Les pompes à volute en béton. Applications, évolutions

— GEC Alsthom Bergeron Rateau

Depuis que la première pompe à volute en béton fut conçue et réalisée en France par Bergeron Rateau en 1917 dans le port de Saint-Nazaire, ce type de pompe a été de plus en plus largement utilisé dans le monde, particulièrement dans les installations qui demandent de grands débits (de 5 à 30 m³/s) à faibles hauteurs (de 5 à 30 m). Ses principales fonctions concernent :

• le drainage, • l’irrigation, • les circuits de refroidissement des centrales de production d’énergie électriques (thermiques classiques ou nucléaires), ainsi que de nombreux complexes industriels, • les formes de radoub, • l’approvisionnement en eau des bassins portuaires, • la lutte contre les inondations, • le pompage des effluents et des eaux usées.

Des techniques spéciales de construction permettent, le cas échéant, d’étendre le champ d’application de la pompe à volute en béton à des hauteurs d’élévation supérieures à 30 m et à des débits inférieurs à 5 m³/s.

La technologie

La pompe à volute en béton diffère des pompes conventionnelles à volute métallique du fait que le conduit d’aspiration et la volute sont construits en béton armé et font parties intégrantes de la structure de la station de pompage. Ce sont des pompes à axe vertical du type « pull-out », les éléments internes constituant la pompe étant démontables en bloc. Leurs principaux composants, représentés sur la figure 1, sont détaillés dans ce qui suit.

Éléments en béton

On distingue :

— le conduit d’aspiration Il est inséré dans le génie civil de la station de pompage. Différentes formes peuvent être adoptées de façon à satisfaire aux contraintes suivantes :

• forme de la section d’entrée adaptée à la section de sortie du système de filtration, • perte de charge aussi réduite que possible pour atteindre un haut rendement global de pompage, • distribution de vitesse quasi uniforme à l’entrée de la roue pour limiter les effets secondaires de cavitation, bruit, vibrations et perte de rendement, • niveau bas du conduit d’aspiration aussi peu profond que possible, pour limiter le volume des fouilles. La figure 2 montre trois types de conduits d’aspiration correspondant à diverses applications.

— la volute La forme de la volute est étudiée de façon à répondre à trois exigences :

• un rendement hydraulique le plus élevé possible, • un coffrage simple à mettre en œuvre, • une mise en place du ferraillage et une coulée du béton aussi aisées que possible.

La figure 3 donne des exemples des diverses formes de volutes utilisées selon les cas. La volute à double courbure, plus conventionnelle, conduit à un rendement légèrement supérieur et permet dans certains cas un raccord plus facile avec les tuyauteries circulaires installées au refoulement de la pompe. Les volutes à sections polygonales utilisent un ferraillage plus simple et des coffrages d’un coût plus réduit et leur raccordement à des galeries carrées ou rectangulaires est également plus facile. Généralement des roues purement centrifuges sont montées dans les volutes qui possèdent un plan de symétrie. Les roues hélico-centrifuges conviennent mieux aux volutes à sections polygonales ayant un fond plat.

Les parties scellées dans le béton, telles qu’on peut les voir sur la figure 1, comprennent :

— une pièce scellée à l’aspiration, servant à fixer la bague d’étanchéité à l’aspiration de la pompe, — une pièce scellée en partie supérieure, dont le rôle est de recevoir le fond de corps de pompe, — une languette scellée, appelée également « bec de volute », dont les dimensions dépendent de la hauteur d’élévation assurée par la pompe. L’un des critères qui permettent de dimensionner cette pièce est la vitesse maximale de l’eau acceptable pour éviter tout risque d’érosion du béton. Elle sert localement au blindage de la volute.

Parties démontables

On distingue :

• les bagues d’usure. Sur la pièce d’aspiration la bague d’usure (dite d’étanchéité) sert à limiter le débit de fuite provenant de la sortie roue (zone de haute pression) vers l’aspiration (zone de basse pression). Le contrôle du jeu radial ménagé entre cette bague et la roue est facilement contrôlable pendant les périodes d’arrêt (même sans démontage de la roue). Sur le fond de corps, une bague d’équilibrage destinée à réduire la poussée axiale hydraulique peut être, le cas échéant, montée en fonction des types d’installations du groupe moto-pompe.

• la roue est du type centrifuge ou hélico-centrifuge selon la vitesse spécifique (ns = N (rpm). Q^1/2 (m^3/s). H^3/4) choisie pour la pompe. La roue centrifuge est utilisée pour des vitesses spécifiques comprises entre 70 et 100 et la roue hélico-centrifuge pour des vitesses spécifiques variant de 90 à 150. La roue peut être flasquée ou frettée hydrauliquement sur l’arbre. La figure 4 donne les diamètres extérieurs des roues et les vitesses de rotation des pompes dans les zones d'utilisation courantes des pompes à volute béton.

