POMPES VOLUMETRIQUES ALTERNATIVES

L'eau est pratiquement incompressible. Par suite, si un piston coulisse parfaitement dans un tuyau plein d'eau (figure 28a) : l'eau sera déplacée le long du tuyau sous l'effet du mouvement du piston. De même, si le tuyau plonge en partie ou en totalité dans l'eau, au moment où l'on soulève le piston le vide est produit dans la partie inférieure du tuyau, et l'eau monte dans le tuyau par aspiration (figure 28b). Certainement, ceci est valable seulement jusqu'à la hauteur limite d'aspiration de l'eau, comme nous l'avons indiqué précédemment. Dans le premier cas, l'eau est poussée directement par le piston. Dans le second, le mouvement du piston sert à créer une dépression, et l'eau entre dans le tuyau par la force due au gradient de pression crée entre la surface libre de l'eau à la pression atmosphérique et le vide crée à l'intérieur du tuyau, comme l'indique la figure. On peut donc élever l'eau soit en la "poussant" ou bien en la "tirant". Mais on peut aussi fouler l'eau sous l'effet du mouvement descendant d'un piston plein dans un tuyau rempli d'eau à l'intérieur duquel - faute de pouvoir passer ailleurs - l'eau sera forcée de monter (figure 28c).

Le déplacement de l'eau peut être fait soit à l'aide de dispositifs à fonctionnement alternatif ou cyclique, soit à l'aide de dispositifs rotatifs. Nous traiterons d'abord les pompes volumétriques à mouvement alternatif, ensuite nous traiterons les pompes rotatives.

Pompes à piston à clapet - principe de base

La pompe volumétrique la plus courante et la plus connue est la pompe à piston à clapet dont le modèle classique est représenté sur la figure 29. Ce type de pompe fait appel aux deux principes de base (a) et (b) de la figure 28. Pendant la course ascendante, l'eau est aspirée dans le cylindre ou corps la pompe lors de l'ouverture du clapet de retenue, le clapet du piston est maintenu fermé par le poids de l'eau qui se trouve au-dessus (principe b de la figure 28). En même temps, l'eau au-dessus du piston est foulée vers la sortie de la pompe (principe a de la figure 28). Lors de la course descendante, le clapet de retenue est maintenu fermé à la fois sous son propre poids et du fait de la pression de l'eau, tandis que le clapet du piston est ouvert sous la pression de l'eau emprisonnée dans le cylindre qui passe à travers le piston, jusqu'au bout de la course descendante pour reprendre le cycle de nouveau.

FIGURE 28
Principes de base des pompes volumétriques

La figure 30 représente schématiquement une pompe à piston traditionnelle pour les forages, avec un cylindre chemisé de laiton, et clapets de retenue et clapet de piston en métal. L'étanchéité du piston est assurée par deux garnitures en cuir en forme de cloche. Le corps de la pompe et les autres pièces accessoires sont généralement en fonte.

Plusieurs relations fondamentales sont établies entre le débit de sortie ou débit de refoulement (Q), le diamètre du piston (d), sa course(s), le nombre de courses par minute (n) ou bien la fréquence de fonctionnement, et le rendement volumétrique, i.e. le pourcentage effectivement pompée du volume engendré du cylindre par la course du piston (μ_vol):

FIGURE 29
Pompe à commande manuelle avec piston à clapet à simple effet (la pompe est représentée dans sa course descendante, avec clapet de piston ouvert et clapet de retenue fermé)

(la multiplication par 60 donne le débit en mètres cubes par heure)

Dans cette formule, n est exprimé en courses/min, (ou en tr/min.), le rendement volumétrique en valeur décimale (par ex. 0,9), d et s en mètres. Pour convertir le résultat en litres par seconde, il suffit de le diviser par 3,6 (1000 litres/m³ : 3600 secondes/heure).

Le rendement volumétrique est aussi appelé "coefficient de débit". Un autre terme communément utilisé est celui relatif aux "fuites internes" ou "Ecart" (X) qui est la différence entre le volume engendré par le piston et le volume effectivement refoulé par course, soit :

Les pertes internes sont dues d'une part, à la fermeture non instantanée des clapets -encore ouverts à l'instant où le piston commence sa course ascendante - et d'autre part, à l'étanchéité loin d'être parfaite des joints du piston et des sièges des clapets. Générale­ment cet écart est d'environ 0,1 à 0,2. Cependant ces écarts sont plus importants pour les pompes à faible course et à forte charge. Pour les gros débits et pour une faible charge de refoulement, la masse d'eau aspirée continue son trajet à travers les clapets qui sont encore ouverts, alors que le piston est déjà en course descendante. Par suite la pompe continue à débiter non plus uniquement lors de la course ascendante du piston mais aussi pendant une partie de la course descendante. Dans ce cas, l'écart sera négatif, i.e la pompe débite un plus grand volume d'eau que la cylindrée réellement engendrée. A l'extrême, avec un pompage trop rapide à faibles charges, l'écart peut atteindre des valeurs de l'ordre de -0,5, ce qui donne un rendement volumétrique d'environ 150 %.

FIGURE 30
Pompe de forage à piston

La force (F) requise pour soulever le piston est égale à son poids et à celui de la tige (Wp), auquel s'ajoute le poids de la colonne d'eau de section égale la surface du piston et pour hauteur la hauteur manométrique (H). Il faut également tenir compte de la résistance dynamique, c'est-à-dire de la force nécessaire pour la mise en vitesse de ces masses. Si l'accélération est faible, les forces dynamiques sont négligeables, mais très souvent celles-ci peuvent atteindre des valeurs importantes. Nous étudierons plus loin l'effet des charges dynamiques dues à l'accélération de l'eau. En principe, la force dynamique à ajouter à la force statique est égale à la somme de tous les facteurs (masse x accélération) de tous les éléments en mouvement (eau, piston et tige). Dans le cas des pompes de forage où la tige de la pompe est immergée, la masse sera en partie compensée par lapoussée d'Archimède, produite par le déplacement de l'eau (voir figure 38). Toutefois, comme nous n'avons pas l'intention de présenter la théorie des pompes, nous négligeons les "effets de second ordre", tel que la poussée correspondante à la tige de la pompe et les forces dynamiques. Dans ces conditions, la force "statique" primaire nécessaire pour amorcer le mouvement du piston s'écrit :

avec W en Newtons (ou kilogrammes x 9,81), A en m², p (densité de l'eau) = 1.000 kg/m³, g = 9,81 m/s² et H en mètres, F sera ainsi exprimé en Newtons.

Si la tige de la pompe est actionnée par un levier, comme pour la pompe à main de la figure 29, la force à exercer sur le bras de levier pour remonter la tige (poussée vers le bas du levier) sera démultipliée dans le rapport des bras de levier. Mais l'amplitude du mouvement de la main de l'opérateur augmente dans la même proportion.

La tige de la pompe peut également être munie d'un système d'entraînement constitué d'un volant et d'une manivelle (figures 31 et 89). C'est la méthode classique de la commande mécanique des pompes à piston alternatives. Le moment du couple moteur ou de rotation de la manivelle ou du volant est fonction de la position de la manivelle. Lorsque le piston est en fin de course basse (point mort bas ou p.m.b.), noté "a" sur la figure, le moment est nul étant donné que la force de traction de la tige est orthogonale à la force d'action sur la manivelle. Lors de la rotation jusqu'à la position horizontale de la manivelle, marquée "b", la valeur du couple augmente en suivant la partie montante de la demi-sinusoïde supérieure jusqu'à une valeur maximale de Fs/2 (force F multipliée par le bras de levier qui est de s/2). La force résistante diminue ensuite et la valeur du couple suit la partie descendante de la sinusoïde jusqu'à devenir nul au point mort haut (p.m.h.), marqué "c". Au-delà du p.m.h., le poids global de la tige et du piston va faciliter la poursuite du mouvement circulaire de la manivelle. Ensuite, lors de la descente du piston, l'eau n'exerce aucune résistance notable -mis à part les forces de frottement. Si l'on suppose, pour simplifier, que les poids du piston et de la tige sont équilibrés par les frottements et les effets dynamiques, le moment du couple sera pratiquement nul pendant le demi-cycle allant du p.m.h au p.m.b. (de "c" à "a" en passant par "d"). La courbe de la figure 31 représente les variations du couple en fonction de la position de la manivelle, pour deux cycles complets. Ceux qui ont tourné une pompe à main à entraînement direct par un volant éprouvent cette sensation de l'effort qui augmente pendant un quart de cycle et qui retombe pratiquement à zéro dans le quart de cycle suivant.

Si le volant est commandé par une manivelle (comme c'est généralement le cas), le volant, par son inertie, adoucit ces fluctuations cycliques par sa décélération (le ralentissement est trop faible pour être perceptible) pendant le demi-cycle "a-b-c", et par son accélération pendant la demi-cycle "c-a-d". Ceci est illustré sur la figure 31 par la ligne tiretée représentant la deuxième phase du cycle. Si la masse du volant est suffisamment grande, celle-ci pourrait amortir les fluctuations cycliques du couple jusqu'au ce que le moment du couple soit pratiquement constant et égal à la valeur moyenne de la sinusoïde tronquée de la figure. La valeur moyenne de la fonction périodique en demi-sinusoïdes est égale est la valeur de crête divisée par (π) (avec π = 3,142). Donc:

FIGURE 31
Pompe à piston à commande par volant (les clapets ne sont pas représentés)

Par conséquent, le moment du couple nécessaire pour la premier tour de rotation est environ π fois (soit à peut près 3 fois) plus grand que la valeur du couple moyen nécessaire en régime permanent. Or, il est assez difficile de réaliser des mécaniques d'entraînement qui peuvent avoir un couple au démarrage trois fois plus élevé que leur couple en régime normal. Toutefois on peut toujours réaliser ce genre de systèmes, mais c'est toujours au déterminent de son bon rendement. Pour cette raison, les pompes centrifuges entraînés par des moteurs à combustion ou électriques, plutôt que les pompes à piston sont les plus utilisées du fait que leur couple au démarrage est bien inférieur à celui des pompes à piston.

La puissance peut être obtenue en faisant le produit de la vitesse par le couple. Donc si la vitesse de rotation est n (en tr/min), la puissance s'écrit:

Pompes à piston à double effet et pompes à piston plongeur

Dans une pompe à piston à simple effet, l'eau est refoulée uniquement durant la course ascendante du piston (si la pompe est montée verticalement), et la course descendante sert simplement à faire entrer l'eau dans la chambre de pompage, en préparation pour la course suivante du piston. Il est possible de faire en sorte que le refoulement se fasse lors des deux phases du mouvement du piston. Ainsi lorsqu'une phase du piston refoule, l'autre aspire une quantité d'eau supplémentaire, par suite le refoulement intervient donc aussi bien durant la course ascendante que durant la course descendante. Ces pompes sont dites "à double effet", et elles sont nettement plus productives que les pompes à simple effet.

