Ficha de revisão: Principes et dimensionnement des pompes hydrauliques

📋 Plan du Cours

1. Transmission des pressions dans les liquides et propriétés physiques
2. Écoulements et pertes de charge dans les conduites
3. Pompes : classification, fonctionnement et calculs de débit et rendement
4. Pompes à engrenages et pompes à piston radiaux : caractéristiques et utilisations
5. Hauteur géométrique, pression de charge et point de fonctionnement des pompes centrifuges
6. Critères de choix et couplage des pompes centrifuges
7. Moteurs hydrauliques : rendement et exemples
8. Vérins hydrauliques : fonctionnement et dimensionnement

📖 1. Transmission des pressions dans les liquides et propriétés physiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Les liquides : Une catégorie de fluides caractérisée par une compressibilité très faible, ce qui permet leur utilisation en hydraulique pour transmettre des pressions élevées.
• Pabsolue : La pression mesurée par rapport au vide absolu, incluant la pression atmosphérique et la pression exercée par le fluide.
• Caractéristiques : Les caractéristiques d’une pompe Sont :  Le débit Q (en l/mn) pour une vitesse de rotation N donnée.
• Loi de Pascal :  H : En m ISET- Gafsa DGM Mr: MESSAOUI.M Support de Cours (Conception 1) - 6 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) II.4 Loi de Pascal : Un liquide est incompressible donc lorsqu’on exerce une pression P en un point du circuit, celle-ci est transmise intégralement à l’autre bout du circuit.
• Remarque : Le point de fonctionnement doit être au voisinage et à droite du débit souhaité.

📝 Points essentiels

• La charge hydraulique représente l’énergie par unité de poids du fluide, combinant pression, hauteur et vitesse.
• Les propriétés physiques des liquides, notamment leur incompressibilité, sont essentielles pour le choix des matériaux des composants hydrauliques.
• 1. • 6 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) II.4 Loi de Pascal : Un liquide est incompressible donc lorsqu’on exerce une pression P en un point du circuit, celle-ci est transmise intégralement à l’autre bout du circuit. Colonne barométrique :2 2 1 1 S F S F P  S1 S21F2F III. Hydrodynamique : III.1. Définition : C’est l’étude des fluides en mouvement, on s’intéresse aux trois grandeurs suivantes :  La pression.  Le Débit.  La pression dynamique. III.2. Principe du déplacement d’un liquide : Les liquides étant pratiquement incompressibles, il suffit pour les déplacer, d’exercer sur eux une poussée, exemple : pompe à piston (Fig.2), le volume du liquide déplacé est égal au volume engendré par le déplacement du piston C'est-à-dire S.l, le débit volumique moyen de la pompe (qui est le volume déplacé par unité de temps) est donc :t lS Qv .  ou Qv= S.V si V est la vitesse moyenne d’écoulement. III.3. Ecoulement d’un liquide dans une conduite : Un liquide étant incompressible, en régime permanent les quantités du liquide qui s’écoulent à travers deux sections S1 et S2 (Fig.
• 1. • 13 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) Chapitre * 2 LECTURE ET CONCEPTION D’UN SCHEMA HYDRAULIQUE ET PNEUMATIQUE I – Architecture d’un circuit Hydraulique ou Pneumatique: 1. Généralités : Une transmission de puissance consiste à véhiculer de l'énergie d'une source primaire à un récepteur, en changeant éventuellement sa "forme" (électrique, mécanique, hydraulique...) et ses caractéristiques (couple, vitesse, intensité...). Dans les transmissions hydrostatiques, l'énergie primaire est mécanique (produite par un moteur électrique, thermique ...) et l'énergie fournie au récepteur est également mécanique. Cette énergie est transportée sous la forme (débit x pression), ce qui explique la grande facilité de contrôle et de régulation que l'on a dans ces transmissions (voir ci- dessous). Il va de soi que chaque transformation provoque une perte énergétique qui diminue le rendement global de la transmission de puissance. Remarque : Dans ou le fluide utilisé est de l’air comprimé, la pression est dite une pression pneumatique et la transformation de l’énergie mécanique en une énergie pneumatique est assurée dans ce cas la par un compresseur. 2. Les symboles de base : (Voir Symboles de bases suivant la norme ISO 1912 à la fin de ce chapitre). ISET- Gafsa DGM Mr: MESSAOUI.M Support de Cours (Conception

💡 À retenir

La charge hydraulique représente l’énergie par unité de poids du fluide, combinant pression, hauteur et vitesse.

