MÉCANIQUE APPLIQUÉE, 3 ÈME ANNEE, OPTION MECANIQUE GENERALE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

Préliminaires

Objectifs Pédagogiques du Cours 🎯

Ce cours a pour objectif de doter le futur technicien de la capacité d’analyser et de comprendre le fonctionnement des machines transformatrices d’énergie, qu’elles soient hydrauliques, aérauliques ou thermodynamiques. Au terme de cette année, l’élève devra maîtriser les principes de base de la mécanique des fluides et de la thermodynamique appliquée aux pompes, ventilateurs et compresseurs. Il doit être capable d’interpréter les courbes caractéristiques, de déterminer un point de fonctionnement et de comprendre la technologie des composants clés de ces machines, qui sont omniprésentes dans tous les secteurs de l’industrie.

Approche Didactique et Méthodologique 🔧

L’enseignement est résolument orienté vers l’application, en limitant volontairement la théorie aux notions strictement nécessaires à la compréhension fonctionnelle des machines. Chaque concept physique (comme le théorème de Bernoulli ou les lois des gaz) est introduit non pas comme un sujet abstrait, mais comme un outil pour analyser une machine spécifique. L’approche est modulaire : chaque type de machine fait l’objet d’une étude complète, de son principe physique à sa technologie et à son analyse de performance. Le cours intègre des séances de laboratoire visant à familiariser l’élève avec les protocoles de mesure et le relevé de caractéristiques, même avec un équipement simple.

Contexte Industriel et Travaux Pratiques 🏭

La pertinence du cours est assurée par un ancrage constant dans la réalité industrielle congolaise. L’étude des pompes est illustrée par les problématiques de distribution d’eau de la REGIDESO ou de l’exhaure minière. Les ventilateurs sont rapportés aux besoins de ventilation des mines souterraines du Katanga ou des installations de séchage de produits agricoles. Les compresseurs sont liés à l’alimentation des réseaux d’air comprimé des ateliers de maintenance de la SNCC ou des garages de Kinshasa. Le laboratoire, même modeste, est un lieu clé pour transformer la connaissance théorique en savoir-faire pratique, en apprenant à mesurer pression, débit et puissance.

Partie I : Fondamentaux des Transferts d’Énergie dans les Fluides

Cette partie introductive établit les principes physiques et les outils de mesure communs à l’ensemble des machines à fluides. Elle constitue le socle théorique et expérimental indispensable avant d’aborder l’étude spécifique de chaque type de machine.

Chapitre 1 : Principes Énergétiques et Écoulements des Fluides

Ce chapitre a pour but de fournir le langage et les lois fondamentales pour décrire un fluide en mouvement et les transferts d’énergie dont il est le siège.

1.1. Les Formes d’Énergie en Mécanique des Fluides

Les trois formes d’énergie pertinentes pour un fluide en écoulement sont définies : l’énergie potentielle (liée à l’altitude), l’énergie cinétique (liée à la vitesse) et l’énergie de pression. La notion d’énergie totale est introduite comme la somme de ces trois composantes.

1.2. L’Équation de Continuité et la Conservation du Débit

Le principe de conservation de la masse est appliqué aux fluides pour établir l’équation de continuité. Il est démontré que pour un fluide incompressible, le produit de la section par la vitesse est constant, expliquant pourquoi la vitesse augmente dans un rétrécissement.

1.3. Le Théorème de Bernoulli pour les Fluides Parfaits

Le théorème de Bernoulli est présenté comme la loi de conservation de l’énergie pour un fluide parfait (sans frottement). Il établit une relation fondamentale entre la pression, la vitesse et l’altitude en deux points d’un écoulement.

1.4. Notion de Pertes de Charge dans les Écoulements Réels

Le concept de pertes de charge est introduit pour prendre en compte les frottements du fluide réel contre les parois des tuyauteries. La distinction est faite entre les pertes de charge régulières (en ligne droite) et singulières (coudes, vannes).

Chapitre 2 : Mesures et Techniques Expérimentales en Fluides

Ce chapitre est consacré à la métrologie des fluides. Il décrit les instruments et les méthodes utilisés en laboratoire et dans l’industrie pour quantifier les grandeurs physiques d’un écoulement.

2.1. Mesure des Pressions : Manomètres et Capteurs

Les différentes technologies de mesure de pression sont passées en revue : le manomètre à tube en U (à eau ou à mercure) pour les basses pressions, le manomètre métallique (tube de Bourdon) pour les pressions plus élevées, et la notion de capteur de pression électronique.