• l’arbre. L’un des avantages de ce type de pompe consiste en ce que l’arbre n’est jamais en contact direct avec le liquide pompé. Des chemises d’arbres démontables sont prévues à la partie basse sous le couvercle de la boîte de presse-étoupe.

• les paliers. Différents types de paliers peuvent être utilisés avec un ou deux paliers-guide. L’une des solutions les plus fiables est de monter seulement un palier-cuve à huile tournante situé au-dessus du boîtier de presse-étoupe ; cette conception assure une usure très réduite, alliée à une surveillance et une maintenance très facile et simplifiée. La butée est conventionnelle soit à roulement soit à patins à huile ; selon le type d’installation du groupe, elle peut être installée sur le fond de corps de pompe, dans le réducteur de vitesse ou dans le moteur (pour les pompes entraînées directement par un moteur lent).

• l’étanchéité d’arbre. Dans la plupart des cas, l’étanchéité au passage de l’arbre est assurée au moyen d’un boîtier de presse-étoupe. Les tresses sont refroidies par de l’eau de refroidissement circulant dans une lanterne, prise directement au refoulement de la pompe quand sa qualité est suffisante. Dans le cas d’eau chargée de particules solides, un système de filtration est prévu.

Nota. Choix des matériaux. Le choix des matériaux mis en œuvre dans la construction de la pompe dépend de plusieurs facteurs tels que la vitesse périphérique de la roue, le NPSH disponible, et surtout la qualité du fluide véhiculé. La grande expérience acquise avec des fluides de natures variées allant de l’eau douce propre aux eaux de mer chargées en sable et polluées, permet une sélection de matériaux offrant le meilleur compromis entre la tenue dans le temps et le coût, dont la gamme s’étend de la fonte grise aux aciers inoxydables très fortement alliés.

Construction et montage

Coffrages

Les coffrages sont composés d’éléments assemblés en bois, éventuellement utilisables selon les particularités de chaque site et du nombre de pompes à réaliser. Le béton doit être de qualité normale, et généralement aucun traitement de surface n’est nécessaire, même en cas de pompage d’eau de mer comportant des teneurs significatives en sable et en silt. Les coffrages en bois conventionnels donnent en effet des bétons dont l’état de surface ne nécessite aucune reprise ni traitement (figure 5).

Les pièces à sceller, mises en place avant la coulée du béton, sont maintenues en position à l’aide d’un dispositif qui permet de couler le béton très rapidement et leur assure un positionnement rigoureux. Le montage et l’alignement des autres pièces principales (fonds de corps, roue et arbre) dépendent de la qualité du calage mécanique de ces pièces.

Architecture généraledes groupes de pompage

Les installations (figure 6) sont très flexibles et doivent s’adapter aux contraintes variables d’un site à l’autre (cotes du radier et des niveaux d’eau à l’aspiration). L’entraînement peut être confié soit à un moteur rapide couplé à un réducteur, soit à un moteur lent ; cette seconde solution est souvent jugée plus fiable car elle met en jeu un nombre plus réduit de composants mécaniques, mais elle représente un investissement plus élevé lié au surcoût du moteur lent par rapport à l’ensemble réducteur-moteur rapide de même puissance.

Quelques applications

Circuits de refroidissementdes centrales électriques

Les circuits de refroidissement des grands complexes industriels et des centrales de production électrique thermiques ou nucléaires nécessitent le pompage de grands débits d’eau froide, d’eau douce ou de mer avec une très bonne fiabilité. Toute défaillance du matériel peut avoir des conséquences très dommageables tant sur le plan économique que sur celui de la sûreté. C’est ainsi qu’Électricité de France a choisi d’équi-

pour toutes les centrales nucléaires de 900 et 1300 MW avec seulement deux pompes à 50 % de capacité nominale, sans secours. Dans les tranches thermiques de 700 MW, une seule pompe de circulation, sans secours, équipe les centrales, ce qui marque le niveau extrêmement élevé de disponibilité de la pompe à volute en béton. Nous avons installé plus de 200 pompes de ce type en France et à l'étranger.

Ports et formes de radoub

Dans ces installations, comme dans toute station de pompage d’eau de mer, la résis- tance à la corrosion est évidemment l'un des facteurs déterminants pour la fiabilité. Avec la volute en béton le phénomène de corro- sion est évité, c'est pourquoi cette technique est particulièrement recommandée dans les formes de radoub et les chantiers navals comme pompe d’épuisement. De la même façon on la rencontre dans les stations de mise à niveau des bassins portuaires.

La figure 7 montre la coupe longitudinale de la station de pompage de la forme de radoub du Port Autonome de Marseille.

Irrigation, drainage,

prévention des crues

et stations de traitements d'effluents

Dans de telles installations, il faut souvent transférer de grandes quantités d’eau plus ou moins saumâtres, chargées de particules et déchets divers. Le corps en béton est par- ticulièrement bien adapté à ces problèmes.