📖 2. Écoulements et pertes de charge dans les conduites

🔑 Notions clés & Définitions

• Utilisation : Ce sont les pompes les plus utilisées dans le domaine industriel à cause de la large gamme d'utilisation qu'elles peuvent couvrir, de leur simplicité et de leur faible coût.
• Pertes de charge linéaires : Dans une conduite de section constante, cette perte de charge est :  Proportionnelle à la longueur L de la conduite.

📝 Points essentiels

• La perte de charge singulière est calculée par la formule Js = k * (ρ * V²) / 2, où k est un coefficient dépendant de l'obstacle.
• 1. • 51 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) Fig.3 : Caractéristiques d’une pompe. 1. La hauteur géométrique La hauteur géométrique HG est la somme verticale de la hauteur de refoulement Hr et la hauteur d’aspiration Ha. HG = Hr + Ha 2. La pression utile : (pu) Elle dépend du type d’utilisation au point de puisage. On définit alors la hauteur utile Hu exprimée en mètre colonne d’eau [mCE] avec : g p H u u   .  pu : pression utile exprimée en Pa. 3. La pression de charge : (pc) Lorsqu’une réserve de fluide fournit une pression de charge, elle correspond tout simplement à la hauteur du niveau de ce fluide dans le réservoir source et le point d’aspiration.g p H c c   4. Expression de la hauteur manométrique totale : Hmt La pompe doit vaincre dans le circuit :  La variation de hauteur HG.  La pression utile pu au point de puisage.  Les pertes de charge dans la tuyauterie ΔH. NB : Les deux premiers facteurs sont généralement constants. On définit la Hauteur manométrique totale Hmt par : ISET- Gafsa DGM Mr: MESSAOUI.M Support de Cours (Conception
• 1. • 53 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) Les lois de similitude permettent de déterminer QvN' , HmtN' et PN' par :N N QQ vNvN ' ' .2 ' '        N N HH mtNtNm .3 ' '        N N PP NN . On peut ainsi reconstruire point par point les caractéristiques pour la vitesse de rotation N’en prenant des points différents des caractéristiques établies pour la vitesse N. 5. Point de fonctionnement d’une pompe centrifuge : 5.1Equation caractéristique d’un circuit de transport de liquide : Pour un circuit donné, la hauteur manométrique est : Hmt = Hg +∆H Avec : ΔH : la somme des pertes de charge linéaires et singulières dans le circuit (Aspiration et refoulement) : Donc: Hmt =HG +AQ2 Où : A est une constante pour un circuit donné (caractéristique d’un circuit). Le point de fonctionnement est l’intersection de la courbe caractéristique du circuit Hmt =HG +AQ2 avec la courbe caractéristique de la pompe Hmt = f (

💡 À retenir

Maîtriser les pertes de charge locales et linéaires permet d'optimiser la conception des réseaux hydrauliques pour limiter les pertes d'énergie.

📖 3. Pompes : classification, fonctionnement et calculs de débit et rendement

🔑 Notions clés & Définitions

• Cylindrée : Pour une pompe à n palettes disposées régulièrement, c’est-à-dire décalées d'un angle de       n 2 .        n RenbCyl sin.....4 1 avec :  b : longueur des palettes en centimètre.
• Le rendement : Rapport entre la puissance utile fournie par la pompe et la puissance consommée, prenant en compte les pertes hydrauliques (fuites internes) et mécaniques (frottements).
• Débit théorique : NCQ ylth .  Qth : Débit théorique en l/mn.
• Pompes volumétriques : Le débit est obtenu par réduction mécanique de volume (pompe à piston par exemple).

