MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES RÉINGÉNIERIE D’UN BANC D’ESSAI DES POMPES HYDRAULIQUES PROJET D’ÉTUDES EN INGÉNIERIE DANS LE CADRE DU PROGRAMME EN GÉNIE ÉLECTROMÉCANIQUE Présenté par : Kroumil Zineb El ouafi Abderrahim Superviseur : Guyh Dituba Ngoma, Ing, Ph.D., Professeur Représentant industriel : Réal Mantha, contremaître, Technosub, Inc. 28 Août 2008
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MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES
RÉINGÉNIERIE D’UN BANC D’ESSAI DES POMPES HYDRAULIQUES
Représentant industriel : Réal Mantha, contremaître, Technosub, Inc.
28 Août 2008
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REMERCIEMENTS
Nous tenons à offrir nos sincères remerciements, à :
• Superviseur, Guyh Dituba Ngoma, professeur et directeur de module de sciences
appliquées pour son soutien constant, ses précieux conseils et sa disponibilité tout au
long de ce projet.
• Contremaître de l’entreprise Technosub Réal Mantha, notre représentant industriel pour
avoir suivi de prêt notre travail pendant notre présence au banc d’essai de Technosub.
• Professeur Walid Ghié pour ses conseils et suggestions.
• Techniciens et les employées de Technosub pour leur formidable accueil.
• Membres du Jury qui nous font l’honneur de participer à la présentation.
• Tous les membres du département des sciences appliquées (programme de génie) qui, de
prés ou de loin, ont participé directement ou indirectement à la réalisation de ce projet.
Enfin, nous adressons notre dernier remerciement, mais non le moindre, à nos familles (famille
Kroumil et famille El Ouafi) pour leurs soutien morale.
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RÉSUMÉ
L’entreprise Technosub est spécialisée dans la fabrication des pompes hydrauliques, elle fabrique
les types de pompes suivantes : pompes multistages, turbine verticale, pompes centrifuges et
pompes submersibles. Chacune de ces pompes est fabriquée spécialement pour aspirer différents
types de fluide (eau très corrosive, eaux chargées, sablonneuses et boueuses). La construction de
ces pompes est mise en ouvre en fonction de leur utilisations.
Chaque pompe fabriquée par Technosub est testée avant expédition sur leur banc d’essai qui
reproduit les conditions d’utilisation sur site. La précision des appareils de mesure permet de
relever des données essentielles comme la hauteur ou le débit mais également de connaître, le
rendement et la puissance de la pompe. Les résultats obtenus sont systématiquement fournis aux
clients pour bien répondre à leurs exigences et pour montrer qu’elle leur fournit un produit de
qualité.
Lors des essais réalisés sur les pompes submersibles, l’entreprise Technosub a remarqué qu’il y a
une anomalie sous forme d’une discontinuité sur les courbes de performances des pompes
submersibles. Elle a décidé de faire une étude globale sur leur banc d’essai afin de connaître
la(les) cause(s) du (des) problème(s) de cette discontinuité.
Etant donnée que la pompe est supposée d’être parfaite en termes des normes de fabrication, une
étude plus détaillée et précise est faite sur le circuit hydraulique et l’emplacement des
instruments de mesure du banc d’essai pour connaître la(es) cause(s) principale(s) du problème
et rechercher des solutions pour y remédier.
Cette étude vise à faire des simulations d’écoulement pour savoir le comportement de l’eau dans
le circuit hydraulique du banc d’essai, ainsi qu’à vérifier des normes de l’installation de chaque
composante hydraulique et instrument de mesure.
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Cinq solutions ont été proposées pour régler le problème d’anomalie des courbes de performance.
Une solution parmi les cinq a été choisie par le représentant industriel suite à ses avantages au
niveau du coût et de sa facilité de mise en œuvre. Cette solution consiste à :
• déplacer le transmetteur de pression et le débitmètre pour avoir respectivement
des mesures de pression et de débit plus précis ;
• déplacer la valve pour un bon fonctionnement lors de son ouverture.
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ABSTRACT
The Technosub Company is specialized in the manufacture of the hydraulic pumps; it
manufactures the types of following pumps: pumps multistages, vertical turbines, centrifugal
pumps and pumps submarines. Each one of these pumps is especially manufactured to aspire
various types of fluid (very corrosive water, mud-laden waters, sandy and muddy). The
construction of these pumps are put opens some according to their uses.
Each pump manufactured by Technosub is tested before forwarding on their testing ground
which reproduces the conditions of use on site. The precision of the measuring devices makes it
possible to obtain the essential data like the head or the flow but also to know, the pump
efficiency and power of pump. The results obtained are systematically provided to the customers
for answering their requirements well and to show that it provides them a product of quality.
During the tests carried out for the submarines pumps, the Technosub Company noticed that
there is an anomaly in the form of a discontinuity on the curves of performance of the
submarines pumps. It decided to make a general study on their test bench in order to know the
cause of the problem of this discontinuity.
Being given that the pump is supposed to be perfect in terms of the manufacturing standards, a
more detailed and specifies study is made on the hydraulic system and the site of the measuring
instruments of their test bench, to know the principals causes of the problem and to propose
some solutions to cure its.
This study aims at making simulations of flow to know the water behavior in the hydraulic
system of the testing ground. Thus to check standards of the installation of each hydraulic
component and measuring instruments.
Five solutions were proposed to solve the problem of anomaly of the curves of performance.
Among these solutions, one was chosen by the industrial representative due to its advatages on
the level of the cost and simplicity of implementation. This solution consists with:
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• to move the transmitter of pressure and the flow meter to have measurements of
more exact pressure and flow, respectively.
• to move the valve for a good performance at the time of its opening.
