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Chapitre 2 : Dispositif expérimental
21
Chapitre 2
Dispositif expérimental
2.1. Introduction Les travaux expérimentaux ont été menés sur une pompe centrifuge de taille industrielle.
La machine est équipée d’une roue de faible rapidité spécifique suivie par un diffuseur aubé et
une volute de section circulaire.
La roue testée est la roue dite « roue SHF » qui a été conçue il y a plusieurs années sur la
proposition d’un groupe de travail de la société hydrotechnique de France. Deux modèles
avaient été réalisés, l’un fonctionnant en air à l’ENSAM de Lille, l'autre en eau à l’INSA de
Lyon. Les deux modèles ont été le sujet de nombreuse études, dont principalement la
détermination des débits critiques d’apparition de la recirculation en entrée et en sortie de la
roue (Barrand 1985, Verry 1985, Bois 1990). Par ailleurs les résultats des explorations des
champs de vitesse et de pression ont servi pour la validation de codes de calcul (Ubaldi 1985,
Combes 1985, 1992)
Dans ce chapitre, nous allons présenter la roue de la machine d’essais et son
environnement, le banc d’essai auquel la machine est connectée et le dispositif de mesure.
2.2. Présentation de la roue SHF La géométrie du modèle en eau de la roue SHF est définie par similitude à partir des
caractéristiques de la roue de référence rappelées par le tableau 2.1. Ces caractéristiques
conduisent aux nombres adimensionnels suivants :
Coefficient de débit : 118.0bR2
Q
rr2r22
r =⋅⋅⋅
=ωπ
φ 2. 1
Coefficient de hauteur : 481.0RHg
r222
r
r =⋅⋅
=ω
ψ 2. 2
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
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Rapidité spécifique : 577.0)Hg(
Q4/3
r
2/1rr
sr =⋅
⋅=
ΩΩ 2. 3
Nombre de Reynolds : 62r2r
e 10026.5RR ×=⋅
=υ
Ω 2. 4
Avec υ la viscosité cinématique ( 610−=υ m2/s).
La taille du modèle a été choisie de façon à s'adapter facilement à un corps de pompe
existant. Cette contrainte conduit à un diamètre en sortie de roue D2 = 354.5 mm. Le respect
de la similitude conduit aux caractéristiques du modèle données par le tableau 2.2.
La roue SHF a sept aubes et une faible rapidité spécifique. Cette roue est conçue pour un
débit nominal de 77.4 l/sec délivré à une pression d’environ 24 m à une vitesse de rotation
de 1188 tr/mn.
Les aubes à double courbure couchées vers l’arrière avec un angle β2g = 22.5° en sortie de
roue mesuré par rapport à la direction tangentielle. Le bord d’attaque est gauche afin d'assurer
une meilleure aspiration. Par ailleurs, le bord de fuite est parallèle à l’axe de rotation ce qui a
pour avantage de réduire les différences entre les longueurs des lignes de courant situées au
plafond et à la ceinture de la roue.
2.3. Diffuseur aubé Le diffuseur utilisé est purement radial à parois parallèles. Il est muni de six aubes
montées sur la flasque arrière, la flasque avant étant constituée par l’enveloppe avant du corps
de la pompe. Les principales données géométriques du diffuseur sont rappelées dans le
tableau 2.2 et illustrées dans la figure 2.1.
Le diffuseur a une largeur b3 = 28.1 mm contre b2 = 26.7 mm pour la roue, soit un rapport
b3/b2 = 1.052. le rayon à l’entrée du diffuseur est R3 = 182 mm, le bord d’attaque des aubes se
situe à R4 = 199.3 mm, ce qui conduit aux rapports : R3/R2= 1.026 et R4/R2= 1.124.
La possibilité de tourner librement le diffuseur dans le plan azimutal nous a permis
d'explorer le champ de vitesse aux différentes positions relatives roue - diffuseur.
