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Pompes à métaux liquides
Pumps for liquid metals
PAR C. H E R M A N T
INGÉNIEUR AU SERVICE DES LABORATOIRES ET ESSAIS HYDRAULIQUES DE L'ÉLECTRICITÉ DE FRANCE
Le transfert de chaleur par métaux liquides a été envisagé, depuis quelques années, notam- ment en vue de produire de l'énergie d'origine nucléaire. Les pompes nécessaires à la mise en circulation du métal liquide — sodium, bis- muth, etc. — dans un circuit d'échange ther- mique, doivent présenter des caractéristiques singulières et, en particulier, une étanchéité totale et une sécurité absolue de fonction- nement.
Des pompes mécaniques, du type centrifuge classique, mais comportant un dispositif ori- ginal d'étanchéité, ont été proposées ; les dif- férents types connus sont décrits dans la pre- mière partie de l'exposé.
Par suite de leur conductivité électrique relati- vement élevée, les métaux liquides peuvent être mis en circulation par action électromagnétique directe et sans l'intermédiaire d'aucune partie tournante. La deuxième partie de l'exposé com- prend la description des types principaux de pompes électromagnétiques, et la présentation de quelques résultats d'étude concernant les pompes électromagnétiques à induction.
L'article se termine par une comparaison som- maire entre ces différents dispositifs de pompage.
Heat transfer using liquid metals lias been con- sidered for several years mainly in connection mith nuclear power. The pumps required for circulating the liquid métal (sodium, bismuth, etc.) in a heat exchanger circuit must have spécial properties, of which the main ones are a total absence of leaks and complète reliability.
Conventional centrifugal mechanical pumps which incorporelle an original type of seal have been proposed; the various pumps are des- cribed in the first part of the paper.
On account of their relatively high electrical conductiuity, liquid metals can be circulated by electromagnetism alone directly and wilhoul using any rotating components. The second section describes the main types of electro- magnetic pumps and gives the results of research on electromagnetic induction pumps.
The article ends with a brief comparison of the various pumps described.
O n s a i t q u e d e s m é t a u x l i q u i d e s s o n t e x p é - r i m e n t é s , d e p u i s q u e l q u e s a n n é e s , c o m m e m o y e n d e t r a n s f e r t t h e r m i q u e , n o t a m m e n t e n v u e de l ' u t i l i s a t i o n d e l ' é n e r g i e n u c l é a i r e (*). Si l e u r s c a r a c t é r i s t i q u e s p h y s i q u e s , t h e r m i q u e s et n u - c l é a i r e s l e u r c o n f è r e n t u n c e r t a i n i n t é r ê t , d ' a u - t r e s p r o p r i é t é s ( r é a c t i v i t é c h i m i q u e , r a d i o a c t i - v i t é i n d u i t e , toxicité...) c o m p l i q u e n t le p r o b l è m e
(*) On d é s i g n e s o u s l e n o m d e « m é t a u x l i q u i d e s » c e u x d o n t l a t e m p é r a t u r e d e f u s i o n e s t r e l a t i v e m e n t b a s s e ( a p p r o x i m a t i v e m e n t i n f é r i e u r e à 350° C). Le s o d i u m
de l e u r m i s e e n œ u v r e . E l l e s a p p e l l e n t e n p a r t i - c u l i e r la m i s e a u p o i n t d e n o u v e a u x m o y e n s d e p o m p a g e d e s t i n é s à m e t t r e le m é t a l l i q u i d e e n c i r c u l a t i o n d a n s le c i r c u i t d ' é c h a n g e t h e r m i - q u e ( 1 , 2, 3 ) .
A v a n t d e p r é s e n t e r les d i f f é r e n t e s s o l u t i o n s e n v i s a g é e s , le p r o b l è m e p o s é p e u t ê t r e p r é c i s é e n é n o n ç a n t ) d ' u n e m a n i è r e g é n é r a l e les d i v e r s e s q u a l i t é s q u e l ' o n d e m a n d e à u n e p o m p e à m é - t a u x l i q u i d e s .
et l e b i s m u t h s o n t à c i t e r p a r t i c u l i è r e m e n t , a i n s i q u e l e s a l l i a g e s s o d i u m - p o t a s s i u m ( N a K ) et p l o m b - b i s m u t h .
Article published by SHF and available athttp://www.shf-lhb.orgorhttp://dx.doi.org/10.1051/lhb/1957029
JANV.-FÉV. 1 9 5 7 - N ° 1 C. H E R M A N T 8 9
I. — Q U A L I T É S N É C E S S A I R E S
B i e n q u e d ' a u t r e s a p p l i c a t i o n s s o i e n t e n v i s a - gées, o n c o n s i d é r e r a p r i n c i p a l e m e n t le t r a n s f e r t t h e r m i q u e à p a r t i r d ' u n r é a c t e u r n u c l é a i r e , p r o - b l è m e q u i e s t à l ' o r i g i n e d u d é v e l o p p e m e n t de l ' u t i l i s a t i o n d e s m é t a u x l i q u i d e s (4, 5 ) .
1. — E t a n c h é i t é
U n e e x i g e n c e q u e l ' o n p l a c e h a b i t u e l l e m e n t en tète e s t celle d e l ' é t a n c h é i t é a b s o l u e d u s y s t è m e de p o m p a g e . L e s r a i s o n s en s o n t b i e n c o n n u e s , et il p a r a î t i n u t i l e d ' i n s i s t e r s u r les c o n s é q u e n - ces f u n e s t e s d ' u n e f u i t e de m é t a l l i q u i d e — t e l le s o d i u m — p o r t é à h a u t e t e m p é r a t u r e , r a d i o - actif et r é a g i s s a n t v i o l e m m e n t a v e c l ' e a u e t l ' a i r .
U n e f u i t e , m ê m e m i n i m e , p e r m e t t r a i t , de p l u s , u n e r e n t r é e d ' o x y g è n e d a n s le c i r c u i t d ' é c h a n g e t h e r m i q u e , ce q u i d o i t ê t r e r i g o u r e u s e m e n t p r o s - c r i t . E n effet, la p r é s e n c e d ' o x y d e s d a n s le cir- c u i t de m é t a l l i q u i d e d é c l e n c h e r a i t de v i o l e n t e s c o r r o s i o n s . O n a d m e t a i n s i q u e la t e n e u r m a x i - m a l e e n o x y g è n e e s t d e l ' o r d r e de 0,001 % s e u - l e m e n t .
2 . — S é c u r i t é
L ' u t i l i s a t i o n d e m é t a u x l i q u i d e s p o u r le r e f r o i - d i s s e m e n t d ' u n r é a c t e u r n u c l é a i r e n é c e s s i t e u n m o y e n d e p o m p a g e p r é s e n t a n t t o u t e g a r a n t i e au p o i n t d e v u e s é c u r i t é d e f o n c t i o n n e m e n t . O n c h e r c h e à r é d u i r e l ' é v e n t u a l i t é d ' u n e d é f a i l l a n c e q u i p o u r r a i t p r o v e n i r d ' u n e r é s i s t a n c e insuffi- s a n t e d e s m a t é r i a u x u t i l i s é s , à la c o r r o s i o n et à la r a d i o a c t i v i t é , ou e n c o r e d ' u n e c a u s e p u r e m e n t m é c a n i q u e .
3 . — E n t r e t i e n
P a r s u i t e d e s s u j é t i o n s q u ' i l p r é s e n t e d a n s le cas d ' u n e i n s t a l l a t i o n de t r a n s f e r t t h e r m i q u e f o n c t i o n n a n t g é n é r a l e m e n t d ' u n e m a n i è r e c o n - t i n u e , l ' e n t r e t i e n d ' u n e p o m p e à m é t a u x l i q u i d e s d e v r a ê t r e a u s s i r é d u i t q u e p o s s i b l e . N é a n m o i n s et d ' u n e m a n i è r e g é n é r a l e , o n a d m e t d e p l u s en p l u s l ' e n t r e t i e n d ' u n e i n s t a l l a t i o n a t o m i q u e , à c o n d i t i o n de p r é v o i r d e s m o y e n s d ' i n t e r v e n i r s û r s , é c o n o m i q u e s et r a p i d e s . S'il est n é c e s s a i r e , l ' e n t r e t i e n d e s p o m p e s d e v r a d o n c ê t r e facilité a u m a x i m u m , p a r u n e é t u d e p a r t i c u l i è r e de l'ac- c e s s i b i l i t é et d u d é m o n t a g e d e s d i v e r s o r g a n e s . 4 . — C a r a c t é r i s t i q u e s
L e s e r v i c e q u ' o n d e m a n d e a u x p o m p e s d ' a s - s u r e r d a n s de b o n n e s c o n d i t i o n s d ' é t a n c h é i t é , de s é c u r i t é , d ' e n t r e t i e n , est p a r a i l l e u r s défini p a r c e r t a i n e s c a r a c t é r i s t i q u e s .