Les schémas A à H de la figure 32 illustrent les différents types de pompes à mouvement alternatif, à simple effet et à double effet.

Le schéma A de la figure montre une pompe à piston à simple effet de type traditionnel, comme celle de la figure 29.

Le schéma B montre que lorsque la sortie de l'eau se fait du côté de la face supérieure du piston à un niveau plus haut que la tête de la pompe, il faut que le corps de la pompe soit hermétiquement fermé du côté supérieur pour empêcher les fuites. Dans ce cas le corps de la pompe est muni d'un presse-étoupe comportant une petite ouverture circulaire pour le passage de la tige du piston.

Le schéma C représente une pompe dont le piston est plein (sans clapet), dont le principe de fonctionnement est identique à celui de la pompe du schéma B. Dans ce cas le corps de la pompe est plongé partiellement ou entièrement dans l'eau à élever, et le refoulement de l'eau se fait du côté de la face inférieure du piston lors de sa course descendante. Pour cela, ces pompes sont équipées de pistons à tige beaucoup plus rigide que les autres pour éviter le flambage. Mais l'avantage de ces pompes réside dans le fait qu'elles n'ont pas à être équipées de presse-étoupes car le refoulement de l'eau ait lieu lors de la course descendante du piston. Cependant, d'un autre côté certains désavantages sont associés à ces pompes et qui sont liés à ce mode de refoulement durant la course descendante du piston. En effet, pour ce type de pompe la course du piston doit s'effectuer très lentement, spécialement lorsque ces pompes travaillent à faibles hauteurs de refoulement faibles et à des débits importants parcourse. Sinon la mise en vitesse et le blocage brusque de la masse d'eau risquent d'engendrer le phénomène de coups de bélier à la fois dans le corps de la pompe et dans le conduite de refoulement. Ce phénomène est tout à fait identique au "bang" qui se produit dans une canalisation quand on ferme brusquement un robinet ou une vanne. Le coup de bélier risque d'endommager ou même de provoquer l'éclatement de la conduite d'eau. Donc il faut obligatoirement éviter ce régime de fonctionnement. Actuellement, les pompes de ce genre ne sont pas d'usage courant.

FIGURE 32
Les différents types des pompes à mouvement alternatif

La pompe du schéma D est similaire à celle du schéma C, à la seule différence que le piston est remplacé par un cylindre creux appelé "plongeur" qui déplace l'eau. L'épaisseur de ce cylindre varie entre 7 et 10 mm, en fonction du diamètre et de la pression de refoulement. L'étanchéité est assurée par un presse-étoupe de grand diamètre. Cette pompe est plus robuste que celle en C. La principale justification de l'emploi des pompes à plongeur est que les joints du plongeur sont moins sujets à l'usure par les matières abrasives en suspension dans l'eau. D'autre part elles sont très commodes pour le pompage de faibles débits à des pressions très élevées. En effet on peut utiliser un petit plongeur (cylindre de faible hauteur) ou même un piston fermé (sans clapets) puisque l'eau est aspirée et refoulée du même côté du piston. Par conséquent, les pompes de ce genre sont très indiquées lorsque les débits sont faibles et que la hauteur de refoulement est très importante ou bien lorsque l'eau est refoulée dans un récipient où règne une forte pression. Par exemple comme dans les usines de dessalement à osmose inverse où des pressions d'environ 300 m d'eau sont requises. L'inconvénient principal de ce genre de pompe, comme pour la pompe C, est celui du risque de l'inversion du sens d'écoulement de l'eau. Mais ce risque est fortement atténué dans le domaine d'utilisation de ces pompes, i.e. celui des faibles débits et des hauteurs manométriques fortes. Par ailleurs, on voit sur le schéma que des chambres d'air sont aménagées sous le clapet d'aspiration et au-dessus du clapet de refoulement pour amortir les chocs causés par l'inversion brutale du sens d'écoulement. Ce phénomène sera traité en détail dans la section Pompes à mouvement rectiligne alternatif et les canalisations. Les pompes à piston plongeur présentent aussi un autre avantage lié à la fabrication. En effet, l'obtention d'un bon fini est plus facile à la surface extérieure d'un plongeur qu'à la surface intérieure d'un piston. Toutefois, les techniques de fabrication modernes ont éliminé cet avantage.

Le schéma E illustre un des divers types de pompes munies de clapets de grande section de passage. Ceci est important pour les pompes amenées à fournir des débits très élevés pour des hauteurs de refoulement faibles. En effet, le passage de l'eau à travers des clapets de grande section se fait à vitesse relativement faible. Donc les pertes hydrauliques qui accompagnent généralement le passage de forts débits à travers les orifices, seront atténuées. On note ici que le piston enveloppe la conduite d'aspiration à l'opposé des cas précédents. En réalité tout se passe comme si on avait un cylindre coulissant autour d'un piston fixe.

Le schéma F montre une pompe dont le principe est similaire à celui de la pompe du schéma C, mais à double effet. Dans ce cas, lors de la course montante du piston l'eau est admise par la chambre inférieure et refoulée par la chambre supérieure, tandis que lors de la course descendante du piston l'eau est admise par la chambre supérieure et refoulée par la chambre inférieure. Toutes les considérations établies pour la pompe C sont aussi valables pour la pompe F.

La pompe G est une pompe dite différentielle. Elle est aussi à double effet. La tige de la pompe est de gros diamètre et elle est généralement d'une section égale à la moitié de la section de la chambre supérieure où elle entre dans la pompe. Par conséquent, durant la course descendante le piston refoule la moitié de l'eau comprise dans la chambre (selon le même principe de la pompe à piston plongeur D), et lors de la course ascendante la deuxième moitié du volume d'eau comprise dans la chambre supérieure est refoulée selon le même principe de la pompe à piston B.

FIGURE 33
Section d'une pompe de forage (avec clapet de retenue amovible)

La pompe H reprend le principe de la pompe différen­tielle à double effet, comme pour la pompe G, mais en remplaçant le plongeur par un piston plein comme pour la pompe C. En plus de sa complexité, cette pompe est plus sujette aux coups de bélier du fait de l'inversion de l'écoulement qui se produit dans les deux chambres à chaque course.

Parmi les dispositifs qu'on vient de présenter, seuls ceux représentés par les schémas A, B, E et G peuvent être utilisés pour l'irrigation.

Malgré la complexité des pompes à double effet, elles étaient beaucoup plus utilisées que les pompes à simple effet, du fait de l'uniformité du débit qu'elles délivrent et de leur couple plus ou moins régulier. Ces pompes sont généralement entraînées par des moteurs à vapeur à mouvement alternatif. A l'heure actuelle, ces pompes ne sont plus utilisées comme dans le passé pour deux raisons principales. D'une part le progrès technique a rendu plus aisée la construction des moteurs électriques et des moteurs diesel à grande vitesse pour l'entraînement des pompes d'irrigation, et d'autre part à cause de certains désavantages liés à leur utilisation, à savoir:

• Elles sont plus grosses et plus complexes, donc plus chères.
• Elles impliquent d'une manière générale une inversion de l'écoulement ce qui les rend plus sujets aux coups de bélier. Par suite il faut recourir à des mesures de protection soit en adoptant des cycles longs ou bien en installant des chambres d'air.
• L'entraînement a pour fonction à la fois de pousser et de tirer la tige de la pompe (au moins pour les dispositifs déjà décrits), D'où la nécessité de recourir à des mécanismes de transmission robustes et fiables sans jeu d'engrenage ni course morte (générateurs de coups de bélier et d'usure). En outre, la tige doit pouvoir encaisser sans flambage la charge de compression de la course descendante.
• Elles impliquent l'intercalation, dans la quasi-généralité des cas, entre le moteur à vitesse de rotation relativement élevée (d'environ 1000 à 3000 tr/min) et l'arbre vilebrequin de la pompe à vitesse relativement faible (d'environ 100 tr/min) un réducteur de vitesse et une transmission mécanique entraînant une sujétion constante de surveillance et d'entretien.

Par suite, la chaîne de transmission doit comporter des organes résistants soigneusement étudiés et fabriqués, ce qui entraîne des coûts prohibitifs. Pour cette raison le recours aux pompes à piston est actuellement limité aux seules pompes à piston à clapet à simple effet, à cause de leur simplicité et de leur coût faible.

Pistons et clapets

La figure 33 représente en détail le piston et le clapet de retenue d'une pompe de forage c lassique. La garniture la plus simple couramment utilisée dans les pompes à clapet à simple effet, est la rondelle en cuir (voir figure). Les cuirs utilisés sont en général des cuirs imprégnés avec de la "graisse des pieds du gros bétail", obtenue en faisant bouillir les sabots de bovins. Ils durent presque un temps infini (plusieurs années) dans les cylindres en laiton ou en PVC polis. Compte tenu des frais l'exploitation importants des forages profonds, il est parfaitement indiqué d'utiliser ces joints relativement plus coûteux mais de longue durée de vie. Plusieurs types de matériaux "Compound" à base de plastique ont été utilisés pour fabriquer du cuir synthétique qui a remplacé le vrai cuir dans les joints. Ces matériaux sont plus faciles à mouler et donnent ainsi des joints plus étanches que le vrai cuir et une meilleure résistance à l'usure.

L'étanchéité des pistons peut également être assurée au moyen de presse-étoupes ou de segments. Les presses-étoupe doivent généralement être convenablement réglées. Un réglage trop serré entraîne des frottements et une usure rapide, tandis qu'un réglage insuffisant (lâche) pourrait provoquer des fuites excessives d'eau autour du piston. Le matériau industriel de garniture traditionnellement utilisé est l'amiante graphité. Mais le polytétrafluoroéthylène graphité (PTFE) est actuellement le plus utilisé du fait qu'il offre une étanchéité supérieure et une plus grande résistance à l'usure. Des garnitures du même genre sont aussi utilisées autour des tiges des pompes à mouvement alternatif et dans certains cas sur les arbres des pompes rotatives. Dans tous ces cas, les garnitures sont généralement fixées par vissage d'une presse-garniture qui sert aussi de réglage de la pression d'étanchéisation. Cette pression doit être régulièrement réajustée.

Toutes tes pompes à mouve­ ment alternatif (et certaines pompes rotatives) sont munies de clapets anti-retour qui, comme leur nom l'indique, laissent passer l'eau dans un seul sens uniquement. Il y a principalement trois catégories de clapets anti-retour:

• Les clapets flexibles qui sont en position fermée au repos. L'ouverture se fait sous l'effet de la pression appli­quée par flexion ou par dé­formation.
• Les clapets à battant ou clapets charnières qui s'ouvrent comme une porte.
• Les clapets anti-retour à montée verticale qui sesoulèvent de leur siège dans un mouvement vertical uniforme (ils sont alors appelés soupapes).

