La CCM Sulzer a décidé en 1981 de construire un nouveau stand d’essais de pompes, afin de pouvoir tester des machines de tout type s’étageant de la pompe à basse pression et à très grand débit, aux pompes à haute pression de puissance unitaire atteignant 10 MW.
De conception originale, ce banc permet de tester les matériels dans des conditions de fonctionnement très proches de celles existant sur le site, et ce pour répondre aux demandes de plus en plus exigeantes des utilisateurs.
Il est considéré comme l’un des plus importants d’Europe, et, depuis sa mise en service à Mantes (78), il est utilisé en permanence, tant pour le développement de nouveaux produits que pour les essais de réception des pompes produites par l'usine.
Quelques exemples permettent de situer sa capacité dans deux secteurs :
— celui de l’énergie (centrales électriques) : groupes alimentaires des centrales nucléaires françaises de 1 300 MW (débit 5 200 m³/h, HMT 920 m, puissance 15 MW) essayés à vitesse légèrement réduite ;
— celui du transport d'eau : pompes, de puissance unitaire 10 MW, alimentant en eau les villes de Ryad et de Quassim.
Conceptionet agencement général
On a cherché à séparer les zones selon leur fonction, d'une part, afin de faciliter les essais, et, d'autre part, de façon à pouvoir installer des unités de poids élevé sans trop de problèmes de vibrations ou autres. La solution, généralement adoptée, d'une fosse unique couvrant la majeure partie de la surface, où la mise en place des matériels à essayer et des moteurs d’entraînement nécessite une structure métallique de soutien, a donc été écartée au profit des dispositions qui apparaissent sur les figures 1 et 2.
La fosse principale (zone 1), d'une capacité de 1 200 m³, sert de réserve d'eau pour les essais en circuit ouvert, comme c'est le cas en général. Du fait de sa grande profondeur, les essais des grandes pompes verticales peuvent y être effectués directement.
Lors de l'exécution du bétonnage, des glissières ont été installées, permettant de régler en hauteur des grandes poutres métalliques capables de supporter un poids unitaire de 100 t. D'autres poutres peuvent être posées sur le haut des murs de la fosse pour supporter la structure sur laquelle est posé le moteur. Contrairement à la solution généralement adoptée de placer en parallèle, avec un collecteur commun, les tuyauteries de mesure, celles-ci ont été totalement séparées.
La fosse principale est équipée d’une tuyauterie de mesure intégrée, installée dans une galerie, à l'extérieur du bâtiment. Le réglage et le retour sont effectués par un dissipateur d’énergie installé à poste fixe.
Il est prévu de pouvoir mettre dans le milieu de la fosse principale un batardeau pour répondre à deux objectifs :
- — maintenir une réserve d'eau pour des essais à réaliser dans d'autres zones, tout en permettant d’effectuer des travaux dans la partie asséchée,
- — essayer de grandes pompes en puisard sec, leur aspiration se raccordant alors à une ouverture pratiquée dans le batardeau.
La partie centrale de la grande fosse est munie de trois poutres en béton armé, sur lesquelles sont scellées des glissières afin de permettre l’installation de machines auxiliaires (pompes nourricières).
La zone II du stand comporte deux fosses sèches, mais qui peuvent éventuellement être remplies d'eau au moyen d'une communication avec la fosse principale. La première reçoit le groupe d'huile et la seconde est destinée en particulier aux essais des pompes verticales d’extraction de condenseur. Cette fosse sèche permet aussi plus de commodité pour le montage des pompes horizontales dont une ou plusieurs tubulures sont dirigées verticalement vers le bas. Ces fosses, d'une profondeur de 5,5 m, sont équipées d’un plancher permanent supportant 5 t/m² au niveau zéro, et il est prévu des possibilités d’installation de supports de poutres au niveau —3 m.
