Projet de fin d’étude Etude et Conception d’un Bélier Hydraulique
Elaboré par: Encadré par
:
Département : Génie Mécanique Filière : Conception Mécanique Productique
Remerciements
Nous tenons, pour commencer à vous adresser, chers membres du jury jury,, nos nos sinc sincèr ères es remer emerci ciem emen ents ts pour pour votr votre e prés présen ence ce aujourd’hui ainsi que pour vos remarques qui viendront enrichir ce travail que nous aurons le plaisir de partager et discuter avec vous. Nous tenons également à exprimer notre profonde gratitude et nos nos sinc sincèr ères es remer emerci ciem emen ents ts à notr notre e prof profes esse seur ur …. pour pour son encadrement considérable et surtout son intért, son support et ses conseils qui nous ont été précieux et sans lesquels ce mini projet n’aurait pas abouti. Nos remerciements vont aussi à toutes les personnes, qui ont contribué de loin ou de près à la réalisation de notre projet. Nous avons également le grand plaisir de remercier tous les enseignants de l’!N"!# de $abat, pour leur disponibilité et pour le soutien qu’ils n’ont cessé de nous apporter tout au long de nos deux années d’étude à l’!N"!#. %inalement, nous remercions aussi &r le directeur de '. (e $abat ainsi que )’ensemble du corps administratif.
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Sommaire Remerciements Introduction IEtude d’un Bélier Hydraulique''''''''''''''''''''''''''''' ''''...+ * -u’estce qu’un bélier ydraulique / ''''''''''''''''''''''''''''+ 0 1rincipe de fonctionnement '''''''''''''''''''''''''''''''''+ II-Analyse fonctionnelle du système '''''''''''''''''''''''''''''''.2 * 3spect fonctionnel ''''''''''''''''''''''''''''''''''''' '.2 a (iagramme bte à cornes ''''''''''''''''''''''''''''''''.4 b 5alidation de besoin '''''''''''''''''''''''''''''''''''.4 0 $echerche des fonctions de d e services 6diagramme 6diag ramme pieuvre7 '''''''''''''''..8 a 5alidations des fonctions ''''''''''''''''''''''''''''''''..9 : ;aractéristique des inters acteurs '''''''''''''''''''''''''''''..< + (iagramme "3(# ''''''''''''''''''''''''''''''''''''' '.*= 2 (iagramme %3"# ''''''''''''''''''''''''''''''''''''. '...*= III- Calculs ''''''''''''''''''''''''''''''''''''' ''''.''''..** * )e débit fourni par le système '''''''''''''''''''''''''''''''** 0 )ongueur de la conduite motrice'''''''''''''''''''''''''''''.*0 : (iamètre de la conduite motrice ''''''''''''''''''''''.'''''''*: a #ableau du débit d’alimentation des béliers hydraulique'''''''. ''''''..*: + )e collecteur ''''''''''''''''''''''''''''''''''''' '''..*+ 2 ;onduite d’alimentation ou de refoulement'''''''''''''''''''''''*2 4 )e réservoir d’alimentation'................................. d’alimentation'................. ................................ .................................. .................................. ....................*4 ....*4 IVIV- Modélisation et conception '''''''''''''''''''''''''''''''''..*8 &odélisation en :(''''''''''''''''''''''''''''''''''' '.*9 3ssemblage du mécanisme''''''''''''''''''''''''''''''' '*< (essins de dé>nition et d’ensembles
'''''''''''''''''''''''''...0= Conclusion '''''''''''''''''''''''''''''''''''''. ''''''''.0+ Bilio!rap"ie ## ''''''''''''''''''''''''''''''''''''' ''''''.02
0
Introduction !n parallèle avec les enseignements dispensés à l’!N"!#, des stages industriels ainsi qu’un projet de >n d’études sont programmés pour permettre à l’étudiant de se familiariser et de mieux appréhender son environnement de travail. ;’est dans ce cadre, et sur orientation de $, notre professeur et encadrant que nous avions décidé moi et mes camarades d’étudier le fonctionnement et la conception d’un bélier hydraulique. ;ette invention de génie de ?oseph &ontgol>er qui, mme si les énergies électriques et pétrolières ont envahi le monde, continue à pomper sans nuisance, gratuitement ou presque, dans la sphère des énergies durables o@ elle retrouve en nouvelle vigueur, surtout dans les pays du #iers monde. )e bélier hydraulique est un système autonome qui consiste à relever de l’eau à plusieurs diAaines de mètres sans autre énergie que celle apportée par la circulation de l’eau. ;ela peut paraBtre incroyable et pourtant cet appareil le permet sans magie. ème
ème
;ette technologie très répandue au *< siècle fut un peu oubliée au 0= ème siècle. )e 0* siècle seraitil celui de son renouveau / ;ette machine non polluante et bon marché et qui ne nécessite que sa matière première pour fonctionner, mériterait bien d’tre plus connue.
