Brevet FR2958347A1 — publié le 20111007

POMPE A VOLUTE EN BETON La présente invention a pour objet une pompe à volute en béton. Une telle pompe peut être utilisée dans de nombreuses installations, en particulier dans des centrales nucléaires, des stations de pompage d'eau, ou encore des stations d'irrigation ou de drainage. Les pompes à volute en béton constituent une solution technique efficace pour assurer le pompage de grandes quantités d'eau à des valeurs de débits élevées. Les débits peuvent ainsi atteindre des valeurs comprises entre 4 et 40 m3/s pour des hauteurs totales d'élévation d'eau de 5 à 35 m ou plus. Ce type de pompe comprend un rotor à aubage qui agit sur le liquide en se servant de la force centrifuge pour l'accélérer, ainsi qu'un collecteur, ou volute, disposé en sortie du rotor. L'écoulement moyen se fait en s'écartant de l'axe du rotor vers sa périphérie de façon radiale. Le rotor est dans la présente invention une roue à aubes centrifuge ou hélico centrifuge qui tourne autour de son axe à grande vitesse. L'eau qui pénètre axialement par un conduit d'entrée de la pompe coaxial à l'axe du rotor est rejetée par les aubes vers la périphérie de la roue. La volute est un corps fixe, de section croissante, dans lequel le ralentissement progressif du liquide sortant de la roue à aubes permet de transformer l'énergie cinétique du liquide en énergie de pression. La volute canalise ainsi le liquide à la sortie du rotor, et permet de réduire les turbulences et la vitesse du liquide. Du fait des pressions élevées de liquide régnant dans les pompes à volute en béton et de la dissymétrie de la volute, une poussée radiale, perpendiculaire à l'axe de la roue, s'exerce sur la roue. La poussée radiale entraîne un fléchissement de l'arbre de la roue, ce qui peut provoquer des contacts entre la roue et le conduit d'entrée. De tels contacts peuvent entraîner une détérioration importante du matériel, ainsi qu'une perte d'étanchéité de la pompe et une baisse de rendement. Un autre problème pouvant se produire dans une pompe à volute en béton est l'endommagement du béton causé par la vitesse d'écoulement élevée du liquide circulant dans une telle pompe. On connaît différentes solutions permettant de résoudre l'un ou l'autre 5 de ces problèmes. Concernant le problème de la poussée radiale du liquide sur la roue, il est connu d'utiliser un ou plusieurs paliers hydrodynamiques ou sous forme de roulements à bille destinés à rigidifier l'arbre et situés notamment à mi-hauteur de l'arbre. 10 Cette solution nécessite toutefois une maintenance supplémentaire. Il est également connu d'utiliser des pompes à double volute en béton, afin de réduire la poussée radiale sur la roue. Ces pompes ont pour inconvénient d'être chères et présentent un rendement plus faible. 15 En outre, ces deux solutions ne résolvent pas le problème d'usure du béton sous l'action de la vitesse de l'écoulement. En ce qui concerne le problème d'usure du béton, il est connu d'utiliser des blindages métalliques sur les zones de la volute où la vitesse d'écoulement du fluide est la plus élevée. 20 Cette solution est de mise en oeuvre complexe et onéreuse et ne résout pas le problème de poussée radiale s'exerçant sur la roue. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention propose en particulier une pompe à volute en béton permettant de réduire la poussée radiale s'exerçant sur la roue tout en 25 limitant l'usure du béton, et ce de manière simple et économique. L'invention a ainsi pour objet une pompe à volute en béton comprenant un rotor en rotation autour d'un axe et apte à diriger radialement un liquide vers une volute à paroi en béton disposée autour du rotor. Conformément à l'invention, la pompe comprend en outre des 30 éléments fixes disposés entre le rotor et la volute et formant une barrière discontinue autour du rotor. La présence des éléments fixes formant obstacle autour du rotor permet d'homogénéiser la pression de liquide autour du rotor et ainsi de diminuer la poussée radiale globale exercée par le fluide sur le rotor du fait de la dissymétrie de la volute. En outre, la présence d'un espace entre le rotor et la volute pour la disposition des éléments fixes permet de diminuer la vitesse d'écoulement du liquide dans la volute. Les éléments fixes sont de préférence répartis régulièrement autour du rotor, ce qui favorise la diminution de la poussée radiale. Par répartition régulière, on entend