C i t o n s , p a r e x e m p l e , u n p r o j e t a m é r i c a i n de r é a c t e u r de p u i s s a n c e r e f r o i d i p a r s o d i u m li- q u i d e ( S o d i u m g r a p h i t e r e a c t o r ) . L a p u i s s a n c e
t h e r m i q u e p r é v u e e s t de 250.000 k W , ce q u i c o n d u i t à u n e p u i s s a n c e é l e c t r i q u e n e t t e d e 75.000 k W ; les p o m p e s d u c i r c u i t d e r e f r o i d i s - s e m e n t d u r é a c t e u r d o i v e n t d é b i t e r 950 1/s (3.000 t / h ) de s o d i u m d o n t la t e m p é r a t u r e v a - r i e de 260° à l ' a d m i s s i o n , à 5 0 0 " à la s o r t i e du r é a c t e u r .
N o u s a l l o n s m a i n t e n a n t p r é s e n t e r les p r i n c i - p a u x t y p e s de p o m p e s à m é t a u x l i q u i d e s e t les c o m p a r e r a u p o i n t de v u e de l e u r s c a r a c t é r i s t i - q u e s d ' u t i l i s a t i o n : m é t a u x l i q u i d e s u t i l i s a b l e s , t e m p é r a t u r e , d é b i t et p r e s s i o n r é a l i s a b l e s (6).
O h c o n s i d é r e r a é g a l e m e n t l e u r s p e r f o r m a n c e s : r e n d e m e n t , p u i s s a n c e m a s s i q u e et c o û t r e l a t i f .
II. — P O M P E S M É C A N I Q U E S
L e s p o m p e s m é c a n i q u e s p o u r m é t a u x l i q u i d e s s o n t d u t y p e c e n t r i f u g e q u i p a r a i t b i e n a d a p t é au p r o b l è m e , n o t a m m e n t en ce q u i c o n c e r n e les c a r a c t é r i s t i q u e s d e p r e s s i o n et débit. L e p r o - b l è m e e s s e n t i e l e s t d e r é a l i s e r u n e l i a i s o n a b s o - l u m e n t é t a n c h e e n t r e le m o t e u r d ' e n t r a î n e m e n t et la r o u e c e n t r i f u g e . L e s d i s p o s i t i f s u s u e l s - d u g e n r e p r e s s e - é t o u p e — n e c o n v i e n n e n t p a s p o u r d e s p o m p e s à m é t a u x l i q u i d e s : l ' é t a n c h é i t é
o b t e n u e est i n s u f f i s a n t e , et, de p l u s , les c o r p s u t i l i s é s p o u r r é a l i s e r d e s j o i n t s à f r o t t e m e n t ( a m i a n t e , c a o u t c h o u c , t é i l o n , g r a p h i t e . . . ) s o n t d é t é r i o r é s p a r les m é t a u x l i q u i d e s à h a u t e t e m - p é r a t u r e . Seules c e r t a i n e s t r e s s e s m é t a l l i q u e s c o m p r i m é e s ( n i c k e l , c u i v r e ) r é s i s t e n t , m a i s s ' u s e n t r a p i d e m e n t . Des s o l u t i o n s o r i g i n a l e s o n t été é t u d i é e s , q u i p e u v e n t ê t r e c l a s s é e s en t r o i s types p r i n c i p a u x (2, 3 ) .
9 0 L A H O U I L L E B L A N C H E • N " 1 - JANV.-FÉV. 1 9 5 7
A . P o m p e s à r o t o r i m m e r g é
L a p a r t i e t o u r n a n t e d u g r o u p e m o t o - p o m p e e s t e n t i è r e m e n t i m m e r g é e ; le s t a t o r d u m o t e u r d ' e n t r a î n e m e n t — d e t y p e a s y n c h r o n e — e s t s é p a r é d u m é t a l l i q u i d e p a r u n e m e m b r a n e
F I G . 1
P o m p e à r o t o r i m m e r g é .
( F i g u r e e x t r a i t e d e Liquid Metals Handbaok.)
m i n c e p l a c é e d a n s l ' e n t r e f e r (fig. I L L e p r o b l è m e e s s e n t i e l p o s é p a r ce t y p e de p o m p e e s t celui d e la l u b r i f i c a t i o n d e s p a l i e r s et d e s b u t é e s p a r le m é t a l l i q u i d e l u i - m ê m e , p e u a p p r o p r i é à c e t u s a g e . D a n s les m a c h i n e s i m p o r t a n t e s , l ' a x e de la p o m p e e s t c e n t r é e à l ' i n t é r i e u r d e p a l i e r s h y - d r o d y n a m i q u e s a l i m e n t é s e n m é t a l l i q u i d e p a r le r e f o u l e m e n t de la p o m p e . P o u r a s s u r e r u n e b o n n e l u b r i f i c a t i o n d e s p a l i e r s e t é v i t e r d e s u r - c h a u f f e r les e n r o u l e m e n t s , on r é a l i s e u n e c i r c u - l a t i o n a u x i l i a i r e d u m é t a l l i q u i d e q u i b a i g n e le r o t o r , à t r a v e r s u n é c h a n g e u r , d e m a n i è r e à a b a i s s e r la t e m p é r a t u r e à 150° C e n v i r o n . L a d u r é e de vie d e s p a l i e r s de la p o m p e e s t l i m i t é e p a r d e s p h é n o m è n e s d e c o r r o s i o n , d o n t l ' i m p o r - t a n c e e s t e s s e n t i e l l e m e n t f o n c t i o n de la t e n e u r en o x y d e d u m é t a l l i q u i d e . A u s s i à l ' é c h a n g e u r d o n t il v i e n t d ' ê t r e q u e s t i o n on a s s o c i e g é n é r a l e - m e n t « u n p i è g e f r o i d », q u i l i m i t e l a t e n e u r en o x y d e p a r s o l i d i f i c a t i o n et f i l t r a t i o n .
L e r e n d e m e n t d ' u n t e l g r o u p e m o t o - p o m p e est
p l u s faible q u e celui d ' u n g r o u p e c l a s s i q u e , p a r s u i t e d e la p r é s e n c e d u d i a p h r a g m e e t d ' u n film de m é t a l l i q u i d e d a n s l ' e n t r e f e r d u m o t e u r . Il s ' e n s u i t d e s p e r t e s p a r f r o t t e m e n t e t p a r c o u - r a n t s d e F o u c a u l t q u i l i m i t e n t le r e n d e m e n t à u n e v a l e u r d e l ' o r d r e d e 50 à 60 %, U n a u t r e i n c o n v é n i e n t d e ce t y p e de m a c h i n e c o n s i s t e e n difficultés d ' e n t r e t i e n d e la p a r t i e t o u r n a n t e et d e s p a l i e r s ; les j o i n t s e n t r e les d i f f é r e n t e s p a r - lies s o n t g é n é r a l e m e n t r e m p l a c é s p a r d e s s o u d u - r e s d ' é t a n c h é i t é q u i c o m p l i q u e n t les d é m o n t a g e s é v e n t u e l s .
Ce t y p e de m a c h i n e e s t r é a l i s é c o u r a m m e n t en p e t i t e s d i m e n s i o n s d o n t les c a r a c t é r i s t i q u e s s o n t d e l ' o r d r e de q u e l q u e s l i t r e s / s e c o n d e , s o u s u n e h a u t e u r m a n o m é t r i q u e de 20 à 30 m è t r e s . L a Société W e s t i n g h o u s e a a n n o n c é r é c e m m e n t la m i s e a u p o i n t d ' u n e p o m p e d e ce t y p e , p l u s i m p o r t a n t e , d o n t le d é b i t s'élève à 300 l i t r e s / s e - c o n d e , la t e m p é r a t u r e m a x i m u m d u m é t a l li- q u i d e a t t e i g n a n t 850 "C.
B. P o m p e s à c o u v e r t u r e g a z e u s e
A priori p l u s s i m p l e , le p r i n c i p e c o n s i s t e à r e p o r t e r le p r o b l è m e d ' é t a n c h é i t é s u r u n gaz
FIN. 2
P o m p e à c o u v e r t u r e g a l e u s e .
( F i g u r e e x t r a i t e d e Liquid Metals liandbook.)
i n e r t e r e c o u v r a n t le m é t a l l i q u i d e à l a p a r t i e s u p é r i e u r e de la p o m p e (fig. 2 ) . L ' a r b r e de la
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p o m p e c e n t r i f u g e e s t v e r t i c a l e t p é n è t r e d a n s le c a r t e r à t r a v e r s u n j o i n t . Celui-ci p e u t ê t r e d u g e n r e p r e s s e - é t o u p e , si l ' o n a d m e t u n e c e r - t a i n e f u i t e d e g a z i n e r t e ; s a l u b r i f i c a t i o n e s t difficile p a r s u i t e d u r i s q u e d e c o n t a m i n a t i o n d u m é t a l l i q u i d e . Si le m é t a l l i q u i d e e s t r a d i o - actif, o n n e p e u t a d m e t t r e la m o i n d r e fuite d e gaz, e t il p a r a î t p r é f é r a b l e d e p l a c e r é g a l e m e n t le m o t e u r d ' e n t r a î n e m e n t d a n s u n c a r t e r é t a n - c h e r e m p l i d e g a z i n e r t e , à la m ê m e p r e s s i o n q u e le c a r t e r d e la p o m p e . Un j o i n t l a b y r i n t h e e s t c e p e n d a n t n é c e s s a i r e e n t r e le c a r t e r d u m o - t e u r e t c e l u i d e la p o m p e , p o u r l i m i t e r l a dif- f u s i o n d e v a p e u r d e s o d i u m et é v i t e r sa c o n d e n - s a t i o n s u r les e n r o u l e m e n t s et l e s p a l i e r s d u m o t e u r d ' e n t r a î n e m e n t .