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Table des matières RÉSUMÉ ..................................................................................................................................................... iii
ABSTRACT .................................................................................................................................................. v
Liste des tableaux ......................................................................................................................................... xi
Liste des symboles et des abréviations ....................................................................................................... xii
CHAPITRE I : INTRODUCTION ............................................................................................................. 13
1.1 - Aperçu de l’entreprise [1] : ........................................................................................................ 14
4.4.1 - Installer un transmetteur de pression................................................................................... 50
4.4.2 - Minimiser le nombre des coudes à l’entrée de la conduite ................................................. 51
4.4.3 - Minimiser le nombre des coudes à l’entrée de la conduite et installer le débitmètre verticalement ....................................................................................................................................... 51
4.4.4 - Installer un transmetteur de pression et déplacer les débitmètres ....................................... 52
4.4.5 - Installer un transmetteur de pression, déplacer le débitmètre et la valve ............................ 53
4.5 - Solution retenue «installer un transmetteur de pression, déplacer les débitmètres vers les tubes verticaux et déplacer la valve» ................................................................................................................ 55
CHAPITRE 5 : SANTÉ ET SÉCURITÉ AU TRAVAIL. .......................................................................... 60
5.1 - Mesures de sécurité des démarreurs BENSHAW (Annexe G) ................................................... 61
5.2 - Mesures de sécurité pendant les essais : ..................................................................................... 62
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CHAPITRE I : INTRODUCTION
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À travers de ce premier chapitre, une présentation générale de l’entreprise a été effectuée.
Ensuite, la problématique et le mandat du projet ont été définis.
1.1 - Aperçu de l’entreprise [1] :
L’entreprise « Technosub Inc.» (fig.1.1) situé à Rouyn-Noranda au Québec a été fondée en mai
1995, afin de répondre à un besoin régional concernant la disponibilité de pompes et pièces de
pompes. Il se concentrait surtout sur la réparation de pompes, l'entreprise est vite devenue une
référence dans les solutions de pompage. Elle a développé une approche client qui assure que la
solution de pompage proposée est en lien direct avec le besoin de celui-ci. En 2003, l’entreprise
Technosub développe ses propres services, elle a procédé à un agrandissement majeur de sa
manufacture et ses entrepôts afin de répondre plus efficacement à la demande. L'équipe
Technosub compte actuellement plus de 60 employés.
Figure 1 - 1 : Entreprise Technosub.
Elles offrent différents produits et services qui sont :
Vente : Technosub est spécialisée dans la vente de pompes à turbines-verticales,
multistages, centrifuges, submersibles et tous autres types de pompes industrielles
(fig.1.2).
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Figure 1 - 2 : Pompes fabriquées par Technosub.
Tests et banc d'essais : Toutes les pompes fabriquées et réparées par Technosub sont
automatiquement testées et vérifiées pour que les performances rencontrent les demandes de
leurs clients.
Location : Technosub a développé un programme de location de pompes avec option
d'achat. Ils louent les équipements sur une base de temps plus ou moins longue (la journée,
la semaine, au mois ou à long terme)
Réparation : Technosub a investi dans une usine ultra moderne afin d'offrir un service plus
complet et plus rapide à leurs clients. Toute réparation et réusinage de pompes se fait
directement à son usine.
La figure 1.3 montre les différents départements de Technosub
Les pompes submersibles
Pompe multi stage
Pompe centrifuge
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Figure 1 - 3 : Départements de Technosub.
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1.2 - Problématique :
L’entreprise Technosub, comme déjà mentionné, est une entreprise spécialisée dans la
fabrication de différents types de pompes. Elle livre ses pompes avec des courbes
caractéristiques de performance obtenue pour permettre aux clients de les utiliser dans les
meilleures conditions. Le problème que l’entreprise rencontre est lié aux courbes obtenues
après le test de performance des pompes. Les courbes présentent une anomalie sous forme
d’une discontinuité (fig.1.4). Ce phénomène est souvent observé lorsque les essais se font sur
des pompes submersibles à haut débit qui sont installées sur les conduites de 6 po et 8 po du
diamètre nominal.
Figure 1 - 4 : Courbes des performances d'une pompe submersible testée par Technosub.
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1.3 - Situation désirée :
Technosub désire connaître la cause de la discontinuité obtenue sur les courbes de
performances lors des essais effectuées sur les pompes fabriquées et en même temps, elle
demande de documenter l’installation de son banc d’essai.
1.4 - Mandat :
Le mandat proposé par l’entreprise est la réingénierie du banc d’essai des pompes
hydrauliques consistant à:
identifier la cause du phénomène de la discontinuité des courbes de performances;
vérifier les normes sur le positionnement des composantes de mesures;
faire l’analyse de l’écoulement dans les conduites;
calculer les pertes de charges dans les conduites;
documenter le banc d’essai;
faire une analyse des coûts de la solution proposée;
faire des recommandations sur les aspects relatifs à la sécurité et à l’implantation de la
solution proposée.
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CHAPITRE II : DESCRIPTION DU BANC D’ESSAI DES POMPES EXISTANT.
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Le banc d’essai (Fig.2-1) des pompes existant de l’entreprise Technosub est composée :
• d’un réservoir;
• d’un système de tuyauterie : tuyaux, coudes, colliers;
• des instruments de mesure : valves, débitmètres, transmetteurs de pression;
• d’une pompe submersible;
• d’un système d’acquisition de données;
• d’un système électrique;
• d’une poste de contrôle.
Figure 2 - 1 : Banc d'essai existant de Technosub.