FIGURE 34
Clapet type d'une pompe (ouvert dans les cas de la figure)

La figure 34 montre un schéma type d'un clapet anti-retour qu'on rencontre dans la plupart des pompes à mouvement alternatif. L'ouverture des clapets est toujours commandée par la différence de pression créée entre ses deux faces par le mouvement du piston. Mais leur fermeture se fait sous l'effet soit de leur propre poids, auquel s'ajoute le poids de l'eau qui a tendance à retourner, soit, dans certains cas, par la force de rappel d'un ressort (tel qu'indiqué sur la figure). Les ressorts des clapets sont normale-ment en bronze pour éviter les problèmes de corrosion. Il est à noter aussi que les clapets peuvent être faits de matériaux élastiques comme le caoutchouc.

Les clapets doivent répondre essentiellement aux conditions suivantes: bonne étanchéité en fermeture, faible résistance à l'écoulement en ouverture, ouverture et fermeture rapides et bonne longévité. D'une manière générale, il faut aussi que les surfaces de contact soient en caoutchouc ou bien en métal ajusté avec précision pour garantir l'étanchéité parfaite lors de la fermeture. Cette condition est particulièrement importante pour les clapets de retenue. Pour répondre à la deuxième condition qui stipule que le clapet doit avoir une résistance négligeable à l'écoulement à l'ouverture (et pour pouvoir s'ouvrir et se fermer rapidement), l'orifice du clapet doit être de grand diamètre, de section uniforme, et à arêtes émoussées pour éviter les turbulences au contact. Selon une règle empirique souvent adoptée, le clapet d'aspiration doit avoir une section de passage égale au moins aux 2/3 de la section du piston, tandis que le clapet de refoulement (ou clapet du piston) doit avoir une section égale au moins à la moitié de celle du piston [14]. Enfin, la rapidité d'ouverture-fermeture (pour minimiser les fuites internes) sera assurée avec un clapet joignant une grande légèreté à une course courte. Cependant, garantir la légèreté du clapet ne doit pas être fait aux dépens de la robustesse et de la longévité. De même la course courte ne doit pas entraver le passage libre de l'eau en position ouverte. En conséquence, la conception des clapets est toujours le résultat d'un compromis entre toutes ces exigences contradictoires.

Enfin, comme les clapets sont sujets à l'ouverture et la fermeture à chaque course du piston, ils sont d'usure rapide. Pour cela il faut que les pompes soient de construction simple permettant essentiellement le replacement rapide et à coûts faibles des clapets et de leurs sièges.

Pompes à mouvement rectiligne alternatif et les canalisations

Une pompe à mouvement alternatif déplace l'eau d'une manière discontinue. L'eau se trouve constamment accélérée et décélérée par le mouvement du piston. Des variations de pression très intenses peuvent se produire si la pompe est directement raccordée à une conduite longue et de grand diamètre, i.e. contenant une importante masse d'eau. Le piston dans sa course tend à communiquer énergie cinétique importante pour mettre la masse d'eau en mouvement, puis à l'immobiliser dans un deuxième temps. Comme l'eau est incompressible, elle suivra la vitesse du mouvement du piston. Pour cette raison les pompes à mouvement alternatif doivent être protégées des canalisations longues. Plusieurs dispositifs sont conçus amortir les effets des variations brusques de la vitesse l'eau dans la conduite, subies par la pompe. Nous allons les décrire brièvement.

Tout d'abord, essayons d'estimer rapidement l'ordre de grandeur des forces mises en jeu afin de mettre en relief les risques qu'on court, et pour pouvoir estimer à sa juste valeur l'intérêt qu'il y a par conséquent à protéger les pompes alternatives des coups des béliers qui risquent de se produire dans leurs conduites de refoulement. La figure 35 représente une pompe à piston très simple (diamètre D, course S) débitant dans une conduite de grande longueur (diamètre d, longueur L). Selon les lois de la dynamique de Newton, la force nécessaire pour la mise en vitesse d'une masse d'eau (la faire passer du repos au mouvement) est à tout instant numériquement égale au produit de la masse par l'accélération. Pour une pompe à piston entraînée dans un mouvement sinusoïdal, comme c'est le cas avec une manivelle armée d'un mouvement de rotation uniforme entraînant un piston dont la tige est longue par rapport à sa course l'accélération maximum du piston (et donc de l'eau propulsée par le piston), A_max, est dé :

où ω est la vitesse angulaire de la manivelle d'entraînement en radians/s (2π radians = 1 tour ou 360°).

L'accélération de l'eau dans la conduite est beaucoup plus forte que l'accélération de l'eau contenue dans la pompe. En effet, comme d'une manière générale la section de la conduite est plus petite que celle de la pompe, le transfert de la même quantité d'eau se fera à une vitesse et une accélération plus grandes dans la conduite que dans la pompe. Or l'accélération est directement proportionnelle à la section de la pompe ou de la conduite, plus exactement au carré de leurs diamètres respectifs. Par suite, l'accélération de l'eau dans la conduite s'écrit:

FIGURE 35
Pompe à piston alimentant une conduite

La force nécessaire pour déplacer la masse d'eau de la conduite à cette accélération est égale au produit (m x A_conduite). Or la masse est donnée par le produit du volume et de la densité de l'eau dans la conduite. La force s'écrit donc :

La force maximum correspond à l'accélération maximum. Pour un mouvement sinusoïdal du piston et un débit sinusoïdal, l'accélération maximum est donnée par :

Donc, pour la masse m de l'eau contenue dans la conduite, la force s'écrit :

Exemple : Soit une pompe de 100 mm de diamètre qui débite dans une conduite de longueur L et de 50 mm de diamètre. La masse volumique de l'eau est de 1000 kg/m³. La vitesse de rotation de la manivelle est de 60 tr/min (c'est-à-dire 1 tr/s ou 1 x 2π rad/s), la course du piston est de 300 mm (0,30 m). La force F_max sera alors :

En d'autres termes, l'eau contenue dans la conduite oppose une réaction maximum à l'écoulement de 46,5 N par mètre de conduite pour être mise en accélération dans les conditions indiquées. Ainsi dans une conduite de 100 m de longueur la force maximum serait de 4650 N, alors que dans une conduite de 1 km de longueur, cette force serait de 46 500 N, la pompe étant soumise aux mêmes forces dans les deux cas. (45 600 N équivalu 4,5 tonnes environ).

Comme cette force est proportionnelle au carré de la vitesse de rotation de la pompe, porter la vitesse de rotation à 120 tours/min (soit le double de la vitesse initiale) imposera à l'eau une accélération et une force quadruples. Par conséquent, même pour des vitesses de rotation de l'ordre d'une centaine de tours par minute (vitesses relativement faibles dans le cas des pompes rotatives), la force nécessaire pour mettre en accélération la masse d'eau dans la conduite dépasse les valeurs courantes, à moins que le mouvement de l'eau dans la conduite ne soit amorti ou isolé du mouvement du piston.

Dans certains cas, ces chocs peuvent être résorbés. En effet la plupart des tuyaux, même ceux en acier ont une certaine élasticité et ils se dilatent légèrement pour absorber les chocs. Mais dans certains cas la situation pourrait être dangereuse, surtout lorsque les clapets se ferment brutalement. L'eau dans la conduite serait le siège d'ondes de surpression et de dépression alternées très brèves mais très intenses. Elles sont appelées "coups de bélier" en raison du bruit de martèlement qu'elles produisent. Les chocs dus aux coups de bélier peuvent endommager la pompe et son moteur, et dans certains cas causer d'autres dégâts plus graves, tel que l'éclatement ou la rupture des conduites.

Les conduites d'aspiration sont aussi sujets à ce problème de la même manière que les conduites de refoulement. En effet, lorsque l'eau est soumise à une dépression causée par des vitesses d'écoulement élevées dans le tuyau d'aspiration, on observe le dégagement de l'air dissous lorsque la pression atteint la valeur de saturation, et une vaporisation quand la pression atteint la pression de vapeur. On observe ce qu'on appelle la "Cavitation" qui est le résultat des deux phénomènes de dégazage ou de désaération et de vaporisation. Lorsque la pression remonte légèrement les bulles implosent violemment dans la conduite causant un coup de bélier.

Lorsque la sortie de la pompe est à peu près au même niveau ou bien a un niveau supérieur à celui du départ de la conduite, on peut éliminer le risque du coup de bélier en faisant débiter la pompe dans un réservoir qui à son tour aliment la conduite par gravité, (figure 36B). Ce réservoir joue le rôle d'un dispositif de protection de la pompe des oscillations de masse provoquées par les démarrages et les arrêts brusques. De la même manière, une cheminée d'équilibre à l'air libre placée sur la canalisation à proximité ou juste à la tête de la pompe, peut jouer le même rôle (figure 36A). Comme la tige de la pompe peut coulisser librement dans la cheminée d'équilibre, la mise en place d'un joint ou d'un presse-étoupe est inutile.

FIGURE 36
Méthodes utilisées pour isoler une pompe à mouvement alternatif de sa conduite

1. Cheminée à l'air libre qui élimine le recours à un presse-étoupe sur la tige de pompe, à condition toutefois que la hauteur de la cheminée soit supérieure au niveau du débouchée de la conduite.
2. Conduite alimentée par gravité à partir un petit réservoir à proximité de la pompe.
3. Chambre d'air (cloche d'air) (nécessaire quand la sortie de la conduite est à une côte nettement supérieure au socle de la pompe).

Lorsque la pompe refoule dans une conduite dont l'extrémité est à une côte élevée, il serait impossible d'implanter une cheminée d'équilibre à l'air libre sur (ou à proximité de) la pompe. En effet, la hauteur de cette cheminée devrait alors être de sorte que le niveau d'eau dans celle-ci soit supérieur à la côte à l'extrémité aval de la conduite ce qui conduit dans certains cas à des cheminées de très grandes hauteurs. La solution appliquée d'une manière générale pour protéger les pompes à piston alternatives, dans tous les cas où la longueur des conduites d'aspiration et de refoulement dépasse quelques dizaines de mètres c'est de placer une cloche d'air ou tout autre forme d'amortisseur hydraulique entre la pompe et la conduite (figure 36C), le plus près possible de la pompe. La cloche d'air ou l'amortisseur limite au minimum la masse d'eau directement liée au mouvement du piston. De cette manière l'eau refoulée par la pompe à une vitesse supérieure à celle de l'eau dans la conduite passera de préférence dans la chambre d'amortissement ou la cloche d'air en comprimant l'air qui s'y trouve. Quand le piston ralentit son mouvement à la fin de chaque course, et lorsque la vitesse de l'eau de la conduite devient supérieure à la vitesse de l'eau débitée par la pompe, la chambre d'air, du fait de la légère dépression provoquée dans la con-duite, envoie une quantité supplémentaire d'eau pour "compenser la baisse". En d'autres termes, une chambre d'air sert à uniformiser l'écoulement en absorbant les "pointes" du débit alternatif, puis en compensant les "chutes" qui suivent ces pointes.

