POMPES EMPLOYÉES POUR LA DISTRIBUTION D'EAU DANS LES VILLES
189. De quelques appareils de distribution et d'élévation d'eau dans les villes. — Les grandes machines à l'aide desquelles on élève et on distribue les eaux dans les villes sont soumises aux conditions et aux règles que nous avons indiquées précédemment. Malgré la diversité des dispositions adoptées, les résultats peuvent être à peu près les mêmes, pourvu que les principes soient bien observés. Nous passerons en revue quelques-uns des dispositifs appliqués par divers constructeurs.
L'usage de plus en plus répandu des grands appareils d'élévation des eaux a fait passer dans la pratique usuelle et même dans les transactions auxquelles elles donnent lieu, le mode de mesure du travail des forces que nous avons admis au n° 16 des Notions fondamentalas f et qui consiste, dans le cas actuel, à multiplier le poids de l'eau élevée par la hauteur d'élévation.
En effet, dans tous les traités passés en pareilles occasions, il est devenu d'usage d'estimer l'effet utile des machines par ce produit ou, suivant l'expression consacrée, en eau élevée.
Ainsi, quand une machine élève dans le bassin de réception 0— c ,050 ou 50 kilogr. d'eau en 1" à 30™ de hauteur, on dit que son effet utile est de :
50 kil X 30 m = 1500 k «" en = 20 ch ".
exprimés en eau élevée.
De plus, comme très-souvent les machines sont mues par un moteur à vapeur et qu'il importe de limiter la consommation de combustible au chiffre le plus bas possible, les constructeurs s'engagent ordinairementà fournir la force d'un
ta
cbeval d'effet utile exprimée en eau élevée, comme nous venons de l'expliquer, au moyen d'une consommation déterminée. Nous en verrons tout à l'heure des exemples.
Mais dans l'application de ces transactions, il se présente une difficulté sur laquelle 3 est bon de donner quelques explications.
# Les machines que l'on emploie à l'élévation des eaux n'ont pas toujours seulement à vaincre les résistances propres de la pompe et celle qu'oppose la pesanteur à cette élévation ; il faut de plus, la plupart du temps, qu'elles refoulent cette eau dans des conduites d'une grande longueur . présentant par le frottement de l'eau contre leurs parois et par leurs dispositions particulières, des résistances additionnelles étrangères au jeu même de la pompe. Il ne serait donc pas équitable que ce surcroît de résistance fût compris dans l'effet utile de l'appareil, sans qu'on en tint compte.
Si l'on connaissait bien la disposition, les dimensions, les contours, l'état intérieur des conduites, les règles de l'hydraulique que nous avons données aux n°' 127 et suivants, permettraient de calculer ce surcroît de résistances avec une approximation suffisante ; mais, outre que tous les éléments nécessaires ne sont pas toujours connus, l'appréciation de leur influence n'étant à la connaissance que des ingénieurs instruits, elle ne serait pas assez palpable pour la plupart des administrateurs.
Il y a un moyen simple de mettre en évidence et de mesurer, au moins avec une exactitude acceptable, la résistance totale qu'éprouve un appareil hydraulique -.c'est l'emploi d'un manomètre ordinaire, ou mieux à air libre, placé sur le réservoir d'air régulateur, dont les machines sont toujours pourvues. Cet instrument, convenablement disposé, indique la pression totale que la machine doit vaincre. Cette pression se compose : 1° de la hauteur réelle à laquelle l'eau est élevée au -dessus du point où le manomètre est placé, au-dessous du point de déversement dans le réservoir de réception, hauteur qui est connue directement;
2* De la hauteur de pression, qui équivaut aux résistances de la conduite.
Celte dernière hauteur est fort souvent comparable à la première.