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Voici une description plus détaillée du banc d’essai des pompes submersibles existant :
2. 1 - Réservoir
Le réservoir d’eau utilisé par Technosub est construit du béton. Il est constitué d’un bassin de
pompage pour les pompes à colonne, un bassin d’essai pour les pompes submersible et un
bassin de retour d’eau. Il contient approximativement 324.535 m³ (85855.92 gallons) d’eau. Il
est d’une longueur totale de 10.028 m (393 11/16 po), d’une largeur totale de 6.5 m (255 7/8 po)
et d’une profondeur totale de 6,172 m (243 po). Le bassin de pompage pour les pompes à
colonne est sous forme d’un bassin rectangulaire d’une longueur de 3.4 m (134 1/16 po), d’une
largeur de 3.32 m (130 15/16 po). Le bassin de retour d’eau est d’une longueur de 4.95 m (195 1/16 po), d’une largeur de 3.4 m (134 1/16 po) et d’une profondeur de 5.15 m (203 po). Le bassin
d’essai pour les pompes submersibles est d’une forme de T (l’espace restant) tel que indiqué à
la figure 2-2.
Figure 2 - 2 : Réservoir.
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2. 2 - Système de tuyauterie (tuyaux, coudes, colliers)
Le réseau de conduite de Technosub comporte trois conduites en parallèles incluant les coudes
et réducteurs fabriquées en acier inoxydable noirs et galvanisée cédule 80 par la compagnie
Acier Leroux [2], de grandeurs différentes de 2po, 6po et 8po de diamètre nominal. Sur chaque
conduite une valve papillon automatique, un débitmètre magnétique et un manomètre sont
installés pour mesurer respectivement le pourcentage d’ouverture de la valve, le débit de l’eau
dans la conduite et la pression à la sortie de la pompe, chacune de ces composantes est liée à
une automate programmable pour acquérir ces mesures. La longueur de chaque conduite est
d’environ 1653.54 78.74 po. La forme des conduites de 2 po, 6po et 8po est illustrée dans la
figure 2-3:
Figure 2 - 3 : Géométrie des conduites.
Les raccordements (les coudes) sont fabriqués par la compagnie VICTAULIC [3], ils sont
pourvus d’extrémités rainurées ou de brides, pour permettre une installation rapide, sans
préparation sur le chantier.
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Les colliers possèdent un système exclusif de patins de contact obliques s’adapte aux tolérances
de tuyaux standards pour assurer un maintien rigide, résistant aux forces de flexion et de
torsion.
2. 3 - Valves
Les valves utilisées par Technosub fabriquées par la compagnie TRIAC Controls [4] au Canada
sont de type papillon automatisé série EMI-8600. Elles sont caractérisé par :
• Pression maximale de 800 Psia.
• Torque maximale de : 8600 po-lb.
• Voltage : 120 VAC.
• Ampérage : 10 A.
Elles disposent d’une carte électronique appelée «TMC2 Electronic Modulating Card», ces
dispositifs et ces avantages se résument dans les points suivants :
• Calibrage automatique pour une installation simple.
• Microprocesseur de 10 bits pour préciser et contrôler le positionnement.
• La programmation du contrôleur est accomplie par la combinaison des boutons et
l'interrupteur à positions multiples de sept-position sans avoir besoin de signal de
commande.
• Les signaux d'entrée peuvent être 4-20 mA, 1-5 mA, de 0-10 V continus, de 1-5 V
continus, 0-135 Ω ou le potentiomètre de signal de commande.
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Figure 2 - 4 : Valves papillons en différentes grandeurs.
Pour plus de spécifications voir la fiche technique des valves dans l’annexe [A].
2. 4 - Débitmètres
Les débitmètres utilisés par Technosub sont des débitmètres électromagnétiques qui sont
fabriquées par la compagnie ROSEMOUNT [5] aux États-Unis. Elles sont constitués d’un tube
de mesure Rosemount 8711 associé à un transmetteur haut signal Rosemount 8712H. Ce
système assure un mesurage stable du débit pour les applications à bruit élevé les plus difficiles
tout en bénéficiant des avantages de la technologie à champ continu pulsé. La puissance
supérieure du signal résulte de l’utilisation de matériaux de pointe pour la fabrication des
bobines de champ et d’un circuit de pilotage des bobines de champ innovant à haut rendement.
Cette puissance de signal supérieure, combinée à des techniques de traitement du signal et de
filtrage optimisées, fournit une solution performante pour les applications de débitmètre les plus
exigeantes.
Ces caractéristiques sont :
• Service : Liquides propres et chargés conducteurs.
• Diamètres nominaux des tubes entre 0,15 po à 8 po.
• Interchangeabilité : Les tubes de mesure Rosemount modèle 8711 sont
interchangeables avec les transmetteurs modèles 8732 et 8742C.
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• Les caractéristiques métrologiques sont maintenues quels que soient le diamètre du
tube de mesure ou les options retenues sur le tube de mesure et le transmetteur.
• Chaque tube de mesure est équipé d’une plaque signalétique sur laquelle est gravé
un coefficient d’étalonnage à seize chiffres. Ce coefficient est entré dans le
transmetteur par l’interface opérateur locale (L.O.I.) ou par l’interface de
communication HART pour les modèles Rosemount 8712H et 8732C.
• La vitesse d’écoulement : 10 m/s
• Limites de température du procédé : pour les tailles de conduites de 0,5" à 8" : – 29 à
+ 93 °C
• Limites de température ambiante : – 34 à 65 °C
• Pression maximale admissible à 38 °C : Vide absolu jusqu’à 5,1 MPa pour les tubes
de mesure de taille comprise entre 0,5 po à 8 po.
Figure 2 - 5 : Débitmètre électromagnétique.
Pour plus de spécifications voir la fiche technique des débitmètres dans l’annexe [B].
2. 5 - Transmetteur de pression :
Technosub utilise des transmetteurs de pression installées sur chaque conduite et branchés avec
l’automate programmable.