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
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Tableau 2. 1 : Principales données géométriques de la roue de référence
Roue de référence
Rayon à l’entrée r1R 110.1 mm
Rayon en sortie r2R 200.0 mm
Largeur du canal de sortie r2b 30.0 mm
Nombre d’aubes ZR 7
Angle en sortie de roue β2g 22°30'
Epaisseur moyenne des aubes e 7 mm
Vitesse de rotation nominale rN 1200 t/min
Débit de référence rQ 0.112 m3/s
Hauteur totale d'élévation rH 31 m
Tableau 2. 2 : Principales données géométriques de la roue/ diffuseur
Roue SHF modèle en eau
Rayon à l’entrée R1 97.55 mm
Rayon en sortie R2 177.25 mm
Largeur du canal de sortie b2 26.7 mm
Nombre d’aubes ZR 7
Angle en sortie de roue β2g 22°30`
Diffuseur aubé
Rayon à l’entrée du flasque arrière R3 182 mm
Rayon de l’arête d’entrée R4 199.3 mm
Rayon en sortie du diffuseur R5 258 mm
Largeur du diffuseur b3 28.1 mm
Nombre d’aubes ZD 6
Epaisseur d’aube à l’entrée e 2 mm
Distance au col à l’entrée 40 mm
Distance en sortie du canal 40 mm
Angle au bord d’attaque α3g 12°
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
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R4
R3 R2
R5
β2g
α3g
Figure 2. 1 : Roue SHF et le diffuseur aubé
2.4. Accès optique Afin d'accéder à l'intérieur de la machine, le corps de la pompe est modifié afin d’y
aménager un hublot, et la ceinture de la roue a été détourée et remplacée par une couronne en
Plexiglas (photos 2.2). Cet aménagement nous a permis d'explorer l'intérieur de la roue et le
diffuseur dans une région comprise entre deux rayons relatifs R* = r/ R2 = 0.8 et 1.22. La
pompe est équipée d'une volute de type spirale avec une section transversale circulaire
(photos 2.2), équivalente à celle utilisée dans les pompes industrielles.
2.5. Banc d’essais La figure 2.3 montre un schéma général de la plate-forme d'essais au laboratoire de
Mécanique des Fluides et Acoustique de l'Institut National des Sciences Appliquées de Lyon.
La boucle utilisée est un circuit fermé, elle est constituée de deux bancs, l’un pour les
pompes centrifuges (1), l’autre pour les machines axiales (2). Le raccordement de l'un ou
l'autre des deux bancs s'effectue au moyen des vannes (3) et (4). Pour découpler l’aspiration et
le refoulement de la machine, deux réservoirs sont utilisés. Le premier réservoir (5) d’une
capacité de 2.5 m3, est situé à l’aspiration de la pompe. Le second réservoir (6) a une capacité
de 1.7 m3, il est placé au refoulement de la machine. Deux conduites de différents
diamètres (8-9) relient les deux réservoirs, elles sont utilisées séparément ou simultanément
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
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selon le débit désiré. Le débit traversant la machine est mesuré par un débitmètre
électromagnétique (11) de type Endress-Hauser (Flowtec 2000). Ce débitmètre a une
précision 0.1% pour des débits qui le traverse compris entre 3.5 et 78 l/s.
La canalisation d'aspiration de la pompe centrifuge a une longueur droite de 1.4 m. Cette
conduite et la face avant du corps de la pompe sont réalisées en Plexiglas afin de visualiser
l'écoulement à l'entrée de la machine.
La pompe est entraînée par un moteur balance à courant continu (10) d’une puissance de
45 kW à 1500 tr/mn alimenté par un groupe Ward-Léonard de 100 kW. La vitesse de rotation
du moteur peut être réglée de façon continue jusqu’à 1500 tr/mn.
Pour faire varier la condition à l’entrée de la machine, une pompe à vide (7) reliée au
réservoir d’aspiration a été installée dans le but de contrôler le phénomène de cavitation.
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
26
Figure 2. 2 : Roue SHF et ses environnements
Couronne en Plexiglas Emplacement du hublot
Diffuseur Roue
La volute
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
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1 Banc d'essais de la pompe centrifuge
2 Banc d'essais de la pompe diphasique
3 Vanne de contrôle
4 Vanne de contrôle
5 Réservoir d'alimentation
6 Réservoir de refoulement
7 Pompe à vide
8 Conduite de faible diamètre (d = 196 mm)
9 Conduite de grand diamètre (d = 300 mm)
10 Moteur d'entraînement
11 Débitmètres
Figure 2. 3 : Boucle d’essais
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
28
2.5.1. Caractéristiques de la machine d'essais Afin de mieux situer les débits pour lesquels l’interaction roue- diffuseur a été étudiée
( 5.0et,6.0,7.0,8.0,1Q/QQ n* == ), les points de fonctionnement correspondant sont
représentés sur les courbes caractéristiques globales données par la figure 2.4, et résumés par
le tableau 2.3.
Les courbes caractéristiques ont été obtenues pour une vitesse de rotation N = 1188 tr/mn.