En retranchant la première hauteur de la hauteur totale indiquée par le manomètre, l'on obtient la mesure de la pression due aux résistances de la conduite exprimée en colonne d'eau ; puis, en ajoutant celle-ci à la hauteur réelle à laquelle le débouché supérieur de la conduite se trouve, au-dessus du bassin supérieur d'alimentation, l'on obtient la hauteur totale de la pression résistante que la pompe doit vaincre. C'est cette dernière, exprimée en mètres, que l'on doit multiplier par le poids de l'eau élevée en T, pour obtenir l'effet utile mesuré en eau élevée. Ce produit, exprimé en kilogrammes élevés à un mètre et divisé par 75 km , donne l'effet utile mesuré en chevaux, lequel doit ensuite être comparé à la consommation de combustible pour reconnaître si les conditions du marché ont été remplies.
190. Machines à élever Us eaux des ponts tflvry et de Saint- Ouen. — Ces deux machines, construites dans les ateliers de la compagnie Cavé, sont décrites dans le 12« volume de la publication industrielle de M. Armengaud, auquel nous empruntons les détails suivants :
La machine du pont d'Ivry se compose de deux pompes foulantes à simple effet, et d'une pompe, dite nourricière, à double effet, aspirante et foulante. — Celle-ci aspire l'eau de la Seine à 3 m ,00 environ au-dessous du sol de la chambre des machines et la refoule dans un réservoir situé à 3^,00 au-dessus des pompes élévatoires, qui dès lors ne sont plus que des pompes foulantes, dont les pistons reçoivent môme l'eau dans le sens de leur mouvement d'aspiration avec une certaine pression motrice.
% 19i. Observations relatives à la pompe nourricière. — Nous ferons remarquer de suite que la pompe nourricière, dans les circonstances dont il est question, semble une superféta-
tion nuisible au point de vue de la bonne utilisation du travail moteur, puisqu'il donne lieu à des pertes de travail qui seraient notamment moindres si les pompes principales opéraient à la fois l'aspiration et le refoulement.
Des observations sur lesquelles nous reviendrons plus loin montrent en effet que le travail moteur, développé par le piston de celte pompe, s'élève à 7 ch «\57, tandis que dans le service courant, le produit des pompes s'élève au plus à 160°*% à l'heure ou à 44 ,u ,44 par seconde, lesquels étant livrés aux pompes foulantes, au bas de la course de leur piston, ne sont en réalité élevés utilement que de 3 B, ,00, ce qui correspond à un effet utile de :
44 lil ,44 X 3 = 133 ln »,32 = l c> '*',77.
ou à un rendement de 0,23 du travail moteur dépensé.
Cependant, quoique l'observation précédente soit fondée, il y a des conditions de sûreté et de facilité de service qui paraissent engager les ingénieurs à prescrire pour les grands services de distribution d'eau l'usage de ces pompes auxiliaires.
192. Disposition particulière des pompes d'Ivry et de Saint- Ouen. — Le corps de pompe, les pistons et les soupapes des pompes de ces deux appareils élévatoires présentent des dispositions spéciales sur lesquelles il est bon d'appeler l'attention (pl. IX, Cg. 1).
Le corps de pompe communique par le haut et par le bas avec le tuyau d'aspiration, qui se bifurque en deux branches. Le piston est plein. Au-dessus du corps de pompe et de la branche verticale du tuyau d'aspiration est une capacité ou boîte à eau dans laquelle sont disposés les clapets d'aspiration cl de refoulement;' les premiers à gauche et les seconds à droite.
Quand le piston descend, les clapets de refoulement se ferment, et ceux d'aspiration s'ouvrent pour laisser passer l'eau qui vient remplir le vide formé; lorsque le piston re-
monte, l'eau aspirée le suit, les clapets d'aspiration se ferment et les clapets de refoulement s'ouvrent.
Il y a donc aspiration continuelle, dans la descente comme dans la montée du piston, mais il n'y a refoulement que dans la montée. Mais comme il y a deux pompes à simple effet qui agissent alternativement, le jet est suffisamment continu.
Observation sur ce dispositif. — Nous ferons remarquer que si le dispositif que nous venons de décrire peut , sans inconvénient , être appliqué à des pompes destinées à l'élévation continue de l'eau dans des villes où l'aspiration ne se fait pas à une grande hauteur, il pourrait en offrir, si l'on voulait l'appliquer à des pompes destinées à un service intermiltent. La grandeur des tuyaux d'aspiration, celle de la boîte à eau, l'absence de soupape de retenue pourraient rendre le service de ces dernières pompes assez incommode, par la nécessité de les amorcer.