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2. 6 - Pompes submersibles
Ces pompes sont résistantes à la corrosion et sont conçues pour fournir un rendement et pour
pomper d’importantes quantités d’eau. Avec une protection intégrée de palier, elles peuvent
fonctionner dans des environnements sablonneux. Elles sont disponibles avec un moteur 4 pôle
submersible robuste pour une excellente durabilité. En permettant de couvrir une très grande
plage d'utilisations [1].
Figure 2 - 6 : Pompe submersible, volute, roue.
2. 7 - Système d’acquisition de données, d’évaluation et de présentation
Les instruments électriques et hydrauliques sont tous reliées à une carte d’acquisition de
données [6] intégrées dans un ordinateur. L'acquisition de données, l'évaluation et la
présentation des résultats de mesures se fait à partir d'un transducteur, d'un lecteur, d'un
ordinateur et d'un système de représentation graphique (pour dessiner la courbe). Le lecteur
transforme les lectures analogues en digitales, évitant ainsi toutes distorsions possibles des
signaux obtenus vers l'ordinateur.
Les données sont traitées en utilisant un logiciel (Fig.2-7) programmé spécialement pour
Technosub, le logiciel génère les points de performance hydraulique provenant des lectures du
débitmètre ainsi que les points de performance électrique du transducteur de pression, et
l'efficacité globale du produit mis à l'essai est calculée avec les points hydrauliques et
électriques. Durant l'essai les valeurs de la hauteur, le débit, le pourcentage d’ouverture de la
valve, la puissance électrique, la tension de ligne, le courant de ligne et le facteur de puissance
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apparaissent sur l'écran de l'ordinateur (Fig.2-7). À la fin de test le logiciel produit un rapport
contenant des informations sur les pompes testées, les courbes de performances, et les mesures
prises durant l’essai.
Figure 2 - 7 : Interface de logiciel utilisée par Technosub.
2. 8 - Système électrique
Technosub possède un système de distribution électrique fourni par HYDRO-QUEBEC, ce
système fonctionne avec une source de tension triphasée, avec une tension de ligne de 600 V et
une fréquence de 60Hz. Deux démarreurs (Fig.2-8) fabriqués par BENSHAW avec une marge
de puissance différente (démarreur 1 : 0-100HP, démarreur 2 : 100-800HP) sont installés pour
contrôler la puissance fournis aux moteurs des pompes dépendamment de la capacité de chaque
pompe. Chaque démarreur est lié à l’automate programmable en créant un circuit électrique
automatisé pour acquérir des données électriques (facteur de puissance, puissance électrique,
tension de ligne, courants) sans oubliant d’autres branchements effectué pour certains mesures
de sécurité (arrêt d’urgence, coupe d’alimentation, etc.).
• Caractéristiques de démarreur 1 :
Puissance: 100 HP ampérage: 124 A
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Fréquence: 60 Hz voltage: 600V 3 phases
• Caractéristiques de démarreur 2 :
Puissance: 800 HP ampérage: 840 A
Fréquence: 60 Hz voltage: 600V 3 phases
Figure 2 - 8 : Démarreurs Benshaw.
2. 9 - Poste de contrôle
Le poste de contrôle du banc d’essai, situé juste à coté du système électrique, comprend deux
boutons pour démarrer ou arrêter un test. Une instrumentation requise pour acquérir les divers
paramètres hydrauliques et électriques lors de l'essai, et un système d’acquisition de données
qui reçoit des signaux de 4 mA-20 mA à partir de plusieurs instruments de mesure (se référer à
la section 2-7 pour les détails sur les systèmes d'acquisition de données, d'évaluation et de
présentation).
Figure 2 - 9 : Poste de commande.
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CHAPITRE 3 : COURBES CARACTÉRISTIQUES D’UNE POMPE
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3.1 - Test de performance d’une pompe
Il s’agit de faire des tests sur une pompe avant de l'intégrer dans une installation
quelconque afin de s’assurer de son bon fonctionnement. Le test doit fournir les courbes de
performances de la pompe en ce qui concerne la hauteur manométrique, la puissance et le
rendement en fonction du débit.
3.2 - Courbes caractéristiques d’une pompe
Les performances d'une pompe peuvent être mises graphiquement en évidence sur des courbes
caractéristiques qui présentent normalement des données relatives aux paramètres : la hauteur
manométrique, la puissance effective du moteur, et l'efficacité. Ces informations sont indiquées
en fonction du débit de la pompe. Cette représentation graphique, indique la meilleure façon de
savoir quel sera le débit nécessaire pour une hauteur d'élévation donnée et réciproquement.
A titre d’exemple, la figure 3-1 montre la courbe de performance obtenue pour la pompe
KRS2-B6 de Tsurumi, partenaire de Technosub.
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Figure 3 - 1 : Courbes de performances de la pompe submersible KRS2-B6 de Tsurumi.
Il est évident que d'autres paramètres influencent les courbes caractéristiques de la pompe
comme la vitesse de rotation de la roue, la puissance du moteur, le diamètre de la roue ainsi que
les angles des aubes de la roue.
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3.2.1 - Théorie sur les courbes caractéristiques d’une pompe [7]
Les courbes caractéristiques d’une pompe peuvent être obtenues théoriquement en faisant la
combinaison de deux courbes : une courbe caractéristique idéale sans pertes; et une courbe des
pertes dans la pompe. La courbe caractéristique théorique d’une pompe est la différence entre
la courbe idéale et la courbe des pertes.
• Courbe caractéristique idéale :
Pour une roue à aubes idéale qui contient un grand nombre d’aubes avec une épaisseur
infinitésimale, les particules d’un liquide idéal se déplacent exactement d’une façon parallèle
avec les surfaces d’une telle roue sans frottement.