Un capteur de force type HBM a été monté sur un bras lié au stator du moteur d'entraînement
afin de déterminer le couple sur l'arbre. La vitesse de rotation est mesurée sur l'arbre du
groupe par un codeur optique, et la hauteur d'élévation de la pompe est relevée entre les deux
sections entrée et sortie, aspiration et refoulement, par des capteurs connectés à un
transmetteur de pression différentiel de type ROSEMOUNT.
Q*
H(m
)
Pa
(kW
)
η
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.40
10
20
30
40
50
0
5
10
15
20
25
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
H
Pa
η
N = 1188 tr/mn
Figure 2. 4 : Courbes caractéristiques de la machine
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
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Tableau 2. 3 : Principales données numériques
Q* = Q/Qn H (m) Pa (kW) η %
1.0 18.60 20.30 69.40
0.8 23.31 18.98 74.40
0.7 25.30 17.96 74.35
0.6 26.93 16.90 72.30
0.5 28.24 15.59 68.60
2.6. Instrumentation Les techniques de mesure utilisées pour l’étude du champ hydraulique de l'écoulement
sont multiples. On peut citer l’anémomètrie à fil chaud, sondes de pression, etc… Cependant,
plusieurs questions se posent sur leurs effets et leur influence sur le champ de l’écoulement, et
l'impossibilité de mesurer la vitesse à l'intérieur d'une roue tournante d’une turbomachine. Par
contre, les techniques optiques comme l’ALD et la PIV permettent de déterminer la vitesse
instantanée du fluide sans perturbation de l’écoulement. Dans ce travail, un anémomètre Laser
à effet DOPPLER (ALD) a été utilisé pour explorer le champ de vitesse dans la roue et dans le
diffuseur afin de déterminer l'interaction entre les deux rangées d’aubes de la pompe
centrifuge.
L’utilisation de l’anémomètre laser à effet Doppler étant devenue largement répandu
(Miner 1989,Liu 1994, Ulbaldi 1996 et Toussaint 1998), plusieurs ouvrages en décrient
le principe de fonctionnement (DRAIN 1980, Durst 1981, Strazisar 1985 et Boutier
1991, etc….). Dans ce manuscrit, seul un bref rappel est présenté.
Cette technique exploite l’effet Doppler qui consiste en la modification de la fréquence
d’une onde incidente quand elle est diffusée par une particule en mouvement. La différence
entre la fréquence d’onde réfléchie et l’onde incidente dite fréquence Doppler est
proportionnelle à la vitesse de la particule.
2.6.1. Description de la chaîne de mesure L’anémomètre laser à effet Doppler utilisé (figure 2.5) est un dispositif à deux
composantes composé de plusieurs modules :
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
30
• Une source laser de SPECTRA-PHYSICS à Argon Ionisé de 5 W de puissance
maximale (7).
• Une chaîne optique modulaire (9) (55 X MODULAR LDA OPTICS-DISA) ayant
deux fonctions essentielles : La séparation des faisceaux et leur convergence au point de
mesure, ainsi que la réception de la lumière diffusée par les particules pour une mesure en
rétrodiffusion.
Dans le cas du système actuellement utilisé, l’accès à deux composantes de la vitesse est
assuré par une séparation des longueurs d’onde. L’optique de transmission assure la formation
de deux volumes de mesures ou se croisent trois faisceaux : Un faisceau bleu ( nm3.488=λ ),
un faisceau vert ( nm5.514=λ ) et un faisceau commun.
L'optique de transmission se termine par une lentille convergente de 310 mm de point
focal. Un miroir à 45° a été utilisé afin de réfléchie les faisceaux laser à l’intérieur de la
machine (17).
Pour lever l’ambiguïté quant à la détermination de sens du vecteur vitesse, une cellule de
BRAGG est utilisée (8).
Le laser et son optique d'émission- réception sont montés sur un système de déplacement à
trois axes, qui donne la possibilité de positionner le volume de mesure (figure 2.6) avec une
précision 0.05 mm.
L’ensemencement de l’écoulement se fait par injection d’Iriodine (d < 15 µm)dans la
conduite d'aspiration (2). La lumière est recueillie par deux photomultiplicateurs (PM (11-12))
associés au système optique de réception.
L’acquisition des signaux en provenance des PM est assurée par deux analyseurs de
spectres (BSA (12-13)) de DANTEC, en employant la méthode de la transformé de Fourrier
rapide (FFT). Les deux BSA sont connectés à un PC à travers une interface GPIB et un
logiciel BSAFlow permet de les piloter, traiter et stocker les données.
