Brevet FR2703131A1 — publié le 19940930

Dispositif pour la création de coups de bélier, notamment dans des canalisations hydrauliques La présente invention concerne un dispositif pour la création de coups de bélier au niveau de tout ensemble hydraulique, destiné principalement au test d'installations hydrauliques mettant en oeuvre des circuits complexes comme des pompes par exemple. Actuellement, lorsque l'on désire faire caviter une pompe afin de déterminer ses conditions limites de fonctionnement, on a recours à des systèmes dénommés à soupape flottante, lesquels, placés dans la ligne d'admission de la pompe, constituent un barrage sur cette ligne. Toutefois, un tel système présente de nombreux inconvénients et notamment celui de générer des vibrations dans la ligne par le déplacement des ondes de pression ou bien encore de ne pas avoir un fonctionnement répétitif et donc prévisible. En outre, le dimensionnement d'un tel système est très difficile a réaliser en pratique. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et de réaliser un dispositif simple et fiable dont les paramètres de fonctionnement soient parfaitement maîtrisés. Ce but est atteint par un dispositif pour la création de coups de bélier dans une canalisation, comportant un équipage mobile pouvant, sous l'action d'une force déterminée venant rompre un arbre à casser retenant cet équipage, se déplacer dans une chemise disposée latéralement par rapport à la canalisation à tester et débouchant dans celle-ci, l'équipage mobile comportant à une première extrémité un piston de commande sur la face avant duquel s'exerce ladite force déterminée et à une seconde extrémité un piston d'injection de section efficace plus petite que celle du piston de commande et à l'avant duquel est présent un volume d'injection Vi devant être injecté dans ladite canalisation et destiné à la création du coup de bélier. La force de déplacement de l'équipage mobile est engendrée par un gaz de commande introduit dans une chambre de commande recouvrant la face avant du piston de commande et solidaire de la chemise, l'instant de rupture de l'arbre à casser qui relie cette face avant à un élément fixe mais pouvant coulisser dans une paroi opposée de cette chambre étant prédéterminé par les seules caractéristiques mécaniques de l'arbre. La structure ainsi obtenue permet un fonctionnement particulièrement fidèle en ce sens qu'elle assure la création de coups de bélier présentant toujours les mêmes caractéristiques, ces caractéristiques pouvant en outre être modifiées facilement en remplacant simplement l'arbre à casser. Avantageusement, la course du piston de commande est réglable au moyen d'entretoises définissant la pénétration de l'élément support de l'arbre dans la chambre de commande, la course étant d'autant plus faible que cette pénétration est importante. En fin de course, le piston de commande vient en butée sur des amortisseurs solidaires d'un bâti indépendant de la chemise du dispositif. De préférence, les deux pistons formant l'équipage mobile sont reliés par une tige comportant au moins deux portées afin de faciliter le coulissement du piston d'injection dans la partie inférieure de la chemise et une circulation d'un fluide est réalisée dans une cavité annulaire définie, par ces portées, entre la tige et la seconde partie de la chemise, par l'intermédiaire d'orifices d'entrée et de sortie pratiqués dans cette seconde partie cylindrique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux à la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés, sur lesquels: -La figure 1 montre un schéma de principe du dispositif selon l'invention mis en place dans une canalisation, -La figure 2 est une coupe longitudinale du dispositif de la figure 1 mis en oeuvre dans une ambiance cryotechnique, et -La figure 3 est un diagramme montrant l'évolution de la pression en aval de la pompe de la figure 1. Sur le schéma de principe de la figure 1, on peut noter que le dispositif 10 pour la création de coups de bélier selon l'invention est disposé latéralement par rapport à une canalisation 12 sur laquelle ont été, dans un souci de simplification, représentées uniquement une pompe 14 et une vanne 16. Bien que dans cet exemple de réalisation le dispositif 10 débouche perpendiculairement à la canalisation 12, cette disposition particulière n'est aucunement limitative,une liaison oblique par exemple étant parfaitement envisageable. Le dispositif 10, placé sur un support (non représenté) en aval de la pompe 14 dont on désire étudier les phénomènes de cavitation qui l'habitent, est constitué principalement d'un équipage mobile 100 constitué d'un piston de commande 102 et d'un piston d'injection 104 reliés entre eux par une tige 106. Le piston de commande 102 se déplace dans une première partie cynlindrique 110 d'une chemise 112. Des butées souples 