les élastomères à base de caoutchoucs existants dans l'industrie et adaptés aux spécifications requises telles que la résistance aux eaux agressives ou la tenue en fatigue à des dizaines de millions de cycles. Par contre ces vérins souples présentent une insuffisance de par leur conception qui se caractérise par un repliement ou une réduction brutale du volume lorsque le soufflet est en dépression: à 0,3 bar le repliement est total pour les souffletset à partir de 0,2 bar de dépression leresliement commenoeà se manifester. Une carctéristique essentielle de l'invention est de pallier cet inconvé- nient et d'obtenir des dépression d'aspiration de l'ordre de 0,8 bar ou plus sans entrainer de repliement du soufflet. Pour cela les éléments constitutifs sont disposés d'une façon telle que la dépression d'aspiratio4gisse sur l'extériur du soufflet. Le cycle de pompage d'une pompe volumètrique réalisée selon l'invention est le suivant: Le soufflet à l'intérieur d'un bac ou d'une capacité est actionné sur une de ses faces porteuse d'un clapet dit d'aspiration; son autre face en appui sur la paroi supérieure et sensiblement horizontale est reliée au réseau de refoulement à travers un clapet de refoulement. Pendant la phase de compression ou de réduc tion de volume le soufflet est à une pression légèrement supérieure à celle du refoulement (pour vaincre les pertes de charges du clapet) la capacité étant soumise à la dépression nécessaire pour élever l'eau du puits ou du forage jusqu'à la pompe.La réduction du volume du soufflet pendant sa phase de compression entraine une dépression supplémentaire dans le bac compensée par une aspiration d'une quantité d'eau égale à la quanttité refoulée. Après la phase simultanée de refoulement vers l'extérieur de la capacité et d'aspiration vers l'in térieur succède une phase de transvasement à l'intérieur de la capacité; le soufflet est étiré, son volume interne tend à augmenteiet il se crée une légère dépression suffisante pour ouvrir le clapet de transvasement dit d'aspirstion et polar transvaser de l'eau à travers le clapet, de la capacité vers l'intérieur du soufflet sans que le volume total varie et sans aspiration; cette phase de transvasement s'effectue avec un effort négligeable par rapport à l'effort nécessaire au refoulement. r Pour équilibrer les efforts de l'opérateur et pour obtenir un débit de liquide quasi-uniforme il est avantageux d'utiliser deux soufflets dans un même corps de pompe, montés e opposition sur un balancier pour alterner les phases de refoulement. Les figures annexées illustrent des réalisations de pompes selon l'invention et permettent de mieux cerner les carctéristiques de l'invention. La figure 1 représento une coupe longitudinale d'une réalisation à deux soufflets selon l'invention. La figure 2 représente une coupe transversale de la réalisation présentée sur la figure 1. La figure 3 représente en coupe le détail de la fixation d'un soufflet et du clapet de refoulement de la réalisation présentée dans les figures 1 et 2. La figure 4 représente une coupe transversale d'une variante de réalisation selon l'invention. Le dispositif représenté sur les figures 1, 2 et 3 comprend un corps (I) délimitant une capacité fermée par un couvercle (f0) A lrintérieur deux soufflets (2) sont fixés d'une part sur le corps (1) et d'autre part sur un balancier interne (3) oscillant autour d'un axe (4) et relié à cet axe par des bras (5). L'eau à pomper située à une profondeur (H) est prélevée à travers une crépine (6) puis canalisée dans un conduit (7) fixé au piquage d'aspiration (11) solidaire du corps (1). L'eau pompée sort par le collecteur de refoulement (12) regroupant les deux sorties des deux soufflets (2). Ceux-ci sont équipés de plaques de fermeture (8) percées pour créer les orifices (80) de passage des clapets. Des plaques souples en élastomère (9a) (9r) (9'a) (9'r) fixées par un boulon (91) sur les sièges (8) font office de valves mobiles des clapets et viennent en appui sur les plaques-sièges (8) en position fermeture. L'indice (a) correspond à l'aspiration ou au transvasement, l'indice (r) au refoulement et l'apostrophe (') correspond à la position d'ouverture. Le soufflet (2) est fixé par une bague d'accrochage (22) au balancier (3) ou au corps (1) par des goujons (21) soudés sur la bague (22), le talon (23) étant alors enserré de façon étanche entre la bague (22) et la plaque (8); côté refoulement l'étanchéité