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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, nos sincères remerciements pour votre présence
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 sincères remerciements à notre professeur …. pour son
encadrement considérable et surtout son intérêt, 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’ENSET de Rabat, 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’ENSET.
Finalement, nous remercions aussi Mr le directeur de …. De
Rabat ainsi que
L’ensemble du corps administratif.
1
Sommaire
Remerciements
Introduction
IEtude
d’un
Bélier
Hydraulique……………………………………………………………………………
…………...4
1Qu’est-ce
qu’un
bélier
Hydraulique
?
…………………………………………………………………………4 2- Principe de
fonctionnement
………………………………………………………………………………………4
II-Analyse fonctionnelle du système
………………………………………………………………………………….5 1- Aspect
fonctionnel
…………………………………………………………………………………………………
….5 a- Diagramme bête à cornes
…………………………………………………………………………………….6 bValidation de besoin
…………………………………………………………………………………………….6 2Recherche des fonctions de services (diagramme pieuvre)
………………………………………..7 a- Validations des fonctions
……………………………………………………………………………………..8 3Caractéristique des inters acteurs
……………………………………………………………………………..9 4Diagramme SADT
…………………………………………………………………………………………………
….10 5- Diagramme FAST
……………………………………………………………………………………………….
…...10
III- Calculs
…………………………………………………………………………………………………
………….…………..11 1- Le débit fourni par le système
…………………………………………………………………………………11 2Longueur de la conduite
motrice…………………………………………………………………………….12 3Diamètre de la conduite motrice
………………………………………………………….…………………13 a- Tableau
du débit d’alimentation des béliers hydraulique………………….
………………..13 4- Le collecteur
…………………………………………………………………………………………………
………..14 5- Conduite d’alimentation ou de
refoulement……………………………………………………………15 6- Le
réservoir
d’alimentation….......................................................................................16
IV- Modélisation et conception
………………………………………………………………………………………..17
-Modélisation en
3D……………………………………………………………………………………………
….18 -Assemblage du
mécanisme…………………………………………………………………………………
…19 -Dessins de définition et d’ensembles
…………………………………………………………………...20 Conclusion
………………………………………………………………………………………………….
…………………….24 Bibliographie ..
…………………………………………………………………………………………………
……………….25
2
Introduction
En parallèle avec les enseignements dispensés à l’ENSET, des stages
industriels ainsi qu’un projet de fin d’études sont programmés pour
permettre à l’étudiant de se familiariser et de mieux appréhender son
environnement de travail.
C’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.
Cette invention de génie de Joseph Montgolfier qui, même si les énergies
électriques et pétrolières ont envahi le monde, continue à pomper sans
nuisance, gratuitement ou presque, dans la sphère des énergies durables
où elle retrouve en nouvelle vigueur, surtout dans les pays du Tiers
monde.
Le bélier hydraulique est un système autonome qui consiste à relever de
l’eau à plusieurs dizaines de mètres sans autre énergie que celle
apportée par la circulation de l’eau. Cela peut paraître incroyable et
pourtant cet appareil le permet sans magie.
ème
ème
Cette technologie très répandue au 19
siècle fut un peu oubliée au 20
ème
siècle. Le 21
siècle serait-il celui de son renouveau ? Cette machine non
polluante et bon marché et qui ne nécessite que sa matière première pour
fonctionner, mériterait bien d’être plus connue.
Notre présent projet se fixe comme objectif de vous présenter
humblement l’étude et la conception d’un bélier hydraulique en se basant
sur les chapitres cités précédemment.
3
IEtude d’un bélier hydraulique :
1- Qu’est-ce qu’un bélier hydraulique :
Le bélier hydraulique est un appareil à la fois moteur et pompe, destiné à
élever de l’eau automatiquement. C’est une application du phénomène
bien connu en hydraulique : le coup de bélier. Cette pompe a la
particularité de fonctionner sans nécessiter un quelconque apport
d’énergie. En effet l’énergie nécessaire au fonctionnement de l’appareil
est contenue dans l’eau à élever elle-même. C’est une machine
étonnante dont le principe avait révolutionné le monde scientifique au
moment de son invention par Joseph de Montgolfier en 1792.
Il présente des avantages incontestables par rapport aux pompes
électriques. Tout 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 fiabilité.