La figure 3-2 montre les diagrammes de vitesse à l’entrée et à la sortie de la d’une roue à aubes
d’une pompe.
Figure 3 - 2 : Diagramme des vitesses pour une roue.
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Avec :
: l’angle entre la tangente à l’aube et la tangente à la roue en un point considéré.
: la vitesse absolue d’une particule de liquide (la somme des 2 vecteurs u et ).
: la vitesse périphérique pour tout point sur l’aube.
: la vitesse tangente à l’aube.
: la vitesse radiale.
: la vitesse périphérique.
La figure représente les triangles de vitesse à l’entrée et à la sortie de la roue.
1 : Entrée de la pompe et 2 : sortie de la pompe.
La hauteur manométrique d’une roue à aube (Fig.3-2) est donnée par la relation suivante:
tan Eq3.1
La hauteur manométrique est le travail effectué sur unité de poids d’un liquide par une
roue à aube.
En négligeant les fuites, la vitesse méridienne doit être proportionnelle au débit . en
supposant une vitesse constante de rotation de la roue de la pompe, l’équation devienne :
Eq3.2
Avec et sont des constantes, et la valeur de dépend de la valeur de l’angle de
l’aube . La figure 3-3 montre la courbe hauteur manométrique-débit d’Euler pour trois
conditions possibles pour l’angle d’aube à la sortie.
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• Courbe des pertes dans la pompe [8] :
Il existe des différents types de pertes dans une pompe, on peut les classifier par différentes
catégories :
Les pertes mécaniques :
Pertes des paliers radiaux et axiaux.
Pertes mécaniques rencontrées avec certains types d’accouplements.
Pertes dans les garnitures mécaniques.
Pertes par fuite :
Fuites sur le barrage arrière d’une roue équilibrée.
Fuite au piston d’équilibrage.
Fuites à l’extrémité des aubes d’une roue hélice ouverte.
Pertes par frottement des surfaces immergées en rotation :
Pertes par frottement de disque.
Perte par frottement sur un cylindre.
Pertes hydrauliques :
les pertes dans la conduite d’amenée ;
les pertes dans la ou les roues ;
les pertes dans les diffuseurs aubés (Fig.3-4);
les pertes dans les diffuseurs lisses (Fig.3-4);
les pertes dans les canaux de retour ;
les pertes dans la volute (Fig.3-4);
les pertes des organes situés en aval du redresseur, à savoir le diffuseur droit et le
coude pour les pompes hélices.
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Figure 3 - 4 : Roue de pompe : diffuseur et volute.
L’ensemble de ces pertes peuvent être représentées dans la figure 3-5:
Figure 3 - 5 : Courbe de pertes de charge.
• La courbe caractéristique théorique de la pompe :
Pour un débit donné, la hauteur manométrique effective vaudra la différence entre la hauteur
manométrique théorique et les pertes correspondantes.
La hauteur manométrique résultante est donnée par la courbe (A’’B’’) de la figure 3-6:
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Figure 3 - 6 : Courbe de performance théorique.
3.2.2 - Pratique sur les courbes caractéristiques d’une pompe :
La pompe à tester P est raccordée sur l'installation et entraînée par un moteur électrique de
rendement connu.
Sur la tuyauterie, il y a :
ℵ un transmetteur de pression TP;
ℵ une valve V;
ℵ un débitmètre D.
Sur la ligne électrique, un wattmètre est placé.
Voici un schéma synoptique du test (Fig.3-7)
Figure 3 - 7 : Test d'une pompe submersible.
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Pour une position donnée de la valve, les mesures suivantes sont prises:
ℵ Le débit Q en /s au débitmètre D.
ℵ La pression p en N/ au transmetteur de pression TP.
ℵ La puissance en W au wattmètre. (Cette puissance doit être multipliée par le rendement
du moteur électrique pour obtenir la puissance absorbée par la pompe).
En répétant l'opération pour d'autres ouvertures de la valve, mais en gardant constante la vitesse
de rotation de la pompe, les courbes caractéristiques pratiques de fonctionnement en fonction
de débit sont obtenues en utilisant les équations suivantes :
Hauteur manométrique obtenue à partir de l’équation de Bernoulli (voir le circuit hydraulique
de la figure 3-8) :
2
Eq3.3
Figure 3 - 8: Circuit hydraulique avec une pompe.
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Avec :
la vitesse à la sortie du circuit hydraulique.
la vitesse à l’entrée de la pompe ( 0 .
Puissance hydraulique
Eq3.4
Rendement de la pompe:
Eq3.5
3.3 - Courbe du circuit hydraulique
Un circuit hydraulique peut être caractérisé par une courbe. Cette courbe est la représentation
graphique de l’équation d’énergie. Cette équation est souvent employée pour des problèmes
d'écoulement incompressible. Elle s'appelle l'équation d'énergie mécanique ou l'équation
prolongée de Bernoulli.
Entre deux points 1 et 2 dans un circuit hydraulique (Fig.3-9) avec une pompe l’équation
générale de Bernoulli [9] est :
2 2 , Eq3.6
Figure 3 - 9: Système de pompage de Technosub pour la conduite de 6po de DN.
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Avec :
, , , Eq3.7
, 2 , 2
Eq3.8
Avec :
: La pression à l’entrée de la pompe.
: La pression à la sortie de la conduite.
: La masse volumique de fluide.
: L’altitude du point i par rapport à l’axe des coordonnés choisis.
g : accélération de la pesanteur soit 9,81 m. .
, : Les pertes majeures dans la conduite.
, : Les pertes mineures dans la conduite.
: Hauteur fournie par la pompe.
L : La longueur de la conduite.
v : Vitesse de l’écoulement.