L’optimisation du taux de validation et d’acquisition du signal se fait à l’aide de
l’observation des signaux par un oscilloscope (14), ce qui permet le meilleur choix de la
puissance du laser, la tension d’alimentation et le gain des PM.
Afin de valider les mesures actuelles, une confrontation est faite avec les résultats publiés
par El Hajem (1996) concernant la même machine. L’auteur a analysé l’écoulement dans la
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
31
position correspondant à la position VIII (γ = 43°), voir figure 2.8. Le traitement des signaux
Doppler était assuré par des compteurs et non pas des analyseurs comme c’est le cas dans ce
travail. Cette comparaison révèle une cohérence parfaite entre les deux séries de mesure.
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
32
1. Injection d’Iriodine (Ensemencement)
2. Conduite d'entrée
3. Machine d'essais
4. Moteur balance
5. Codeur optique
6. Alimentation du laser
7. Source laser Argon-Ionisé
8. Cellule de Bragg
9. Optique d'émission et de réception (Modèle 55x)
10. Miroir à 45
11. Photomultiplicateur (1- Vert)
12. Photomultiplicateur (2- Bleu)
13. Analyseur (1) du signal (Vert)
14. Analyseur (2) du signal (Bleu)
15. Oscilloscope
16. Ordinateur (Logiciel BSAflow)
17. Carte d'interface GPIB
Figure 2. 5 : Chaîne d'acquisition
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
33
2.7. Sections de sondage Au cours de travaux précédants, El Hajem (1996) a montré que la zone où l’écoulement
en sortie de roue semble être le moins affecté par la volute, est celle la plus éloignée du bec de
volute (213° par rapport au bec de volute) ; c’est ainsi que cette position a été retenue pour
l’étude de l’interaction roue- diffuseur où un accès optique a été aménagé (voir figure 2.6).
Pour répondre à l’objectif fixé dans cette étude, c’est-à-dire l’analyse de l’interaction
rotor-stator, il est nécessaire de localiser le point de mesure simultanément par rapport à
la roue et par rapport au diffuseur.
Ainsi la synchronisation des mesures de vitesse avec la position angulaire de la roue est
assurée par un codeur optique, de résolution 3600 points par tour, fixé sur l’arbre de moteur.
Quant au diffuseur, l’exploration de l’écoulement sur un pas du diffuseur a été faite
en dix positions repérées par leur distance angulaire par rapport au bord d’attaque des
aubes du diffuseur données par le tableau 2.4 et représentées sur la figure 2.8.
Dans la pratique, la possibilité de tourner librement le diffuseur permet de ramener la
section explorée en face de l’axe de sondage situé dans le plan horizontal passant par l’axe de
la machine (figure 2.6). La position I correspond alors à un bord d’attaque du diffuseur qui se
situe dans ce même plan horizontal (distance angulaire γ = 0°).
Selon la position, l’écoulement est examiné sur 8 ou 12 rayons (tableau 2.4). Ces rayons
sont désignés par 2* R/rR = , ou r le rayon de mesure et 2R le rayon en sortie de roue. Les
trois valeurs R* = 0.818, 0.909 et 0.978 correspondent à des mesures dans la roue, et
R* = 1.017 correspond une mesure en sortie de roue dans le jeu entre le rotor et le stator. Les
autres rayons sont situés dans le diffuseur.
Pour chaque rayon, 16 points sont explorés dans la direction axiale entre la flasque avant
(ceinture) et la flaque arrière (plafond) (figure 2.7). Les points sont distants d’environ 1.5 mm,
et repérés par Z* = Z/b2, ou Z est la distance mesurée par rapport à la ceinture et b2 la largeur
du canal en sortie de roue.