L'installation des cloches à air est primordiale sur les conduites longues ou de grande capacité alimentées par une pompe à piston à mouvement alternatif (voir figure 106). L' investissement supplémentaire requis pour l'installation de ces cloches d'air est amplement justifié non seulement par la réduction de l'usure des pompes et conduites, mais aussi par la réduction de la vitesse de pointe de l'eau dans la conduite, ainsi que la diminution des pertes par frottement dans les canalisations. Par conséquent la puissance de la pompe à installer ainsi que l'énergie de pompage seront moins importantes.

Cependant le seul risque lié à l'utilisation des chambres d'air sur les conduites de refoulement c'est que la colonne d'air de la chambre peut se dissoudre progressivement dans l'eau et être entraîné dans la conduite. Lorsque toute la masse d'air de la chambre est dissoute le risque du coup de bélier revient de nouveau. Par conséquent, les chambres d'air simples doivent en général être vidangées régulièrement pour renouveler leur contenu. Cette opération est réalisée en ouvrant en même temps un bouchon de vidange et une vis de purge d'air, la pompe étant à l'arrêt. La conservation de la colonne d'air dans les chambres d'air sur les conduites d'aspiration est assurée par le dégazage de l'air dessous dans l'eau. A noter cependant que dans le cas du pompage des eaux souterraines ne contenant pas d'air dissous, il faut parfois installer un petit reniflard pour laisser entrer délibérément un tout petit débit d'air pour éviter la disparition de la masse d'air de la chambre. Ces dispositifs comportent parfois une enveloppe souple fermée en caoutchouc pour éviter la dissolution de l'air. Cette solution est recommandée si l'on ne peut pas effectuer des contrôles réguliers. Des amortisseurs hydrauliques à ressort (soupape de décharge) sont également utilisés jouant le même rôle des chambres d'air (figure 37). Une autre solution intéressante consiste à remplacer la conduite de refoulement en acier par un autre matériau souple moins sujet aux coups de bélier. Il faut être très prudent quand on utilise des conduites en plastique rigide, car elles risquent facilement d'éclater sous l'effet des coups de bélier, spécialement en temps de gelée, où elles deviennent trop vulnérables.

FIGURE 37
Amortisseur hydraulique (soupape de décharge). Ce dispositif peut remplacer une chambre d'air, en particulier sur des conduites à très haute pression

En règle générale, la chambre d'air doit être environ d'un volume égal au double de la cylindrée de la pompe. Toutefois, pour les conduites de transport de grande longueur ou à débit très irrégulier, on prévoit habituellement des chambres plus grandes.

Pompes de forage à mouvement alternatif

Lorsque la nappe phréatique est trop profonde ou que le sous-sol est dur, il est en général plus aisé et plus économique de faire un forage que de construire un puits. La plupart des forages sont revêtus d'un tubage en acier 100 ou 150 mm de dia­mètre. La pompe doit être d'un diamètre suffisamment petit pour qu'elle puisse être descendue dans le forage. Le schéma de la figure 38 représente un forage équipé d'une pompe à piston.

La figure 38 représente un modèle type de pompe de forage à piston. Comme les diamètres doivent être petits (les forages de gros diamètres sont très coûteux), les débits importants ne peuvent être obtenus qu'avec des pompes à course de piston importante. La vitesse de rotation des pompes de forage est normalement limitée à 30 tr/min. ou course/min., mais dans certains cas on peut atteindre 50 tr/min. Des vitesses de pompage plus fortes peuvent entraîner le flambage du long train de tiges, car les tiges et le piston de la pompe n'auraient pas assez de temps pour retomber par gravité pendant la course descendante. Bien entendu quelle que soit la profondeur du forage, il faut absolument éviter une compression du train de tiges, pour ne pas courir le risque du flambage et de coincement du train des tiges contre les parois du tubage.

La méthode classique utilisée pour l'installation ou le démontage d'une pompe de forage c'est de soulever la colonne montante élément par élément au moyen d'un palan ou d'une grue. La méthode consiste à soulever le cylindre jusqu'à ce que le premier élément soit entièrement hors du forage, on pince l'élément suivant et on fait descendre l'ensemble de sorte à ce qu'il soit suspendu au dispositif-de serrage. On dévisse alors l'élément supérieur qui est dégagé du forage (6 m environ) et ainsi de suite. Comme il s'agit d'une opération trop coûteuse, difficile et trop longue, l'installation doit être bien conçue pour ne pas être contraint assez souvent à y recourir pour la durée de vie d'un forage.

FIGURE 38
Coupe schématique d'un forage

Il est donc normal d'installer des pompes dont le piston est d'un diamètre légèrement inférieur à celui de la colonne montante spécialement dans le cas des forages profonds. Ceci permet de faire sortir le piston en remontant uniquement la tige. La pompe de la figure 38 est une pompe de forage démontable. Cette pompe est aussi conçue de manière à pouvoir sortir le clapet de pieds sans avoir à démonter le cylindre et la colonne. Le dispositif représenté comporte en effet un anneau que l'on peut agripper avec un outil pour sortir le clapet. Dans certains cas on peut démonter le clapet de pieds en se servant du piston de la pompe, on sépare la tige du mécanisme d'entraînement à la surface et on abaisse le piston jusqu'au niveau du clapet. Le clapet comporte une tête filetée sur laquelle se visse l'extrémité du piston lorsqu'on tourne le train de tiges. En soulevant les tiges, le clapet de retenue et le piston remontent ensemble à la surface. L'intérêt de cette méthode c'est qu'elle permet le remplacement rapide des joints du piston et du clapet qui sont sujets à l'usure et qui doivent par conséquent être changées fréquemment. Pour cela, l'entretien facile des pompes de forage est une considération importante, sauf probablement pour les forages peu profonds.

On peut préparer sur place un train de tiges à l'aide de tuyaux galvanisés de transport d'eau assemblés par des manchons standard. Toutefois, il vaut mieux de se servir de tiges standards commercialisées, spécialement conçues à cet effet. Elles sont sans doute plus chères, mais elles sont plus faciles à connecter et à déconnecter, et d'autre part elles risquent moins la rupture ou le dévissage. Une tige de pompe cassée est difficile à récupérer ou à réparer, et si elle est irrécupérable forage en entier est perdu. Si l'on dispose de bois de très haute qualité, les tiges peuvent être faites en bois à condition de disposer des mécanismes d'accouplement adéquats. En effet, les tiges en bois sont plus convenables que les tiges en métal du fait qu'elles flottent dans l'eau de la colonne montante. D'autre part, leur légèreté facilite le démarrage initial d'une pompe de forage à mouvement alternatif.

Le principal attrait des pompes alternatives immergées entraînées par un train de tiges résistant à la traction, c'est leur grande simplicité. Les pompes de haut standard actuellement disponibles sur le marché sont d'une très haute fiabilité de fonctionnement. En règle générale, les tiges des pompes peuvent supporter un effort de traction de loin supérieur à une tonne, ce qui permet leur utilisation dans des forages atteignant 300 m de profondeur. C'est le système d'entraînement standard utilisé dans les pompes éoliennes des exploitations agricoles. D'autres systèmes classiques à moteur diesel utilisent assez souvent un mécanisme à boîtier d'engrenages et bielle pour l'entraînement des pompes de forage à mouvement alternatif.

Il arrive assez souvent que les forages ne soient pas parfaitement verticaux, et même parfois à parois courbe. Il s'ensuit que les tiges peuvent cogner la colonne montante et finir par la percer par usure. D'autre part un forage vertical à l'origine peut changer de profil, suite à des éboulements ou à un mouvement du sol. Enfin, le démontage d'une pompe pour changer les garnitures de son long train de tiges, est une opération longue et coûteuse. Pour cela, des recherches ont été entreprises afin de trouver d'autres techniques d'entraînement des pompes de forage.

Pompes immergées à transmission hydraulique

La transmission hydraulique est une autre alternative de mécanisation des pompes de forage à mouvement alternatif. Dans ce mode de transmission, l'eau sous pression est utilisée pour accroître la quantité d'eau refoulée à la surface.

On peut citer l'exemple de "l'Hydropompe" Vergnet de la figure 39, qui a été d'un grand succès pour les petits projets d'alimentation en eau, particulièrement dans la région du Sahel en Afrique de l'ouest. Malheureusement, son débit est insuffisant pour l'utiliser pour l'irrigation. Elle fonctionne avec une pédale montée sur un piston de commande qui force l'eau à descendre dans un tuyau flexible. Le cylindre de la pompe qui est immergé dans de l'eau du puits ou du forage, comporte un "clapet d'aspiration" classique, ou bien un clapet de retenue avec crépine. Une chambre de pompage munie d'un clapet anti-retour est en communication avec la conduite de refoulement conduisant jusqu'à la surface. En guise de piston qui déplace l'eau dans le cylindre, il y a ce que Vergnet appelle un "diaphragme" II s'agit en fait d'une vessie élastique qui se dilate pour chasser l'eau de la chambre de pompage quand on appuie sur la pédale et qui se contracte pour faire admettre l'eau. Une transmission hydraulique similaire, appelée "Hydromite", est utilisée pour l'entraînement des pompes de forage à mouvement alternatif en Australie, essentiellement avec les pompes éoliennes. Dans ce cas l'éolienne (ou tout autre machine motrice) entraîne un piston de commande monté en surface.

C'est une pompe à eau à double effet dont le mouvement est transmis à l'aide de deux tuyaux de transmission hydraulique à un piston récepteur en fond du forage, directement relié au piston effectif de la pompe installée dans le forage et qui fonctionne d'une manière Classique.

Bien que les dispositifs de transmission hydraulique aient plusieurs avantages par rapport aux tiges classiques des pompes, ils sont, cependant, beaucoup plus complexes et coûteux. En outre, leur rendement est généralement plus faible, du fait des frottements supplémentaires provoqués par la mise en mouvement de l'eau nécessaire pour faire fonctionner la pompe.

Pompes à diaphragme

La course d'un piston dans un cylindre peut être tout à fait remplacé par le mouvement d'une membrane souple remplaçant une des faces du cylindre. L'alternance "membrane concave - membrane convexe" assure l'aspiration et le refoulement de l'eau (voir figure 40). Sur le schéma, le clapet de gauche joue le rôle d'un clapet de retenue d'une pompe à piston, et le clapet de droite joue le rôle d'un clapet de refoulement.