105. Dimensions des pompes (Tlvry. — La pompe nourricière a un diamètre de O-^GO; la course moyenne du piston est de 0 n, ,550;elle peut varier de O m ,500 à O m ,600. Le volume moyen qu'engendre le piston est de 0 mc ,1354 par course simple , et de 0 m c ,2708 par course double.
La pompe foulante a un diamètre de 0 m ,400 et une course de 0 m ,800; le volume engendré par course simple est donc 0 n, c ,1037, et pour les deux pompes de 0— c ,2074, c'est-à-dire moindre que celui que peut fournir la pompe nourricière à double effet.
194. Observations faites sur la pompe d*Ivry. — M. Lebrun, ingénieur, a fait en 1856, sur cette pompe, des observations intéressantes, qui sont rapportées par M. Armengaud dans l'ouvrage déjà cité.
L'application d'un indicateur de la pression sur la machine à vapeur, qui, d'après les conditions du marché, devait fournir un travail disponible de 40 chevaux en marchant 12 tours
par minute, avec une détente commençant à de la course du piston et sous une pression de 5' ,n, ,5 à 6 ,tm dans la chaudière, a d'abord montré que le travail moteur développé par la vapeur sur le piston s'élevait à 60^,18. D'une autre part, l'emploi d'un instrument analogue
adaptéàla pompe i
7 fl
ricière a fourni le diagramme ci-joint, dans lequel la course est représentée à l'échelle de 0 m ,10 pour mètre, et la pression à celle de 0 ro ,030 pour 1 atmosphère.
La quadrature de ce diagramme et l'observation de la vitesse, qui était de 14 tours en 1' avec une course de 0 m 550 ou une vitesse moyenne égale à
14X2X0 m ,550 . oc „ t „ — = 0«,257 en I*
a montré que le travail résistant surmonté par le piston était
7 ch ",59,
ainsi que nous l'avons dit plus haut
Liync AtrUr
Une observation analogue, dont le diagramme est reproduit par la figure ci-dessus, a été faite sur l'une des pompes
foulantes, et la quadrature de la courbe, combinée avec les dimensions du piston qui a 0«°,400 de diamètre et une vitesse de 0",373 en 1*, a moutré que le travail moteur transmis par ce piston était pour les deux pompes égal à
32 chet ,26;
ce qui, joint aux 7 eh,T ,59 consommés par la pompe nourricière, donne pour le travail utile de la machine à vapeur
Le rendement de la machine à vapeur employée à faire mouvoir les pompes est donc égal à
6CÛ8- 0 ' 66
du travail moteur développé sur le pislon par la vapeur.
Le volume d'eau élevé élanl de 160- e à l'heure ou 44 l,l ,44 en 1", à la vitesse de 14 tours en 1', tandis que le volume engendré par les pistons est de
l4X2X îm X 0,373 = 0»^,04627;
il s'ensuit que le rendement en volume de ces pompes est
L'élévation des bassins de réception au-dessus de l'étiage de la Seine élanl de 48 m , reflet utile estimé en eau élevée est égal à
28,40 i\ i ry
65TÏ8 = 0 ' 47
du travail développé par la vapeur sur le piston moteur. Mais il faut remarquer qu'à l'eflet utile ainsi calculé, il con-
vient d'ajouter le travail consommé par la résistance des parois de la conduite qui a 6400 mètres de développement et 0 n \400 de diamètre, et qui présente sans doute aussi plusieurs coudes, dont le nombre et la disposition ne sont pas indiqués. -
Pour apprécier l'influence de ces causes réunies, dont l'effet, comme nous l'avons dit au n° 188, ne peut être mis à la charge de la pompe, l'on a, dans les expériences, placé sur le réservoir à air un manomètre qui a indiqué pour la pression motrice transmise par les pistons de refoulement une pression de 54 mètres, supérieure par conséquent de 6 mètres à la hauteur du bassin de réception des eaux, placé à 48 mètres seulement.