vers l'extérieur est complétée par un joint plat (81) des plots élastiques (24) et une rondelle (29) coiffant une injection de mastic au silicone ou similaire entre le goujon,le le plot et le corps. Du côté de l'aspira- tion l'étanchéité au niveau du talon (23) et de la plaque (8) est suffisante. Le corps (1) est complété par le couvercle (10) et le joint périphérique (93) sérrés par les boulons (92) pour former une capacité étanche. L'axe (4) pivote dans les paliers (13) ouvert et (17) borgne porteurs des coussinets (14) et (18); l'étanchéité du passage de l'axe est assurée par des joints toriques (15) ou à lèvre (16). L'axe (4) est entrainé en mouvement alternatif oscillant par un bras (27) transmettant son effort sous la forme d'un couple par le moyeu (25) et la goupille (26). Le remplissage éventuel de la capacité s'effectue par l'orifice (31) fermé par le bouchon (32). Lors du mouvement alternatif angulaire du bras (27) et du balancier (3), les soufflets (2) ont leur volume interne qui varie entre le minimun Vm et le maximun VM. Initialement la pompe étant sans eau, pleine d'air à la pression atmosphérique,la crépine (6) plongeant dans l'eau à aspirer, le mouvement du bras et du balancier évacue à chaque demi-cycle un volume d'air V= V14-Vm ; progressivement la pression intérieure Pi baisse dans la capacité et l'air aspiré doit d'abord etre comprimé jusqu'à la pression atmosphèrique Po avec réduction de volume avant d'être évacué.Le volume évacué est 7'= Pi.VM/Po -Vm; l'évacuation se poursuit jusqu a une pression limite Pi= Po.Vm/VM ; pour les soufflets utilisés Vm/VM atteint 0,3 en mouvement axial linéaire: une dépression de 0,7 bar ou 7 mètres de colonne d'eau pourrait être atteinte. Par contre, pour le mouvement angulaire retenu dans la présente application Vm/V14 est limité à 0,5 ce qui permet d'espérer obtenir une dépression limite de 0,5 bar soit 5 mètres de colonne d'eau.Du fait des pertes et des fuites pes clapets la hauteur limite d'amorçage est de 4 mètres (en profondeur) avec une pompe pleine d'air au départ; cette valeur limite ne dnpend pas du volume de la capacité 1't en meme temps que l'air s'évacue l'eau monte progressivement vers la capacité pour la remplir et se faire pomper si la profondeur est inférieure à la valeur limite. Dans ce cas la position du piquage d'aspiration est indifférente, elle peut même se situer en partie basse. Par contre, si la profondeur d'aspiration est supérieure à la valeur limitel'évacuation partielle de l'air n'assurera pas l'auto-amorçage. Pour cela, il faut recourir à une caractéristique de l'invention, à savoir la position haute du piquage d'aspiration afin de contenir une certaine quantité de liquide dans la capacité. ainsi de l'eau est versée par l'orifice (31) dans la capacité pour la remplir entre la moitié et les deux tiers de la hauteur jusqu a un niveau inférieur au bas du piquage, de sorte que les clapets dits d'aspiration vont baigner dans l'eau et que les soufflets vont se remplir partiellement d'eau, le remplissage idéal étant égal ou supérieur à Vm. Ainsi lors du refoulement tout l'air contenu dans les soufflets est évacué dans le collecteur de refoulement; du point de vue de l'air à évacuer le volume Vm résiduel après compression est donc voisin de zéro et la pression dans la capacité continue de baisser et permet alors un amorçage à des profondeurs de 8 mètres et plus.Cette performance normale pour des pompes réalisées selon l'invention est obtenue sous réserve de respecter deux caractéristiques de l'invention à savoir d'une part des clapets de refoulement situés en partie supérieure des soufflets dans une position voisine de l'horizontale pour que l'air qui monte naturellement soit évacué en priorité par les clapets et d'autre part un piquage d'aspiration situé en partie supérieure, au moins dans le tiers supérieur de la capacité de la pompe afin de pouvoir remplir celle-ci de la quantité deau nécessaire à l'amorçage. Toutefois des réalisations moins évoltie'.es de dispositifs selon l'Invention sont envisageables: le piquage d'aspiration est placé an partie basse à condition, pour les fortes profondeurs d'aspiration, de placer à la crépine d'aspiration ou au droit du piquage d'aspiration ou entre les deux, un clapet de reteue qui délimitera ainsi la capaci té pendant la phase de remplissage et d'amorçage. Un perfectionnement de l'invention consiste dans le cas normal du piquage d'aspiration