📝 Points essentiels

• Les pompes volumétriques réduisent mécaniquement le volume pour déplacer le fluide, avec un débit généralement pulsatoire.
• Le couple d'entraînement est proportionnel à la cylindrée et à la différence de pression entre aspiration et refoulement.
• 1. • 21 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) 3. Exemples de montage : Limitation du couple moteur Limitation de la charge exercée par le vérin II. Les réducteurs de pression : 1. Fonction principale : Assurer sur une ligne A une pression inférieure à la pression d'alimentation en P, et constante (il va de soi que PP doit être supérieure à PA pour que l'appareil serve à quelque chose). Le terme détendeur est également utilisé pour cet appareil (terme malheureusement employé à désigner d'autres appareils n'ayant pas les mêmes caractéristiques, en froid et climatisation par exemple). L’appareil est installé en ligne. De par sa conception, cet appareil provoque une perte de charge pour que PA reste constante (voir courbe de réponse ci-après). La différence de puissance entre l'entrée P et la sortie A est dégradée en chaleur, cette puissance "perdue" vaut:vcal QpP . Avec : Ap PPp  : Différence de pression entre P et A.  Qv : Débit traversant l’appareil. Cet appareil ne doit donc pas être utilisé pour faire passer des débits importants. ISET- Gafsa DGM Mr: MESSAOUI.M Support de Cours (Conception

💡 À retenir

Savoir calculer les débits et rendements des pompes volumétriques est crucial pour leur sélection et leur utilisation efficace.

📖 4. Pompes à engrenages et pompes à piston radiaux : caractéristiques et utilisations

🔑 Notions clés & Définitions

• Utilisation : Ce sont les pompes les plus utilisées dans le domaine industriel à cause de la large gamme d'utilisation qu'elles peuvent couvrir, de leur simplicité et de leur faible coût.
• Pompe à pistons radiaux : Système bielle manivelle ISET- Gafsa DGM Mr: MESSAOUI.M Support de Cours (Conception 1) - 48 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) Schéma de principe d’une pompe à pistons radiaux par excentrique 3.

📝 Points essentiels

• Les pompes à engrenages sont des pompes volumétriques à cylindrée constante, adaptées aux fluides propres et peu visqueux.
• Les pompes à pistons radiaux utilisent un excentrique pour déplacer les pistons radialement, offrant une haute pression et une bonne étanchéité.
• La cylindrée des pompes à pistons axiaux est variable en fonction de l'angle d'inclinaison du plateau rotatif, permettant un réglage du débit.
• 1. • 36 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) Chapitre * 5 LES POMPES VOLUMETRIQUES I. Introduction La fonction d’une pompe st en général de créer un vide partiel à l’aspiration ce qui permet à la pression atmosphérique régnant dans le réservoir d’obliger le liquide à remonter la canalisation jusqu’à la pompe. Et assurer le transport du liquide jusqu’à l’orifice de refoulement. II. Caractéristiques : Les caractéristiques d’une pompe Sont :  Le débit Q (en l/mn) pour une vitesse de rotation N donnée.  La pression maximale admissible au refoulement (en bar).  La cylindrée Cyl (en cm3). La cylindrée représente la quantité théorique du liquide que la pompe peut débiter durant un cycle de fonctionnement (Donc c’est un volume fixé par la construction de la pompe). Une pompe produit un débit, la résistance à l’écoulement que rencontre le débit crée la pression. La pression établit dans un circuit, influe sur le débit de la pompe. Lorsque la pression augmente, le débit diminue. Cette baisse de débit est du à une augmentation des fuites internes dans la pompe entre ses orifices d’aspiration et de refoulement, ces fuites nommées « Pertes » permettent de définir le rendement volumétrique ηv de la pompe.cylindrée ieparcyclequidefournVolumeduli v   1. Pression fournie par une pompe : La pression de fonctionnement d’une pompe est la somme des pressions correspondant à la perte de charge dans la conduite et à la différence des niveaux.  Lorsque la pompe est placée en dessous du niveau du réservoir d’aspiration, on dit qu’elle est en « charge ». ISET- Gafsa DGM Mr: MESSAOUI.M Support de Cours (Conception
• 1. • 45 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) 2. Pompes à palettes à cylindrée variable : Il existe des pompes à palettes à cylindrée variable, la variation de cylindrée s'obtient en faisant varier l'excentration entre le rotor et le corps (stator). On peut utiliser la résultante des actions de pression sur le stator pour faire varier cette excentration, la cylindrée est alors fonction de cette pression, on dit que la pompe est autorégulée. Les pompes autorégulées permettent de maintenir la pression maximale dans le circuit tout en ayant un débit nul. A partir d'une certaine pression, la cylindrée de la pompe se met à diminuer progressivement vers le débit nul, la pompe ne fournit alors plus de puissance (et donc n'en consomme plus). La régulation la plus courante a l'aspect de la courbe ci - dessous (les pressions d'autorégulation et maximale sont réglables). On trouve des pompes autorégulées à pistons et à palettes. Le débit avant régulation n'est pas tout à fait constant, car le rendement volumétrique diminue lorsque la pression de sortie augmente. ISET- Gafsa DGM Mr: MESSAOUI.M Support de Cours (Conception

