Les dommages causés à l'ouïe humaine par les bruits divers ne cessent de s'étendre, et le corps médical, au nom de la protection de l'environnement et dans ses efforts soutenus pour améliorer les conditions de travail, incite de plus en plus à la lutte contre toutes les sources de bruits.
Grâce à la mise au point de nouveaux matériaux au cours des dernières décennies et aux progrès techniques sur le plan général, il a été possible d’augmenter considérablement la concentration de puissance, mais en même temps surgissaient de nouveaux problèmes, tels que la réduction du bruit dans les pompes centrifuges de hautes performances et à grande vitesse de rotation.
Moteur électrique
Conduite
Vitesse de rotation
Couple de rotation
Conduite de refoulement
1. Amplificateur préliminaire accélération
2. Amplificateur de charge
3. Enregistreur rapide
4. Enregistreur à ruban magnétique
Analyseur du temps réel à bande étroite
Sélecteur automatique de canal
Analyseur de temps réel à tierce-bande
[Photo : 1. Dispositif d'essais pour recherches sur le bruit dans les pompes centrifuges.]
[Photo : 3. Ensemble des instruments de mesure, avec circuit d'eau, à l'extérieur de la chambre de mesure.]
Les mesures secondaires pour la diminution du bruit, connues depuis bien des années et appliquées à maintes occasions, telles que, par exemple, le revêtement en matière absorbante enrobant les machines, ne sont guère ou que difficilement utilisables dans des installations présentant des risques d'explosion, ou tout au moins dans celles conduisant à des difficultés de réalisation.
C'est pour cette raison que SULZER s'est efforcé d’abaisser le niveau des ondes sonores rayonnant à l'extérieur des pompes par une réduction primaire des émissions de bruit en provenance des éléments y participant dans la plus forte mesure.
Ces investigations avaient essentiellement pour but une connaissance des moyens permettant de réduire le niveau de bruit dans les pompes centrifuges, sans qu'il en résulte une augmentation notable des coûts de fabrication ou d'exploitation.
Ces recherches et mesures sur les pompes centrifuges ont été effectuées, dans une chambre de mesure spécialement équipée, aux laboratoires d'études sur les vibrations et l'acoustique. Ce faisant, on a soigneusement veillé à écarter tous les bruits qui ne proviendraient pas de la pompe elle-même (par exemple ceux émis par le moteur d’entraînement ou par les organes de fermeture, de même que les bruits de l'environnement), de façon que seules les sources de bruits inhérentes à la pompe puissent être étudiées isolément.
Les mesures, faites au moyen d'un appareillage spécial, portèrent sur les ondes sonores dans l'air, en divers endroits, sur les variations de pression aux parois intérieures de la pompe et des conduites, ainsi
[Photo : Dispositif de la pompe dans la chambre insonore et emplacement des microphones.]
Les considérations qui suivent ne se rapportent qu’aux sources de bruit liées à l’écoulement lui-même ; ceci mène à distinguer :
— les sons à large bande, provoqués par l’écoulement turbulent à l'intérieur de la pompe ;
— les divers sons à bande étroite, dont les fréquences sont proportionnelles à la vitesse de rotation.
Les pointes de bruit dans les pompes centrifuges sont provoquées par le passage périodique des aubes de la roue devant le bec de la volute ou devant les aubes du diffuseur. On peut les désigner comme étant le son périphérique de ces organes, avec une fréquence donnée par l'expression suivante :
fₙ = n · Z₁ · m (son périphérique du rotor)
fₛ = n · Z₂ · m (son périphérique du stator)
fᵢ = n · Z₁ · Z₂ · m (interférence de son périphérique entre rotor et stator)
fₚ : fréquence du son périphérique (Hz)
n : vitesse de rotation de la pompe
Z₁ : nombre d’aubes de la roue
Z₂ : nombre de languettes au corps de pompe ou nombre d'aubes du diffuseur
m : ordre 1°, 2°, 3°...
En général, c'est le son périphérique du rotor (fₙ) d’ordre 1° et 2° qui est prédominant.
[Photo : Spectre en tiers d’octave du bruit initial (ligne supérieure) et nouveau (ligne inférieure) dans la pompe.]
[Photo : Réduction du niveau des ondes sonores (calculé selon A), au débit de 100 %, par rapport à l'état initial, par les modifications correspondantes, avec leur effet sur la hauteur de refoulement et le rendement.]
Les causes du son périphérique des aubes sont principalement les inégalités de pressions, les décollements dans l'écoulement de la veine liquide, ainsi que la répartition inégale des vitesses à la sortie des aubes.
Le niveau du bruit à large bande dépend presque uniquement du rendement hydraulique de la pompe ; on peut donc affirmer que les pompes qui ont un bon rendement sont aussi favorables quant au niveau de bruit à large bande. Ainsi qu’on le voit par la figure 4 (ligne supérieure), le son périphérique des aubes dans la pompe examinée (Z₁ = 7, Z₂ = 1, n = 2900 t/
… mn à 335 Hz environ) accuse une pointe bien nette, qui a une influence sensible sur le niveau d’ensemble des ondes de pression sonores.
Les essais et investigations se sont attachés principalement à réduire ces pointes de fréquences du son périphérique des aubes. Ce faisant, on s'est appuyé sur les considérations ci-après :
- — abaisser le plus possible les gradients de vitesse et de pression à la sortie des aubes de la roue,
- — empêcher les décollements de veines liquides,
- — abaisser l'intensité du choc de pression au passage d'une aube de la roue devant le bec de la volute ou les aubes du diffuseur.
À cet effet, le niveau de bruit a été mesuré, sur diverses pompes, à six degrés de charges différentes (de 20 à 120 % du point de marche optimum) en fonction des paramètres suivants :
- — influence de l'écartement entre la sortie de l’aube et le bec de la volute (divers diamètres extérieurs de la roue à aubes),
- — appointissage des aubes à la sortie,
- — correction en biais (usinage conique) de l'extérieur de la roue,
- — rainures creusées à la sortie de chaque aube de la roue,
- — les aubes de la roue sont percées de trous vers la sortie,
- — l'arête de sortie des aubes est disposée en biais par rapport à l’axe longitudinal,
- — le bec de la volute est disposé en biais,
- — le bec de la volute est percé de trous.
Les résultats les plus importants de ces investigations sont illustrés par la figure 5 dans laquelle on peut constater qu'il est possible, par une conformation et une construction adéquates de certains organes, d'abaisser sensiblement le niveau des ondes de pression sonores dans une pompe centrifuge.
C'est ainsi que même dans une pompe assez petite, avec une puissance absorbée de 9 kW seulement, à la vitesse de 2 900 tr/min, la plus grande diminution du niveau de bruit obtenue ainsi a été de ΔR = 6,4 dB (A), sans qu'on ait pu constater la moindre diminution de la capacité de refoulement ou du rendement. Le diagramme de la figure 4 fait ressortir la diminution des pointes des ondes de pression causées par le son périphérique des aubes.
On peut dire, pour terminer, qu'un intense travail de recherche et de développement peut permettre d'abaisser encore le niveau des ondes sonores engendrées dans les pompes centrifuges, sans aucun préjudice pour les conditions économiques.
D. FLORJANCIC.
W. SCHOFFLER.
H. ZOGG.
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