L e s p r o b l è m e s p o s é s p a r ce t y p e d e p o m p e p e u v e n t s ' é n o n c e r a i n s i : g r a i s s a g e d u j o i n t , dif- f u s i o n d u « m é t a l l i q u i d e » d a n s le c a r t e r m o t e u r à h a u t e t e m p é r a t u r e , r i s q u e d ' e n t r a î n e m e n t d e gaz, n é c e s s i t é d e c o n t r ô l e r le n i v e a u d u l i q u i d e q u i p e u t v a r i e r s u i v a n t le r é g i m e d e f o n c t i o n - n e m e n t . P a r c o n t r e , c e t t e p o m p e p r é s e n t e l ' a v a n - t a g e d ' ê t r e d e f a b r i c a t i o n s i m p l e u t i l i s a n t d e s é l é m e n t s e x i s t a n t s ; s o n r e n d e m e n t e s t c o m p a - r a b l e à c e l u i d e s p o m p e s c l a s s i q u e s .
C. — P o m p e s à j o i n t d e s o d i u m s o l i d i f i é L ' é t a n c h é i t é e n t r e l ' a r b r e d ' e n t r a î n e m e n t d e la p o m p e c e n t r i f u g e et le c a r t e r e s t a s s u r é e e n s o l i d i f i a n t l o c a l e m e n t le l i q u i d e . Cette s o l u t i o n e x p é r i m e n t é e p o u r le p o m p a g e d u s o d i u m , c o n - s i s t e à r e m p l a c e r le p r e s s e - é t o u p e h a b i t u e l p a r u n m a n c h o n r e f r o i d i p a r u n e c i r c u l a t i o n a u x i - l i a i r e . ( O n u t i l i s e p a r e x e m p l e d u t o l u è n e q u i n e r é a g i t p a s a v e c le s o d i u m . ) L e s o d i u m q u i se solidifie d a n s c e t t e r é g i o n s o u s f o r m e d ' u n m i n c e a n n e a u , r é a l i s e u n j o i n t d ' u n e é t a n c h é i t é a c c e p t a b l e . L e s t o l é r a n c e s m é c a n i q u e s d ' u s i n a g e de l ' a r b r e e t d u m a n c h o n s o n t a s s e z s t r i c t e s : si le j e u e s t t r o p faible, o n r i s q u e b l o c a g e ; s'il e s t t r o p élevé, il p e u t y a v o i r e x t r u s i o n p r o - g r e s s i v e d e s o d i u m . L a p u i s s a n c e c a l o r i f i q u e a i n s i p r o d u i t e p a r f r o t t e m e n t p e u t ê t r e d e l'or- d r e d u k i l o w a t t , d a n s le c a s d ' u n e p o m p e d e p u i s s a n c e i m p o r t a n t e (30 k W ) ; s i la t e m p é r a - t u r e d u m é t a l l i q u i d e e s t élevée, 500° p a r e x e m - ple, il f a u t a l o r s é v a c u e r u n flux calorifique d e
p l u s i e u r s , k i l o w a t t s , p o u r m a i n t e n i r le s o d i u m à l ' é t a t l i q u i d e . A u d é m a r r a g e , le c o u p l e e s t c o m p a r a b l e à c e l u i d ' u n e p o m p e c l a s s i q u e d o n t les g a r n i t u r e s s e r a i e n t s e r r é e s . P o u r é v i t e r le c o n t a c t d u s o d i u m a v e c l ' a i r e t p o u r l i m i t e r l a différence d e p r e s s i o n d e p a r t e t d ' a u t r e d u j o i n t , u n e e n c e i n t e r e m p l i e d e g a z i n e r t e s o u s p r e s s i o n e s t a m é n a g é e d e r r i è r e le j o i n t . Ce t y p e d e p o m p e s e m b l e p r é s e n t e r d e n o m b r e u x a v a n - t a g e s : r e n d e m e n t élevé, e n t r e t i e n facile, f a b r i - c a t i o n r e l a t i v e m e n t s i m p l e et b a s p r i x . P a r a i l - l e u r s , la s é c u r i t é p a r a î t s u f f i s a n t e : l ' a r r ê t d u r e f r o i d i s s e m e n t n ' e n t r a î n e p a s u n i n c i d e n t i m - m é d i a t et q u e l q u e s m i n u t e s r e s t e n t d i s p o n i b l e s p o u r p r e n d r e d e s m e s u r e s d ' u r g e n c e .
P a r c o n t r e , n e s o n t u t i l i s a b l e s q u e les m é t a u x l i q u i d e s à t e m p é r a t u r e d e f u s i o n r e l a t i v e m e n t élevée e t q u i n e c o m p o r t e n t p a s d e m a t é r i a u x a b r a s i f s o u d ' o x y d e s se d é p o s a n t d a n s les z o n e s f r o i d e s . D a n s l ' e n s e m b l e , ce t y p e d e m a c h i n e p a - r a î t a s s e z p r o m e t t e u r , m a i s s e m b l e n é c e s s i t e r e n c o r e u n e c e r t a i n e e x p é r i e n c e .
D . — A u t r e s s o l u t i o n s
A p a r t les t r o i s t y p e s q u i v i e n n e n t d ' ê t r e d é - c r i t s , q u e l q u e s a n t r e s s o l u t i o n s o n t été e n v i s a - gées, d o n t l ' a v e n i r p a r a î t p l u s l i m i t é .
O n p e u t p e n s e r t r a n s m e t t r e u n effort a u m é t a l l i q u i d e p a r i n t e r m é d i a i r e d ' u n e p a r t i e d é f o r m a - ble, s u i v a n t le p r i n c i p e a d o p t é p o u r la f a b r i c a - tion d e c e r t a i n e s v a n n e s à é t a n c h é i t é t o t a l e ( v a n - n e s à soufflets o u à m e m b r a n e ) . Si c e t t e s o l u t i o n e s t s a t i s f a i s a n t e d a n s le c a s d ' u n e v a n n e à f o n c - t i o n n e m e n t i n t e r m i t t e n t , elle n e p a r a î t p a s p r é - s e n t e r u n e s é c u r i t é s a t i s f a i s a n t e d a n s le c a s d u p o m p a g e .
De s i m p l e s p o m p e s a l t e r n a t i v e s s o n t u t i l i s é e s d a n s c e r t a i n e s i n s t a l l a t i o n s c h i m i q u e s p o u r le t r a n s f e r t d e m é t a u x l i q u i d e s à t e m p é r a t u r e m o - d é r é e ( 2 0 0 " ) ; les f u i t e s d e m é t a l l i q u i d e e n t r e p i s t o n et c y l i n d r e s o n t c o l l e c t é e s c l r e n v o y é e s a u n r é s e r v o i r ; u n gaz i n e r t e r e m p l i t la p a r t i e a r r i è r e d u c y l i n d r e q u i e s t a p p r o x i m a t i v e m e n t é t a n c h e , g r â c e à u n j o i n t à g a r n i t u r e s d a n s le- q u e l c o u l i s s e la tige d u p i s t o n . Ce s y s t è m e c o n s - t i t u e d a n s c e r t a i n s c a s u n m o y e n s i m p l e d ' o b t e - n i r u n d é b i t c o n n u s o u s u n e p r e s s i o n q u i p e u t ê t r e élevée, m a i s à u n e t e m p é r a t u r e l i m i t é e .
III. — P O M P E S É L E C T R O M A G N É T I Q U E S
A . — G é n é r a l i t é s
U n e a u t r e s o l u t i o n a u p r o b l è m e d u p o m p a g e d e s m é t a u x l i q u i d e s — s o l u t i o n assez s é d u i s a n t e a priori — c o n s i s t e à m e t t r e le l i q u i d e c o n d u c - t e u r d i r e c t e m e n t e n m o u v e m e n t p a r a c t i o n élec-
t r o m a g n é t i q u e , s a n s l ' i n t e r m é d i a i r e d ' a u c u n e p a r t i e t o u r n a n t e . L a c o n d u c l i v i t é é l e c t r i q u e éle- vée d e c e r t a i n s m é t a u x l i q u i d e s , i n t é r e s s a n t s à d ' a u t r e s p o i n t s d e v u e , r e n d p r a t i q u e m e n t p o s - sible u n tel dispositif. Cette s o l u t i o n a v a i t s é d u i t M . RKMKNIERAS, chef d u S e r v i c e d e s E t u d e s
92 L A H O U I L L E B L A N C H E N " 1 - JANV.-FÉV. 1 9 5 7
H y d r a u l i q u e s d e l ' E l e c t r i c i t é d e F r a n c e , q u i d è s 1946 o r i e n t a i t u n e p a r t i e d e s r e c h e r c h e s v e r s la m i s e a u p o i n t d ' a p p a r e i l s d e ce g e n r e (10).