💡 À retenir

Connaître les spécificités des pompes à engrenages et à pistons radiaux permet d'adapter le choix de la pompe aux exigences de pression et débit.

📖 5. Hauteur géométrique, pression de charge et point de fonctionnement des pompes centrifuges

🔑 Notions clés & Définitions

• Réglage du débit : Le réglage du débit est important pour des besoins dus au procédé mais aussi pour se placer dans des plages de fonctionnement où le rendement est meilleur.
• Vanne de réglage : Située sur la canalisation de refoulement de la pompe pour éviter le risque de cavitation: suivant son degré d'ouverture, la perte de charge du réseau va augmenter ou diminuer ce qui va entraîner la variation du point de fonctionnement 3.
• Hauteur géométrique : La hauteur géométrique La hauteur géométrique HG est la somme verticale de la hauteur de refoulement Hr et la hauteur d’aspiration Ha.

📝 Points essentiels

• La hauteur manométrique totale combine la hauteur géométrique, la pression utile au point de puisage, et les pertes de charge dans la tuyauterie.
• Le point de fonctionnement d'une pompe centrifuge est déterminé par l'intersection de la courbe caractéristique de la pompe et de la courbe de charge du circuit.
• 1. • 53 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) Les lois de similitude permettent de déterminer QvN' , HmtN' et PN' par :N N QQ vNvN ' ' .2 ' '        N N HH mtNtNm .3 ' '        N N PP NN . On peut ainsi reconstruire point par point les caractéristiques pour la vitesse de rotation N’en prenant des points différents des caractéristiques établies pour la vitesse N. 5. Point de fonctionnement d’une pompe centrifuge : 5.1Equation caractéristique d’un circuit de transport de liquide : Pour un circuit donné, la hauteur manométrique est : Hmt = Hg +∆H Avec : ΔH : la somme des pertes de charge linéaires et singulières dans le circuit (Aspiration et refoulement) : Donc: Hmt =HG +AQ2 Où : A est une constante pour un circuit donné (caractéristique d’un circuit). Le point de fonctionnement est l’intersection de la courbe caractéristique du circuit Hmt =HG +AQ2 avec la courbe caractéristique de la pompe Hmt = f (

💡 À retenir

Comprendre les notions de hauteur et point de fonctionnement est essentiel pour assurer le bon dimensionnement et fonctionnement des pompes centrifuges.