2.2. Mesure des Débits : Bacs Jaugés et Appareils Déprimogènes

Les méthodes de mesure de débit volumique sont présentées : la méthode directe du bac jaugé et chronométré, et les méthodes indirectes utilisant des appareils déprimogènes (diaphragme, venturi) dont le fonctionnement est une application directe du théorème de Bernoulli.

2.3. Mesure des Vitesses de Rotation et de Translation

Les instruments pour mesurer la vitesse des machines sont décrits, notamment les tachymètres de contact et les tachymètres optiques (stroboscopes), qui sont des outils de diagnostic essentiels pour le technicien de maintenance.

2.4. Mesure de la Puissance Électrique Absorbée

Étant donné que la plupart des machines étudiées sont entraînées par des moteurs électriques, la méthode de mesure de la puissance électrique absorbée (par exemple, la méthode des deux wattmètres en triphasé) est présentée comme le moyen le plus simple d’évaluer la puissance à l’arbre.

Partie II : Les Turbomachines Hydrauliques : Pompes Centrifuges

Cette partie est une étude approfondie de la pompe centrifuge, la machine la plus utilisée au monde pour le transport des liquides. Sa maîtrise est une compétence clé dans de nombreux secteurs, de l’adduction d’eau à l’industrie chimique.

Chapitre 3 : Principe et Constitution des Pompes Centrifuges

Ce chapitre dissèque la machine pour en comprendre le principe de fonctionnement et la technologie des composants qui la constituent.

3.1. Classification des Pompes : Volumétriques et Turbomachines

Une classification générale des pompes est établie pour situer la pompe centrifuge. La différence fondamentale entre les machines volumétriques (qui transfèrent un volume fixe à chaque cycle) et les turbomachines (qui transfèrent l’énergie par des effets dynamiques) est expliquée.

3.2. Principe de la Conversion d’Énergie dans une Pompe Centrifuge

Le principe de fonctionnement est détaillé : l’énergie mécanique de l’arbre est transmise au fluide par la roue en rotation, augmentant principalement son énergie cinétique. Cette énergie cinétique est ensuite convertie en énergie de pression dans la volute ou le diffuseur.

3.3. Constitution Technologique : Roue, Volute et Diffuseur

Les principaux composants sont décrits technologiquement : la roue (ouverte, fermée), qui est le cœur de la machine, la volute ou le diffuseur, dont le rôle est de convertir la vitesse en pression, et le système d’étanchéité d’arbre (presse-étoupe, garniture mécanique).

3.4. Schéma de Principe d’une Installation de Pompage

Un schéma type d’installation est analysé, en identifiant tous les éléments : la pompe, les tuyauteries d’aspiration et de refoulement, la crépine, le clapet anti-retour, et les vannes d’isolement et de réglage.

Chapitre 4 : Grandeurs Caractéristiques des Pompes

Ce chapitre définit les paramètres quantitatifs qui permettent de caractériser la performance d’une pompe et de prédire son comportement.

4.1. Hauteur Manométrique Totale (HMT) et Application de Bernoulli

La HMT est définie comme l’énergie nette transmise par la pompe au fluide, exprimée en mètres de colonne de fluide. Son expression est dérivée de l’application du théorème de Bernoulli entre l’aspiration et le refoulement de la pompe.

4.2. Puissances (Hydraulique, Absorbée) et Rendement

Les différentes puissances sont définies : la puissance hydraulique (transmise au fluide), la puissance absorbée (consommée sur l’arbre), et le rendement, qui est le rapport des deux et qui caractérise l’efficacité énergétique de la pompe.

4.3. Le Phénomène de Cavitation et la Hauteur d’Aspiration (NPSH)

La cavitation (vaporisation du liquide à l’aspiration) est présentée comme un phénomène destructeur à éviter absolument. La notion de NPSH (Net Positive Suction Head), qui caractérise la marge de sécurité vis-à-vis de la cavitation, est introduite.

4.4. Lois de Similitude : Influence de la Vitesse de Rotation

Les lois de similitude (ou lois affines) sont présentées. Elles permettent de prédire comment les caractéristiques d’une pompe (débit, HMT, puissance) évoluent lorsque l’on modifie sa vitesse de rotation, une connaissance très utile pour la régulation.

Chapitre 5 : Analyse du Fonctionnement et Sélection

Ce chapitre est consacré à l’utilisation des courbes caractéristiques, qui sont la carte d’identité d’une pompe, pour analyser son fonctionnement dans un réseau et pour la sélectionner.

5.1. Les Courbes Caractéristiques H(Q), P(Q) et η(Q)

Les trois courbes caractéristiques, fournies par le constructeur, sont analysées : la courbe hauteur-débit, la courbe puissance-débit, et la courbe de rendement. L’élève apprend à lire et à interpréter ces graphiques.