La zone III du stand comporte un solide massif en béton de 13 x 15 m muni de glissières d'ancrage et supporté par des pieux de 12 m de profondeur, ce qui permet de disposer d’une assise aussi bonne que possible pour obtenir un fonctionnement sans vibration des machines de forte puissance et de grande vitesse. Cette zone est prévue pour installer la plupart des pompes horizontales et leur système d’entraînement. Proche de la fosse sèche, ce dispositif permet d’installer le moteur et le multiplicateur dans de bonnes conditions de stabilité, même dans le cas où la pompe est installée sur la fosse sèche.
Ces zones II et III (fosses sèches et massif) sont desservies par une boucle de mesure de débit de 1 m de diamètre, qui est équipée de plusieurs bouches d'entrée et d’un retour à la fosse principale.
On peut considérer maintenant que toutes les pompes importantes, dans leurs conditions d’essais sur stand, nécessitent l’alimentation par pompes nourricières. Dans ces conditions, il n’est pas nécessaire de placer la fosse à eau sous le stand, d’où la séparation des fonctions des différentes zones. Par ailleurs, de simples rigoles suffisent à assurer l'évacuation de l’eau des systèmes auxiliaires.
Mesures de débit
Le but à atteindre, qui était de mesurer de façon précise des débits jusqu’à 15 m³/s, était très nouveau. Bien entendu, il fallait pouvoir essayer des pompes de faible hauteur manométrique, ce qui impliquait de faibles pertes de charge dans la boucle.
L'étude a été entreprise en utilisant des organes déprimogènes qui présentent l'avantage de faire l'objet de normes précises.
De grosses difficultés, dues à divers facteurs, ont dû être surmontées dans la conception de la boucle :
- — pertes de charge trop élevées,
- — longueurs droites trop onéreuses exigées par la norme,
- — difficultés rencontrées pour éviter les phénomènes de cavitation au niveau du diaphragme,
- — norme non valable au-dessus de 1 m.
On a finalement opté pour l’emploi d'un débitmètre électromagnétique, lequel ne présente presque aucun des inconvénients précités. Cette méthode fait maintenant l'objet d'un projet de norme ISO, qui permettra d’utiliser des longueurs droites assez réduites (soit 5D en amont et 3D en aval) qui sont facilement réalisables.
La boucle, d'un diamètre nominal de 1,5 m, comporte des coudes à ailettes avec dispositif de réglage de débit intégré à la boucle. Ce dernier a été conçu et établi par la société Astroe et supporte une pression maximale de 13 bars.
Le débitmètre électromagnétique, élaboré par la société Altometer, a pu être étalonné par des procédés volumétriques jusqu’à 8 m³/s (et au-delà) par des procédés électroniques (figure 3). L'étalonnage a été effectué sous la responsabilité du service des poids et mesures hollan
dais et du TUV ; les écarts relevés ont toujours été inférieurs à 0,4 %.
Les inconvénients précités ne se posent pas pour les débits intermédiaires du fait que les essais prévus concernent des pompes de hauteur manométrique moyenne. De ce fait, la tuyauterie de mesure a pu être installée en hauteur, dans l'espace mort compris entre les poteaux et la zone desservie par les ponts roulants, ce qui a permis de faire l'économie des travaux de génie civil qu'aurait entraînés une installation en galerie souterraine.
Par ailleurs, les longueurs droites exigées par la norme (soit 36 Dia en amont et 7 Dia en aval) avec une singularité constituée par deux coudes à 90° coplanaires, ont pu être respectées. Cela aurait été pratiquement impossible avec plusieurs tuyauteries de mesure en parallèle et un collecteur de distribution.
Les caractéristiques de la tuyauterie (1 m de diamètre) assortie de diaphragmes interchangeables de coefficient d’ouverture 0,7 et 0,45 (pour couvrir un domaine de débit de 0,5 à 3 m³/s) correspondent à la limite supérieure de la norme. La perte de charge ressort à environ 20 m pour 3 m³/s, compte tenu de la contrepression créée par une vanne-papillon installée afin de permettre la purge du circuit et des manomètres de mesure et d’éviter la cavitation au niveau du diaphragme de mesure.