📖 6. Critères de choix et couplage des pompes centrifuges

🔑 Notions clés & Définitions

📝 Points essentiels

• Les lois de similitude permettent d'adapter les performances d'une pompe centrifuge à différentes vitesses de rotation en recalculant le débit, la hauteur manométrique totale et la puissance absorbée.
• Le réglage du débit est important pour optimiser le rendement maximal de la pompe en se plaçant dans des plages de fonctionnement adaptées.
• Le couplage en parallèle de pompes centrifuges augmente le débit total tandis que le couplage en série augmente la hauteur manométrique totale.
• 1. • 53 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) Les lois de similitude permettent de déterminer QvN' , HmtN' et PN' par :N N QQ vNvN ' ' .2 ' '        N N HH mtNtNm .3 ' '        N N PP NN . On peut ainsi reconstruire point par point les caractéristiques pour la vitesse de rotation N’en prenant des points différents des caractéristiques établies pour la vitesse N. 5. Point de fonctionnement d’une pompe centrifuge : 5.1Equation caractéristique d’un circuit de transport de liquide : Pour un circuit donné, la hauteur manométrique est : Hmt = Hg +∆H Avec : ΔH : la somme des pertes de charge linéaires et singulières dans le circuit (Aspiration et refoulement) : Donc: Hmt =HG +AQ2 Où : A est une constante pour un circuit donné (caractéristique d’un circuit). Le point de fonctionnement est l’intersection de la courbe caractéristique du circuit Hmt =HG +AQ2 avec la courbe caractéristique de la pompe Hmt = f (

💡 À retenir

Les lois de similitude permettent d'adapter les performances d'une pompe centrifuge à différentes vitesses de rotation en recalculant le débit, la hauteur manométrique totale et la puissance absorbée.

📖 7. Moteurs hydrauliques : rendement et exemples

🔑 Notions clés & Définitions

• La cavitation : Phénomène de formation de bulles de vapeur dans le fluide hydraulique, provoqué par une pression locale insuffisante, pouvant endommager le moteur ou le vérin.
• Moteur hydraulique : Montage direct sur moteur hydraulique ou vérin.
• Le rendement : Les pertes sont au niveau hydraulique (fuites internes) et aussi au niveau mécanique (les frottements).

📝 Points essentiels

• Le moteur hydraulique convertit l'énergie hydraulique en énergie mécanique de rotation.
• Le rendement volumétrique mesure les pertes dues aux fuites internes du moteur.
• Le rendement mécanique prend en compte les pertes par frottement et autres pertes mécaniques.
• Le rendement global du moteur est le produit des rendements volumétrique et mécanique.
• 1. • 13 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) Chapitre * 2 LECTURE ET CONCEPTION D’UN SCHEMA HYDRAULIQUE ET PNEUMATIQUE I – Architecture d’un circuit Hydraulique ou Pneumatique: 1. Généralités : Une transmission de puissance consiste à véhiculer de l'énergie d'une source primaire à un récepteur, en changeant éventuellement sa "forme" (électrique, mécanique, hydraulique...) et ses caractéristiques (couple, vitesse, intensité...). Dans les transmissions hydrostatiques, l'énergie primaire est mécanique (produite par un moteur électrique, thermique ...) et l'énergie fournie au récepteur est également mécanique. Cette énergie est transportée sous la forme (débit x pression), ce qui explique la grande facilité de contrôle et de régulation que l'on a dans ces transmissions (voir ci- dessous). Il va de soi que chaque transformation provoque une perte énergétique qui diminue le rendement global de la transmission de puissance. Remarque : Dans ou le fluide utilisé est de l’air comprimé, la pression est dite une pression pneumatique et la transformation de l’énergie mécanique en une énergie pneumatique est assurée dans ce cas la par un compresseur. 2. Les symboles de base : (Voir Symboles de bases suivant la norme ISO 1912 à la fin de ce chapitre). ISET- Gafsa DGM Mr: MESSAOUI.M Support de Cours (Conception
• 1. • 15 Systèmes hydrauliques et P LA-GM (CFM4) III - Pertes dans les circuits hydrauliques hydrostatiques : Les pertes énergétiques (affectant le rendement) ont plusieurs causes. Ces pertes doivent bien sûr être limitées si le but de l'installation est la transmission de puissance. En revanche, si le but est le mouvement de charges importantes, alors le seul côté préoccupant sera la production de chaleur dans le circuit. Les différentes causes sont énoncées ci-après avec un ordre de grandeur de la perte énergétique en %.  Pertes mécaniques: Il s'agit des frottements entre les différentes pièces (1 à 2 %).  Pertes hydrodynamiques : (pertes de charge) : Dues aux écoulements dans les différents organes et conduites (1 à 5 %).  Pertes par compressibilité: Dues à la compressibilité de l'huile, affectent essentiellement les pompes et moteurs. (2,5 à 10 %). La compressibilité du fluide provient des caractéristiques intrinsèques de l'huile et des gaz dissous (ou en émulsion).  Pertes de gavage: Dans un circuit fermé, la pompe de gavage consomme bien sûr de l'énergie (1 à 2,5 %).  Pertes volumétriques: Dues aux fuites internes, affectent le rendement volumétrique (2 à 10%). La valeur de ces pertes dépend bien sûr de la qualité du matériel et de son domaine d'application. Ces pertes dépendent également de la viscosité de l'huile employée et de l'âge du matériel. IV- Types de circuits 1. Circuit ouvert : Le fluide hydraulique circule en repassant systématiquement par la bâche, à pression atmosphérique. ISET- Gafsa DGM Mr: MESSAOUI.M Support de Cours (Conception