Lorsque ces pompes n’opèrent pas de façon continue, une construction rustique, une maintenance simplifiée et une très longue durée de vie associées à un faible coût d’in- vestissement sont particulièrement bien adaptés.

La station de pompage de l’Authion, desti- née à protéger les plaines voisines de la ville d’Angers contre les crues des affluents de la Loire, illustre tout le profit que l'on peut tirer de la pompe à volute en béton. Avec cette station équipée de quatre groupes de 13 m³/s, les eaux sont refoulées en Loire à travers un siphon qui permet le franchisse- ment de la digue de protection du fleuve (figure 8).

Principaux avantages

De l'exposé qui précède, il ressort que les pompes à volute en béton offrent une solu- tion technico-économique très avantageuse lorsqu’il faut pomper des volumes impor- tants d’eau douce ou de mer. Offrant une alternative très intéressante aux grandes pompes verticales à palier noyé et corps métallique, leurs conceptions simples pré- sentent les avantages suivants :

• — la volute et le conduit d’aspiration sont extrêmement résistants à la corrosion et à l’abrasion, plus particulièrement en eau de mer ;
• — le poids et le coût des parties métalliques sont faibles comparativement aux solutions avec pompes à corps métallique (la réduc- tion dépasse souvent 30 %) ;
• — comme indiqué précédemment, la volute en béton et le conduit d’aspiration sont faciles à mettre en œuvre partout dans le monde par les entreprises de Génie Civil ;
• — le palier est maintenu hors d’eau, ce qui entraîne une usure très réduite, une conduite et une maintenance très simplifiées ;
• — excepté la chemise de protection en par- tie basse, l'arbre n’est jamais en contact avec l’eau, ce qui évite la corrosion ;
• — les vitesses de rotation sont basses ; la roue est équilibrée hydrauliquement et mécaniquement ; la masse de la structure en béton fournit une inertie excellente et la construction est antisismique ; les vibrations et le bruit générés par le corps de pompe sont ainsi supprimés ;
• — le dessin du conduit d’aspiration suppri- mant toute zone d’eau morte et toute pos- sibilité de vortex, les risques d’encrassement par les dépôts de moules et de prolifération des algues sont diminués ;
• — l’inspection de la roue peut être effectuée sans démonter la pompe ; le palier et le pre- sse-étoupe sont contrôlés sans mise hors d’eau de l’installation ;
• — dans les ateliers de pompage, les moyens de manutention et les hauteurs sous crochet sont réduits ;
• — comme dans toute pompe pull-out, l’arbre et la roue peuvent être retirés rapi- dement, après démontage du fond de corps ;
• — la conception très simple et éprouvée de ce type de pompes leur confère une fiabilité exceptionnelle : une maintenance préventive annuelle et un démontage général tous les cinq ans sont suffisants, même pour des machines fonctionnant sans arrêt ;
• — le dessin hydraulique de l’ensemble : conduit d’aspiration-roue et volute permet des rendements globaux très élevés (sou- vent supérieurs à 90 %).

On pourrait croire que ce type de pompe, dont le concept remonte à presque 90 ans et dont des centaines d’exemplaires sont en service partout dans le monde, est techni- quement figé et qu’il n’évolue pas. Il n’en est rien et nous effectuons depuis plusieurs années de gros efforts de recherche et déve- loppement en vue d’augmenter les perfor- mances hydrauliques de ce type de matériel, de réduire son encombrement et d’améliorer encore sa fiabilité en lui intégrant les fruits de l’expérience. Ces travaux ont conduit à la mise au net du résultat des études ci-après :

• — Programme de calcul des écoulements dans les turbo-machines,
• — Essais en laboratoire, sur des boucles spécialisées, de modèles réduits des pompes, destinés à déterminer toutes les performances hydrauliques, le comporte- ment hydromécanique et les risques de cavi- tation,
• — Utilisation des systèmes CAD/CAM,
• — Utilisation des moyens de calcul aux élé- ments finis pour certaines parties de la pompe (fond de corps, frettage roue/arbre, etc.),
• — Étude sur les matériaux (corrosion et abrasion).

L’ensemble conjugué de ces actions permet à ce type de pompes de bénéficier de tous les progrès et améliorations possibles, tout en lui conservant ses vertus originales (comme le montre la figure 9).

Conclusion

La pompe à volute en béton correspond aujourd’hui à une technique particulièrement éprouvée et répandue pour le pompage de grandes quantités d’eaux de nature très variée. Les améliorations continues qu’elle reçoit, fruit d'une expérience de plusieurs décennies, en font un produit d'une grande fiabilité alliée à des performances de haut niveau.

Son emploi conduit à des solutions très éco- nomiques dans bien des cas, tant sur le plan du coût des investissements que sur celui de l’exploitation.

Bien intégrée dans les stations de pompage elle offre de nombreuses perspectives d'utilisations.

EAU, L’INDUSTRIE, LES NUISANCES — N°145 — AVRIL 1991 39