Le travail utile de la pompe est donc en réalité égal à
44 li, ,44 X54' M 0rtl L-y 5 =32^',
et son rendement est
du travail moteur développé par la vapeur sur le piston.
I9o. Observation relative au travail consommé par la résistance des parois. — Si nous appliquons au cas actuel la formule du n° 146 des Leçons sur t hydraulique , 2 e éd., qui donne la perte de charge J par mètre courant de conduite d'eau en service, pour un diamètre I>=0 n, ,400 et un débit par seconde Q = 0 m - C ,04444, nous trouvons
J = 0,3408 X Ô^Ôkkk^ = 0",000673 ;
de sorte que, pour la longueur de L = 6400 m , la perte de charge ou l'excédant de pression résistante due à la résistance seule des parois serait
JL = 0,000673 X 6400 m = 4 n ',307 .
Lo manomètre ayant indiqué une différence de 6 mètres
entre la pression résistante tolale et la hauteur réelle du bassin de réception, l'excès
peut être attribué aux coudes et à quelques rétrécissements ou obstructions dans la conduite.
196. Dépense de combustible par force de cheval de t effet utile. — L'effet utile de la pompe étant, comme on vient de le voir, égal à 32 chevaux-vapeur lorsqu'elle élève 44 ,a ,44, et la consommation de combustible étant de 85 kilogrammes par heure, cela revient à une consommation de
par heure et par force de cheval exprimée en eau élevée directement au-dessus de la machine.
107. Machine êlévatoire de Saint-Oiien. — Les mêmes constructeurs ont établi à Saint-Ouen une machine semblable à celle d'Ivry, mais dans laquelle on a supprimé la pompe nourricière, et où les pompes, qui ont 0 n, ,450 de diamètre, aspirent l'eau directement dans la Seine à 5 mètres au-dessus de l'étiage.
Il paraît cependant que, dans certaines circonstances et en particulier quand les eaux sont devenues très-basses, l'on a regretté la suppression de la pompe nourricière.
Les conditions d'établissement de la machine étaient d'élever 200 mètres cubes d'eau à l'heure, dans une conduite de 0 n \325 de diamètre et de 4000 mètres de longueur, amenant l'eau dans les réservoirs de Fontenelle à Montmartre, placés à 65 mètres au-dessus de l'étiage de la Seine.
198. Travail moteur développé par la vapeur. — Les diagrammes relevés à l'indicateur par M. Lebrun ont montré qu'à la vitesse de 14 tours en 1', la vapeur développait sur le piston moteur un travail égal à 6& d, ' T ,79.
Le diamètre des pompes est de 0 m ,450, la course de leurs pistons de 0 M ,80, ce qui, à raison de 14 coups doubles en 1',
correspond à une 4 vitesse moyenne de 6 0-,373.
\— 4 Le diagramme ci-
joint a fourni, pour le travail résistant surmonté par les pistons des pompes, la valeur de 54 cb ,25.
Ce qui établit entre ce travail, qui est réellement le travail moteur des pompes, et le travail dé-
veloppé par la vapeur sur le piston le rapport
Effet utile des pompes. — Le volume d'eau réellement élevé étant de I98 mc ,970 à l'heure, ou 55 lil ,24 par seconde, à la hauteur de 65 mètres, qui est celle des bassins de réception au-dessus du niveau inférieur, l'effet utile des pompes est
55 li, ,24X 65
= 47 cb ",87,
et le rendement net de l'appareil est
du travail moteur développé par la vapeur.
Mais le manomètre placé au réservoir d'air indiquant une pression résistante de 71 mètres, supérieure de 6 mètres à la hauteur réelle d'élévation par suite de la résistance des pa-
rois et des pertes de force vive, l'effet utile réel des pompes doit être estimé à
et leur rendement à
du travail développé par la vapeur sur le piston.