en partie supérieure de placer un clapet anti- retour sur le circuit d'aspiration soit à la crépine pour diminuer le temps de remise en marche normale, soit au droit du piquage d'aspi ration pour éviter lors de la phase de remplissage de la cavité pour un premier amorçage de contaminer le puits ou le forage par un excès de remplissage en eau polluée. La figure 4 présente une coupe d'une variante de réalisation d'un dispositif selon l'invention; le dispositif a toujours un piquage d'aspiration situé an partie supérieure, sur le coté ou sur le dessus. Le couvercle de fermeture (10) est situé au-dessus du corps (1) et porte le collecteur dè refoulement (12); il reçoit les ixations supérieures des soufflets. Le joint périphérique (93) est en partie supérieure de sorte qu'une fuite légère du joint ne se traduira pas par une vidange de la pompe lors d'un arrêt prolongé. Pour le montage il faut que la liaison entre l'arbre (4) et le balancier (3) et ses bras (5) soit démontable pour que l'axe puisse traverser le corps (1) que ce soit avec un ou deux paliers ouverts. Les élèments complémentaires habituels constitutifs d'une pompe ne sont pas présentés dans la description et sur les figures: ils font partie des pompes réalisées selon l'invention. Parmi ceux-ci on doit citer les dispositifs de fixation au sol ou sur une paroi, l'orifice de vidange losqu'il y a risque de gel, les raccords d'aspiration et de refoulement, ... I1 est évident pour l'homme de l'art que l'invention revendiquée s 'applicue à des dispositifs se différentiant par -la forme, la marque, la capacité ou la nature des soufflets, -les dispositifs de fermeture et/ou d'accrochage des soufflets, -la forme et/ou la constitution des clapets, -la forme et/ou la consttution du corps et du couvercle, -le type des paliers et des -joints d'arbre, -les dispositifs de tran3mission de l'effort moteur (opérateur humain, traction animale ou entrainement mécanique) aux vérins souples (bras ou balanciers simples ou doubles...) -la nature des luidstapomper- L'invention s'applique au pompage des liquides et plus partilièrement à l'exhaure de l'eau de forage, de puits ou de fosses à partir de la surface du sol. L'invention s'applique également au pompagé volumètrique sous pression des liquides. mes pompes réalisées selon l'invention sont particulièrement bien adaptées au pompage et à l'aspiration de fluides constitués d'un mélange de liquides et de gaz du fait de Ra conception qui privilègie l'évacuation du gaz contenu dans la capacité. Enfin du fait de l'absence de pièces prirci- pales de frottement les pompes réalisées selon l'invention tolèrent des fluides chargés de particules abrasives. REVENDICATION8 1) Dispositif pour aspirer et pomper les fluides caractérisé en ce qu'il comprend une cavité délimitée par un corps (1) et par un couvercle (10), un ou deux vérins souples (2) ou soufflets fixés à la partie supérieure de la cavité par leur face supérieure sensiblement horizontale et équipée de clapet de refoulement (9r), la face inférieure du ou des vérins souples étant équipée de clapet de transvasemant ou d'aspiration (9a) et étant entrainée dans un mouvement alternatif oscillant de façon que le volume intérieur des vérins souples varie entre un volume maximum et un volume minimun pour évacuer le contenu des vérins vers l'extérieur par un collecteur (12) et créer une dépression à l'intérieur de la capacité aspirant le fluide à pomper par un piquage (11) et une conduite (7). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le piquage d'aspiration (11) est situé dans la partie supérieure de la cavité et que celle-ci dispose l'un orifice de remplissage (31) fermé par un bouchon (32) permettant un remplissage initial et partiel de la cavité avec du liquide sans déversement dans le conduit (7) par le piquage (11). 3) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comprend deux vérins souples (2) fixés à un balancier (3) par leur face inférieure et leur clapet d'aspiration (9a), le dit balancier solidaire d'un axe (4) étant entrainé dans un mouvement alternatif angulaire par un bras extérieur (27) ou par un balancier extérieur mû par un ou des opérateurs humains. 4) Dispositif selon une-quelconque des revendications 1 , 2 ou 3 caracténsé en ce qu'il comprend sur le circuit d'aspiration un clapet anti-retour pour éviter lors du remplissage initial de polluer le fluide à pomper par le liquide de remplissage versé en excès.