2- Principe du fonctionnement :
Pour mieux comprendre le principe du fonctionnement d’un bélier
hydraulique, faisons un peu d'histoire. Le principe fondamental et la
première application pratique sont dus à un brasseur anglais nommé
John White-burst de Derby en 1772. Il remarqua qu’une longue conduite
amenant de l'eau depuis un réservoir sur la Colline voisine vers sa
maison Se brisait fréquemment en cas de fermeture brusque de la
vanne située à l'extrémité aval. Il invente alors le moyen de tirer
avantage de cette situation : juste avant la vanne. Il ajouta un tuyau de
refoulement vers un réservoir situe au sommet de la maison, ce tuyau
était muni d'un clapet anti-retour et passait à travers un réservoir d’air.
Machine de White Hurst






ABCDEF-
Réservoir d’alimentation
Réservoir de refoulement
Vanne
Clapet anti-retour
Réservoir d’eau
Conduite de refoulement
4
En ouvrant la vanne, l'eau s’écoulait naturellement à travers celle-ci.
En la fermant, une quantité importante d'eau était envoyée dans le
réservoir supérieur B. Un enfant était employé à ouvrir et fermer la
vanne, envoyant ainsi sans effort une grande partie de l'eau
contenue dans le réservoir A vers le réservoir B. Analysant ces
phénomènes a la lumière de la science moderne il apparait qu’une
fermeture brusque de la
vanne située sur une conduite en charge Crée un phénomène appelé
coup de bélier. Une analogie le fera mieux comprendre. Imaginons
une locomotive tirant des wagons, si la locomotive est stoppée
brusquement(en percutant un mur, par exemple), Celle-ci sera
écrasée par les wagons qui sont derrière. En effet de parla vitesse,
chaque élément de ce convoi possède une énergie cinétique qui, en
cas d’arrêt, sera transmise à l'élément précèdent. De même, dans
une conduite d'eau en charge, toute l'eau contenue dans la conduite
peut être considérée comme une série d’éléments liquides mobiles
mais incompressibles. Si on arrête la tête delà veine liquide en
fermant la vanne, toute l'eau qui pousse derrière va causer une
augmentation de pression susceptible de faire exploser la conduite.
En ajoutant son dispositif de refoulement, White Hurst forçait l’eau brisé
son élan, non contre la vanne maison remontant vers le réservoir de
refoulement B situe plus haut. Le clapet anti-retour D évite à l’eau qui est
montée dans le réservoir B de redescendre lorsque la vanne sera ouverte
pour un nouveau cycle. Le réservoir d'air E permettait d’amortir les chocs
dans la conduite de refoulement.
Le mérite de Montgolfier est d’avoir conçu une machine fonctionnant sur
le même principe mais de manière automatique sans intervention
humaine. II
appela cette machine Bélier hydraulique. Son idée fut de remplacer la
vanne manuelle par un clapet (appelé clapet de batterie) actionne par
l’eau.
II- Analyse fonctionnelle du système :
1- Aspect fonctionnel :
Avant de concevoir un produit, il est nécessaire de s'assurer que
ce produit répond effectivement à un besoin. C'est à dire qu'il a
une fonction précise à remplir, La détermination de cette fonction
est indispensable.
L’analyse fonctionnelle vise aussi à garantir aux produits, que nous
concevons, les fonctions qu’ils doivent remplir aux moindres coûts en se
référant aux besoins à satisfaire.
Les outils de l’analyse fonctionnelle :
L’analyse fonctionnelle est possible grâce à des outils clairement définis :
- Diagramme bête à corne.
- Diagramme pieuvre.
- Diagramme SADT.
- Diagramme FAST (Functional Analysis System Technique)
5
a- Diagramme bête à cornes :
Dès le lancement d’un projet, il est nécessaire d’expliciter simplement
le besoin primaire, c’est-à-dire l’exigence principale Il faut donc
exprimer le besoin et rien que le besoin et expliciter l’exigence
fondamentale qui justifie la conception d’un produit.
Pour cela, il est essentiel de se poser les trois questions suivantes :
- A qui, à quoi le produit rend-il service ?
- Sur qui, sur quoi agit-il ?
- Dans quel but ? (pour quoi ?)
La bête à cornes est un outil de représentation de ces questions
fondamentales. Dans notre cas, le diagramme bête à corne
correspondant à notre système est le suivant :
L’utilisateur
Cours d’eau
Bélier
hydrauliq
ue
Faire parvenir l’eau a un
réservoir situé à une
certaine
hauteur
sans
apport d’énergie extérieur
b- Validation du besoin :
Après avoir déterminé le besoin, il faut vérifier sa stabilité. Cette étape
consiste à valider la nécessité de la création de ce produit, ainsi que les
facteurs qui peuvent le faire disparaître ou alors le faire évoluer.