Notre présent projet se >xe comme objectif de vous présenter humblement l’étude et la conception d’un bélier hydraulique en se basant sur les chapitres cités précédemment.
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IEtude d’un élier "ydraulique % * -u’estce qu’un bélier hydraulique C )e bélier hydraulique est un appareil à la fois moteur et pompe, destiné à élever de l’eau automatiquement. ;’est une application du phénomène bien connu en hydraulique C le coup de bélier. ;ette pompe a la particularité de fonctionner sans nécessiter un quelconque apport d’énergie. !n eDet l’énergie nécessaire au fonctionnement de l’appareil est contenue dans l’eau à élever ellemme. ;’est une machine étonnante dont le principe avait révolutionné le monde scienti>que au moment de son invention par ?oseph de &ontgol>er en *8<0. El présente des avantages incontestables par rapport aux pompes électriques. #out d’abord, pour fonctionner, il se contente de l’énergie potentielle gratuite contenue dans une chute d’eau de plus il ne contient que deux pièces mobiles dont la simplicité entraine la >abilité. 0 1rincipe du fonctionnement C 1our mieux comprendre le principe du fonctionnement d’un bélier hydraulique, faisons un peu dFhistoire. )e principe fondamental et la première application pratique sont dus à un brasseur anglais nommé ?ohn Ghiteburst de (erby en *880. El remarqua qu’une longue conduite amenant de lFeau depuis un réservoir sur la ;olline voisine vers sa maison "e brisait fréquemment en cas de fermeture brusque de la vanne située à lFextrémité aval. El invente alors le moyen de tirer avantage de cette situation C juste avant la vanne. El ajouta un tuyau de refoulement vers un réservoir situe au sommet de la maison, ce tuyau était muni dFun clapet antiretour et passait à travers un réservoir d’air.
Mac"ine de &"ite Hurst
3 $éservoir d’alimentation H $éservoir de refoulement
; ( ! %
•
5anne ;lapet antiretour $éservoir d’eau ;onduite de refoulement
+
!n ouvrant la vanne, lFeau s’écoulait naturellement à travers celleci. !n la fermant, une quantité importante dFeau était envoyée dans le réservoir supérieur H. In enfant était employé à ouvrir et fermer la vanne, envoyant ainsi sans eDort une grande partie de lFeau contenue dans le réservoir 3 vers le réservoir H. 3nalysant ces phénomènes a la lumière de la science moderne il apparait qu’une fermeture brusque de la vanne située sur une conduite en charge ;rée un phénomène appelé coup de bélier. Ine analogie le fera mieux comprendre. Emaginons une locomotive tirant des Jagons, si la locomotive est stoppée brusquement6en percutant un mur, par exemple7, ;elleci sera écrasée par les Jagons qui sont derrière. !n eDet de parla vitesse, chaque élément de ce convoi possède une énergie cinétique qui, en cas d’arrt, sera transmise à lFélément précèdent. (e mme, dans une conduite dFeau en charge, toute lFeau contenue dans la conduite peut tre considérée comme une série d’éléments liquides mobiles mais incompressibles. "i on arrte la tte delà veine liquide en fermant la vanne, toute lFeau qui pousse derrière va causer une augmentation de pression susceptible de faire exploser la conduite. !n ajoutant son dispositif de refoulement, Ghite urst forKait l’eau brisé son élan, non contre la vanne maison remontant vers le réservoir de refoulement H situe plus haut. )e clapet antiretour ( évite à l’eau qui est montée dans le réservoir H de redescendre lorsque la vanne sera ouverte pour un nouveau cycle. )e réservoir dFair ! permettait d’amortir les chocs dans la conduite de refoulement. )e mérite de &ontgol>er est d’avoir conKu une machine fonctionnant sur le mme principe mais de manière automatique sans intervention humaine. EE appela cette machine Hélier hydraulique. "on idée fut de remplacer la vanne manuelle par un clapet 6appelé clapet de batterie7 actionne par l’eau.