💡 À retenir

Analyser les rendements des moteurs hydrauliques est clé pour optimiser leur performance et leur intégration dans les systèmes.

📖 8. Vérins hydrauliques : fonctionnement et dimensionnement

🔑 Notions clés & Définitions

• Vérin hydraulique : Application : On veut réaliser la montée et la descente d’une charge sur un plateau élévateur par l’intermédiaire d’un vérin hydraulique (fig.

📝 Points essentiels

• Le vérin hydraulique transforme la pression du fluide en force mécanique linéaire.
• La longueur de flambage est la longueur maximale de la tige avant déformation, dépendant du diamètre, de la longueur et du mode de fixation.
• Le facteur k dépend du type de fixation mécanique et influence la longueur de flambage.
• Le dimensionnement du vérin inclut le calcul du diamètre de la tige et du cylindre en fonction de la charge, de la pression disponible et des pertes de charge.
• Le rendement du vérin est pris en compte dans le calcul des dimensions nécessaires pour assurer la performance.

💡 À retenir

Maîtriser le dimensionnement des vérins hydrauliques garantit leur fiabilité et sécurité dans les applications mécaniques.

📊 Tableaux de Synthèse

Comparaison des pompes volumétriques

Critères de choix et couplage des pompes centrifuges

⚠️ Pièges & Confusions Fréquentes

1. Confusion entre hauteur géométrique et hauteur manométrique.
2. Mélanger la pression utile et la pression de charge.
3. Sous-estimer l'impact des pertes de charge singulières.
4. Confondre le point de fonctionnement avec la courbe caractéristique.
5. Ignorer la compressibilité du fluide lors du dimensionnement.
6. Ne pas vérifier la compatibilité des matériaux avec le fluide.
7. Oublier de considérer le rendement dans le choix de la pompe.

✅ Checklist Examen

1. Vérifier la compatibilité du fluide avec le matériau de la pompe.
2. Calculer la hauteur géométrique et la hauteur utile.
3. Analyser la courbe de performance de la pompe.
4. Vérifier le point de fonctionnement optimal.
5. Considérer les pertes de charge dans le circuit.
6. Choisir la pompe en fonction du débit et de la hauteur nécessaires.
7. Vérifier la puissance absorbée par la pompe.
8. Assurer la compatibilité du moteur avec la pompe.
9. Vérifier le rendement du moteur hydraulique.
10. Dimensionner correctement le vérin en fonction de la charge.
11. Calculer le diamètre de la tige et du cylindre.
12. Prendre en compte le rendement du vérin dans le dimensionnement.