POMPES A MOUVEMENT ALTERNATIF

L'usage de ces pompes sera toujours très développé pour les travaux courants, parce qu'elles peuvent être manœuvrées à bras d'hommes, ce à quoi ne se prêtent pas les pompes rotatives. On les trouve partout: elles sont faciles à construire et à réparer ; elles ont, lorsqu'elles sont construites avec beaucoup de soin, un rendement mécanique supérieur à celui des pompes rotatives, et, à ce titre, sont avantageuses pour un usage permanent. Mais elles sont nécessairement volumineuses et exigent, lorsqu'on a recours à un moteur à vapeur, 'des transmissions relativement compliquées. L'économie d'espace et la simplicité sont des con-

ditions souvent essentielles à observer dans les grands travaux: aussi

n'est-il pas étonnant que la pompe rotative y ait presque partout supplanté la pompe à mouvement alternatif.

1. Pompe aspirante. — La pompe aspirante est la première connue; son principe est une conséquence immédiate de la pression atmosphérique, qui fut mise en lumière par Torricelli et Pascal.

Dans un corps de pompe P se meut un piston, traversé par deux soupapes Z, qui s'ouvrent de bas en haut. Le corps de pompe se prolonge par un tube vertical C qui plonge dans un réservoir d’eau XY; le tube est séparé du corps de Ra par une soupape Z', s’ouvrant de bas en

aut.

Supposons le piston au bas de sa course : il s'élève, le vide tend à se faire au-dessous de lui, mais la colonne liquide inférieure exerce sa pression sur la soupape 7, la soulève et remplit la cavité cylindrique du corps de pompe.

Quand le piston redescend, il comprime le , liquide, appuie sur son siège la soupape Z', la soupape Z ne tarde pas à se soulever, etle liquide passe au-dessus du piston.

Dans la période ascendante, ce liquide sera soulevé et s’écoulera par le conduit latéral T.

Les savants du moyen âge expliquaient l’ascension de l’eau dans le tube C et dans le cylindre par cet axiome : « La nature a horreur du vide. » On remarqua bientôt que la nature n'avait horreur du vide que jusqu’à 32 pieds ou 10"33; car aussitôt que le tube C atteignait une dimension verticale de 10"33, l’eau n’arrivait plus dans le corps de pompe, quelque parfaite que fût la construction de l’appareil.

La découverte de la pression atmosphérique explique le phénomène : cette pression fait équi-

Fig. 17 libre à une colonne de mercure de 0"76 ou à une

colonne d'eau de 40"33 ; donc, pour qu'il y ait

égalité de pression en tous les points du plan XY, il faut que la colonne

d’eau, qui s'élève dans le tube C et dans le corps de pompe, soit de

Cette hauteur est la limite théorique du fonctionnement de la pompe aspirante ; en pratique, il faut tenir compte des pertes de charge dues aux chocs, aux étranglements et épanouissements brusques de la colonne liquide, et il est prudent de limiter à 7 ou 8 mètres la colonne d'aspiration. :

Remarquez en outre que l'air en dissolution dans l'eau se dégage en partie sous l'influence d'une pression moindre, et vient former sous le piston une couche gazeuse qui se comprime, et absorbe du travail.

Quand le piston est au bas de sa course, il y a toujours au-dessous de lui de petites cavités, qui retiennent un volume v d'air à la pression atmosphérique H; si le piston se relève, cet air se détend jusqu’à occuper le volume entier V du corps de pompe, et sa pression est alors

H v Appelons À la hauteur du tube d'aspiration GC, lorsque cette va-

leur À satisfera à l'équation : .

il n'entrera plus d’eau dans le corps de pompe, puisque l’atmosphère sera équilibrée par la pression de l'air confiné, plus la colonne À du tube CG: Cette raison seule suffirait pour que la hauteur d'aspiration À fût toujours inférieure à H ou 1033.

L’effort à faire pour soulever le piston se calcule comme il suit :

Soit À la hauteur du tube d'aspiration, #’ celle du corps de pompe; la face supérieure du piston est soumise à la pression H + }', la face inférieure à la pression H—}, la résultante des pressions est égale à Jeur différence, c'est-à-dire à la hauteur (4<+#') à laquelle l’eau est élevée, de la surface du réservoir au tuyau d’émission T.