La hauteur manométrique requise du système est :
2 Eq3.9
Pour tracer la courbe caractéristique du réseau, il faut donner des valeurs de débit pour obtenir
la hauteur manométrique utile requise de la pompe.
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• Conduite de 6po de DN du banc d’essai de Technosub :
La courbe de perte de charge dans la conduite de 6 po de diamètre nominale utilisée dans le
banc d’essai de Technosub est représentée à partir de l’équation suivante :
2 Eq3.10
Avec :
L’équation (3.10) devienne :
42
Eq3.11
En donnant des valeurs au débit entre 0 à 0.06 / telles que utilisées pour la pompe
submersible KRS2-B6 de Technosub, voici la courbe des pertes du système obtenue (Fig.3-10):
Figure 3 - 10 : Courbe du circuit hydraulique (conduite de 6 po de DN).
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3.4 - Point de fonctionnement :
Le point de fonctionnement d’une pompe dans un circuit hydraulique correspond à
l’intersection de la courbe hauteur manométrique-débit de la pompe et celle de la hauteur
manométrique-débit du circuit hydraulique. La projection de ce point sur l’axe du débit donne
le débit nécessaire pour avoir le bon fonctionnement de la pompe dans ce système. Il représente
donc une donnée importante pour utiliser les pompes dans leurs meilleures conditions.
Le choix de la pompe dépend de son rendement maximum au sein d’un système. Pour
l’atteindre, il faut donc réussir à faire coïncider l’intersection des caractéristiques du système et
de la pompe le plus prêt possible du point de fonctionnement optimal de la pompe.
A titre d’exemple (Fig.3.11), le point de fonctionnement de la pompe submersible KRS2-B6
avec la conduite de 6po de DN du banc d’essai de Technosub. Ce point est défini avec un débit
de 0.056 m³/s pour une hauteur manométrique de 8 m.
Figure 3 - 11 : Point de fonctionnement de la pompe KRS2-B6.
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CHAPITRE 4 : RECHERCHE DES SOLUTIONS
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Dans ce chapitre, cinq solutions sont proposées en partant de l’analyse approfondie effectuée du
banc d’essai existant de Technosub pour régler la problématique liée aux courbes de
performance des pompes submersibles.
4.1 - Analyse du banc d’essai de Technosub
Lors d’une visite industrielle, plusieurs points existant sont remarqués au niveau de
l’installation de son système de pompage :
• Le phénomène de discontinuité des courbes de performance est souvent observé au
niveau des conduites de grandes sections (6po et 8po de diamètre nominal).
• L’entrée de la conduite de DN de 2po diffère des autres conduites (6 po et 8 po de
DN) concernant le nombre des coudes.
• 3 coudes de 90 degrés (Fig.4-1) installées à l’entrée de la conduite de 6 po et 8 po
de diamètre nominal et avant la valve.
Figure 4 - 1: Entrée des conduites.
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• La prise de mesure de pression est installée juste avant la valve et juste après un coude
de 90°.
Figure 4 - 2: Prise de mesure de pression.
• Les débitmètres pour les conduites des diamètres nominaux de 6po et 8po sont
installés horizontalement.
Figure 4 - 3: Emplacement de débitmètre sur la conduite de 6 po.
• Une valve pour la conduite de DN de 6po est installée entre deux coudes de 90°.
L’autre valve de la conduite de 8 po est installée après les coudes de 90°.
Conduite de 6 po nominale.
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Figure 4 - 4 : Emplacement des valves sur les conduites.
Etant donné que toutes les normes de fabrication des pompes sont respectées, une étude
détaillée sera effectuée sur les instruments de mesure et leur emplacement dans le circuit
hydraulique ainsi que sur le comportement de l’eau dans les conduites.
4.2 - Modélisation et simulation
4.2.1 - Conduite de 6 po :
À l’aide du logiciel SolidWorks, une modélisation de la conduite de DN de 6 po (Fig.4-5) a été
faite. Cette modélisation est sauvegardée en utilisant l’extension (.sat) pour que le logiciel de
maillage GAMBIT [10] soit capable de l’importer.
Figure 4 - 5: Modélisation de la conduite de 6 po.
Conduite de DN de 6 po
Conduite de DN de 8 po
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La simulation d’écoulement est faite à l’aide d’un logiciel appelé FLUENT [11] qui est un
logiciel commercial de simulation numérique des écoulements par la méthode des volumes
finis. L’avantage de cette expérience numérique est que toutes les quantités physiques liées à
l’écoulement (champ de vitesse, champ de pression, contraintes,etc.) sont immédiatement
disponibles. Ces quantités sont visualisées comme s’il s’agissait d’observations faites sur une
expérience réelle.
La première étape effectuée pour la réalisation de cette simulation est la définition d’un
maillage adapté à l’écoulement à l’aide d’un logiciel de maillage appelé GAMBIT. Trois
maillages de 50 %, 60 % et de 70 % de finesse ont été traités pour la conduite de 6 po de DN
modélisé sur SolidWorks afin de s’assurer de la convergence numérique des résultats obtenus
pour chaque maillage. La convergence des résultats a été atteinte avec le maillage de 70% de
finesse. Des conditions aux limites pour la conduite ont été définies concernant la vitesse
d’entrée, la pression de sortie et la paroi de la conduite de 6po de DN. Par après, le maillage a
été sauvegardé sous extension (.msh).
Figure 4 - 6: Maillage de la conduite de 6 po avec indication des conditions aux limites.
La deuxième étape effectuée est l’analyse de l’écoulement sur le logiciel FLUENT. Voici
quelques étapes suivis pour cette analyse :
• Importation du maillage (.msh);
Condition à la limite 1 : Vitesse
d’entrée Condition à la
limite 2 : pression de sortie
Condition à la limite 3 : paroi
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• Choix de la méthode de calcul (pour un cas turbulent avec k-epsilon);
• Choix du fluide (eau);
• la pression de référence à 0;
• Fixation des valeurs des conditions aux limites (vitesse d’entrée = 2m/s, pression de
sortie = pression atmosphérique);
• Exécution de l’analyse (iterate).