5.2. Le Point de Fonctionnement : Intersection Courbe Pompe/Réseau

Le point de fonctionnement réel d’une pompe dans une installation est expliqué comme étant le point d’intersection entre la courbe caractéristique de la pompe et la courbe caractéristique du réseau (les pertes de charge).

5.3. Le Choix d’une Pompe pour une Application Donnée

La méthodologie de sélection d’une pompe est esquissée : à partir du point de fonctionnement désiré (débit et hauteur), on choisit dans les catalogues de constructeurs la pompe dont le point de fonctionnement se situe au plus près de son point de meilleur rendement.

5.4. Couplage des Pompes (Série, Parallèle) et Pompes Multicellulaires

Les effets du couplage de pompes identiques sont étudiés : le couplage en série augmente la hauteur, tandis que le couplage en parallèle augmente le débit. Le principe de la pompe multicellulaire est présenté comme un montage en série intégré.

Partie III : Les Turbomachines Aérauliques : Ventilateurs

Cette partie transpose les concepts vus pour les pompes au domaine des gaz, en étudiant les ventilateurs. Leur rôle est crucial dans la ventilation des bâtiments, le refroidissement des équipements ou le transport pneumatique de matériaux.

Chapitre 6 : Technologie et Classification des Ventilateurs

Ce chapitre présente la famille des ventilateurs, leurs technologies et leurs domaines d’application.

6.1. Principe de Fonctionnement et Applications

Le principe de mise en mouvement de l’air ou d’un gaz par un organe tournant est expliqué. Les applications sont diversifiées, allant du simple ventilateur de confort à la ventilation des galeries souterraines des mines de Kipushi.

6.2. Les Ventilateurs Centrifuges : Types de Roues

Les ventilateurs centrifuges, où l’air sort perpendiculairement à l’axe d’entrée, sont décrits. L’influence de la forme des aubes de la roue (inclinées vers l’avant, radiales, inclinées vers l’arrière) sur les performances est analysée.

6.3. Les Ventilateurs Hélicoïdaux (Axiaux)

Les ventilateurs axiaux, où l’air traverse la machine parallèlement à son axe, sont présentés. Ils sont adaptés pour les grands débits sous de faibles pressions, comme dans les aéro-réfrigérants des industries de transformation.

6.4. Soufflantes et Compresseurs Centrifuges (Notions)

La distinction est faite entre ventilateurs (faible augmentation de pression), soufflantes et compresseurs centrifuges, qui sont des machines similaires mais conçues pour atteindre des taux de compression beaucoup plus élevés.

Chapitre 7 : Caractéristiques et Lois de Fonctionnement

Ce chapitre approfondit l’analyse des performances des ventilateurs en utilisant les grandeurs et les lois spécifiques à l’aéraulique.

7.1. Pressions en Aéraulique : Statique, Dynamique et Totale

Les différentes composantes de la pression d’un gaz en mouvement sont définies : la pression statique (liée à l’agitation moléculaire), la pression dynamique (liée à la vitesse) et la pression totale, qui est leur somme. Le tube de Pitot est présenté comme l’instrument permettant de mesurer ces pressions.

7.2. Courbes Caractéristiques d’un Ventilateur

Similaires à celles des pompes, les courbes caractéristiques d’un ventilateur (pression en fonction du débit, puissance, rendement) sont présentées comme l’outil essentiel pour analyser et prédire son comportement.

7.3. Lois des Vitesses et Similitude (Lois de Rateau)

Les lois de similitude pour les ventilateurs, aussi appelées lois de Rateau, sont établies. Elles permettent de calculer l’évolution des performances (débit, pression, puissance) lors d’un changement de la vitesse de rotation.

7.4. Point de Fonctionnement et Sélection

La détermination du point de fonctionnement par intersection de la courbe du ventilateur et de la courbe du réseau aéraulique est expliquée. La méthodologie de sélection d’un ventilateur est abordée.

Partie IV : Les Machines Volumétriques : Compresseurs à Piston

Cette dernière partie se concentre sur une autre famille de machines à fluides, les machines volumétriques, en étudiant en détail le compresseur à piston, très répandu pour la production d’air comprimé.

Chapitre 8 : Principes Thermodynamiques de la Compression des Gaz

Ce chapitre établit les bases de la thermodynamique nécessaires à la compréhension de la compression d’un gaz, phénomène qui met en jeu des variations de pression, de volume et de température.