II- Analyse fonctionnelle du système % * 3spect fonctionnel C 3vant de concevoir un produit, il est nécessaire de sFassurer que ce produit répond eDectivement à un besoin. ;Fest à dire quFil a une fonction précise à remplir, )a détermination de cette fonction est indispensable. )’analyse fonctionnelle vise aussi à garantir aux produits, que nous concevons, les fonctions qu’ils doivent remplir aux moindres coLts en se référant aux besoins à satisfaire. )es outils de l’analyse fonctionnelle C )’analyse fonctionnelle est possible grMce à des outils clairement dé>nis C - (iagramme bte à corne.
- (iagramme pieuvre. - (iagramme "3(#. - (iagramme %3"# 6%unctional 3nalysis "ystem #echnique7
2
a (iagramme bte à cornes C (ès le lancement d’un projet, il est nécessaire d’expliciter simplement le besoin primaire, c’estàdire l’exigence principale El faut donc exprimer le besoin et rien que le besoin et expliciter l’exigence fondamentale qui justi>e la conception d’un produit. 1our cela, il est essentiel de se poser les trois questions suivantes C - 3 qui, à quoi le produit rendil service / - "ur qui, sur quoi agitil / - (ans quel but / 6pour quoi /7 )a bte à cornes est un outil de représentation de ces questions fondamentales. (ans notre cas, le diagramme bte à corne correspondant à notre système est le suivant C
)’utilisateur
;ours d’eau
Hélier hydrauliq ue
%aire parvenir l’eau a un réservoir situé à une certaine hauteur sans apport d’énergie extérieur
- Validation du esoin % 3près avoir déterminé le besoin, il faut véri>er sa stabilité. ;ette étape consiste à valider la nécessité de la création de ce produit, ainsi que les facteurs qui peuvent le faire disparaBtre ou alors le faire évoluer.
4
$isque de voir le scénario -u’est ce qui pourrait le se
1ourquoi le besoin existet faire disparaBtre, évoluer il / /
réaliser / 6en7
$emonter )e besoin existe car le )a disparition du produit l’eau d’un niveau bas besoin d’une récolte n’est pas probable car ce dernier utilise une )a disparition du vers un niveau énergie produit renouvelable 6le Oux haut pour d’eau7, est liée aux conditions irriguer un et ne nécessite pas un climatiques. champ apport d’énergie extérieur d’agriculture.
'- Rec"erc"e des fonctions de ser(ice )dia!ramme pieu(re* % )e diagramme pieuvre permet de dé>nir les liens 6c’estàdire les fonctions de service et de contrainte7 entre le système étudie et son environnement. El est constitué du produit, au centre, et, autour, des éléments du milieu extérieur. Nous allons faire apparaBtre les relations 6fonctions7 entre le produit et son environnement. ;es relations correspondent au service rendu par le produit. 1our notre système, le diagramme pieuvre associé est comme suit C Pn a deux types de fonctions C )es fonctions principales C ce sont les fonctions pour lesquelles le produit est élaboré, donc en fait celles qui pourraient répondre aux exigences de lFutilisateur. ;ours d’eau
$éservoir d’un utilisateur
FP1
Hélier FC3 &aintenance hydraulique !nergie
FC2 FC1 )’environnement
8
-
%1* C %;* C %;0 C %;: C
%aire parvenir de l’eau à un réservoir $ésister au milieu extérieur. "’adapter à l’énergie hydraulique. assurer la maintenance.
a- Validation des fonctions %
Expression de Pourquoi existeFonction la tfonction elle ?