• Visualisation des résultats.
Le tableau 4.1 contient un résumé des données utilisées pour des simulations avec le logiciel
fluent :
Tableau 4 - 1 : Les paramètres et les conditions choisis pour la simulation.
Méthode de calcul k-epsilon (cas turbulent)
le fluide eau
Pression de référence Pression atmosphérique
Vitesse d’entrée 2 m/s
Pression de sortie Pression atmosphérique
Les équations de calcul dont le logiciel FLUENT sert pour résoudre les problèmes des
écoulements sont les équations de Navier-Stocks, de continuité et de bilan de l’énergie [12]:
• Équation de continuité (ou équation de bilan de la masse)
• Équation de bilan de la quantité de mouvement (Navier-Stocks)
• Équation de bilan de l'énergie
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Dans ces équations :
t représente le temps (en s) ;
ρ désigne la masse volumique du fluide (en . ;
désigne la vitesse eulérienne d'une particule fluide (en . ) ;
p désigne la pression (en Pa) ;
est le tenseur des contraintes visqueuses (en Pa) ;
désigne la résultante des forces massiques s'exerçant dans le fluide (en N.kg − 1) ;
e est l'énergie totale par unité de masse (en J.kg − 1) ;
est le flux de chaleur perdu par conduction thermique (en J.m − 2.s − 1) ;
r représente la perte de chaleur volumique due au rayonnement (en J.m − 3.s − 1).
Pour les simulations effectuées l’équation de bilan de l’énergie n’a pas été prise en compte car
il n y’a pas de distribution de température.
4.2.2 - Interprétation des résultats :
La figure 4.7 présente le champ de vitesse d’écoulement de l’eau dans la conduite pour une
vitesse imposée à l’entrée de 2 m/s.
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Figure 4 - 7: Simulation de la conduite de 6 po par fluent.
D’après les profils de vitesse obtenus avec Fluent, les résultats montrent une variation
importante (augmentation) des vitesses au niveau des coudes, tels que observé, un changement
de couleur (couleur rouge) de vitesse dans les endroits où il y a un changement de direction
(virage), c'est-à-dire que l’écoulement à l’entrée de la conduite connait des turbulences, ce qui
a permis de constater que :
• La prise de mesure de pression ne caractérise pas directement la pompe, parce
qu’il est plus loin de la sortie de la pompe.
• Une turbulence au niveau de prise de mesure de pression.
Prise de mesure de pression
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4.3 - Vérifications des normes de débitmètre
L’entreprise ROSEMOUNT spécialisé dans la fabrication des débitmètres magnétiques a fourni
un guide d’installation de ses débitmètres. Le guide (ANNEXE C) explique les étapes à suivre
et les normes à respecter pour avoir une installation parfaite de ses débitmètres.
Selon le guide un bon fonctionnement du débitmètre est assuré s’il est monté dans une ligne :
• verticale avec circulation ascendante du fluide procédé pour les conduites de grande
section (6po et 8po de DN). Cela permet de garder le plan transversal plein, quel que
soit le débit.
• horizontale pour les petites sections (2 po de DN) qui sont normalement pleines.
Le banc d’essai des pompes de Technosub ne respecte pas les normes d’installation du
débitmètre au niveau des conduites de DN de 6 po et de 8 po. Ce qui permet de dire que le
problème est lié aussi à la mesure du débit.
4.4 - Solutions proposées :
4.4.1 - Installer un transmetteur de pression
Cette solution consiste à enlever le transmetteur de pression actuel et installer un autre sur les
conduites de 6po et 8po de DN. Ce transmetteur de pression va être placé juste après la pompe
dans le tuyau qui relie la pompe à l’entrée de la conduite de 6 po et de 8 po tel indiqué sur la
figure 4.8.
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Figure 4 - 8: Installation d’un transmetteur de pression.
4.4.2 - Minimiser le nombre des coudes à l’entrée de la conduite
Cette solution consiste à minimiser le nombre des coudes à l’entrée des deux conduites de
6 po et de 8 po de diamètre nominal et à déplacer la prise de mesure de pression à l’endroit
où l’eau est stabilisée (Fig.4-9).
Figure 4 - 9: Minimiser le nombre des coudes à l’entrée de la conduite.
4.4.3 - Minimiser le nombre des coudes à l’entrée de la conduite et installer le
débitmètre verticalement
Cette solution consiste à minimiser le nombre des coudes à l’entrée des deux conduites de 6 po
et de 8 po de diamètre nominal. Cela permet de diminuer la turbulence dans cette zone afin
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d’obtenir des mesures de pression caractérisant la pompe. Elle consiste également à déplacer
les débitmètres des deux conduites de 6po et de 8po vers les tuyaux verticaux pour son bon
fonctionnement.
Figure 4 - 10 : Minimiser le nombre des coudes et déplacer les débitmètres.
4.4.4 - Installer un transmetteur de pression et déplacer les débitmètres
Une autre solution qui a été proposée consiste à enlever le transmetteur de pression actuel, à
installer un nouveau transmetteur de pression juste après la sortie de la pompe sur la conduite
de 4 po, et à déplacer les débitmètres vers les tuyaux verticaux pour les conduites de 6po et de
8po, comme indiquée à la figure 4.11 :
Figure 4 - 11 : Installation d’un transmetteur de pression et déplacement des débitmètres.