6
Risque de voir le scénario
Qu’est ce qui pourrait le
se
Pourquoi le
besoin existe-tfaire disparaître, évoluer
il
?
?
réaliser ? (en%)
- Remonter
- Le besoin existe car le - La disparition du produit
l’eau
d’un niveau bas besoin d’une récolte
n’est pas probable car ce
dernier utilise une
-La disparition du
vers un niveau
énergie
produit
renouvelable (le flux
haut pour
d’eau),
est liée aux conditions
irriguer un
et ne nécessite pas un
climatiques.
champ
apport d’énergie extérieur
d’agriculture.
2- Recherche des fonctions de service (diagramme pieuvre) :
Le diagramme pieuvre permet de définir les liens (c’est-à-dire les
fonctions de service et
de contrainte) entre le système étudie et son environnement. Il est
constitué du produit, au centre, et, autour, des éléments du milieu
extérieur. Nous allons faire apparaître les relations (fonctions) entre le
produit et son environnement. Ces relations correspondent au service
rendu par le produit. Pour notre système, le diagramme pieuvre
associé est comme suit :
On a deux types de fonctions :
- Les fonctions principales : ce sont les fonctions pour lesquelles le produit
est élaboré, donc en fait celles qui pourraient répondre aux exigences de
l'utilisateur.

Cours
d’eau
Réservoir d’un
utilisateur
FP1
Bélier FC3 Maintenance hydraulique
Energie
FC2
FC1
L’environnement
7
-
FP1 :
FC1 :
FC2 :
FC3 :
Faire parvenir de l’eau à un réservoir
Résister au milieu extérieur.
S’adapter à l’énergie hydraulique.
assurer la maintenance.
a- Validation des fonctions :
Expression de Pourquoi existeFonction
la
tfonction
elle ?
FP1
C1
C2
Faire parvenir de
l’eau à un
réservoir
réservoir
La disparition du
produit
est liée à l’utilisation
de
l’eau
Etre alimenté en Pour s’adapter à
énergie
hydraulique
l’énergie existante
La disparition de la
Résister au
milieu
extérieur
L’évolution de la
fonction
est liée au milieu de
travail.
Assurer la
C3
Pour remplir un
Disparition ou
évolution
possible
maintenance
Pour protéger le
produit
Etre réparable
fonction est liée à
l’utilisation d’une
autre
source d’énergie
---------------
8
3- Caractéristiques des inters acteurs :
Pour cette phase en adopte pour chaque inter acteur un tableau
récapitulatif qui définit les fonctions :




les critères définissant la fonction.
les niveaux d’acceptations précédents critères.
la flexibilité acceptée pour chaque critère.
les principes (principes de solution imposée par le client)
Interacteurs
cours d'eau
Tuyaux
Critères
- vitesse
-hauteur de
chute
-Forme
-Matière
-longueur
vase
d'expansion
-forme
- volume
Niveau
Flexibilité
 35 km/h
2
 5.5 m
2
Circulair

e
1
 Alliage
d’Aluminium
 11.41 M
 Cylindrique
 70.10
-3
3
m
clapet antiretour
1
1
1
1
2
1
--------------
----------------
Corps
- Matière

Acier
0
Crépine
-Matière
 laiton
2
Réservoir
-Matière
-volume
 Béton
1
3
 10 L
9
4- Diagramme SADT (Niveau A-0) :
L’objectif est de permettre de comprendre pourquoi un système existe,
ou doit être conçu, quelles fonctions doit il remplir et enfin, comment
elles sont réalisées. Et cela, quelle qu'en soit la complexité :
Hauteur Pression de l’eau
Eau à une vitesse
D’écoulement
Remonter l’eau a une
hauteur voulue sans
apport
d’énergie extérieur
Eau
récupérée
Eau perdue
Bélier hydraulique
5- Diagramme FAST :
Un diagramme FAST (Acronyme de ‘’Functional Analysis System
Technique’’) présente une traduction rigoureuse de chacune des
fonctions de service en fonction(s) technique(s), puis matériellement en
solution(s) constructive(s).Il sert à la recherche de solutions
technologiques. Il choisit des solutions pour construire finalement le
produit
Provisionner de
l’eau
Cours d’eau
(source naturelle)
Conduire l’eau
Tuyaux
Limiter la pression
Crépine
Empêcher l’eau
Pompée de
retourner
Clapet anti-retour
Stocker l’eau
temporairement
Vase d’expansion
Remonter l’eau à
une certaine
hauteur
Stocker l’eau en
permanence pour
être utilisée
Réservoir
10
III- Calculs :
1- Le débit fourni par le système :
Si Q est la quantité d'eau débitée par la source ou le ruisseau, la
quantité q d'eau remontée vers le réservoir d'utilisation, est calculée
par la formule :
hxQ
q = -------η où η représente le
rendement du bélier h+H
11
Tout d’abord déterminons les hauteurs d’élévation et de chute: le
diagramme suivant montre les hauteurs de chutes minimales et
maximales qui correspondent à une hauteur d'élévation donnée ou,
inversement, les hauteurs d'élévation minimales et maximales pour
une hauteur de chute donnée.