L ' i d é e d e t r a n s m e t t r e u n effort à u n l i q u i d e c o n d u c t e u r p a r l ' a c t i o n d ' u n c h a m p m a g n é t i q u e s u r u n c o u r a n t é l e c t r i q u e e s t a s s e z a n c i e n n e . L a p r e s s i o n h y d r o s t a t i q u e , e n g e n d r é e p a r effet de p i n c e m e n t , f u t u t i l i s é e p a r N o r t h r u p v e r s 1900 poUr m e s u r e r d e s c o u r a n t s a l t e r n a t i f s i n t e n s e s ( 7 ) . P a r la s u i t e , d ' a u t r e s a p p l i c a t i o n s f u r e n t e n v i - s a g é e s (8, 9 ) , m a i s c'est t o u t r é c e m m e n t q u e l'in- t é r ê t d u p o m p a g e é l e c t r o m a g n é t i q u e s'est a c c r u , à la s u i t e d e s p r o b l è m e s d e t r a n s f e r t t h e r m i q u e p o s é s p a r l ' u t i l i s a t i o n d e l ' é n e r g i e n u c l é a i r e .
L e s p o m p e s é l e c t r o m a g n é t i q u e s s o n t a n a l o g u e s a u x m o t e u r s é l e c t r i q u e s ; l e u r f o n c t i o n n e m e n t e s t é g a l e m e n t r é g i p a r l a loi d e L a p l a c e q u i e x p r i m e la f o r c e e x e r c é e s u r u n c o n d u c t e u r t r a v e r s é p a r u n c o u r a n t e t p l a c é d a n s u n c h a m p m a g n é t i q u e . C o m m e d a n s le c a s d e s m o t e u r s é l e c t r i q u e s , il e x i s t e d i v e r s t y p e s d e p o m p e s é l e c t r o m a g n é t i - q u e s ( 1 1 , 12). E l l e s p e u v e n t ê t r e d u t y p e « à c o n d u c t i o n » ( t y p e F a r a d a y ) o ù u n c o u r a n t élec-
t r i q u e t r è s i n t e n s e f o u r n i p a r u n e m a c h i n e s p é - c i a l e ( r e d r e s s e u r ou g é n é r a t r i c e h o m o p o l a i r e ) t r a v e r s e le m é t a l l i q u i d e s o u m i s p a r a i l l e u r s à u n c h a m p m a g n é t i q u e . D ' a u t r e s s o n t d u t y p e « à i n d u c t i o n » et a n a l o g u e s à u n m o t e u r a s y n - c h r o n e ; les c o u r a n t s é l e c t r i q u e s s o n t a l o r s i n - d u i t s d a n s lé l i q u i d e p a r les v a r i a t i o n s d ' u n c h a m p m a g n é t i q u e p r o d u i t , p a r e x e m p l e , p a r u n e n r o u l e m e n t p o l y p h a s é a n a l o g u e à u n « s t a t o r » de m o t e u r à i n d u c t i o n (13, 14).
1) Eq u a t i o n s g é n é r a l e s d e s p o m p e s é l e c r o m a g n é t i q u e s
C o n s i d é r o n s u n é l é m e n t p a r a l l é l é p i p é d i q u e dx dy dz d e m é t a l l i q u i d e s i t u é d a n s l a p a r t i e a c t i v e d e l a p o m p e (fig. 3 ) . U e s t s o u m i s à u n e
FIO. u
E l é m e n t s d u c a l c u l d e s p o m p e s é l e c t r o m a g n é t i q u e s .
i n d u c t i o n m a g n é t i q u e e t à u n e d e n s i t é d e c o u - r a n t , d o n t o n n e c o n s i d è r e q u e les c o m p o s a n t e s IBj, e t iy. L ' é q u a t i o n de l a f o r c e s ' e x e r ç a n t s u r c e t é l é m e n t n o u s d o n n e le g r a d i e n t de p r e s s i o n d a n s la d i r e c t i o n z :
E n i n t é g r a n t ces efforts é l é m e n t a i r e s s u r la
l o n g u e u r t o t a l e L, o n o b t i e n t la d i f f é r e n c e de p r e s s i o n P p r o d u i t e p a r la p o m p e :
J o
Si l a p r e s s i o n e s t u n i f o r m e d a n s c h a q u e s e c - t i o n d r o i t e d u t u b e , la p u i s s a n c e h y d r a u l i q u e t r a n s m i s e a u m é t a l l i q u i d e e s t é g a l e a u p r o d u i t d u d é b i t t r a v e r s a n t u n e s e c t i o n d r o i t e p a r c e t t e différence d e p r e s s i o n P .
U n e p a r t i e d e la p u i s s a n c e é l e c t r o m a g n é t i q u e f o u r n i e a u fluide e s t p e r d u e s o u s f o r m e d e p e r - t e s p a r c o u r a n t s d e F o u c a u l t d a n s le m é t a l li- q u i d e , p e r t e s d o n t l ' e x p r e s s i o n é l é m e n t a i r e e s t :
dW = O i- dx dy dz
L e s a u t r e s p e r t e s é l e c t r i q u e s c o m p r e n n e n t les p e r t e s J o u l e d a n s l ' e n r o u l e m e n t i n d u c t e u r , les p e r t e s p a r c o u r a n t s d e F o u c a u l t d a n s le c o n d u i t g é n é r a l e m e n t m é t a l l i q u e , et les p e r t e s p a r c o u - r a n t s d e F o u c a u l t e t h y s t é r é s i s d a n s la p a r t i e m a g n é t i q u e .
E n o u t r e , u n e p a r t i e d e la p u i s s a n c e h y d r a u l i - q u e t r a n s m i s e a u m é t a l l i q u i d e e s t p e r d u e s o u s f o r m e de p e r t e s d e c h a r g e à l ' i n t é r i e u r m ê m e d e la p o m p e .
2) Pe r t e s h y d r a u l i q u e s d a n s l e s p o m p e s é l e c - t r o m a g n é t i q u e s :
L a m é t h o d e u s u e l l e de c a l c u l p e u t c o n d u i r e à u n e e r r e u r n o t a b l e , si o n n e t i e n t p a s c o m p t e d e l a m o d i f i c a t i o n d u r é g i m e d ' é c o u l e m e n t r é s u l - t a n t d e l ' a c t i o n d u c h a m p m a g n é t i q u e s u r le l i q u i d e c o n d u c t e u r .
D e s m o u v e m e n t s t u r b u l e n t s a g i t e n t le l i q u i d e
Nombre de Reynolds ft FIG. 4
R é g i m e s d ' é c o u l e m e n t d ' u n l i q u i d e c o n d u c t e u r s o u m i s à u n c h a m p m a g n é t i q u e .
a u x n o m b r e s d e R e y n o l d s élevés q u i c a r a c t é r i - s e n t l ' é c o u l e m e n t d a n s l a p o m p e . Ils p r o d u i s e n t p a r i n d u c t i o n d e s c o u r a n t s é l e c t r i q u e s q u i , p a r r é a c t i o n a v e c le c h a m p m a g n é t i q u e , e n g e n d r e n t d e s efforts r é s i s t a n t s . L a t u r b u l e n c e e s t r e t a r -
JANV.-FÉV. 1 9 5 7 - N " 1 - C . H E R M A N T 9 3
dée, le r é g i m e d ' é c o u l e m e n t d e v i e n t l a m i n a i r e a v e c , e n g é n é r a l , u n e a u g m e n t a t i o n d u coeffi- c i e n t d e p e r t e s d e c h a r g e .
D i v e r s a u t e u r s (15, 16) o n t é t u d i é les effets d ' u n c h a m p m a g n é t i q u e s u r les l i q u i d e s c o n d u c - t e u r s e n m o u v e m e n t , et la v a r i a t i o n c o r r é l a t i v e d u coefficient d e p e r t e s de c h a r g e . D a n s l e c a s d u r é g i m e « t u r b u l e n t lisse » (fig. 4 ) , o n p a s - s e r a i t p r o g r e s s i v e m e n t d e la. f o r m u l e de K a r - m a n :
_ J _ ^ 2 log R VÂ
V T " ^ 2 , 5 1
à la f o r m u l e t h é o r i q u e s u i v a n t e d u e à H a r t - m a n n :
•> = 3 2 M R
O n d é s i g n e p a r À le coefficient d e l a f o r m u l e u n i v e r s e l l e de p e r t e s d e c h a r g e , R le n o m b r e de R e y n o l d s e t M u n n o m b r e s a n s d i m e n s i o n s ca- r a c t é r i s t i q u e s d e l'effet é l e c t r o m a g n é t i q u e .
