Structure du banc et composants

Le banc d’essais est composé de 4 éléments principaux : un réservoir d’accumulation à haute pression (HP), un réservoir d’alimentation (BP), une machine roto-dynamique multi étages à eau et une machine asynchrone à cage commandée par un variateur de fréquence. La Figure 15 montre une vue d’ensemble du banc.

Figure 15 : vue du haut du banc d’essai

Le tout est connecté par des conduites en acier galvanisé de pressions de service diverses selon leur emplacement. La ‘’boucle de retour’’ (Figure 15) est utilisée lors des essais, en circuit fermé, pour la caractérisation du fonctionnement stationnaire en pompage : débit et pressions stabilisées à différentes valeurs par le niveau de fermeture de la vanne de régulation (n°3, Figure 15) et la vitesse de rotation de la pompe.

Lors d’un cycle de stockage, l’eau est pompée du réservoir BP au réservoir HP par la machine hydraulique puis elle reprend le chemin inverse lors de la phase de récupération ; dans ce type de fonctionnement la boucle de retour est isolée.

La conversion d’énergie mécanique-hydraulique se fait donc par une machine rotodynamique multi-étagée ‘’haute pression’’ de type Multitec A50 du fabricant KSB. La

Machine asynchrone à cage SIEMENS 75 kW couplé à un variateur de fréquence de 45kW

Pompe/turbine rotodynamique 12 étages KSB

Figure 16 donne une vue en coupe de la machine. Les caractéristiques nominales mentionnées par le constructeur sont données par le tableau ci-dessous.

Figure 16 : pompe haute pression KSB Multitec A50/12A (l’image ne reproduit pas le nombre de roues : 12)

Caractéristiques nominales : Pompe : Vitesse de rotation : 1459rpm Débit : 20m3/h Hauteur manométrique : 103m Puissance absorbée : 8,43 kW (R=68%) Turbine : Vitesse de rotation : 1520rpm Débit : 30m3/h Hauteur manométrique : 160m Puissance absorbée : 9,80 kW (R=75%) Autres caractéristiques :

Rayon externe roues : 0,173m Pression de service admissible : 40bar

La machine peut également fonctionner en mode turbine (application mise en avant par KSB pour des barrages de faible capacité). Le rendement de conversion dans ce cas est supérieur à celui de pompage. Le désavantage est que la plage de fonctionnement y est plus restreinte comme indiqué plus bas dans le §3.4.2 concernant le modèle de comportement de la pompe.

Le moteur, une machine asynchrone à cage (Figure 17), a été choisi pour pouvoir entrainer la pompe à 3000tr/min lors des compressions à 40 bar. Pour ce point de fonctionnement la puissance requise est de l’ordre de 75kW. Les puissances nominales du moteur et de la pompe n’étant pas identiques, les arbres de transmission ont des dimensions assez différentes et des pièces d’adaptation ont été conçues et fabriquées (voir Figure 18). La machine asynchrone est alimentée par un variateur de fréquence de 45kW. La mise en route du variateur se fait par des commandes générées grâce au système d’acquisition par un montage au transistor. La mise en roue libre du moteur peut également se faire de la même manière, si nécessaire pour les éventuels démarrages de turbine à couple moteur nul. La référence de vitesse de rotation se fait par un signal analogique produit par le système d’acquisition également.

Figure 17 : machine asynchrone 75kW

50Hz; 1LG6280-2MB10 Figure 18 : accouplements et couple-mètre

La pompe-turbine et le moteur sont montés sur un châssis mécano-soudé puis usiné sur les surfaces de pose ; le châssis a été réalisé au sein de l’école des Arts et Métiers ParisTech de Lille par le Service d’Assistance Technique à l’Enseignement et la Recherche (SATER). L’usinage simultané des surfaces de positionnement a facilité l’alignement du moteur et de la pompe.

Le châssis est fixé sur une dalle de béton réalisée pour l’occasion par le personnel du service de maintenance et du SATER de l’école. Le ferraillage a été dimensionné par un stagiaire de l’école d’ingénieurs HEI (Figure 19 et Figure 20). Une autre dalle a aussi été faite pour le réservoir d’alimentation.

Figure 19 : schéma pour le coffrage et ferraillage de la dalle principale

Figure 20 : dalle principale après séchage

La dalle centrale est montée sur des morceaux de tapis antivibratoire de fréquence de coupure d’environ 5Hz.

Le réservoir d’accumulation de 1m3 a été dimensionné et réalisé en fonction des besoins

du projet par l’entreprise Chaumeca-Gohin de Haubourdin (59) ; la pression et la température de service demandées étaient 50bar et 150°C ce qui, par le risque que représente l’air comprimé, à nécessité des marges de sécurité assez importantes et donc

un prix de réservoir assez important. Le réservoir d’alimentation de 2m3 est dimensionné

pour 10bar de pression de service et n’est qu’une modification (taille et position des piquages) d’un modèle standard.

Les conduites d’eau ont été commandées à l’entreprise L2M de Lallaing (59), puis assemblées au reste du banc par un ensemble de vannes et compensateurs de dilatation. Le compensateur de dilatation sur la conduite haute pression est fait en acier inoxydable, il s’agit d’un soufflet métallique, qui a une limite de pression d’éclatement assez élevée

mais présente deux caractéristiques importantes à prendre en compte : il ne peut, seul, encaisser l’effort dû à l’effet de fond (poussée axiale : P(bar)/S(m2)) et présente, à une pression inférieure à la pression de service (de l’ordre de la moitié), une aptitude au flambage. Ceci nous a amené, après observation de problèmes liés à ces points, à renforcer, une fois conduites assemblées, le compensateur par des coquilles et des tiges comme l’indique la Figure 21. Cette figure montre également un cercle de pression en sortie de pompe. Un cercle similaire est installé coté aspiration.

Figure 21 : compensateur de dilatation haute pression et cercle de pression pour mesure

pression de refoulement pompe

Les fixations des réservoirs aux dalles ont également été renforcées.

L’isolation du réservoir d’accumulation se fait par une vanne à boisseau sphérique à force motrice à air comprimée et commandée électriquement. Cette vanne ainsi que le réservoir d’accumulation, pour des éventuelles pré-charges, sont connectés au réseau d’air comprimé des ateliers.

Figure 22 : vanne pneumatique

Figure 23 : vue du haut du réservoir d’accumulation avec conduites d’alimentation d’air comprimé, soupape de sureté et capteur de hauteur d’eau