En général, une pompe à diaphragme offre les avantages suivants:

• Etanchéité parfaite (sauf en cas de défaillance des deux clapets anti-retour).
• Un bon rendement mécanique. En effet, la flexion d'une membrane se fait avec beaucoup moins de frottement que le coulissement d'un piston avec ses joints dans un cylindre.

FIGURE 39
Pompe hydraulique à pédale (Vergnet)

FIGURE 40
Section d'une pompe à diaphragme

• La tige de la pompe ne requiert pas de joints, ce qui réduit encore plus les pertes par frottement par rapport aux pompes à piston.
• Ces pompes sont à auto-amorçage. Le risque de désamorçage est pratiquement in existant, et ils fonctionnent avec hauteurs d'aspiration supérieures à la moyenne.
• Elles fonctionnent dans la plupart des cas sans problème, avec une eau abrasive ou boueuse qui posent des difficultés de fonctionnement dans le cas des pompes à piston.

Toutefois, certains inconvénients sont liés à l'utilisation de ces pompes, à savoir:

• La membrane doit être en caoutchouc de très haute qualité pour assurer sa durabilité, donc assez chère.
• D Les pompes à diaphragme sont souvent tributaires de pièces détachées spéciales qui sont difficiles à trouver ou à arranger sur place.
• Une pompe à diaphragme est similaire à une pompe à piston de gros diamètre et d'une course courte. Dans ces conditions, les forces exercées sur la tige de pompe sont importantes par rapport à la hauteur de refoulement et à la cylindrée. Il en résulte de fortes sollicitations subies par les organes de transmission et à la fixation de la tige à la membrane.
• Enfin, les pompes à diaphragme (comme celle de la figure 40) conviennent uniquement aux faibles hauteurs de refoulement, comprises entre 5 et 10 m.

La figure 41 représente une pompe d'irrigation à membrane à double effet, à pédale. Cette pompe a été mise au point par l'IIRR (Institut International de Recherche sur le Riz) aux Philippines. Contrairement aux appareils élévateurs traditionnels tels que dhones ou chadoufs, cette pompe est transportable (par deux hommes), et elle peut être utilisée le long d'un canal d'irrigation pour submerger ou inonder les rizières les unes après les autres. Cependant, elle est moins efficace que les dispositifs traditionnels perfectionnés d'élévation de l'eau.

FIGURE 41
Pompe à diaphragme à pédale de l'IIRR

La figure 42 représente une pompe commerciale à membrane à double effet destinée essentiellement à des usages tels que l'épuisement des eaux sur les chantiers. Elle a l'avantage d'être portative, d'un rendement acceptable, et pouvant fonctionner à des faibles hauteurs de refoulement et fournir de forts débits. Ainsi cette pompe (ou bien toute pompe de conception similaire) peut bien servir pour l'irrigation des petites propriétés. Ce type de pompes a été utilisé avec succès par les agriculteurs éthiopiens pour l'irrigation des petites exploitations à partir du fleuve de l'Omo, dans le cadre d'un projet de formation auquel l'auteur avait participé [15].

Une pompe à diaphragme peut être assemblée sur place. Ces pompes de fabrication artisanale ont donné de bons résultats pour les faibles hauteurs de refoulement. La membrane est faite d'un vieux pneu de voiture (figure 43). Or on peut facilement se procurer un pneu usagé. La chambre de pompage est aménagée en montant des plaques des deux côtés du vide central du pneu. Une des plaques étant fixe et l'autre mobile. En y adaptant des clapets non-retour convenables, on dispose d'une pompe à membrane tout à fait acceptable. Pour qu'une telle pompe ait une fiabilité suffisante, l'utilisateur-constructeur doit correctement tenir compte des conditions de fonctionnement propres lors de l'assemblage de la pompe. A titre d'exemple, un pneu de voiture de 400 mm de diamètre (dimension courante) aura une surface de 0,126 m², ce qui correspond à une force de 1 230 N par mètre de hauteur de refoulement. Autrement dit, pour une élévation de 3 m seulement, il faudra un effort de près de 3700 N (soit l'équivalent de 376 kg) pour pouvoir déplacer l'eau. Il faut donc des fixations et connexions robustes pour éviter la dislocation de la pompe, même en refoulant à de faibles hauteurs. D'autre part, un des désavantages des pompes a pneu c'est qu'elles ne sont pas très performantes à l'aspiration, car la toile interne du pneu risque de se séparer de l'enveloppe externe en caoutchouc sous l'effet des sollicitations de traction répétées des pressions d'aspiration. La pompe à pneu peut cependant constituer un équipement de pompage utile, pouvant fournir des débits importants à de faibles hauteurs. Il faut cependant qu'elle soit bien conçue pour être manipulée par deux personnes agissant sur un bras de levier suffisamment robuste, et à condition d'être immergée ou bien travaillant à des hauteurs d'aspiration faibles.

FIGURE 42
Pompe portative commerciale à diaphragme à double effet

Pompes semi-rotatives

Un autre type de pompe volumétrique à mouvement alternatif, fonctionnant selon les mêmes principes que la pompe à piston, est la pompe semi-rotative. Dans cette pompe, le mouvement du piston décrit un arc de cercle au lieu de décrire un mouvement alternatif rectiligne, décrit un arc de cercle. Ainsi dans cette pompe une palette pivotante ou "aube" décrit un mouvement de va-et-vient d'une manière tout à fait analogue à une porte à charnière avec une ouverture de 270° dans une chambre circulaire. L'aspiration de l'eau se fait alter­nativement d'un côté et puis de l'autre, à travers des clapets non-retour. La pompe semi-rotative sert surtout de pompe à main, le plus souvent pour pomper du kérosène et du fuel plutôt que l'eau, sa capacité est généralement faible. Elle est également très sensible aux impuretés présentes dans le fluide qui peuvent facilement la colmater. Elle est d'intérêt marginal ou sans intérêt pour l'irrigation. Par conséquent son emploi est très réduit, et nous n'en parlons ici que pour mémoire.

Pompes volumétriques à gaz

L'eau peut bien être déplacée sous la poussée de la détente de l'air comprimé, de la vapeur d'eau, ou d'autres gaz. Plusieurs pompes volumétriques à expansion de l'air comprimé ou de la vapeur ont été fabriquées au début du siècle. Les premiers utilisent l'air d'une moto-compresseur, les seconds la vapeur qui agit directement sur l'eau (sans le recours à une machine à vapeur). La pompe Humphrey est un dispositif similaire qui utilise le gaz produit par un moteur à combustion interne pour l'élévation directe de l'eau, tout à fait de la même manière. Ces deux types de pompes à déplacement par air comprimé ou par vapeur ont deux inconvénients : elles sont essentiellement d'un mauvais rendement, et d'autre part elles sont trop encombrantes (donc trop chères) pour le débit qu'elles délivrent. Toutefois, la pompe Humphrey a en fait un rendement plus fort que la plupart des autres systèmes de pompage à moteur à combustion interne classiques de même taille.

FIGURE 43
Eléments de la pompe à pneu de New Alchemy Institute (Etats-Unies)

La figure 44 illustre le principe de fonctionnement de la pompe Humphrey. Le corps de cette pompe est celui d'une culasse de moteur à combustion interne 4 temps classique, montée au-dessus d'un tuyau constituant la chambre active. Ce tuyau est raccordé à la conduite de refoulement qui comprend une longue partie horizontale et une colonne montante jusqu'au niveau d'alimentation. Le tuyau servant de chambre active est placé au-dessus du plan d'eau et il comporte des clapets d'entrée pour l'admission l'eau. Le cycle de la pompe Humphrey est similaire à celui d'un moteur à piston classique à 4 temps standard, hormis le fait que le moteur n'entraîne pas l'arbre par l'intermédiaire d'un piston métallique classique, mais par le biais de l'eau contenue dans la chambre de travail, qui agit donc comme un piston. Les pompes Humphrey en fonctionnement de nos jours avec des carburants gazeux comme le gaz de houille ou le gaz naturel. En effet, les carburants liquides se vaporisent difficilement dans un cylindre maintenu toujours à basse température par le piston d'eau froide.

Le cycle de la pompe Humphrey est réglé par un capteur de pression qui, par l'intermédiaire d'une tringle simple, commande l'ouverture et la fermeture des soupapes d'échappement et d'admission de la culasse aux instants voulus. Les courses d'admission et de compression sont obtenues par les oscillations de l'eau contenue dans la tuyauterie de refoulement en forme d'une longue canalisation horizontale en U suivie d'une conduite verticale, avant qu'elle ne soit refoulée vers le réservoir dans la phase de propulsion. Le vide créé par l'eau propulsée provoque l'aspiration d'une nouvelle quantité d'eau à travers les clapets d'entrée.

Les pompes Humphrey ont été utilisées avec succès dans des projets d'irrigation aux Etats-Unis et en Australie au début du siècle. L'Université de Reading en Angleterre a mis au point un prototype moderne à échelle réduite, destiné à l'irrigation par pompage, qui fonctionne avec des carburants biomasses.

Le principal avantage de la pompe Humphrey, outre son bon rendement calorifique, c'est sa grande simplicité mécanique. Elle peut facilement travailler en eaux boueuses ou sablonneuses, et elle est d'une fiabilité exceptionnelle. D'autre part elle ne requiert que des travaux d'entretien très réduits. Ses principaux désavantages sont :

• l'utilisation des carburants gazeux
• la nécessité d'avoir un plan d'eau plus ou moins constant (faibles fluctuations de niveau) à la source.

POMPES VOLUMETRIQUES ROTATIVES

Le deuxième type des pompes volumétriques est celui des pompes où l'élévation ou le déplacement de l'eau est du mouvement rotatif d'un dispositif circulaire. Le débit de ces pompes est en général un débit continu ou quasi-continu. Le principal avantage des machines rotatives c'est qu'elles se prêtent aisément à la mécanisation et aux grandes vitesses de fonctionnement. Cet avantage est un facteur important, car à dimensions égales, plus une pompe est rapide, plus son débit est fort et plus elle est productive et rentable. En outre, dans un régime continu de fonctionnement les risques de coups de bélier et de cavitation sont bien moins importants que dans le cas des machines à mouvement alternatif.

FIGURE 44
Pompe Humphrey (moteur à combustion interne à piston liquide et la pompe associée). Principe de fonctionnement de la pompe Humphrey à 4 temps

Les pompes centrifuges qui font appel à un principe différent seront décrites plus loin. Ces pompes sont en fait devenues le type de pompes mécaniques le plus courant, précisément puisqu'elles se prêtent à l'entraînement direct par un moteur à combustion ou électrique. Toutefois, les pompes volumétriques rotatives ont certains avantages par rapport aux pompes centrifuges, au moins dans certains cas particuliers tel que le fonctionnement à des gammes de vitesses ou des hauteurs de refoulement plus grandes.