M = u . H d ^ / ' ~ H d é s i g n e le c h a m p m a g n é t i q u e ,
d d é s i g n e le d i a m è t r e h y d r a u l i q u e d e l a v e i n e l i q u i d e ,
a, c, 7) d é s i g n e n t r e s p e c t i v e m e n t la p e r m é a b i l i t é , l a c o n d u c t i v i t é , la v i s c o s i t é a b s o l u e d u f l u i d e .
Ces c o n s i d é r a t i o n s o n t été c o n v e n a b l e m e n t vé- rifiées d a n s le c a s d u m e r c u r e et p e r m e t t e n t , en l ' a b s e n c e d ' e x p é r i e n c e s c o m p l é m e n t a i r e s , d ' e s t i - m e r p l u s c o r r e c t e m e n t les p e r t e s de c h a r g e à l ' i n t é r i e u r d ' u n e p o m p e é l e c t r o m a g n é t i q u e .
B. — P o m p e s à c o n d u c t i o n à c o u r a n t c o n t i n u C o m m e le m o n t r e la figure 5, le f o n c t i o n n e - m e n t d e l a p o m p e à c o n d u c t i o n r é s u l t e d e l ' a p - p l i c a t i o n d e l a loi d ' é l e c t r o m a g n é t i s m e c o n n u e s o u s le n o m d e r è g l e d e s t r o i s d o i g t s . Si on a p p l i - q u e à u n c o n d u i t c o n t e n a n t u n l i q u i d e c o n d u c -
Circuit mognétique
F I G . 5
P o m p e é l e c t r o m a g n é t i q u e à c o n d u c t i o n . T y p e F a r a d a y
t e u r u n c h a m p m a g n é t i q u e t r a n s v e r s a l , e t si o n fait p a s s e r d a n s le m ê m e l i q u i d e u n c o u r a n t é l e c t r i q u e p e r p e n d i c u l a i r e à la fois a u c o n d u i t et a u c h a m p m a g n é t i q u e , le c o n d u c t e u r l i q u i d e s e r a s o u m i s à d e s f o r c e s q u i p r o v o q u e r o n t s o n d é p l a c e m e n t . P r a t i q u e m e n t , le m é t a l l i q u i d e c i r - c u l e d a n s u n c o n d u i t a p l a t i , g é n é r a l e m e n t en a c i e r i n o x y d a b l e . Il e s t s o u m i s à u n c h a m p m a - g n é t i q u e c o n s t a n t et à u n c o u r a n t c o n t i n u de f o r t e i n t e n s i t é , a m e n é p a r deux1 é l e c t r o d e s en c u i v r e b r a s é e s d e p a r t et d ' a u t r e d u c o n d u i t ( 1 7 ) .
L e d i m e n s i o n i i e m e n t o p t i m u m g é o m é t r i q u e el é l e c t r i q u e c o n d u i s a n t a u r e n d e m e n t m a x i m u m d o i t t e n i r c o m p t e d e s d i f f é r e n t e s p e r t e s d e la m a c h i n e :
— p e r t e s é l e c t r i q u e s p a r effet J o u l e d a n s le m é t a l l i q u i d e et d a n s l ' i n d u c t e u r ,
—- p e r t e s d e c h a r g e h y d r a u l i q u e s d a n s le c o n - d u i t .
E n d é s i g n a n t p a r /, e et L les t r o i s d i m e n s i o n s d u c o n d u i t (fig. 6 b), il e s t facile d e m o n t r e r q u e ,
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M M 100 500 « X » L(tm)
F i g . 6 a
C o u r b e s d ' é g a l r e n d e m e n t t h é o r i q u e
F I G . 6 b
P o m p e à c o n d u c t i o n t y p e F a r a d a y . O = 41) 1/mii
P = I l i g / c l) K e = 1 c m . li = 4 0 0 0 g a u s s
94 LA H O U I L L E B L A N C H E
p o u r u n e différence d e p r e s s i o n et u n d é b i t d é t e r - m i n é , les p e r t e s o h m i q u . e s d a n s le m é t a l l i q u i d e s o n t p r o p o r t i o n n e l l e s à / <?/L ( i n t é r ê t d ' u n e m a - c h i n e l o n g u e ) , t a n d i s q u e les p e r t e s h y d r a u l i -
q u e s s o n t p r o p o r t i o n n e l l e s à [ L (l -f- e)/P e8] e t s o n t é v i d e m m e n t d ' a u t a n t p l u s f a i b l e s q u e la m a c h i n e e s t p l u s c o u r t e .
Ces d e u x p o i n t s de v u e s o n t d o n c c o n t r a d i c - t o i r e s et le d i m e n s i o n n e m e n t o p t i m u m r é s u l t e r a d ' u n c o m p r o m i s , v a r i a b l e s u i v a n t les c a r a c t é r i s - t i q u e s d e m a n d é e s à l a m a c h i n e . A t i t r e d ' e x e m - p l e , n o u s d o n n o n s (fig. 6) les c o u r b e s d'égal r e n d e m e n t t h é o r i q u e d ' u n e p e t i t e p o m p e d e l a b o - r a t o i r e , é t u d i é e il y a q u e l q u e s a n n é e s .
D a n s l a r é a l i s a t i o n d e ces p o m p e s , o n d o i t éga- l e m e n t t e n i r c o m p t e d e c e r t a i n e s p e r t e s s u p p l é - m e n t a i r e s : u n e p a r t i e d u c o u r a n t d ' a l i m e n t a - t i o n e s t p e r d u e e t t r a v e r s e , soit les p a r o i s c o n d u c t r i c e s d e l ' e n v e l o p p e , s o i t les p a r t i e s a n - t é r i e u r e s et p o s t é r i e u r e s d u m é t a l l i q u i d e s i t u é e n d e h o r s d e l a z o n e d ' a c t i o n d u c h a m p m a g n é - t i q u e .
U n e a u t r e s o u r c e d e p e r t e s s u p p l é m e n t a i r e s v i e n t d e l a d i s t o r s i o n d u c h a m p m a g n é t i q u e p r o - v o q u é e p a r le p a s s a g e d u c o u r a n t d e f o r t e i n t e n - s i t é . Cette r é a c t i o n d ' i n d u i t t e n d à a u g m e n t e r le c h a m p m a g n é t i q u e à l ' e n t r é e de la p o m p e el à le d i m i n u e r à la s o r t i e , ce q u i p e r t u r b e le f o n c t i o n n e m e n t e t d i m i n u e le r e n d e m e n t . P o u r d e s p u i s s a n c e s n o t a b l e s , o n a i n t é r ê t à c o m p e n - ser c e t t e r é a c t i o n d ' i n d u i t , selon l ' u n d e s d e u x p r o c é d é s s u i v a n t s : u n e d e s é l e c t r o d e s e s t r e p l i é e d a n s l ' e n t r e f e r s u i v a n t l a figure, ce q u i a p o u r i n c o n v é n i e n t d ' a u g m e n t e r l ' e n t r e f e r m a g n é t i q u e et de r é d u i r e le c h a m p i n d u c t e u r . O n p e u t e n - c o r e p r o f i l e r les p ô l e s e t le c o n d u i t e n a u g m e n - t a n t l ' e n t r e f e r à l ' e n t r é e d e la p o m p e ; l a c o m - p e n s a t i o n n ' e s t a l o r s t o t a l e q u e p o u r u n r é g i m e de f o n c t i o n n e m e n t d é t e r m i n é .
L e c h a m p m a g n é t i q u e i n d u c t e u r e s t g é n é r a l e - m e n t p r o d u i t p a r u n e n r o u l e m e n t m a g n é t i s a n t , s o i t à e x c i t a t i o n s é p a r é e (ce q u i p o s e d e s p r o - b l è m e s d ' i s o l e m e n t à h a u t e t e m p é r a t u r e ) , soit à e x c i t a t i o n s é r i e a u m o y e n de q u e l q u e s s p i r e s d e c u i v r e n o n i s o l é e s .