que l'angle entre deux droites issues de l'axe du rotor et reliant deux éléments fixes adjacents est sensiblement constant tout autour du rotor. Chaque angle pourra avantageusement être égal à l'angle moyen de répartition (360° divisé par le nombre d'éléments fixes) ±10%, et de préférence égal à l'angle moyen de répartition ±5%. Egalement pour limiter davantage la poussée radiale, les éléments fixes peuvent être disposés à égale distance de l'axe du rotor. La distance pourra varier de 2%, voire de 1% par rapport à une distance moyenne. Le rotor est typiquement une roue à aubes. Les éléments fixes sont avantageusement des ailettes. Le nombre d'aubes et le nombre d'ailettes sont de préférence premiers entre eux, de manière à éviter les vibrations. Pour éviter les perturbations entre les aubes et les ailettes, le nombre d'aubes et le nombre d'ailettes peuvent être différents de plus d'une unité. Les ailettes sont disposées de manière à suivre l'écoulement du fluide dirigé par le rotor. On évite ainsi de perturber l'écoulement, ce qui procure un meilleur rendement à la pompe. Pour chaque ailette, l'angle entre l'ailette et la direction d'écoulement est de préférence inférieur à 2°, et encore de préférence inférieur à 1°. La volute peut être de section circulaire, de manière à limiter l'encombrement par rapport à l'utilisation d'une volute de section de forme allongée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue générale d'une pompe à volute en béton selon l'invention, et - la figure 2 est une vue en section transversale d'une partie de la pompe. La pompe 1 à volute en béton, tel qu'illustrée à la figure 1, qui est une vue de dessous en perspective de la pompe 1, comprend une conduite d'entrée d'eau 2, une roue 3 à aubes, une volute 4, ainsi qu'une conduite de sortie d'eau 5. La conduite d'entrée d'eau 2 est une conduite d'acheminement d'eau en direction de la roue 3 à aubes. La conduite 2 est par exemple cylindrique, mais pourrait également être un coude. La roue 3 à aubes est une roue motrice fixée sur un arbre moteur, non représenté, d'axe vertical. La roue 3 à aubes et la conduite d'entrée d'eau 2 sont coaxiales. La roue 3 à aubes est une pompe centrifuge qui permet de transformer de l'énergie mécanique en énergie cinétique. L'écoulement moyen de l'eau se fait en s'écartant de l'axe de la roue 3 vers sa périphérie de façon radiale. L'eau est ensuite entraînée dans la volute 4 jusqu'à la conduite cylindrique de sortie 5. La volute 4 est une conduite dont la section croît depuis un bec de volute jusqu'à la conduite de sortie 5. Cinq ailettes 6 sont disposées de façon régulière autour de la roue 3 à aubes. Les ailettes 6 peuvent notamment être fixées sur des parois métalliques supérieures et inférieures, non représentées. Ces parois sont deux couronnes circulaires parallèles fixées sur la volute. L'angle entre deux droites issues de l'axe de la roue 3 à aubes et reliant deux ailettes 6 adjacentes est sensiblement égal à 72°, par exemple compris entre 69° et 75°. On peut utiliser au minimum deux ailettes, et de préférence de trois à quinze ailettes ou davantage, et plus préférentiellement de trois à onze ailettes, de manière à obtenir un bon compromis coût/baisse de la poussée radiale. Les ailettes 6 permettent de compenser la dissymétrie de la volute 4 en homogénéisant la pression d'eau autour de la roue 3 à aubes, de sorte que la poussée radiale résultante sur la roue 3 à aubes est fortement réduite. La poussée radiale dans un dispositif de pompage à pompe à volute est causée par la mauvaise répartition de la pression autour de la roue, du fait de la dissymétrie de la volute 4. La figure 2 est une vue en coupe de dessus de la partie du dispositif située entre la roue 3 à aubes et le bec 7 de la volute 4. Le bec 7 de la volute 4, également appelé bec 7 de volute, est la partie de la volute 4 qui présente la section la plus faible et qui est la plus proche de la roue 3 à aubes 8. RI désigne le rayon de sortie de la roue 3 à aubes 8. Il s'agit de la distance entre l'axe de la roue 3 et l'extrémité des aubes 8 la plus éloignée de 10 l'axe de la roue 3. Les ailettes 6 sont des cloisons de forme courbe présentant une section transversale de forme allongée. Les ailettes 6 sont en outre alignées avec les lignes de courant de l'écoulement. Les ailettes 6 ont de préférence toutes la même forme. La distance entre l'axe de la roue 3 et l'extrémité de 15 l'ailette 6 la plus