+,
C-
C'
%aire parvenir de l’eau à un réservoir
réservoir
)a disparition du produit est liée à l’utilisation de l’eau
!tre alimenté en 1our s’adapter à énergie hydraulique l’énergie existante
)a disparition de la
$ésister au milieu extérieur
)’évolution de la fonction est liée au milieu de travail.
3ssurer la C.
1our remplir un
Disparition ou évolution possible
maintenance
1our protéger le produit
!tre réparable
fonction est liée à l’utilisation d’une autre source d’énergie
9
: ;aractéristiques des inters acteurs C 1our cette phase en adopte pour chaque inter acteur un tableau récapitulatif qui dé>nit les fonctions C
les critères dé>nissant la fonction. les niveaux d’acceptations précédents critères. la Oexibilité acceptée pour chaque critère. les principes 6principes de solution imposée par le client7
Interacteurs
cours d/eau
0uyau1
rit!res
"iveau
vitesse hauteur de chute
%orme
Flexibilité
•
:2 QmRh
'
•
2.2 m
'
;irculair e
*
•
&atière
3lliage d’3luminium **.+* & •
longueur
•
*
(ase d/e1pansion
forme volume
•
•
;ylindrique : : 8=.*= m
clapet antiretour
* *
'
Corps
- &atière
•
3cier
=
Crépine
&atière
•
laiton
0
Réser(oir
&atière volume
Héton *=: )
*
•
•
<
+ (iagramme "3(# 6Niveau 3=7 C )’objectif est de permettre de comprendre pourquoi un système existe, ou doit tre conKu, quelles fonctions doit il remplir et en>n, comment elles sont réalisées. !t cela, quelle quFen soit la complexité C auteur 1ression de l’eau
!au à une vitesse (’écoulement
$emonter l’eau a une hauteur voulue sans apport d’énergie extérieur
!au récupérée !au perdue
Hélier hydraulique 2 (iagramme %3"# C In diagramme %3"# 63cronyme de S’%unctional 3nalysis "ystem #echnique’’7 présente une traduction rigoureuse de chacune des fonctions de service en fonction6s7 technique6s7, puis matériellement en solution6s7 constructive6s7.El sert à la recherche de solutions technologiques. El choisit des solutions pour construire >nalement le produit 1rovisionner de l’eau
;ours d’eau 6source naturelle7
;onduire l’eau
#uyaux
)imiter la pression
;répine
!mpcher l’eau 1ompée de retourner
;lapet antiretour
"tocQer l’eau temporairement
5ase d’expansion
$emonter l’eau à une certaine hauteur
"tocQer l’eau en permanence pour tre utilisée
$éservoir
*=
III- Calculs % * )e débit fourni par le système C
"i - est la quantité dFeau débitée par la source ou le ruisseau, la quantité q dFeau remontée vers le réservoir dFutilisation, est calculée par la formule C
"12 q 3 -------4 o5 4 représente le rendement du élier "6H
**
#out d’abord déterminons les hauteurs d’élévation et de chuteC le diagramme suivant montre les hauteurs de chutes minimales et maximales qui correspondent à une hauteur dFélévation donnée ou, inversement, les hauteurs dFélévation minimales et maximales pour une hauteur de chute donnée.