L ' i n t e n s i t é é l e c t r i q u e t r a v e r s a n t le m é t a l li- q u i d e e s t d e q u e l q u e s m i l l i e r s d ' a m p è r e s p o u r de p e t i t e s p o m p e s d o n t le d é b i t e s t de l'oi-dre de q u e l q u e s 1/s; elle e s t d e q u e l q u e s d i z a i n e s de m i l l i e r s d ' a m p è r e s p o u r d e s m a c h i n e s p l u s i m - p o r t a n t e s ; l a t e n s i o n d ' a l i m e n t a t i o n e s t g é n é r a - l e m e n t d e l ' o r d r e d e 1 à 2 v o l t s
Ces p o m p e s s o n t d o n c t r i b u t a i r e s d ' u n e s o u r c e d e c o u r a n t c o n t i n u à f o r t e i n t e n s i t é et faible t e n s i o n . C e t t e s o u r c e p e u t ê t r e c o n s t i t u é e p a r d e s r e d r e s s e u r s , s o l u t i o n c o û t e u s e , e n c o m b r a n t e e t p e u efficace ( r e n d e m e n t p r o p r e 30 à 40 % ) . O n p r é f è r e g é n é r a l e m e n t d e s g é n é r a t r i c e s h o m o - p o l a i r e s d o n t le r e n d e m e n t p e u t ê t r e élevé (80 % ) ; la difficulté p r i n c i p a l e e s t l a r é a l i s a t i o n
de b a l a i s c o l l e c t e u r s s u p p o r t a n t d e s i n t e n s i t é s d e q u e l q u e s d i z a i n e s de m i l l i e r s d ' a m p è r e s . U n j o i n t de m é t a l l i q u i d e ( e u t e c t i q u e N a K p a r e x e m - p l e ) p a r a î t d o n n e r de b o n s r é s u l t a t s . O n r é a l i s e a i n s i d e s g é n é r a t r i c e s h o m o p o l a i r e s p r o d u i s a n t de 20.000 à 100.000 a m p è r e s .
L e r e n d e m e n t g l o b a l d e t o u t le g r o u p e d e p o m - p a g e v a r i e de 15 % e n v i r o n p o u r d e p e t i t e s p o m - p e s , à 4 0 % p o u r d e s i n s t a l l a t i o n s i m p o r t a n t e s c o m p o r t a n t u n e g é n é r a t r i c e h o m o p o l a i r e . L e s a v a n t a g e s de ces p o m p e s à c o u r a n t c o n t i n u s o n t les s u i v a n t s : s i m p l i c i t é de c o n s t r u c t i o n d e la p o m p e p r o p r e m e n t d i t e , c a r a c t é r i s é e n o t a m m e n t p a r u n e i s o l a t i o n é l e c t r i q u e r u d i m e n t a i r e , p o s s i - bilité d ' u t i l i s a t i o n d a n s d e s c i r c u i t s t r è s r a d i o - a c t i f s et à h a u t e t e m p é r a t u r e (800 "C) a v e c r e - f r o i d i s s e m e n t de l a p o m p e a s s u r é s e u l e m e n t p a r r a y o n n e m e n t et c o n v e c t i o n n a t u r e l l e . C o m m e i n c o n v é n i e n t , o n n o t e r a l ' e n c o m b r e m e n t e t le c o û t d ' u n t e l g r o u p e d e p o m p a g e c o n s t i t u é de t r o i s m a c h i n e s d i s t i n c t e s .
C. — P o m p e s à c o n d u c t i o n à c o u r a n t a l t e r - n a t i f
R i e n n e s ' o p p o s e a u f o n c t i o n n e m e n t d e la p o m p e é l e c t r o m a g n é t i q u e d é c r i t e c i - d e s s u s en a l i m e n t a n t les é l e c t r o d e s e t l ' i n d u c t e u r e n c o u - r a n t a l t e r n a t i f . L'effort p r o d u i t e s t p r o p o r t i o n n e l à la v a l e u r m o y e n n e d u p r o d u i t d u c h a m p i n d u c -
t e u r e t d e l ' i n t e n s i t é é l e c t r i q u e t r a v e r s a n t le m é t a l l i q u i d e ; ces d e u x g r a n d e u r s d e v r o n t ê t r e a u t a n t q u e p o s s i b l e e n c o n c o r d a n c e d e p h a s e . D a n s ce b u t , l ' e n r o u l e m e n t i n d u c t e u r r e l i é en s é r i e a v e c les é l e c t r o d e s e s t a l i m e n t é s o u s f o r t e i n t e n s i t é a u m o y e n d ' u n t r a n s f o r m a t e u r . Ce d e r - n i e r p e u t ê t r e i n c o r p o r é à la p o m p e e l l e - m ê m e , cet e n s e m b l e é t a n t d i r e c t e m e n t a l i m e n t é p a r le r é s e a u .
P a r s u i t e d e c o u r a n t s d e F o u c a u l t e n g e n d r é s d a n s le m é t a l l i q u i d e p a r le c h a m p m a g n é t i q u e a l t e r n a t i f , a i n s i q u e d e s d i s t o r s i o n s d u c h a m p m a g n é t i q u e et d u c o u r a n t , le r e n d e m e n t d e ces m a c h i n e s e s t g é n é r a l e m e n t f a i b l e , d e 10 à 20 % . C e p e n d a n t , p a r s u i t e de s a s i m p l i c i t é d e c o n s - t r u c t i o n , d e s a facilité d ' u t i l i s a t i o n m ê m e à h a u t e t e m p é r a t u r e , ce t y p e d e p o m p e e s t f r é q u e m m e n t u t i l i s é d a n s d e p e t i t e s i n s t a l l a t i o n s d e l a b o r a - t o i r e . L e s c a r a c t é r i s t i q u e s les p l u s c o u r a m m e n t r é a l i s é e s c o r r e s p o n d e n t à u n d é b i t d e 2 à 3 1/s d e s o d i u m , d o n t la t e m p é r a t u r e p e u t a t t e i n d r e 500 °C s o u s u n e p r e s s i o n d e r e f o u l e m e n t de 2 k g / c m2 e n v i r o n .
D . — P o m p e s à i n d u c t i o n
1) G É N É R A L I T É S .
D e m ê m e q u e le m o t e u r é l e c t r i q u e c o r r e s p o n - d a n t , u n e p o m p e é l e c t r o m a g n é t i q u e à i n d u c t i o n
JANV.-FÉV. 1 9 5 7 - N " 1 C . II E R M A N T 9 5
u t i l i s e les f o r c e s m i s e s e n jeu p a r l ' a c t i o n d ' u n c h a m p m a g n é t i q u e a l t e r n a t i f m o b i l e , s u r u n c o n - d u c t e u r . O n s a i t , e n effet, q u e le d é p l a c e m e n t d ' u n c h a m p m a g n é t i q u e e n g e n d r e p a r i n d u c t i o n d e s c o u r a n t s é l e c t r i q u e s d a n s le c o n d u c t e u r ; la r é a c t i o n d e ces c o u r a n t s e t d u c h a m p d o n n e n t lieu à d e s f o r c e s é l e c t r o m a g n é t i q u e s t e n d a n t à e n t r a î n e r le c o n d u c t e u r d a n s le s e n s d u c h a m p ( 1 8 ) .
U n e p o m p e é l e c t r o m a g n é t i q u e a s y n c h r o n e p e u t a i n s i se s c h é m a t i s e r p a r la l i g u r e 7 . Cette f i g u r e n ' e s t a u t r e q u e le d é v e l o p p e m e n t s u r u n p l a n d ' u n m o t e u r a s y n c h r o n e d o n t l ' i n d u i t , a n a -
FIG. 7
P r i n c i p e d e f o n c t i o n n e m e n t , d e s p o m p e s é l e c t r o m a g n é t i q u e s à i n d u c t i o n .
FIG. H M o t e u r a s y n c h r o n e
t r i p h a s é à r o t o r m a s s i f .
logue à u n e c a g e d ' é c u r e u i l , s e r a i t , e n fait, c o n s - t i t u é d ' u n t u b e d ' é p a i s s e u r e, de l o n g u e u r l et d e l o n g u e u r c i r c o n f é r e n t i e l l e L = x l ) (fig. 8 ) . L ' i n d u c t e u r d u m o t e u r a s y n c h r o n e d é v e l o p p é e n - g e n d r e , a u lieu d u c h a m p t o u r n a n t h a b i t u e l , u n
c h a m p s i n u s o ï d a l B se d é p l a ç a n t à la. v i t e s s e V, le l o n g d e l ' a x e x'x. L ' i n d u i t d u m o t e u r e s t r e m - p l a c é p a r le l i q u i d e c o n d u c t e u r c o n t e n u d a n s l ' e n t r e f e r d ' é p a i s s e u r c, d e l a r g e u r l, d e l o n - g u e u r L . D a n s ce l i q u i d e p r e n d r o n t n a i s s a n c e d e s c o u r a n t s i3, i2 a n a l o g u e s à c e u x q u i t r a v e r - s e n t les b a r r e s d ' u n r o t o r en c a g e d ' é c u r e u i l , et p a r r é a c t i o n é l e c t r o m a g n é t i q u e , le c o n d u c t e u r li- q u i d e s e r a s o u m i s à u n effort q u i t e n d r a à le d é p l a c e r à u n e v i t e s s e V i n f é r i e u r e à la v i t e s s e Vg d u c h a m p g l i s s a n t . Un p a r a m è t r e e s s e n t i e l d e f o n c t i o n n e m e n t est le g l i s s e m e n t g égal à la différence r e l a t i v e (V„ - - V ) / Vs.
a) U n e p o m p e à i n d u c t i o n est c o u r a m m e n t r é a l i s é e s o u s u n e f o r m e c o r r e s p o n d a n t d i r e c t e - m e n t a u s c h é m a de p r i n c i p e ; il s ' a g i t de la pompe plate r e p r é s e n t é e s u r la l i g u r e !). Un c o n - d u i t m é t a l l i q u e a p l a t i e s t a l o r s p l a c é e n t r e d e u x a r m a t u r e s m a g n é t i s é e s p a r u n e n r o u l e m e n t élec- t r i q u e logé d a n s d e s e n c o c h e s et a l i m e n t é en
^—Circuit primaire inducteur
FIG. !)