8.1. Rappels sur les Lois des Gaz Parfaits

Les lois fondamentales de Mariotte, de Gay-Lussac et l’équation d’état des gaz parfaits () sont rappelées comme des outils essentiels pour décrire le comportement d’un gaz lors des transformations.

8.2. Les Transformations Thermodynamiques (Isotherme, Adiabatique)

Les deux transformations théoriques de référence pour la compression sont décrites : la compression isotherme (à température constante), qui est la plus économique en énergie, et la compression adiabatique (sans échange de chaleur), qui est la plus proche de la réalité pour une machine rapide.

8.3. Travail de Compression Théorique

Les expressions du travail théorique pour une compression isotherme et adiabatique sont données. La comparaison des deux montre l’intérêt énergétique de refroidir le gaz durant la compression.

8.4. Le Cycle Théorique d’un Compresseur à Piston

Le cycle théorique d’un compresseur (aspiration, compression, refoulement) est tracé dans un diagramme Pression-Volume (diagramme de Clapeyron), et le travail du cycle est identifié comme l’aire de ce diagramme.

Chapitre 9 : Le Compresseur à Piston Mono-étagé

Ce chapitre étudie la technologie et le fonctionnement réel d’un compresseur simple à un seul étage de compression.

9.1. Constitution et Technologie (Cylindre, Piston, Clapets)

La constitution mécanique du compresseur est décrite : le système bielle-manivelle pour transformer la rotation en translation, le piston et le cylindre, et les clapets automatiques qui gèrent l’admission et le refoulement de l’air.

9.2. Le Cycle Réel et le Diagramme Indiqué

Le cycle réel est analysé en prenant en compte les phénomènes qui l’écartent du cycle théorique, notamment l’espace mort, les pertes de charge aux clapets et les échanges thermiques. Le diagramme indiqué, qui peut être relevé sur une machine, est présenté.

9.3. Rendements et Importance du Refroidissement

Les différents rendements du compresseur (indiqué, effectif) sont définis. L’importance cruciale du refroidissement du cylindre (par air ou par eau) pour se rapprocher de la compression isotherme et améliorer le rendement est réaffirmée.

9.4. Régulation et Démarrage du Compresseur

Les méthodes de régulation du débit d’un compresseur (marche/arrêt, régulation tout ou rien) sont décrites. Les dispositifs de mise à vide au démarrage pour soulager le moteur électrique sont expliqués.

Chapitre 10 : Le Compresseur Multi-étagé et ses Auxiliaires

Ce chapitre final aborde la compression à haute pression et les équipements qui complètent l’installation de production d’air comprimé.

10.1. Intérêt de la Compression Étagée avec Refroidissement Intermédiaire

Le principe de la compression multi-étagée est expliqué : en fractionnant la compression en plusieurs étapes et en refroidissant l’air entre chaque étage, on se rapproche globalement d’une compression isotherme, ce qui permet des économies d’énergie substantielles.

10.2. Le Cycle Théorique du Compresseur Bi-étagé

Le cycle d’un compresseur à deux étages est tracé sur le diagramme P-V, montrant visuellement le gain de travail réalisé grâce au refroidissement intermédiaire par rapport à une compression mono-étagée.

10.3. Les Auxiliaires du Circuit d’Air : Filtres, Réservoir, Sécheurs

Les équipements indispensables d’un réseau d’air comprimé sont décrits : le filtre à l’aspiration, le réservoir de stockage (qui lisse les pulsations), et les systèmes de traitement de l’air (sécheurs, filtres, lubrificateurs) pour garantir la qualité de l’air fourni aux utilisateurs.

10.4. Lubrification et Maintenance des Compresseurs

Les aspects liés à la maintenance sont abordés : les systèmes de lubrification du compresseur (barbotage, sous pression), la surveillance des températures et des pressions, et les opérations périodiques comme la purge des condensats et le nettoyage des filtres.

Annexes

Les annexes fournissent des outils de référence et des données pratiques pour l’étude et l’utilisation des machines à fluides.

Diagrammes et Abaques 📊

Cette section contient des abaques utiles pour la détermination des pertes de charge dans les tuyauteries et des diagrammes psychrométriques simplifiés pour comprendre le traitement de l’air humide.

Schémathèque des Installations 📋

Une collection de schémas de principe pour des installations typiques de pompage, de ventilation et de production d’air comprimé est fournie, avec la symbolisation normalisée des composants.

Guide de Diagnostic des Pannes 🔍

Un tableau synthétique présente les pannes les plus courantes pour chaque type de machine (pompe, ventilateur, compresseur), leurs causes probables et les remèdes à appliquer, constituant un premier outil d’aide au diagnostic.