114, placées sur un bâti 120 indépendant de la chemise 112, sont destinées à amortir le piston de commande en fin de course tout en supprimant toute vibration du dispositif lors du contact de ce piston avec ces butées. Le piston d'injection 104, dont la section efficace est inférieure à celle du piston de commande, coulisse dans une seconde partie cylindrique 118 de la chemise 112 s'étendant à partir d'une ouverture pratiquée dans le fond de la première partie 110 et venant se brancher sur la ligne 12. De préférence, la tige 106 assurant la liaison entre les deux pistons comporte plusieurs portées 116 au niveau de la seconde partie cylindrique de la chemise, afin d'éviter tout coincement du piston d'injection 104. Le déplacement du piston de commande 102 est obtenu par l'action d'une force déterminée sur sa face avant 124, laquelle force provoque la rupture d'un arbre 122 dont une première extrémité est fixée à cette face frontale 124 du piston et une seconde extrémité à un élément 126 disposé à l'opposé, solidaire d'une chambre de commande 128 venant coiffer la face frontale du piston 102 et reliée à la première partie cylindrique 110, et réglable en position par rapport à cette chambre. La course du piston de commande peut être réglée par un ensemble d'entretoises 130 disposées autour de l'élément 126 et qui ajustent la pénétration de ce dernier dans la chambre de commande et ainsi, par l'intermédiaire de l'arbre 122, modifient la position initiale du piston 102 dans la première partie cylindrique 110.La chambre de commande 128 comporte un conduit d'entrée 132 pour l'admission, à partir d'une source non représentée, d'un gaz de commande dont la pression sera suffisante pour permettre la rupture de l'éprouvette que constitue l'arbre à casser 122 et pour exercer la force déterminée nécessaire au déplacement du piston. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est le suivant. ll sera analysé, à titre explicatif, dans le cas d'un essai tendant à connaître le comportement d'une pompe, placée en amont du dispositif, suite à une perturbation hgne. I1 peut aussi être noté que le coup de bélier créé par le dispositif sera reproduit à partir d'un palier stabilisé (voir figure 3) correspondant à un point de fonctionnement déterminé de l'ensemble à tester. L'arbre à casser 122 étant en place, le piston 102 est dans une position initiale définie par la pénétration du cylindre 126 dans la chambre de commande 128 et fixée par les entretoises 130. Cette position initiale détermine un volume VO pour la chambre 128 ainsi qu'un volume d'injection Vi en avant du piston d'injection 104. La pression à l'intérieur de la chemise 112 est constante et égale à une valeur prédéterminée (par exemple la pression atmosphérique). ll peut alors être procédé, au travers de l'orifice d'entrée 132, à un remplissage en gaz de la chambre 128 dont la pression va s'accroître jusqu'à provoquer la rupture de l'arbre 122.L'instant de cette rupture qui dépend de façon déterminée des seuls caractéristiques mécaniques de marbre à casser, définie le point de départ de l'injection du volume Vi dans la canalisation 12, les conditions de cette injection dépendant de la structure du dispositif selon l'invention et notamment (on supposera constante la masse de l'équipage mobile formée des pistons de commande et d'injection) d'une part du rapport prédéterminé entre les sections efficaces du piston de commande et du piston d'injection et d'autre part de la course du piston de commande fixée par les entretoises. L'accélération mise en jeu dans le dispositif étant particulièrement élevée, il sera nécessaire de veiller à ce que la pression dans la chambre 128 reste à une certaine valeur non nulle, afin d'éviter tout rebond du piston, cette pression de commande étant en effet le seul paramètre de retenue du piston. En outre, il peut être noté que le volume injecté peut si nécessaire être modifié en jouant sur la section du piston d'injection 104 ou sur la course du piston de commande 100, la première solution étant à privilégier car elle permet de couvrir une plus large gamme de volumes tout en autorisant une réduction des accélérations, des vitesses et des efforts. La figure 2 montre un exemple de réalisation du dispositif de la figure 1 mis en oeuvre dans une ambiance cryotechnique. Aux éléments décrits précédemment en regard de la figure 1 et pour lesquels les références initiales ne sont pas modifiées, viennent se greffer des éléments nouveaux liés à la nature du fluide maintenant transporté par la canalisation 12. Tout d'abord, on aura pris soin de séparer la mise en froid du dispositif 10 de l'ensemble à tester 14, par exemple au moyen de vannes de purge. Ensuite, pour mieux scinder sources chaude et froide, il sera procédé à une recirculation de l'hydrogène liquide de la ligne au niveau du piston d'injection