Certaines pompes rotatives trouvent leur origine dans les dispositifs techniques les plus anciens (par exemple, la vis d'Archimède). Elles sont encore, dans certaines régions, fabriquées ou assemblées sur place. Les pompes rotatives de fabrication industrielle n'ont pas eu le même succès que les pompes centrifuges. Probablement du fait de certains inconvénients qui sont dus à la fabrication même ou bien au type de matériaux utilisés.

Toutefois, l'utilisation des matériaux plastiques et du caoutchouc synthétique moderne plus résistants et plus durables, pourrait bien contribuer à la relance de la fabrication industrielle de nouveaux types de pompes rotatives dont l'emploi serait avantageux dans certains cas, comme nous allons le voir ci-dessous.

Pompes à ailettes flexibles

Ces pompes comportent un rotor muni de palettes ou ailettes souples, généralement en caoutchouc (figure 45). Le concept en lui même est très simple, c'est en quelque sorte celui d'une porte tournante. Mais ce principe implique des frottements importants et des fuites internes non négligeables. Donc cette pompe ne peut pas être classée parmi les pompes à bon rendement de fonctionnement. Néanmoins, elles ont plusieurs avantages dont l'auto-amorçage et le pompage à des hauteurs de refoulement très importantes avec des vitesses de rotation faibles. Les prob­lèmes de frottements et de durabilité sont en grande partie fonction de la qualité du maté­riau du rotor et des surfaces internes du carter.

FIGURE 45
Pompe à palettes ou ailettes flexibles

Un autre modèle, récemment mis au point par la firme allemande Permaprop Pumpen, utilise comme rotor une courroie sans fin tournant autour de deux poulies et munie du côté extérieur de palettes en caoutchouc (figure 46). Lorsque la courroie tourne autour d'une poulie, les palettes souples s'écartent augmentant ainsi le volume compris et par le fait même l'aspiration l'eau. La figure montre le fonctionnement simultané des deux côtés de la chambre où le pompage se fait dans des directions opposées, ainsi que les passages judicieusement aménagés dans le corps de pompe pour diriger la circulation de l'eau. Parmi les avantages mentionnés par les constructeurs, on peut citer notamment la possibilité de fonctionner en permanence en régime de ronflement (i.e pompage d'un mélange d'air et d'eau), l'auto-amorçage, une hauteur limite à l'aspiration pouvant atteindre 8 mètres, et une hauteur de refoulement de plus de 45 mètres. Cette pompe se prête donc à des utilisations plus vastes qu'une pompe centrifuge équivalente, mais elle est aussi plus complexe et plus chère.

FIGURE 46
Pompe Permaprop

Pompes à cavité progressive ou pompes Mono (pompe Moineau)

Les pompes rotatives passées en revue jusqu'à maintenant ne sont pas destinées pour l'équipement des forages, elles sont principalement utilisées comme pompes aspirantes. Cependant, la pompe "à cavité pro­gressive ou graduelle" ou pompe "Mono" (d'après le nom de son invent­eur français, Moineau) (figure 47) est le modèle unique de pompes rotatives industrielles faciles à installer dans les forages. C'est un grand avantage, car les pompes volumétriques s'adaptent bien plus que les pompes centrifuges aux variations de la hauteur de refoulement. Par conséquent, l'emploi des pompes Mono est tout à fait indiqué dans tous les cas où le plan d'eau est sujet à des fluctuations importantes saisonnières, ou bien du fait du rabattement de la nappe par pompage ou pour d'autres raisons diverses ou inconnues. De plus, cette pompe est bien connue par sa grande fiabilité, surtout pour le pompage des eaux chargées d'impuretés corrosives ou abrasives. Cette fiabilité est essentiellement due au bon choix des matériaux de fabrication, et à la simplicité de son fonctionnement mécanique.

La figure 47 montre que cette pompe est constituée uniquement d'un rotor à hélice simple tournant dans un stator à hélice double. L'hélice simple ressemble à une échelle spirale (mouvement hélicoïdal), et l'hélice double est formée par la superposition de deux hélices en sens inverses. Le rotor est habituellement fait en acier chromé ou en acier inoxydable poli. Il est à section circulaire et épouse exactement l'une des deux hélices du stator. Le stator est en général fait en caoutchouc ou en plastique, l'hélice intérieure est à section ovale. Une caractéristique inhérente à la configuration de ce type de pompe est que la seconde hélice du stator (celle qui est "vide") se trouve divisée en plusieurs cavités séparées, isolées les unes des autres par l'hélice du rotor. Lorsque le rotor tourne, ces cavités suivent un trajet hélicoïdal autour de l'axe de rotation, de sorte que, quand l'ensemble est immergé, de petits volumes d'eau sont captés dans les cavités créées entre l'hélice du rotor et la double hélice du stator. Lors de la rotation de l'arbre ces volumes d'eau sont forcés vers le haut et refoulés dans la colonne montante.

La vitesse de rotation de ce type de pompes est en général de l'ordre 1000 tr/min. et même plus. Cependant quand elles sont installées dans un forage elles sont munies d'un long arbre moteur guidé dans la colonne de la pompe par des paliers, généralement en caoutchouc en forme de croisillon, lubrifiés à l'eau. Dans la pompe même, les forces de frottement entre le rotor et le stator sont atténuées d'une part grâce à l'effet lubrifiant du débit d'eau et d'autre part aux faibles rayons d'action (faibles surfaces de contact). Donc ces frottements n'altèrent pas trop le rendement. Il s'est avéré que les pompes à cavité progressive ont, dans les conditions de fonctionnement opti­males, un rendement comparable à celui des pompes centrifuges multi­cellulaires et des pompes volumétriques alternatives. L'inconvénient majeur de ces pompes est que leurs pièces spé­ciales ne peuvent pas être assemblées sur place, par suite elles sont trop chères. Malheureusement, toutes les pompes de forage de bonne qualité coûtent cher. Cet investissement initial trop fort est généralement justifié par la nécessité de réduire au minimum la fréquence des opérations d'entretien fort coûteuses relatives au démontage et à la révision d'une pompe installée à grande profondeur.

FIGURE 47
Pompe à cavité progressive ou pompe "Mono"
Coupe transversale schématique illustrant le principe de la vis d'Archimède

La pompe à cavité progressive est parfois difficile à démarrer. En effet, comme la pompe à piston, le couple de démarrage nécessaire pour "détacher" le rotor du stator et pour mettre l'eau en circulation afin d'assurer la lubrifi­cation du rotor est plus important qu'en régime de fonctionnement nor­mal. Cela pourrait donc provoquer des ennuis de démarrage en cas d'utilisa­tion de moteurs électriques ou ther­miques. Cependant dans les versions les plus modernes, des dispositions appropriées sont introduites afin de permettre néanmoins d'atténuer ces problèmes ou bien de les surmonter.

Pompes à vis d'Archimède et pompes à vis ouverte

La pompe à cavité progressive est la version la plus récente, tandis que la vis d'Archimède est l'un des plus anciennes. Ces deux types de pompes présentent pourtant certaines similarités.

La figure 48 montre un type de pompe à vis d'Archimède (une version à motricité animale est représentée à la figure 97). La version traditionnelle de cette pompe qui date de l'époque pré-romaine est toujours utilisée en Egypte. Elle est faite d'une hélice en bois de section carrée montée sur un arbre central métallique. Le tout est enveloppé dans un cylindre en lattes de bois formant carter. Ces lattes de bois sont assemblées comme les douves d'un tonneau, par des frettes en métal.

FIGURE 48
Dispositif élévateur du type à vis d'Archimède. Deux ouvriers sont nécessaires pour le faire fonctionner si la hauteur de refoulement est supérieure à 0,60 m (voir aussi à la figure 97 une version à force motrice animale) (d'après Schioler [24])

FIGURE 49
Section d'une pompe à broche hélicoïdale à ciel ouvert (vis hollandaise)

La vis d'Archimède ne peut élever l'eau qu'à de faibles hauteurs. Elle est généralement montée en pente, son extrémité basse immergée dans l'eau et son extrémité haute au niveau du déversoir. Chaque modèle a une inclinaison optimale en général comprise généralement entre 30' et 40', selon le pas et le diamètre de l'hélice interne.

Le principe de la vis d'Archimède est le suivant : l'eau est aspirée à la partie immergée de l'hélice chaque fois que celle-ci est immergée dans l'eau et, à chaque rotation, un certain volume d'eau sera capté dans l'espace clos compris entre le cylindre (colonne) et la partie basse de chaque spire. Comme tout l'ensemble est en rotation, l'hélice fait remonter progressivement le long du cylindre chacun des volumes d'eau captés, jusqu'à ce qu'ils arrivent à la sortie aménagée en tête où ils sont déversés. En somme, les volumes d'eau se déplacent de la même manière qu'un écrou se vissant dans un boulon lorsqu'on bloque l'écrou et qu'on fasse tourner le boulon. Le principe est également similaire à celui correspondant au déplacement de l'eau se trouvant entre le rotor et le stator d'une pompe Moineau.

Les essais effectués sur des vis d'Archimède, en bois traditionnels tel décrites ci-dessus, ont donné de valeurs de rendement d'environ 30%.

La version moderne de la vis d'Archimède est la pompe à broche hélicoïdale (figure 49). Elle est constituée d'une vis hélicoïdale en acier fixée sur un arbre tubulaire lui aussi en acier. Contrairement à la vis d'Archimède, la vis n'est pas couverte d'un tubage qui tourne avec elle, mais elle est logée dans un petit passage en forme de canal incliné de section semi-circulaire sans être en contact avec les parois. Ce canal est en général en béton bien revêtu. A cause du jeu entre la vis et les parois du canal, des fuites internes sont inévitables, mais comme la pompe à vis est à gros débit, ces pertes pourront être négligées. Ainsi le rendement des pompes à broche hélicoïdale atteint 60-70%.

FIGURE 50
Pompes à poussée hydrostatique

Le principal avantage des pompes à vis tient à la facilité d'installation et aux travaux de génie civil nécessaires de faible importance par rapport aux travaux d'installation des grosses pompes à hélice de même débit. En effet, ces dernières sont installées dans des puisards en béton avec un réseau de tuyauterie de gros diamètres, tel qu'indiquée à la figure (66). De plus, la vis peut bien fonctionner avec des eaux boueuses ou sablonneuses, de même qu'avec des eaux chargées de débris flottants.