L'effet utile de ces pompes est donc supérieur à celui des -machines d'Ivry, dont elles ne diffèrent que par la suppression de la pompe nourricière, ce qui montre bien que l'emploi de cet organe auxiliaire a pour effet de diminuer beaucoup le rendement de la machine motrice. Mais les motife que nous avons fait connaître au n° 188 peuvent, dans beaucoup de circonstances, engager cependant à en conserver l'usage.
1 90. Observation relative âu travail consommé par la résistance des parois. — La formule du n° 148 des Leçons sur V hydraulique donne, pour la perte de charge J par mètre courant dans une conduite de 0 m ,450 de diamètre débitant uu volume d'eau 0 = 0 m c ,05524 en 1",
J =0,1876 Q» = 0 ra ,000572,
et pour le cas actuel où la longueur de la conduite est L = 4000 B s la perle totale de charge, ou plutôt l'excès de résistance à vaincre, est
JL = 0 m ,000572 X 4000- = 2 m ,288.
Il est donc probable qu'à moins que la conduite ne présente beaucoup de coudes ou des étranglements, l'indication du manomètre qui a fait estimer le surcroît de charge à
6 mètres est un peu exagéré.
200. Machine à élever les eaux de la ville de Niort. — MM. Cordier, habiles ingénieurs auxquels la ville de Genève doit les appareils hydrauliques qui y élèvent les eaux du Rhône, ont établi à Niort des machines dont les effets ont été constatés par des expériences que nous allons faire connaître.
Deux machines à vapeur à balancier et à détente variable font mouvoir chacune deux pompes aspirantes et foulantes à double effet, dont la figure fera facilement comprendre le jeu. (Pl. IX, fig. 2.)
Le piston, qui est plein, se meut dans un fourreau cylindrique en bronze alésé qui forme le corps de pompe et qui se trouve fixe dans une boite en fonte partagée en deux chambres.
L'on voit facilement que, dans le mouvement du piston, l'aspiration se fait sur l'une des faces alternativement en même temps que le refoulement est produit par l'autre.
Le corps de pompe est vertical ainsi que les clapets quand ils sont fermés. Ces clapets sont formés de deux épaisseurs de cuir réunies et consolidées par trois feuilles de tôle, et les bords du siège, ainsi que ceux de la bande de cuir qui s'y appuie, sont taillés en biseau pour mieux assurer 1a fermeture.
Des regards bien placés et fermés par des tampons autoclaves permettent de visiter facilement les clapets et l'enveloppe de la pompe pour en dégager au besoin les corps étrangers.
L'on remarquera encore que , dans la disposition des pompes, l'on s'est peu préoccupé de la grandeur de l'espace uuisible, parce qu'elles marchent avec continuité et aspirent l'eau à une petite profondeur.
Le diamètre des pistons est de û"\350, leur course peut ôlre à volonté de 0 m ,500, 0 n, ,566, 0 ro ,633 et 0-,700, selon que l'on place le manneton des bielles à ces distances de l'axe de rotation sur un disque disposé à cet effet.
La tige des pistons ayant 0 m ,06 de diamètre, il convient de tenir compte du calcul du volume d'eau élevée.
Des expériences dans lesquelles l'on a comparé le volume d'eau réellement élevé au volume engendré par les pistons ont montré que le rapport de ces volumes ou le rendement des pompes en volume était égal à
Les eaux sont élevées directement au-dessus du réservoir inférieur à 4l m ,50 dans le réservoir de réception, et l'effet utile mesuré en eau réellement élevée a été trouvé égal
32",U X 41-50 = 18chevaux .
La consommation de charbon de Cardiff correspondante à cet effet a été trouvé égale à 200 kilg. en 3 heures, pendant lesquelles on avait élevé 35o- e ,06 d'eau dans le réservoir, ou 32'", 41 par seconde ; par conséquent elle était de 66 kU ,67 par heure, ou de
par heure et par force de cheval mesurée en eau élevée.