Si S est la section du piston, l'effort est donc S(A<+h'), expression dans laquelle le mètre est l'unité; l'effort est exprimé en mètres cubes, c'est-à-dire en tonnes, et pour l'avoir en kilogrammes, il faudra multiplier l'expression précédente par 4,000. L'effort vertical F à exercer est donc

Quel est le rendement de cet engin? Si l’on appelle k,, l'amplitude de la course du piston, le travail à chaque coup est égal à F4,, et il s'élève un cube d’eau égal 1,000S2,; cette eau est élevée à la hauteur (A+ #"), ce qui donne un travail égale à 4,000S2%,(k + #'); ce travail utile est, comme on le voit, égal au travail moteur.

Dans la pratique, il est loin d'en être ainsi, à cause des fuites et des pertes de forces vives que nous avons énumérées plus haut; dans les bonnes pompes aspirantes, très bien construites, le rendement peut atteindre 60 à 65 p. 1400; mais les pompes communes ne donnent souvent que 10 p. 100.

2. Pompe foulante. — Ainsi, la pompe aspirante, quoique d’une installation facile, ne peut rendre de grands services à l’industrie, car elle n’élève l'eau qu'à 7 ou 8 mètres, tandis qu'on a souvent à porter d'énormes masses liquides à de grandes hauteurs.

Aussi, est-on forcé de recourir presque toujours à la pompe foulante, dont la hauteur d’élévation est, théoriquement, illimitée.

Le corps de pompe descend dans le réservoir, et se termine par la soupape Z', qui s'ouvre de bas en haut; de la base du corps de pompe se détache latéralement un tube vertical T, fermé par la soupape Z qui s'ouvre de droite à gauche.

Si le piston s'élève, l’eau du réservoir pénètre dans le corps de pompe; s’il s’abaisse, l’eau se comprime, la soupape Z' est fortement appuyée sur son siège, la soupape Z finit par s'ouvrir, lorsque la compression de l’eau est assez forte pour vaincre le poids de la colonne d'eau T, dont est la hauteur.

La pression à exercer sur le piston est Sk, et si À, est l'amplitude de sa course, il faudra développer un travail exprimé en kilogrammètres

par 4,000S2h,. Le rendement est toujours inférieur à l’unilé, car il se produit des chocs et des coups de bélier, et l’eau qui passe du corps de

pompe dans le tuyau d'aspiration est soumise à une contraction qui entraîne une perte notable de force vive.

3. Pompe aspirante et foulante. — Mais, le plus souvent, il y a avantage à combiner ensemble l'aspiration et le refoulement. La coupe théorique de la pompe aspirante et foulante est représentée par la figure 18.

Quand le piston P s'élève, il aspire l'eau du réservoir par le tuyau vertical C; quand il s'abaisse, il comprime l’eau du corps de pompe et la refoule dans le tuyau d'émission T, dont la hauteur n'est limitée que par la résistance des tuyaux, et par la force dont on dispose.

D'ordinaire, la pompe n'est pas à simple effet, comme celle que nous

venons de décrire, mais à double effet, c’est-à-dire que l'aspiration et le refoulement se produisent pour chaque oscillation simple du piston. Il ya donc double système de soupape, ainsi que nous le verrons plus loin. Les calculs suivants s'appliquent à une pompe à double effet.

La pression à exercer sur le piston est, en en appelant À la hauteur d'aspiration et X’ la hauteur du refoulement, 1,000S{(h +’). Cette expression ne tient pas compte des frottements du piston contre le cylindre ou contre les boîtes à étoupes qui le guident, ni du poids de ce piston et de son attirail qui agit tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre, ni des pertes de charge, qui résultent du frottement du liquide sur lui-même et sur les parois irrégulières qui le limitent, ni de l'accélération variable qui peut être imprimée au piston et à la masse liquide, car tout cela ne se meut pas d’un mouvement uniforme.