dont on aura également isolé la face avant. Un tampon 140 équipé par exemple d'un isolateur thermique à base de g ; graphité conviendra parfaitement à cette isolation. De même, afin de minimiser la phase gazeuse en avant du piston d'injection, il sera pratiqué dans la seconde partie de la chemise, radialement autour de ce piston, des purges à calibrages réglables 142 alimentées à partir d'une source d'hélium non représentée et qui amèneront ce gaz dans des cavitées annulaires 144 formées par les portées 116 entre la tige 106 et cette seconde partie 118.L'évacuation du mélange formé par l'hélium et des fuites d'hydrogène provenant du volume Vi est réalisée par des orifices de sortie 146 pratiqués radialement dans la seconde partie de la chemise au niveau de la face avant du piston d'injection. Avantageusement, le gaz de commande injecté dans la chambre 128 sera de l'azote. Afin de faciliter le transport et la mise en place du dispositif selon l'invention, au moins deux éléments de manutention 150 sont fixés sur la chemise 112 et la chambre 128. Chacun comporte une ouverture 152 pour permettre le passage d'un axe commun nécessaire à ce transport. La figure 3 représente la variation de pression engendrée au niveau de la ligne 12 par le dispositif de la figure 2. On peut observer la brusque montée de pression après la rupture de l'arbre, celle-ci se produisant en outre dans un temps très court. Dans le cadre de l'exemple précité, il a ainsi pu être obtenu un pic de pression de 25 bar pendant un temps de 0,8ms à partir d'une pression de commande d'environ 30 bar, les pistons de commande et d'injection ayant une section efficace respectivement de 1,7 10-2 et 3,2 10-i̇2 et le volume d'injection Vi étant égal à 0,1 dm3 avec une masse de l'équipage mobile de 7,7 Kg. n est important de noter que le dispositif selon l'invention permet la création de coups de bélier aux caractéristiques parfaitement reproductibles, sous réserve bien évidemment de procéder au remplacement de l'arbre à casser. Celui-ci est facilité par la présence d'un filetage 144 présent au niveau de la face avant 124 du piston 102 et sur lequel peut venir se visser un organe quelconque pour extraire la partie de cet arbre restée solidaire du piston 102 lors de son retrait. Cette configuration n'est aucunement limitative et il pourrait être envisagé toute autre disposition pour cette extraction sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la création de coups de bélier dans une canalisation, caractérisé en ce qu'il comporte un équipage mobile (100) pouvant, sous l'action d'une force déterminée venant rompre un arbre à casser (122) retenant cet équipage, se déplacer dans une chemise (110,118) disposée latéralement par rapport à la canalisation à tester (12) et débouchant dans celle-ci, l'équipage mobile comportant à une première extrémité un piston de commande (102) sur la face avant (124) duquel s'exerce ladite force déterminée et à une seconde extrémité un piston d'injection (104) de section efficace plus petite que celle dudit piston de commande et à l'avant duquel est présent un volume d'injection Vi devant être injecté dans ladite canalisation et destiné à la création du coup de bélier. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite force de déplacement de l'équipage mobile est engendrée par la pression exercée par un gaz de commande introduit dans une chambre de commande (128) recouvrant la face avant du piston de commande (102) et solidaire de la chemise (112), l'instant de rupture de l'arbre à casser (122) qui relie cette face avant à un élément (126) fixe mais pouvant coulisser dans une paroi opposée de cette chambre étant prédéterminé par les seules caractéristiques mécaniques de l'arbre. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la course du piston de commande (102) est réglable au moyen d'entretoises (130) définissant la pénétration de l'élément (126) dans la chambre de commande, la course étant d'autant plus faible que cette pénétration est importante. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'en fin de course, le piston de commande (102) vient en butée sur des amortisseurs (114) solidaires d'un bâti (120) indépendant de la chemise (112) du dispositif. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deux pistons (102,104) formant l'équipage mobile (100) sont reliés par une tige (106) comportant au moins deux portées (116) afin de faciliter le coulissement du piston d'injection (104) dans la partie inférieure (118) de la chemise. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' une circulation d'un fluide est réalisée dans une cavité annulaire (144) définie, par les portées (116), entre la tige (106) et cette seconde partie de la chemise, par l'intermédiaire d'orifices d'entrée (142) et de sortie (146) pratiqués dans la seconde partie cylindrique (118).