proche de l'axe est référencée R2, tandis que la distance entre l'axe de la roue 3 et l'extrémité de l'ailette 6 la plus éloignée de l'axe est référencée R3. R4 désigne la distance entre l'axe de la roue 3 et l'entrée de la volute 4, tandis que R5 désigne la distance entre l'axe de la roue 3 et le bec 7 20 de la volute 4. Plus l'écart entre R4 et RI est important, et plus la vitesse d'écoulement d'eau sera réduite. Pour chaque ailette 6, la différence entre la distance radiale R2 entre l'axe du rotor 3 et l'extrémité de l'ailette 6 la plus proche de l'axe du rotor 3 et 25 la distance radiale RI entre l'axe de la pompe et la périphérie du rotor 3 représente de préférence de 1 à 10%, et encore de préférence de 5 à 10% de la distance radiale RI entre l'axe de la pompe et la périphérie du rotor 3. On obtient ainsi moins de sollicitation sur les aubes 8, ce qui diminue les vibrations et améliore les performances de la pompe. 30 Le rapport (R2 - Rl)/Rl est ainsi de préférence compris entre 0,01 et 0,1, et encore plus préférentiellement entre 0,05 et 0,1. Pour chaque ailette 6, la différence entre la distance radiale R5 entre l'axe du rotor 3 et l'extrémité 7 de la volute 4 la plus proche de l'axe du rotor 3 et la distance radiale R3 entre l'axe du rotor 3 et l'extrémité de l'ailette 6 la plus éloignée de l'axe du rotor 3 représente de préférence de 3 à 10%, et encore de préférence de 3 à 7% de la distance radiale R3 entre l'axe du rotor 3 et l'extrémité de l'ailette 6 la plus éloignée de l'axe du rotor 3. Cette disposition permet d'éviter un blocage du débit et un mauvais écoulement. On veille ainsi à ce que le rapport (R5 - R3)/R3 soit compris entre 0,03 et 0,1, et de préférence entre 0,03 et 0,07. La pompe selon l'invention permet ainsi de réduire la poussée radiale exercée par l'eau sur la roue à aubes, tout en limitant la vitesse d'écoulement d'eau, et ce de manière simple et économique. Bien que les figures 1 et 2 illustrent des éléments fixes sous forme d'ailettes, la pompe selon l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et peut comprendre des éléments fixes de profils différents, et notamment d'autres éléments fixes de section transversale de forme allongée. REVENDICATIONS1. Pompe (1) à volute (4) en béton, comprenant un rotor (3) en rotation autour d'un axe et apte à diriger radialement un liquide vers une volute (4) à paroi en béton disposée autour du rotor (3), caractérisée en ce que la pompe (1) comprend en outre des éléments fixes (6) disposés entre le rotor (3) et la volute (4) et formant une barrière discontinue autour du rotor (3). 2. Pompe (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits éléments fixes (6) sont répartis régulièrement autour du rotor (3). 3. Pompe (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits éléments fixes (6) sont disposés à égale distance de l'axe du rotor (3). 4. Pompe (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le rotor (3) est une roue (3) à aubes (8). 5. Pompe (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits éléments fixes (6) sont des ailettes (6). 6. Pompe (1) selon les revendications 4 et 5, caractérisée en ce que le nombre d'aubes (8) et le nombre d'ailettes (6) sont premiers entre eux. 7. Pompe (1) selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que les ailettes (6) sont disposées de manière à suivre l'écoulement du liquide dirigé par le rotor (3). 8. Pompe (1) selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que, pour chaque ailette (6), la différence entre la distance radiale (R2) entre l'axe du rotor (3) et l'extrémité de l'ailette (6) la plus proche de l'axe du rotor (3) et la distance radiale (R1) entre l'axe du rotor (3) et la périphérie du rotor (3) représente de 1 à 10% de la distance radiale (R1) entre l'axe du rotor (3) et la périphérie du rotor (3). 9. Pompe (1) selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que, pour chaque ailette (6), la différence entre la distance radiale (R5) entrel'axe du rotor (3) et l'extrémité (7) de la volute (4) la plus proche de l'axe du rotor (3) et la distance radiale (R3) entre l'axe du rotor (3) et l'extrémité de l'ailette (6) la plus éloignée de l'axe du rotor (3) représente de 3 à 10% de la distance radiale (R3) entre l'axe du rotor (3) et l'extrémité de l'ailette (6) la plus éloignée de l'axe du rotor (3). 10.Pompe (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la volute (4) est de section circulaire.