P o m p e é l e c t r o m a g n é t i q u e « p l a t e ».
c o u r a n t t r i p h a s é . D e u x b a r r e s d ' u n m é t a l b o n c o n d u c t e u r s o n t b r a s é e s d e p a r t e t d ' a u t r e d u c o n d u i t p o u r r é d u i r e la r é s i s t a n c e o p p o s é e à la f e r m e t u r e d e s c o u r a n t s i n d u i t s (19).
Ce t y p e de p o m p e (fig. 10 e t 11) e s t a s s e z l a r -
I-ir,. 1 0
P o m p e é l e c t r o m a g n é t i q u e p i a t e K.D.
9 6 LA H O U I L L E B L A N C H E X " 1 - JANV.-FÉV. 1 9 5 7
g e i n e n t r é p a n d u et c o n v i e n t e n p a r t i c u l i e r si le r a p p o r t D é b i t / P r e s s i o n d o i t ê t r e r e l a t i v e m e n t é l e v é . U n e p o m p e d e ce t y p e , a i n s i q u e d u t y p e s u i v a n t , a é t é é t u d i é e s o u s la c o n d u i t e de M. REMENIERAS, Chef d u Service d e s E t u d e s H y -
FIG. 1 1
P o m p e é l e c t r o m a g n é t i q u e p l a t e E . D . F . f o n c t i o n n a n t a v e c d u m e r c u r e ( E x p o s i t i o n a n n u e l l e d e l a S o c i é t é F r a n - ç a i s e d e P h y s i q u e , a v r i l 1 9 5 6 ) .
d r a u l i q u e s p a r le D é p a r t e m e n t E s s a i s E x t é r i e u r s d u S e r v i c e d e s E s s a i s et L a b o r a t o i r e s H y d r a u l i - q u e s de l ' E l e c t r i c i t é d e F r a n c e . Cette p o m p e est a c t u e l l e m e n t e n c o u r s d ' e s s a i d e f o n c t i o n n e m e n t a v e c a l l i a g e s o d i u m - p o t a s s i u m , a u C o m m i s s a r i a t à l ' E n e r g i e A t o m i q u e .
b) U n e d e s t r a n s f o r m a t i o n s q u e l ' o n p e u t f a i r e s u b i r a u s c h é m a d e p r i n c i p e 7 c o n s i s t e à c o u r - b e r la l a r g e u r / d u c o n d u i t s u i v a n t u n e c i r c o n - f é r e n c e , r e f e r m é e s u r e l l e - m ê m e . O n o b t i e n t a i n s i la pompe annulaire,, c o n n u e s o u s le n o m d e p o m p e E i n s t e i n - S z i l a r d (20) (fig. 12 e t 1 3 ) . L e s d i m e n s i o n s c a r a c t é r i s t i q u e s de la v e i n e l i q u i d e
P r i m a i r e
FIG. 1 2
P o m p e é l e c t r o m a g n é t i q u e « a n n u l a i r e ».
s o n t : l o n g u e u r L, l a r g e u r l — TC D, é p a i s s e u r e;
l ' i n d u c t e u r e s t a l o r s c o n s t i t u é d ' u n e s é r i e d e ga- l e t t e s c i r c u l a i r e s a l i m e n t é e s e n c o u r a n t t r i p h a s é ; les c o u r a n t s i n d u i t s d é c r i v e n t é g a l e m e n t d e s s p i -
FIG. 1 3
P o m p e é l e c t r o m a g n é t i q u e a n n u l a i r e (figure e x t r a i t e d ' u n e c o m m u n i c a t i o n d e M. G. R e m e n i e r a s p u b l i é e e n 1 9 4 8 ) .
r e s c i r c u l a i r e s c e n t r é e s s u r l ' a x e et se r e f e r m e n t d o n c d i r e c t e m e n t s u r e u x - m ê m e s , s a n s r é s i s t a n - ces d e c o n t a c t s u p p l é m e n t a i r e s . U n e p o m p e d e ce t y p e a é g a l e m e n t é t é é t u d i é e (fig. 1 4 ) ; d e s difficultés d e r é a l i s a t i o n o n t r e t a r d é s o n d é v e - l o p p e m e n t et o n a e n c o r e r e l a t i v e m e n t , p e u d ' e x - p é r i e n c e c o n c e r n a n t s o n f o n c t i o n n e m e n t .
c) U n e a u t r e t r a n s f o r m a t i o n c o n s i s t e à c o u r - b e r l a l o n g u e u r L d u s c h é m a d e p r i n c i p e 7 d e m a n i è r e à l ' e n r o u l e r s u i v a n t u n e h é l i c e d e p a s é g a l à la l a r g e u r d u c o n d u i t /. D a n s c e t t e p o m p e
FIG. 1 4
P o m p e é l e c t r o m a g n é t i q u e a n n u l a i r e E . D . F .
JANV.-FÉV. 1 9 5 7 - N " 1- C. H E R M A N T 9 7
h é l i c o ï d a l e , o n r e t r o u v e a l o r s le s t a t o r d ' u n m o t e u r a s y n c h r o n e f i g u r é p a r les c o n d u c t e u r s 1, 2, 3, e t c . t r a v e r s é s p a r d e s c o u r a n t s p o l y p h a s é s (fig. 1 5 ) . P a r l'effet d u c h a m p t o u r n a n t , le li-
FIG. 1 5
P o m p e é l e c t r o m a g n é t i q u e « h é l i c o ï d a l e ».
q u i d e c o n d u c t e u r d é c r i t u n e h é l i c e d e l o n g u e u r t o t a l e L, e n t r a v e r s a n t u n e c o n d u i t e de s e c t i o n d r o i t e r e c t a n g u l a i r e de l a r g e u r ? et d ' é p a i s s e u r e;
u n e t e l l e d i s p o s i t i o n e s t u t i l i s é e p o u r a c c r o î t r e le r a p p o r t L / / s a n s t r o p a l l o n g e r le c i r c u i t i n - d u c t e u r ; elle p e r m e t a i n s i d ' o b t e n i r u n r a p p o r t P r e s s i o n / D é b i t i m p o r t a n t . L e s p e r t e s d u e s à la c o m p o s a n t e a x i a l e d u d é p l a c e m e n t d u m é t a l li- q u i d e n e p a r a i s s e n t p a s n é g l i g e a b l e s ; d e p l u s , la r é a l i s a t i o n d u c o n d u i t de c e t t e p o m p e p r é s e n t e c e r t a i n e s difficultés.
A l'actif de ces d i f f é r e n t s t y p e s de ] ) o m p e s à i n d u c t i o n , o n r e l è v e l ' a l i m e n t a t i o n d i r e c t e à p a r - t i r d e s s o u r c e s c o n v e n t i o n n e l l e s d ' é n e r g i e , les
Quadripole équivalent à un moteur asynchrone
Ouadripole é q u i v a l e n t à u n e p o m p e a s y n c h r o n e
I , R . X , X J , V„
R . Xi
X5t
X '2
IV a
L
I m l'-2
p r o b l è m e s c a r a c t é r i s t i q u e s de ce t y p e d e m a - c h i n e . A u - d e l à d e 4 0 0 ° , le d i m e n s i o n n e m e n t de la m a c h i n e d o i t en t e n i r c o m p t e , e t s ' é c a r t e r a i n s i d e l ' o p t i m u m .
2) C O N S I D É R A T I O N S THÉORIQUES.
L e f o n c t i o n n e m e n t é l e c t r i q u e d e la p o m p e à i n d u c t i o n p e u t ê t r e a n a l y s é de la m ê m e m a n i è r e q u e c e l u i d ' u n m o t e u r a s y n c h r o n e ; il e s t é g a l e - m e n t c o m m o d e d e r e p r é s e n t e r é l e c t r i q u e m e n t l a m a c h i n e p a r s o n s c h é m a é q u i v a l e n t (fig. 1 6 ) , q u i g r o u p e d e s i m p é d a n c e s c a l c u l a b l e s e n f o n c t i o n d u d i m e n s i o n n e m e n t g é o m é t r i q u e et é l e c t r i q u e d e l a p o m p e ( 2 1 ) .