(ans notre cas, la hauteur dFélévation est .7 m, la hauteur h de chute doit donc tre ;omprise entre 8#9 et .7 m# 1our résumé C Hauteur d’élé(ation % .7 mètres Hauteur de c"ute % '7 mètres Pn a donc une source à un débit de ':99 l;min dont une partie la plus grande possible doit tre pompée .7 m plus haut. 3insi, dans notre cas, la quantité dFeau remontée sera de C <)'7 1 ':99* ; )'76.7*= 1 7#:7 3 ::>8 l;min ou m?;@our . 0 )a longueur de la conduite motrice ) C )a longueur de la conduite motrice est importante pour une un bon fonctionnement de )’installation. )a longueur de la conduite doit tre comprise entre environ, . à 9 fois la hauteur de chute, nous choisirons 8 soit C 3 8 "38'737m
*0
)a conduite motrice devant résister aux Tcoups de bélierT il est indispensable quFelle "oit réalisée en matériaux rigides tels que tuyaux dFacier ou de fonte. )es tuyaux en matière plastique sont à proscrire pour cet usage à cause de leur élasticité. (e mme, la conduite motrice doit tre réalisée avec le plus grand soin, elle doit tre parfaitement étanche sous peine dFentraBner des dysfonctionnements du bélier. (es manchons union à joints plats ne sont pas adaptés à la réalisation dFune conduite motrice. )a conduite motrice doit avoir une pente régulière, éventuellement avoir une pente plus forte dans sa partie supérieure pour arriver au bélier avec une pente plus faible, jamais lFinverse. El faut éviter pour sa construction des courbes et des coudes. "i une courbe latérale Ne peut tre évitée, il faut la réaliser avec le plus grand rayon de courbure possible. El est conseillé de ne pas combler les fossés éventuellement creusés pour enfouir la conduite motrice avant dFavoir véri>é le bon fonctionnement du bélier. : (iamètre de la conduite motrice C a #ableau de débit d’alimentation des diDérents béliers hydrauliques C (iamètre nominal de la conduite dFamenée (ébit dFalimentati on nécessaire au fonctionnem en du bélier
* *R+ * U
diam. Ent.
6inch7 diam Ent. :0 6mm7 litres de 8
0 0 *R0 :
*4
2
4
8
9
+=
2= 42
9= *== *02 *2= *82 0==
*0
08 +2
49 *:4 *9= :4+ 2+2 88=
22 <4
*: **: *2+ 8 08= +*= 82= 4 2
par à
+
02
minute
(ans notre cas, un débit de ::8> litres par minute est requis pour . remplir un réservoir de '7m via la conduite de refoulement. 1ar conséquent, le diamètre nominal de la conduite d’amenée doit tre de '77mm d’après le tableau cidessus.
*:
4- #e collecteur $
)e collecteur peut avoir nFimporte quFelle grandeur, #outefois, la conduite motrice doit toujours tre suVsamment couverte dFeau, au moins .7 à 87 cm dFeau. )a quantité excédentaire dFeau 6diDérence entre le débit du Oeuve et le débit moyen de la conduite motrice sera évacuée par un dispositif de trop plein7. (ans notre cas, prenons un tuyau de ciment de m de diamètre.
Edéalement, le collecteur doit tre construit de manière à ce que les bulles dFair amenée 1ar lFeau débouchant de la source dans le collecteur nFatteignent jamais la conduite motrice C (e lFair dans la conduite motrice perturberait le bon fonctionnement du bélier. (ans ce but, on peut, par exemple, séparer le collecteur en deux chambres par une cloison centrale de hauteur légèrement inférieure à la hauteur du tuyau dFarrivée pour que lFeau ne reOue pas dans ce tuyau, mais pas trop basse pour que le passage de lFeau dFune chambre à lFautre ne provoque pas de nouveaux remous et donc une nouvelle formation de bulles dFair. )e trop plein dFévacuation sera également prévu au mme niveau que la cloison de séparation. 1our éviter que des déchets importants ne passent dans la conduite motrice, le départ de celleci sera placé quelques centimètres audessus du fond du collecteur qui sera régulièrement nettoyé. Pn peut ainsi combiner un système de trop plein avec une conduite de vidange7
*+
2 ;onduite d’alimentation ou de refoulement C - (iamètre de la conduite de refoulement )e diamètre de cette conduite dépend du modèle de bélier. (ans le cas présent, on choisit un diamètre de '97 mm )ongueur de la conduite de refoulement )a conduite dFalimentation doit idéalement ne pas avoir de contrepente. (ans le cas P@ cette condition est impossible à respecter, des possibilités dFaération sont à prévoir sur les Tpoints hautsT.