Le principal inconvénient des pompes à vis pourrait être le système de transmission trop complexe nécessaire pour démultiplier la vitesse du moteur électrique ou diesel de 1500 tr/min à 20-40 tr/min qui est la vitesse normalement requise pour la vis. Les transmissions mécaniques de ce genre sont coûteuses et leurs rendements mécaniques ne dépassent pas en règle générale 60 à 70%. Le rendement total de la pompe à broche hélicoïdale, transmission comprise, tombe par conséquent aux alentours de 50-60 %. En outre, les manoeuvres en contact direct avec les pompes à broche hélicoïdale pourraient courir certains risques en cas d'accident du fait que le rotor est à découvert. Il est donc conseillé de couvrir la vis par des grilles de protection. Enfin, ces pompes ne peuvent pas supporter de fortes variations de charge à l'aspiration, à moins de prévoir des dispositifs permettant de soulever ou de rabaisser la pompe tout entière. Enfin, la hauteur de refoulement maximale admissible est de l'ordre 6 mètres dans la plupart des cas, et de 4 à 5 mètres pour les petites pompes.

Pompes spirales et pompes chaine-hélice

Ces pompes fonctionnent selon le même principe de la vis d'Archimède, à la seule différence que leur axe de rotation est horizontale alors que l'axe de la vis d'Archimède est inclinée de 30° environ. Les pompes spirales et à chaîne-hélice à condition d'être équipées d'un manchon de rotation adapté, peuvent refouler l'eau à des hauteurs importantes, de 5 à 10 mètres en général, au-dessus de leur niveau de sortie. La figure 50 illustre les deux modèles (A) pompes spirales et (B) pompe chaîne-hélice.

Ces deux pompes fonctionnent selon le même principe, que ce soit sous la forme d'une spirale, ou bien sous la forme d'une chaîne-hélice ou chaînes spéciales à formes diverses tournant autour d'un axe horizontal dans ce dernier cas une chaîne sans fin entourée d'un ressort spiral fera l'affaire. Une extrémité de la spirale ou de la chaîne est découverte et plonge dans l'eau une fois par tour, puisant un certain volume d'eau à chaque tour. Grâce à la forme de la spirale, la quantité d'eau captée est suffisante pour remplir totalement la partie basse spirale ou de la chaîne, donc au second tour seulement l'air sera admis. Lorsque la pompe tourne, la masse d'eau se déplace progressivement le long de la partie inférieure de la spirale ou de la chaîne, exactement comme dans une vis d'Archimède. Cependant, lorsque la pompe travaille à des hauteurs de refoulement supérieures au niveau de sortie de la pompe, la contre-pression repousse légèrement ces masses d'eau des régions basses de chaque spire au fur et à mesure que la masse se rapproche de la sortie. De la sorte, la masse d'eau se trouve répartie le long de la spirale en dehors des régions basses des spires. La hauteur de refoulement maximale de ces deux types de pompes est déterminée par la nécessité d'empêcher au voisinage de la sortie que l'eau ne soit repoussée des sommets des spires par contre-pression. Donc, là encore, ces pompes sont à faible hauteur de refoulement.

La pompe spirale doit être conçue de manière à ce que le petit périmètre des spires intérieures soit compensé par une section transversale importante. Elle est donc normalement construite en éléments de tôle. La pompe chaîne-hélice est bien sûr plus facile à réaliser.

FIGURE 51
Roue à palettes ou roue à marches ou pédales

L'histoire de ce type de pompe remonte dans la documentation technique à 1806. De nouveau, cette machine commence à susciter un regain d'intérêt considérable, avec des projets de recherche lancés dans les universités de Californie (Etats-Unis), Salford (Royaume-Uni), Los Andes (Colombie) et Dar-Es-Salam (Tanzanie) [16]. Bien que cette pompe soit traditionnellement employée comme pompe de cale des navires, elle a été récemment utilisée comme pompe d'irrigation "au fil de l'eau", à titre d'exemple, par le Royal Irrigation Département de Thaïlande (voir figure 153), de même par Sydfynsgruppen et les Scouts du Danemark pour un projet d'irrigation dans le sud du Soudan avec le soutien de DANIDA, et sur le Niger près de Bamako (Mali) dans le cadre d'un projet financé par l'agence allemande de coopération, BORDA. Le chapitre 4.9 présente certaines utilisations pratiques de cette machine.

Les avantages de ces pompes résident dans leur construction mécanique simple. De plus à l'opposée de la vis d'Archimède, elles peuvent refouler l'eau dans une conduite de refoulement jusqu'à des hauteurs d'environ 8-10 mètres, ce qui offre des possibilités d'emploi plus étendues. La seule pièce mécanique délicate, est le manchon tournant qui assure la liaison entre la conduite de refoulement fixe et la sortie tournante de la spirale. Ces pompes peuvent parfaitement remplacer la roue à eau (noria, chapelet), car elles tournent lentement sous l'effet d'un couple élevé. D'ailleurs c'est sur ce dernier aspect que les travaux de recherches sont essentiellement axés.

Le principal inconvénient de cette pompe est son débit faible, à moins d'utiliser une spirale de grand diamètre, car le débit est proportionnel à la quantité d'eau que peut contenir la partie basse de chaque spire. Un calcul simple montre que pour disposer d'une pompe spirale de forte capacité, il faut une spirale trop longue dont le prix serait lui aussi élevé, e.g., pour avoir une spirale de 20 spires de 1.50 m de diamètre, il faudrait environ 100 m mètres de tuyau. Les partisans de la pompe spirale font valoir que sa simplicité (réalisation facile sur place), et sa fiabilité devraient compenser son coût élevé. Néanmoins, cette pompe n'a pas été jusqu'à présent d'usage courant et par suite elle n'a pas été commercialisée.

Roues hydrauliques à palettes, à marches et à augets

Ces dispositifs sont en fait des versions rotatives de l'élévateur à godet. Mais au lieu d'utiliser un seul godet que l'on fait montrer et descendre en un mouvement alternatif, on en a plusieurs qui sont disposés sur tout le pourtour d'une roue (figure 51). Comme pour l'élévateur à godet, la roue à palettes ne peut remonter l'eau qu'à une faible hauteur. Par exemple celle qui est requise pour la submersion de rizières jusqu'à une hauteur ne dépassant pas une cinquantaine dé centimètres au-dessus du niveau de la prise d'eau.

La version la plus simple est la roue à marches ou pédales. L'opérateur marche directement sur le bord des palettes pour faire tourner la roue qui puise l'eau d'une manière continue et régulière et la déverse au-dessus d'une petite digue (figure 51). Dans sa forme la plus rudimentaire, la roue à palettes n'a pas un bon rendement du fait des fuites d'eau latérales importantes. Une version améliorée consiste à abriter la roue dans un caisson bien adapté, ce qui permet non seulement de réduire les pertes d'eau, mais aussi d'augmenter légèrement la hauteur de refoulement.

Les roues à palettes ont été mécanisées, mais elles sont rarement utilisées actuellement comme pompes élévatoires. Aux Pays-Bas par exemple,les moulins utilisés pour l'assèchement de vastes régions du pays-entraînaient souvent de grandes roues de palettes qui ont été connues sous le nom de "roue de chasse d'eau". Ces roues de chasse sont munies de lames retroussées vers l'arrière, et le rendement des roues les plus performantes varie entre 40 et 70%. Les petites roues à palettes à lames droites ont des rendements voisins de 10 à 20%. Par contre, elles ont l'avantage d'être faciles à fabriquer et à installer. Elles servent à élever d'importantes quantités d'eau à une faible hauteur. Elles sont parfois assemblées à des éoliennes traditionnelles, tel qu'indiqué à la figure 110.

FIGURE 52
Chapelet incliné ou pompe chinoise "à vertèbres de dragon"

Chapelet incliné ou pompe chinoise

Le principal inconvénient de la roue à palettes c'est qu'il faut avoir des roues de diamètre d'autant plus important que la hauteur d'élévation est grande. Pour remédier à cet inconvénient les palettes sont montées sur une chaîne sans fin qui se déplacent dans une auge en bois inclinée, ou goulotte (figure 52). Là chaîne sans fin passe sur des roues. La roue supérieure ou motrice est montée sur une perche (ou arbre) horizontale munie de pédales que les manoeuvres utilisent pour faire tourner la roue. Du coté inférieur, la chaîne passe sur un barbotin tournant librement. Les lames mobiles dont la section est presque égale à celle de l'auge poussent l'eau à travers l'auge en bois. Cet appareil élévateur s'apparente à plusieurs égards à la pompe à vis qui, elle aussi, pousse l'eau captée entre les spires le long d'une auge. Comme dans la pompe à broche hélicoïdale, il y a des pertes par retour d'eau. Mais avec un appareil bien conçu, ces pertes ne représentent qu'une faible proportion du débit assez élevé de la pompe.

Le chapelet incliné est toujours largement employé dans les petites exploitations agricoles de l'Asie du Sud-Est pour la submersion de champs ou de rizières de petites dimensions. Ces pompes sont installées sur des cours d'eau ou sur des canaux à ciel ouvert. Elles sont aussi utilisées pour pomper l'eau de mer dans des bassins d'évaporation pour recueillir le sel. Ces pompes sont aussi appelées en Chine "vertèbres de dragon" ou "roues dragons" nom d'où leur nom de pompes "chinoises" et "rahad" en Thaïlande. Comme elles sont le plus souvent construites en bois, elles sont faciles à réparer sur place. Cette pompe est considérée comme le dispositif élévateur d'eau traditionnel le plus couramment utilisé pour le pompage de gros débits aux faibles hauteurs de refoulement. Elle est principalement utilisée dans l'irrigation des rizières qui exigent parfois un apport d'eau important.

Comme on vient de l'indiquer le tourteau supérieur est monté sur un long arbre horizontal muni de pédales pour faire tourner le chapelet par une équipe de deux à huit personnes (figure 52). L'espacement des pédales est tel qu'à tout instant, au moins un des opérateurs est en mesure d'appuyer en pleine force sur une pédale, ce qui permet de maintenir la constance du couple fourni, ainsi que la tension de la chaîne à palettes pour que le chapelet tourne doucement sans à-coups.

Certaines versions des pompes chinoises sont entraînées par des éoliennes (figure 111) (en Thaïlande ainsi qu'en Chine), d'autres par des buffles (en Chine) ou bien par des moteurs à essence.

Les chapelets ont des longueurs de 3 à 8 m et des largeurs de 150 à 250 mm. Les hauteurs d'élévation dépassent rarement 1 m à 1.20 m. Cependant on peut monter plusieurs chapelets en série lorsque l'eau doit être élevée à des hauteurs plus importantes. Un essai rapide effectué en Chine a montré que deux équipes de 4 hommes ont pu élever en moyenne 23 m³/h sur une hauteur de 0,90 m [1]. D'autres informations complémentaires sur les chapelets inclinés utilisés en Chine sont données au tableau 6.