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
34
Figure 2. 6 : Système de déplacement et le miroir à 45
Ceinture en Plexiglas
Volume de mesure
Bord de fuite de la roue
Bord d’attaque du diffuseur
Z
X
Roue SHF
Miroir à 45°
Bord d’attaque de la roue
Optique
EmissionRéception
Ω
Z* = 0Z* = 1
hublot
Figure 2. 7 : Dispositif de mesure et machine d'essais
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
35
Tableau 2. 4 : Sections de mesures
Position I II III IV V VI VII VIII IX X
Distance angulaire séparant la position de mesure et le bord d’attaque du diffuseur
γ
0° 3° 10° 17° 24° 30° 36° 43° 50° 57°
0.818 0.818 0.818 0.818 0.818 0.818 0.818 0.818 0.818 0.818
0.909 0.909 0.909 0.909 0.909 0.909 0.909 0.909 0.909 0.909 Mesure dans la roue
0.978 0.978 0.978 0.978 0.978 0.978 0.978 0.978 0.978 0.978
Jeu roue- diffuseur 1.017 1.017 1.017 1.017 1.017 1.017 1.017 1.017 1.017 1.017
1.045 1.045 1.045 1.045 1.045 1.045 1.045 1.045 1.045 1.045
1.084 1.084 1.084 1.084 1.084 1.084 1.084 1.084 1.084 1.084
1.129 1.129 1.129 1.129 1.129 1.129 1.129 1.129 1.129 1.129
1.191 1.191 1.163 1.174 1.191 1.191 1.191 1.191 1.191 1.191
1.107 1.107 * * * * * * * *
1.141 1.141 * * * * * * * *
1.163 1.203 * * * * * * * *
Rayon
exploré
R*
Mesure dans le diffuseur
1.174 1.214 * * * * * * * *
R*
R*
R2
R3
R5
R4
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
Figure 2. 8 : Positions des sondages
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
36
2.8. Traitement et conditionnement des résultats bruts Seules les composantes radiales et tangentielles de la vitesse absolue ont été mesurées. La
composante axiale étant quant à elle inaccessible avec la géométrie de la machine et la
configuration actuelle de l’anémomètre laser disponible au laboratoire. Par ailleurs, elle est
souvent considérée comme négligeable pour ce type de machine (Bois 1990), ce qui a été
constatée pour la machine actuelle (El Hajem 1996).
En chaque point exploré, la mesure se fait par l’acquisition de 30 000 données formées par
la position angulaire de la roue transmise par le codeur optique, et les deux composantes de la
vitesse. Un test de coïncidence garanti que ces vitesses se rapportent à une même particule
traversant le volume de mesure. Ce test de coïncidence est basé sur l’intervalle de temps entre
l’arrivée du premier signal validé par un BSA et l’arrivée du deuxième signal validé par
l’autre BSA. L’intervalle de temps choisi pour considérer que les signaux sont simultanés est
défini en nombre de pulsations du codeur optique.
La figure 2.8.a représente un échantillon de mesure obtenue dans la roue. La dispersion
des résultats enregistrés pour une position θ donnée indique le caractère fluctuant de
l’écoulement, la périodicité sur les 360 degrés étant assez bien vérifiée. Les résultats ont été
ramenés à un canal moyen (figure 2.8.b), qui fera l’objet de l’ensemble des analyses et des
discussions présentées dans le reste de ce mémoire.
Par la suite, ce canal moyen a été devisé en 51 secteurs de 1=θ∆ degré. En chaque
secteur, la valeur moyenne d’une composante de la vitesse (figure 2.8.c) a été calculée par la
relation suivante :
n
CdC1C
)(
ni
1i)()(
2
2
θ
θθ
Σθ∆θ
θ∆θ
θθ∆
=
=∫+
−
≈= 2. 5
Dans cette relation )(C θ est la composante de la vitesse d’une particule qui se trouve dans
le secteur de largeur 1=θ∆ centré par rapport à la position angulaire θ , n étant le nombre de
données enregistrées dans ce secteur. Pour simplifier la notation, la vitesse moyenne )(C θ ,
sera notée )(C θ dans les chapitres suivants.
Le taux de fluctuation de la vitesse dans cet intervalle a été également calculé d’après
l’expression suivante :
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
37
[ ]
100
n
C
n
CC
100CrmsTu
)(
ni
1i
)()(
ni
1i
)(
2
×
−
=×= =
=
=
=
θ
θθ
θ Σ
Σ
2. 6
Avec rms qui est l’écart type de la vitesse défini par :
[ ]n
CCCrms
2
)()(
ni
1i)(
2θθ
θ
Σ −=′=
=
= 2. 7
La coupure observée sur l’ensemble des canaux correspond au passage de l’aubage dans le
volume de mesure, ainsi que l’interruption du signal due au passage de l’aube à travers le
chemin de l’un des faisceaux.
Chapitre 2 : Dispositif expérimental
38
(a)
(b)
(c)
Figure 2. 9 : Echantillon de mesure dans la roue
Position angulaire de la roue θ (degré)
C(θ) (m/s)
Position angulaire du canal moyen θ (degré)
C(θ) (m/s)
Position angulaire du canal moyen θ (degré)
rms(θ) (m/s)
C(θ) (m/s)
∆θ=1
∆θ=1
Extinction du signal
Extinction du signal
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