Dans une autre expérience faite, le 4 mars, en marche régulière, l'on a obtenu un résultat plus favorable. La consommation moyenne des deux machines, avec une détente commençant au septième de la course et sous la pression de 4 Mm ,30 à l'une de ces machines et de 4' l,n ,60 à l'autre, a été de 45 kn ,24 de charbon de Swansea, et l'effet utile mesuré en eau élevée de 18 el,e \76, ce qui correspond à une consommation de
par heure et par force de cheval mesurée par l'élévation de l'eau.
Ce dernier résultat se rapproche beaucoup de celui qui a été obtenu avec les machines d'Ivry de la Compagnie
Gavé.
SOI. Machine élévatoirc du Pont-dt-Cè. — M. Fnrcot a établi, pour le service des eaux de la ville d'Angers, une machine d'une disposition particulière, dans laquelle le piston de la pompe aspirante et foulante est monté directement sur le prolongement de la tige du piston de la machine à vapeur. Cette disposition générale, qui rend la transmission du mouvement plus simple, ne dispense pas de l'emploi d'un volant destiné à régulariser le mouvement, surtout lorsque, comme dans le cas actuel, la machine 4 vapeur fonctionne à trèsgrande délente.
La pompe (pl. IX, fig. 3) est aspirante et foulante, à simple effet, reçoit un piston p en fonte évidé, avec garniture de chanvre, et qui offre à son intérieur un passage annulaire à contours arrondis. Au milieu de ce piston est une sorte de moyeu destiné à servir de support à un clapet conique qui se soulève dans sa période de refoulement et s'abaisse dans celle d'aspiration. Ce clapet en bronze repose, quand il est fermé, sur deux sièges garnis de rondelles en caoutchouc, l'une sur le bord extérieur et supérieur du piston, l'autre sur son noyau ou moyeu. Dans son mouvement, il est guidé par un boulon , ce qui le relie à la tige motrice, et sa course est limitée par une rondelle d'arrêt.
Entre la tige motrice 0, qui est le prolongement de celle du cylindre à vapeur et le boulon u qui porte le piston, est interposé un gros cylindre creux en fonte, exactement tourné à sa surface extérieure, et qui, pénétrant dans le corps de pompe par une boite à étoupe, fait l'office de piston plongeur.
Ce cylindre a une section, à très-peu près égale en superficie à la moitié de celle du corps de pompe ou du piston, de sorte que, quand il descend, il occupe dans ce corps de pompe et en expulse la moitié du volume engendré par le piston, et que, quand il monte dans l'aspiration, il laisse ainsi libre un volume égal à la moitié de celui qu'engendre le piston, et limite encore le volume d'eau refoulé à cette moitié.
Par ce dispositif, qui est d'ailleurs connu, et que M. Faure a employé en 1846, Ton parvient à obtenir une élévation continue de l'eau comme dans une pompe à double effet.
La soupape d'arrêt, disposée au bas du corps de pompe, est facile à visiter par le regard q' ; mais, pour le piston, la visite est plus difficile, parce qu'il faut ou le soulever audessus du corps de pompe, ou le faire descendre au-dessous du fond v'.
Des observations, exécutées pendant trois journées consécutives, les 27, 28 et 29 mars 1856, ont montré que la consommation de charbon de Sunderland, par heure et par force de cheval estimée en eau élevée aux réservoirs, était respectivement égale à
l kn ,468 1^335 1",292
moyenne i kil ,365
Une seconde série d'expériences faites les' 18, 19 et 20 juillet 1856 a conduit à des consommations de
moyenne l w ,288 par force de cheval et par
heure.
La consommation moyenne peut donc être évaluée à l M ,326 par heure et par force de cheval estimée en eau élevée.
Le tableau suivant contient d'ailleurs les résultats de ces observations, pour l'intelligence desquelles il est bon de rappeler que la pression indiquée par le manomètre du réservoir d'air de la conduite ascensionnelle comprend implicitement la résistance opposée par les parois de la conduite et celles qui peuvent provenir de diverses autres causes.
RÉSULTATS DES EXPÉRIENCES FAITES SUR LES MACHINES HYDRAULI- QUES ÉTABLIES AU PONT-DE-CÉ POUR LE SERYICE DE LA VILLE D'ANGERS, PAR M. FARCOT.