Cette tuyauterie, qui peut supporter une pression de 16 bars, possède une prise de dérivation permettant d’effectuer des essais de pompes en circuit fermé, sans qu'il ait été nécessaire d'y intégrer un dissipateur d’énergie. Pour les petits débits, une tuyauterie amovible de 300 mm équipée d'un diaphragme 210 et d'une tuyère ISA 32 de 222 peut être utilisée.
Autres mesures
Pour réaliser les essais de pression, on continue à utiliser les manomètres à poids, dont la précision est très bonne. Trois modèles correspondent aux différentes gammes avec trois sections de piston, soit 0,5, 1 et 2 cm². Les faibles pressions, les dépressions et les pressions différentielles sont mesurées avec des manomètres à colonne de mercure ou de tétrabromure d’acétylène.
Les mesures électriques ont fait l'objet d'un soin particulier pour respecter à tous les niveaux la classe 0,2. En particulier, les transformateurs d'intensité utilisés pour les mesures sont indépendants de ceux qui servent aux protections. Pour la mesure finale, des wattmètres à aiguille de classe 0,2 sont utilisés.
Équipement électrique
Cet équipement permet de disposer de 12 MW en service continu en moyenne tension et de 20 MVA en pointe, ce qui permet de faire démarrer des moteurs en court-circuit jusqu’à 5 MW.
La basse tension (380 V) est fournie par un transformateur 20 kV/380 V de 1 000 kVA et trois cellules de 630 A chacune. La moyenne tension (réglable de 5 500 V à 6 600 V) est fournie par un transformateur 20 kV de 12 500 kVA.
On dispose en outre de deux cellules de 2 MW, d'une cellule de 4 MW et d'une cellule avec autotransformateur de démarrage de 5 MW. Les cellules de 2 MW sont prévues pour alimenter un gros auxiliaire (par exemple une pompe nourricière), simultanément avec un essai sur une pompe principale. Les cellules basse tension permettent la marche simultanée de trois pompes nourricières de 250 à 315 kW.
Un moteur de 4 kW à démarrage par rhéostat rotorique a été installé dès l’origine ; son rhéostat, largement dimensionné, permet un glissement important, afin d’ajuster les caractéristiques d’essais lorsque les valeurs réelles de puissance des machines sont supérieures à la puissance disponible. Il est associé jusqu’à 6 000 t/min à un multiplicateur à 5 rapports qui peut également être utilisé en réducteur, mais avec une puissance réduite pour les faibles vitesses. L'ensemble peut entraîner un alternateur 60 Hz/4 160 kVA disponible à l’usine Sulzer Winterthur et qui peut être facilement amené à Mantes.
Un moteur de 10 MW équipé du même système de variation de vitesse a complété par la suite ce dispositif.
Dissipateurs d’énergie
Indépendamment du dissipateur d'énergie intégré à la boucle de 1 500 mm de diamètre, trois systèmes couvrent les besoins jusqu’à des pressions de 400 bars et des débits de 3 m³/s. Leurs zones de fonctionnement sont représentées sur la figure 4. La zone I est couverte par une vanne de conception Sulzer, dont les dimensions ont été adaptées aux besoins. Les systèmes des zones II et III ont été fournis par la société Von Roll. Un assortiment de vannes classiques permet de couvrir des cas de fonctionnement moins poussés.
Conclusion
En service depuis maintenant plus de huit ans, le banc d’essais est utilisé principalement pour tester les pompes de fabrication Sulzer, mais aussi pour procéder à des essais privés. Ses configurations ont été utilisées avec les machines les plus diverses et son exploitation s’est toujours révélée conforme aux hypothèses de conception, notamment dans le respect des normes de mesures européennes et internationales.