Si P est le poids du piston, P’ celui de la masse d’eau, que celle-ci prenne une accélération y’ et le piston une accélération y, ces accéléra-

P°, tions exigent une force supplémentaire égale à - y + 7 y. On diminue

dans de grandes proportions ces forces nuisibles, en soutenant le piston par un contrepoids lorsqu'il est très lourd, et en disposant à la base du tuyau d’ascension un réservoir à air, qui se comprime plus ou moins et emmagasine la force vive des chocs, pour larestituer ensuite d'une manière progressive et rendre à peu près uniforme le mouvement de la colonpe d'eau.

On arrive à régulariser davantage le mouvement, en se servant de deux pompes accouplées qui refoulent les eaux dans un même tuyau d’ascension. Les tiges des pistons de ces pompes sont réunies par des bielles à des manivelles M et M’, calées à 90° l'une de l’autre sur un arbre moteur horizontal À. Les bielles ayant une grande longueur par rapport à leur manivelle, on peut admettre qu’elles restent sensiblement verticales pendant le mouvement; la vitesse des boutons M et M'est donc toujours verticale, et, comme l'arbre A possède une vitesse angulaire uniforme w, la vitesse des points M et M’ est la même que celle de leurs projections sur le diamètre vertical AX de la manivelle. Soit > le rayon de cette manivelle, la vitesse de circulation de M est w>, et la vitesse de la biclle MB est v = wrsinzx; celle de la bielle M'B' est :

. = v = wrsin ste où w7 C0ST.

Dans un temps t, l’ensemble des deux pompes qui ont même section S pour leur piston fournira un volume d’eau égal à

S(v+v)t ou Surt(sinx<+coszx).

On aura toutes les combinaisons possibles de vitesse en faisant va-

Le .

rier æ de O à 3: le maximum et le minimum du débit correspondront au maximum et au minimum de l'expression sin x + cos x.

Cette expression a deux minima, égaux à, pour x=0Q et r— S — a un maximum, égal à 4,41, pour x —

\ (sinx + cos x) dr s et sa valeur moyenne est = — = = 4,27.

L'écart entre la valeur moyenne et les valeurs extrêmes est donc bien moindre qu'avec une seule pompe, dans laquelle le débit élémentaire varie de 0 à 4.

Si l’on répète le même calcul pour trois pompes calées sur le même arbre à 1420° l’une de l’autre, on trouvera que la solution est encore plus avantageuse, et que l'écart entre la valeur moyenne du débit et ses valeurs extrêmes est encore beaucoup diminué.

Passons maintenant de ces notions théoriques à l'examen de diverses pompes usuelles :

Pompes de mines. — Les grandes pompes ont pris naissance dans les mines d'Angleterre; à l'origine, on se servit de norias qui donnaient lieu à des accidents fréquents, puis on eut recours à des pompes aspirantes; mais chacune n'élevant l’eau qu’à 7 ou 8 mètres, il fallait en étager une série dans chaque puits avec autant de réservoirs; les tiges de toutes ces pompes superposées étaient réunies à une maîtresse tige qui les faisait toutes mouvoir à la fois.

L'invention de la pompe foulante permit de faire disparaître cet attirail encombrant. La figure 21 représente une pompe de mine : l'eau du puisard est absorbée par la crépine qui y plonge, et qui est percée de trous pour arrêter les matières solides ; sur la droite de la figure on voit le piston que soutient une tige en bois : c’est un piston plongeur ou long cylindre métallique, qui se meut dans un corps de pompe parfaitement alésé à la partie supérieure. Le tuyau d’ascension, avec sa soupape de base, est sur la gauche de la figure. Le mécanisme de l'appareil est identique à celui de la figure théorique, que nous avons expliqué plus haut.

La tige du piston atteint généralement un poids très considérable, qui, dans certaines mines, va jusqu'à 50 tonnes ; la machine à vapeur est à simple effet, elle a pour mission de soulever le piston. Dans cette première phase du mouvement, l’eau est aspirée. Le piston arrivé en haut de sa course retombe par son propre poids, et ce poids suffit à comprimer et à soulever la colonne d’eau tout entière.

Il va sans dire que la longue tige verticale du piston est convenable-