)a conduite dFalimentation peut tre réalisée en tuyaux plastiquesW ceuxci (oivent ;ependant tre adaptés à la pression à laquelle ils doivent pouvoir résister et qui (épend de la hauteur de remontée. El est conseillé de ne pas combler les fossés éventuellement creusés pour enfouir la conduite motrice avant dFavoir véri>é le bon fonctionnement du bélier. 1our estimer une longueur de la conduite d’alimentation, il faut simultanément prendre en compte la hauteur d’élévation de l’eau. )e calcul de la hauteur d’élévation est réalisé à partir de C o )a hauteur d’aspirationC c’est la hauteur entre le niveau de l’eau pompée et l’axe de la pompe. (ans notre cas elle est de #97m. P )a hauteur de refoulement C c’est la hauteur entre l’axe de la pompe et le point le plus haut (u réseau. (ans notre cas elle est de 77m. . P )a perte de charge C il s’agit de la résistance rencontrée par l’eau dans les tuyaux. !lle se calcule, normalement en fonction de la longueur, du diamètre, de la qualité des tuyaux, de leur forme et du nombre d’accessoires. (ans notre cas on considérera que la tuyauterie a un large diamètre )D 777mm*> par conséquent la vitesse de l’eau à
*2
l’intérieur sera faible, de réservoir de stocQage. ;ependant, pour s’assurer un fonctionnement optimal de notre système, on prendra 02 de perte de charge.
Hauteur d’élé(ation 3 Hauteur d’aspiration 6 Hauteur de refoulement 6 ,erte de c"ar!e X>96776'#9378m. )a conduite de la conduite de refoulement sera donc de 78m. 4 )e réservoir d’alimentation C )e réservoir dFalimentation de capacité '7 m. est construit idéalement audessus de la Aone dFutilisation de manière à permettre un écoulement par gravité vers le lieu dFutilisation sous une certaine pression. ;ette disposition permet un écoulement régulier et si nécessaire une réserve peut tre ainsi créée pour couvrir les besoins plus importants. )Fentrée de la conduite dFalimentation dans le réservoir doit se faire au dessus du niveau dFeau maximum de manière à toujours permettre un écoulement libre du conduit dFalimentation et de pouvoir ainsi véri>er le débitW un système de tropplein limitant le niveau dFeau dans le réservoir doit donc tre prévu juste en dessous du niveau dFarrivée du conduit dFalimentation. (e plus, pour maintenir une bonne circulation et une bonne fraBcheur de lFeau utilisée, la prise dFeau de consommation se fera en face de la sortie de la conduite dFalimentation (es vannes dFarrt seront placées à lFentrée et à la sortie du bélier pour permettre son isolement et un démontage facile. In robinet de vidange sera également placé sur le départ de la conduite dFalimentation pour permettre, si nécessaire, sa vidange et donc la mise à pression atmosphérique de la conduite en cas dFintervention nécessaire.
*4
%I-&odélisation et conception $ 3 l’aide du logiciel ;3#E3 52 $0= on a pu modéliser la conception du bélier hydraulique et cela suivant quatre étapes C &odélisation de chaque pièce en :( dans l’atelier 1art design. 3ssemblage du mécanisme dans l’atelier 3ssembly design. )es dessins de dé>nition et dessins d’ensemble dans l’atelier
(rafting.
*8
&odélisation en :( C
0ue de conduite d’eau en .
*9
e (ase d’e1pansion en .
e système complet> assemlé F le élier "ydraulique
*<
0 =
0 *
0 0
Conclusion % (urant tout le temps que nous avons passé à faire ce 1%!, nous avons été confrontés à de réels problèmes de conception, à savoir C - )a collecte d’information W - )a conception de la maquette W - )e dimensionnement des pièces W - )a validation des solutions choisies W'
;eci nous a permis de piocher dans les savoirs que nous avons acquis pendant les deux années de notre formation en (I# ;&1 à )’!N"!# de $abat. 3insi, nous avons utilisé les outils de l’analyse fonctionnelle et l’outil ;atia pour la partie conception, ainsi que des documents de constructeurs 6abaques7, pour les calculs des hauteurs, et nous aurions aimé passer à l’étape suivante qui est la fabrication de ce bélier, mais ni le temps ni les moyens de fabrication ne nous ont permis de le réaliser. ;e 1%!, nous a été d’une grande utilité et nous a permis de travailler en équipe, et donc d’avoir une idée des méthodes de travail qui nous attendent durant notre vie professionnelle prochaine.
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