P o u r u n t y p e de f a b r i c a t i o n d é t e r m i n é , le d i - m e n s i o n n e m e n t g é o m é t r i q u e de la p o m p e à i n d u c t i o n e s t en fait e s s e n t i e l l e m e n t défini p a r la l o n g u e u r d u d o u b l e p a s p o l a i r e Lr ( l o n g u e u r d ' o n d e ) , et l ' é p a i s s e u r d e la v e i n e l i q u i d e e ; q u a n t a u d i m e n s i o n n e m e n t é l e c t r i q u e , d e u x p a - r a m è t r e s c l a s s i q u e s s u f f i s e n t d a n s u n e c e r t a i n e m e s u r e : c h a r g e l i n é i q u e (A) et d e n s i t é d e cou- r a n t (<5) d a n s l ' i n d u c t e u r .
L a p o m p e à i n d u c t i o n p r é s e n t e n é a n m o i n s p a r r a p p o r t a u m o t e u r a s y n c h r o n e q u e l q u e s p a r t i - c u l a r i t é s q u i r e n d e n t s o n a n a l y s e b e a u c o u p p l u s c o m p l e x e .
T o u t d ' a b o r d , la t e c h n i q u e u s u e l l e d e s c o u - r a n t s filiformes n e p e u t ê t r e a p p l i q u é e a u c i r -
R é s i s t a n c e d u p r i m a i r e ,
H é a c t a n c e d e d i s p e r s i o n d u p r i m a i r e , R é a c l a n c e d e m a g n é t i s a t i o n ,
R é s i s t a n c e de p e r t e s d a n s l e 1er, R é a e t a n c e d e d i s p e r s i o n d u s e c o n - \
r a m e n é s a u p r i m a i r e claire
R é s i s t a n c e d u s e c o n d a i r e R é s i s t a n c e d e s p a r o i s I n t e n s i t é p r i m a i r e ,
I n t e n s i t é d u c o u r a n t m a g n é t i s a n t ,
I n t e n s i t é d a n s l e c i r c u i t s e c o n d a i r e r a m e n é e a n p r i m a i r e .
FIG. 1 6
Q u a d r i p o l e s é q u i v a l e n t s à u n m o t e u r et à u n e p o m p e a s y n c h r o n e .
c o u r a n t s d e f o r t e i n t e n s i t é n é c e s s a i r e s é t a n t a l o r s p r o d u i t s d i r e c t e m e n t p a r i n d u c t i o n d a n s le l i q u i d e . L e s c a r a c t é r i s t i q u e s d e s d i v e r s m o d è l e s r é a l i s é s s ' é c h e l o n n e n t d e q u e l q u e s , 1 / s à 200 1 / s s o u s d e s p r e s s i o n s de r e f o u l e m e n t a t t e i g n a n t 7 k g / c m2; le r e n d e m e n t a t t e i n t 40 % e n v i r o n p o u r les m a c h i n e s les p l u s i m p o r t a n t e s . L ' é c h a u f - f e m e n t d e s e n r o u l e m e n t s i n d u c t e u r s , n é c e s s a i - r e m e n t p l a c é s a u v o i s i n a g e i m m é d i a t d u m é t a l l i q u i d e p o r t é à h a u t e t e m p é r a t u r e , est u n d e s
c u i t s e c o n d a i r e m a s s i f ( m é t a l l i q u i d e ) , où la d i r e c t i o n d e s c o u r a n t s é l e c t r i q u e s n ' e s t p a s défi- nie, a priori. D e p l u s , l e c h a m p m a g n é t i q u e p r é - s e n t e , e n g é n é r a l , d e s d i s c o n t i n u i t é s à l ' e n t r é e et à la s o r t i e d e la p o m p e , q u i e n t r a î n e n t l ' a p p a - r i t i o n d ' h a r m o n i q u e s d a n s l ' é q u a t i o n du i l u x m a g n é t i q u e ; l e u r l i m i t a t i o n e s t e s s e n t i e l l e a u b o n f o n c t i o n n e m e n t de la m a c h i n e .
C o m p t e t e n u de ces f a c t e u r s , l ' é t u d e d u s c h é m a é q u i v a l e n t p e r m e t de c a l c u l e r , en f o n c -
9 8 L A H O U I L L E B L A N C H E N " 1 - JANV.-FÉV. 1 9 5 7
t i o n d u d i m e n s i o n n e m e n t , l e s c a r a c t é r i s t i q u e s é l e c t r i q u e s d e f o n c t i o n n e m e n t ( p r e s s i o n t h é o r i - q u e , d é b i t , r e n d e m e n t é l e c t r i q u e ) ; i l s ' a g i t e n - s u i t e d ' i n t r o d u i r e l e s p e r t e s d e c h a r g e h y d r a u - l i q u e d e la p o m p e , d o n t l ' i m p o r t a n c e e s t n o t a b l e
b a l , p u i s s a n c e s p é c i f i q u e ) e n f o n c t i o n d u g l i s s e - m e n t ( p a r a m è t r e d e f o n c t i o n n e m e n t ) e t p o u r u n c e r t a i n d i m e n s i o n n e m e n t é l e c t r i q u e (A, S) e t m é - c a n i q u e ( Lr, e ) . L e s f o r m u l e s o b t e n u e s , c o m m o - d e s d ' e m p l o i p o u r u n a v a n t - p r o j e t d e p o m p e ,
^ompe électromagnétique asynchrnnp
C o u r b e s d ' é g a l rendement é l e c t r i q u e
A=55O0 A.cm 6-6 A mm*
Fréquence 50 H Ï 4
1
A=55O0 A.cm 6-6 A mm*
Fréquence 50 H Ï
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- Hiroiï en *cier iiûk Ifl/8 (ImmlNI \ 400°C
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4 - 21 3 0 ( 0 0
1 l p | o n )
FIG. 17 C o u r b e s d ' é g a l r e n d e m e n t é l e c t r i q u e .
Rompe électromaqnétiaue asynchrone
Courbes d'éooic « r t e hydraulique
A = « 0 0 A on 6=4 A n»»2
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Fréqwice 50 Hï Perais cfi acier inn w^(INM)
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1
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NI j 400*C\ \ \ IL X
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....
2 0 4 1 81 1 e )
FIG. 18 C o u r b e s d ' é g a l e p e r t e h y d r a u l i q u e .
a u x v i t e s s e s élevées — q u e l q u e s m / s — q u e d o i t a t t e i n d r e le m é t a l l i q u i d e .
O n o b t i e n t a i n s i l e s c a r a c t é r i s t i q u e s finales d e la m a c h i n e ( p r e s s i o n n e t t e , d é b i t , r e n d e m e n t g l o -
s o n t p l u s g é n é r a l e s q u e celles u t i l i s é e s h a b i t u e l - l e m e n t p o u r le c a l c u l d e s m o t e u r s é l e c t r i q u e s . D a n s ce d e r n i e r c a s , e n effet, d i v e r s é l é m e n t s s o n t c o n n u s i n i t i a l e m e n t , d ' a p r è s l ' e x p é r i e n c e
JANV.-FÉV. 1 9 5 7 - N » 1 C . II E R M A N T 9 9
q u e l ' o n a d e c e s m a c h i n e s , le p r o j e t d ' u n n o u - v e a u m o t e u r c o n s i s t a n t le p l u s s o u v e n t à . i n t e r - p o l e r e n t r e les r é a l i s a t i o n s p r é c é d e n t e s .
D ' a p r è s l ' a p p l i c a t i o n n u m é r i q u e d e ces for- m u l e s à u n c a s p a r t i c u l i e r , u n e p o m p e é l e c t r o -
s o u s f o r m e d e p e r t e s p a r c o u r a n t s d e F o u c a u l t d a n s le m é t a l l i q u i d e et d a n s les p a r o i s m é t a l l i - q u e s d u c o n d u i t ; les p e r t e s d e c h a r g e h y d r a u - l i q u e s r e p r é s e n t e n t é g a l e m e n t u n e p a r t n o t a b l e de l ' é n e r g i e p e r d u e .
Fui. 19 C o u r b e s d ' é g a l r e n d e m e n t g l o b a l .
Lp£TM]
FIG. 20 C o u r b e s d ' é g a l e p u i s s a n c e s p é c i f i q u e .
m a g n é t i q u e p r é s e n t e r a i t , à d i m e n s i o n n e m e n t é q u i v a l e n t , d e s c a r a c t é r i s t i q u e s t r è s m é d i o c r e s p a r r a p p o r t à celles d ' u n m o t e u r a s y n c h r o n e de t y p e c o u r a n t : r e n d e m e n t r é d u i t a u c i n q u i è m e , p u i s s a n c e m a s s i q u e t r e i z e fois p l u s faible.
L ' é n e r g i e p e r d u e e s t p r i n c i p a l e m e n t d i s s i p é e
Ce c a l c u l , effectué d a n s le c a s p a r t i c u l i e r d u d i m e n s i o n n e m e n t d ' u n m o t e u r a s y n c h r o n e c l a s - s i q u e , e s t e n s u i t e g é n é r a l i s é , d e m a n i è r e à fixer le d i m e n s i o n n e m e n t o p t i m u m d e ces p o m p e s , q u i se p r é s e n t e e n fait c o m m e u n c o m p r o m i s e n t r e e x i g e n c e s c o n t r a d i c t o i r e s d ' o r d r e é l e c t r i q u e