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4.4.5 - Installer un transmetteur de pression, déplacer le débitmètre et la valve
La dernière solution proposée consiste à corriger les emplacements de tous les instruments
utilisés dans le banc d’essai de Technosub afin d’éviter les endroits où il y a des turbulences et
des pertes de charge plus élevées afin de mieux s’assurer que toutes les mesures prises
caractérisent juste la pompe testée.
Figure 4 - 12 : Installation d’un transmetteur de pression, déplacement du débitmètre et de la valve.
Le tableau 4.2 contient un résumé de toutes les solutions proposées ainsi que leurs avantages et
leurs inconvénients.
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Tableau 4 - 2 : Solutions proposées.
Solutions proposées Avantages Inconvénients Solution 1 : installer un transmetteur de pression dans le tuyau qui relie la pompe avec la conduite.
• Mesure juste de pression. • Peu de modification de l’installation exacte. • Coût moyen (achat des manomètres + coût d’installation)
• Même circuit existant. • Turbulence à l’entrée de la conduite. • Risque de non remplissage du débitmètre • Turbulence au niveau de la valve.
Solution 2 : minimiser le nombre des coudes à l’entrée de la conduite et déplacer la prise de mesure de pression à un endroit où il y a moins de turbulences.
• Moins de turbulence. • Mesure juste de pression. • Coût faible (coût des modifications)
• Risque de non remplissage du débitmètre. • Turbulence au niveau de la valve.
Solution 3 : minimiser le nombre des coudes à l’entrée de la conduite et déplacer la prise de mesure de pression à un endroit où il y a moins de turbulence + déplacer les débitmètres vers les tuyaux verticaux.
• Moins de turbulence. • Mesure juste de pression. • Coût faible (coût des modifications).
• Turbulence au niveau de la valve.
Solution 4 : installer un transmetteur de pression dans le tuyau qui relie la pompe avec la conduite + déplacer les débitmètres vers les tuyaux verticaux.
• Mesure juste de pression. • Mesure juste de débit. • Peu de modification de l’installation existante. • Coût moyen (achat de transmetteur de pression et de débitmètre + coût d’installation+coût de modifications)
• Même circuit existant. • Turbulence à l’entrée de la conduite. • Turbulence au niveau de la valve.
Solution 5 : installer un transmetteur de pression dans le tuyau qui relie la pompe avec la conduite + déplacer les débitmètres
vers les tuyaux verticaux + déplacer la valve.
• Mesure juste de pression. • Mesure juste de débit. • Peu de modification de l’installation existante. • Coût moyen.
• Même circuit existant. • Turbulences à l’entrée de la conduite.
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4.5 - Solution retenue : «installer un transmetteur de pression, déplacer les
débitmètres vers les tuyaux verticaux et déplacer la valve» Après discussions sur des solutions proposées avec le représentant industriel de l’entreprise
Technosub, la solution 5 a été choisie suite à ses avantages (tableau 4-2).
Une recherche approfondie a été effectuée pour trouver toutes les informations sur les produits
nécessaires (transmetteur de pression) et les normes des composantes existantes (débitmètres et
valves).
• Transmetteur de pression
Après avoir contacté des entreprises spécialisées dans la fabrication des instruments de mesure
et leur expliqué la problématique du projet, l’entreprise WIKA [13] au Canada a pu fournir des
informations sur un modèle de transmetteur de pression S-11 (Fig.4-14). Ce modèle est le plus
utilisés par les entreprises pour adapter à la plupart des applications industrielles de mesure de
pression (hydrauliques, pneumatiques, équipement d’essai, contrôle des pompes et des
Numéro de Soumission: 1118DBU (Veuillez faire référence à ce numéro lors de votre commande)
LES INSTRUMENTS WIKA LTEE aimerait vous remercier pour l’opportunité de vous remettre cette soumission. Afin de mieux vous servir, veuillez inclure notre numéro de soumission sur vos prochaines documentations.
N’hésitez pas à contacter votre représentant avec toute autre question. Dans l’attente de travailler avec vous sur ce projet, nous vous prions d’agréer, Madame/Monsieur, nos sincères salutations.
Bien à vous,
Doug Burns
Inside Sales
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Les Instruments Wika, Numéro de Soumission: 1118DBU
SOUMISSION
Ligne Qte. Description Prix à L’Unité
Extension
1.00 1 WIKA Pressure Transmitter
S11 PRESSURE TRANSMITTER
SORTIE 4‐20 mA
GAMME DE PRESSION 0‐60 MPA
CONNECTION DE PROCEDE G 1/2B FLUSH DIAPHRAGM WITH O‐RING
PRECISION 0.5% OF SPAN
CONNECTION ELECTRIQUE DIN PLUG 4‐PIN
LIVRAISON: 6‐8 SEMAINES
$372.00 $372.00
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4.0 Point FAB: Oakville, Ontario
5.0 Toutes Taxes en Sus si applicables.
6.0 La Soumission est valide jusqu’au 2008‐08‐30.
7.0 Termes de Paiement: C.O.D.
8.0 Tous les prix sont en Dollars Canadienne
9.0 Les prix sont basés sur le taux de change actuel (dollar canadienne/dollar américain). Les variations de plus de 2% seront augmentées ou déduits en conséquence.
10.0 Les Instruments WIKA se réserve le droit d’ajuster le prix en conséquence d’une variation majeure dans le prix de matière brut.
11.0 Tous les retours doivent être pré‐approuvés par WIKA et accompagnés d’un numéro d’Autorisation de Retour (RA). Toute marchandise retournée sans réception d’une autorisation de retour sera retournée au client par expédition en port dû.
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ANNEXE F : SOUMISSION DES VALVES ET DES DÉBIMÉTRES.
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ANNEXE G: TABLEAU DE CONVERSION DES UNITÉS.
Unité du système international Unité en système impérial 1 m 39.3700787 po