TABLEAU 6
Caractéristiques techniques des chapelets inclinées chinoises dites "vertèbres de dragon"

Note : Les machines mentionnées dans le tableau sont fabriquées par Chengqiao Water Lift and Agricultural Tool Plant, commune d'Hangjiang, comté de Putian.

Des essais ont été effectués en Thaïlande en 1961 [16] sur un chapelet à eau traditionnel en bois. Le moteur d'entraînement est de 2-3 CV. L'auge a une section carrée de 190 mm de côté, avec des palettes en bois de 180 mm de hauteur x 150 mm de largeur, espacées de 200 mm. Le jeu était particulièrement important de l'ordre de 20 mm de chaque côté. Les principales conclusions de cette étude ont été les suivantes:

• Le débit est maximum quand la partie basse de la traverse est complètement immergée.
• Le rapport optimal espacement/profondeur des palettes correspondant aux pertes minimum et au débit maximum est de 1,0 à 1,1.
• La vitesse du pignon doit être maintenue à moins de 80 tr/min. pour éviter une usure excessive et des ruptures fréquentes.
• Le rendement moyen de la machine est de 40 %.

II est fort probable que la réduction du jeu entre le bord des palettes et de l'auge permettrait d'augmenter le rendement. D'autre part, l'espacement optimal des palettes joue lui aussi un rôle décisif. Un espacement trop faible pourrait provoquer des frottements excessifs et de fréquentes ruptures des maillons de la chaîne tandis qu'un espacement trop fort augmente les pertes d'eau et réduit le rendement global.

Pompes à chapelet ou patenôtre

Les origines de ce type de pompe remontent à plus de 2 000 ans. Le principe de fonctionnement est similaire au chapelet incliné que nous venons de décrire. Cependant dans ce modèle les palettes disposées le long d'une traverse inclinée sont remplacées par une série dé disques ou "pastilles" montés comme une chaîne sans fin ressemblant ainsi à un chapelet (figures 53, 84 et 96). Comme pour le chapelet incliné, cette pompe peut être actionnée par l'énergie humaine, animale ou mécanique. Les pompes à chapelet sont en général entraînées par une équipe de deux à quatre personnes ou par une éolienne classique.

Comme nous allons le voir plus en détail dans les chapitres suivants à propos de l'utilisation de l'énergie humaine et animale, le fonctionnement de ce type de pompes nécessite une force de rotation permanente. Cette force de rotation est normalement obtenue à partir d'un mécanisme à manivelle et volant, c'est un système très commode pour l'application de la force musculaire; et il est caractérisé par son bon rendement mécanique. De plus, cette pompe pourrait bien être accouplée à un moteur ou à une autre machine motrice.

Le principal avantage de la pompe à chapelet c'est qu'elle peut travailler dans une large fourchette de hauteurs de refoulement. A cet égard, sa souplesse d'emploi est tout à fait comparable à celle de la pompe à piston. En, effet, la fourchette des hauteurs de refoulement varie de 1 m à plus de 100 m. Pour des hauteurs plus faibles, l'utilisation des disques n'affecte pas trop le rendement d'élévation car les pertes restent toujours faibles par rapport au débit total. Toutefois, pour des hauteurs plus grandes, les disques doivent être plutôt remplacés par des pastilles plus étanches pour minimiser les pertes. Plusieurs types de matériaux ont été utilisés, mais l'on utilise généralement des rondelles en caoutchouc ou en cuir portées pat des flasques métalliques de diamètre plus petit. Pour la plupart des pompes à chapelet, la partie inférieure de la gaine est en forme de cloche pour assurer un meilleur guidage des disques à l'entrée. Pour les pompes de grande hauteur d'élévation, où l'ajustement des disques doit être précis ; cette condition est de rigueur uniquement dans la partie inférieure de la gaine, alors que la partie supérieure est généralement évasée pour minimiser les frottements (voir figure 53a).

La capacité d'une pompe à chapelet est fonction du diamètre de la gaine et de la vitesse de rotation de la chaîne. Par exemple, il faudra quatre hommes pour actionner une machine fonctionnant sur une hauteur d'élévation de 6 m et avec une gaine de 100 mm [1].

Les pompes à chapelet ont été, et sont encore, d'un usage très courant, particulièrement en Chine où elles sont de fabrication industrielle. Elles sont souvent connues sous le nom de "pompes Libération". Du point de vue développement technologique, ces pompes constituent pour la Chine, un progrès majeur par rapport aux autres techniques d'élévation plus traditionnelles et plus primitives. Elles constituent une étape intermédiaire précédant la modernisation complète et l'utilisation des pompes centrifuges commandées par des moteurs.

FIGURE 53(a)
Pompe à chapelet type "Libération" chinoise (une version à force motrice animale est illustrée en figure 96)

FIGURE 53(b)
Pompe à chapelet à commande manuelle

Deux � trois millions de "pompes Lib�ration" �taient en service en Chine au plus fort de leur utilisation, dans les ann�es 1960 [17]. Les caract�ristiques de fonctionnement suivantes s'appliquent aux pompes � chapelet couramment employ�es en Chine:

Outre les multiples possibilités d'entraînement de la pompe à chapelet, on voit sur ce tableau que leur rendement est plutôt supérieur à celui de la plupart des pompes. Elle est principalement intéressante du fait que son couple au démarrage est inférieur au couple de fonctionnement en régime permanent. C'est un avantage certain par rapport aux autres pompes volumétriques, ce qui permet son accouplement à des machines motrices aux couples de démarrage limités.

POMPES A MOUVEMENT ALTERNATIF A FORCE D'INERTIE (BATTEMENT)

Le principe de fonctionnement de cette catégorie de pompes consiste à mettre en accélération une certaine masse d'eau, puis de la lâcher, c'est-à-dire à la "lancer" en quelque sorte. Ce type de pompes est aussi appelé pompes à inertie.

Comme pour les autres catégories de pompes qu'on a déjà vues jusqu'à maintenant, on distingue d'une part les pompes à mouvement alternatif à inertie, qui on va décrire ci-dessous, et d'autre part les pompes rotatives beaucoup plus courantes qui comprennent les pompes centrifuges, qu'on aborde à la section Pompes roto-dynamiques.

Pompes à clapet

II s'agit d'une pompe extrêmement simple, qu'on peut facilement assembler ou fabriquer sur place (voir figure 54). Plusieurs pompes de ce genre ont été faites de matériaux simples tels que le bambou. D'autre part, les limites de tolérance des dimensions de la pompe sont larges, par suite sa fabrication ne demande pas des techniques trop précises.

FIGURE 54
Pompe à clapet

L'ensemble de la pompe et de la colonne montante est entraîné par un mouvement de va-et-vient de haut en bas par un levier pivotant autour d'un axe. Lors de la montée du bras du levier, le clapet se ferme et l'eau monte dans la conduite pas aspiration, et au changement du mouvement du bras du levier, la colonne d'eau aurait déjà acquise l'énergie cinétique suffisante pour ouvrir du clapet et passer par la sortie de la pompe. Ce type de pompe utilisé la différence de pression entre la pression atmosphérique au plan d'eau et le vide crée à l'intérieur de la conduite pour élever l'eau. Elle ne saurait donc permettre des hauteurs d'élévation de plus de 5 à 6 m.

FIGURE 55
Pompe à résonance

Pompes à résonance

La figure 55 représente une version améliorée de la pompe à clapet. Elle comprend un volume d'air à la partie supérieure de la conduite, qui joue le rôle d'un ressort pour la colonne d'eau. Cette masse d'air absorbe de l'énergie puis la libère pour chasser l'eau durant une plus grande partie de la course qu'avec une pompe à clapet simple. Ce dispositif utilise le même principe que celui d'une chambre d'air.

Cette pompe doit fonctionner à une vitesse bien déterminée pour qu'elle entre en résonance. Un exemple simple du dispositif en résonance est celui du mouvement oscillatoire d'une masse suspendue à un ressort. La masse rebondit de haut en bas et inversement à une fréquence propre, fonction de la raideur du ressort et de la masse. Plus la masse est importante par rapport à la raideur du ressort, plus la fréquence naturelle est faible et vice- versa. Si le ressort est lancé régulièrement à une fréquence voisine de sa fréquence propre, il suffirait alors d'exercer une légère traction une fois par cycle pour avoir des oscillations de grande amplitude, c'est-à-dire pour observer le phénomène de résonance. A chaque coup du bras de levier la pompe à résonance fait rebondir une certaine masse sur le coussin d'air situé au-dessus. Compte tenu des dimensions de la chambre d'air et de la masse de la colonne d'eau, ce dispositif aura tendance à rebondir suivant une fréquence de résonance déterminée. Une fois amorcée, une pompe de ce type a simplement besoin d'un mouvement régulier de la poignée à la fréquence voulue pour entretenir le rebondissement de la colonne d'eau. Ce phénomène a non seulement pour effet d'améliorer le rendement global, mais aussi l'effort à exercer pour faire fonctionner la pompe est considérablement réduit. Dunn (20) a indiqué qu'on peut avoir des hauteurs d'élévation d'environ 1.5 à 6 m, et un débit de 60 à 100 litres/minute, à raison de 80 coups par minute.

FIGURE 56
Premiers types de pompes centrifuges

II y a lieu de signaler que le rendement de certaines pompes à piston à mouvement alternatif équipées de chambre d'air (tel qu'indiqué fig. 36C) peut également être amélioré. En effet, il suffit de régler la vitesse du piston pour qu'elle corresponde à la fréquence de résonance de la colonne d'eau de la conduite, et à la "raideur" de la masse d'air enfermée dans la chambre d'air. Généralement, ceci n'est possible qu'avec des canalisations courtes et des hauteurs relativement faibles, sinon la fréquence propre de résonance serait trop faible, et il serait presque impossible de faire correspondre une vitesse de pompe réalisable en pratique. Si l'on réussit à atteindre la résonance, le rendement volumétrique de la pompe pourrait atteindre des valeurs de l'ordre de 150 à 200%, et le débit serait presque le double du volume balayé par le piston. Cela est dû au fait que l'eau poursuit sa course sous l'effet de son inertie propre, même durant la course de retour du piston (les clapets étant bien sûr ouverts). Ainsi, le débit d'eau est maintenu durant une partie de la course descendante, tout comme pendant la course ascendante. Des pompes à piston alternatives judicieusement conçues et mettant à profit le phénomène de résonance peuvent fonctionner à des vitesses élevées et avec de très bons rendements. Cependant dans certains cas, il faut éviter tout particulièrement (par exemple dans des pompes à inversion du sens d'écoulement) les phénomènes de résonance qui accroîtront certes le débit fourni, mais qui provoquent des charges excessives pour la pompe ou son mécanisme moteur.