Dans notre cas, la hauteur H d'élévation est 30 m, la hauteur h de
chute doit donc être Comprise entre 4.5 et 30 m.
Pour résumé : Hauteur d’élévation : 30 mètres
Hauteur de chute : 20 mètres
On a donc une source à un débit de 2755 l/min dont une partie la plus
grande possible doit être pompée 30 m plus haut.
Ainsi, dans notre cas, la quantité d'eau remontée sera de :
{(20 x 2755) / (20+30)} x 0.70 = 771,4 l/min ou 1 111 m³/jour.
2- La longueur de la conduite motrice L :
La longueur de la conduite motrice est importante pour une un bon
fonctionnement de L’installation. La longueur de la conduite doit être
comprise entre environ, 3 à 5 fois la hauteur de chute, nous choisirons 4
soit :
L = 4* h=4*20=80m
12
La conduite motrice devant résister aux "coups de bélier" il est
indispensable qu'elle Soit réalisée en matériaux rigides tels que tuyaux
d'acier ou de fonte. Les tuyaux en matière plastique sont à proscrire
pour cet usage à cause de leur élasticité.
De même, la conduite motrice doit être réalisée avec le plus grand
soin, elle doit être parfaitement étanche sous peine d'entraîner des
dysfonctionnements du bélier. Des manchons union à joints plats ne
sont pas adaptés à la réalisation d'une conduite motrice.
La 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 l'inverse. Il faut
éviter pour sa construction des courbes et des coudes. Si une courbe
latérale
Ne peut être évitée, il faut la réaliser avec le plus grand rayon de
courbure possible.
Il est conseillé de ne pas combler les fossés éventuellement
creusés pour enfouir la conduite motrice avant d'avoir vérifié le bon
fonctionnement du bélier.
3- Diamètre de la conduite motrice :
a- Tableau de débit d’alimentation des différents béliers hydrauliques :
Diamètre
nominal de
la
conduite
d'amenée
Débit
d'alimentati
on
nécessaire
au
fonctionnem
en
du bélier
1
1/4 1 ½
diam. Int.
(inch)
diam Int.
32
(mm)
litres
de 7
2
2 1/2 3
16
5
6
7
8
40
50 65
80 100 125 150 175 200
12
27 45
68 136 180 364 545 770
55 96
13
113 154
7 270 410 750 6
5
par
à
4
25
minute
Dans notre cas, un débit de 774,1
litres par minute est requis pour
remplir un réservoir de 1 120m3 via la conduite de refoulement.
Par conséquent, le diamètre nominal de la conduite d’amenée doit
être de 200mm d’après le tableau ci-dessus.
13
4- Le collecteur :
Le collecteur peut avoir n'importe qu'elle grandeur, Toutefois, la conduite
motrice doit toujours être suffisamment couverte d'eau, au moins 30 à 40
cm d'eau. La quantité excédentaire d'eau (différence entre le débit du
fleuve et le débit moyen de la conduite motrice sera évacuée par un
dispositif de trop plein).
Dans notre cas, prenons un tuyau de ciment de 1 m de diamètre.
Idéalement, le collecteur doit être construit de manière à ce que les
bulles d'air amenée Par l'eau débouchant de la source dans le collecteur
n'atteignent jamais la conduite motrice : De l'air dans la conduite motrice
perturberait le bon fonctionnement du bélier. Dans 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 d'arrivée pour que
l'eau ne reflue pas dans ce tuyau, mais pas trop basse pour que le passage
de l'eau d'une chambre à l'autre ne provoque pas de nouveaux remous et
donc une nouvelle formation de bulles d'air.
Le trop plein d'évacuation sera également prévu au même niveau que la
cloison de séparation.
Pour éviter que des déchets importants ne passent dans la conduite
motrice, le départ de celle-ci sera placé quelques centimètres au-dessus
du fond du collecteur qui sera régulièrement nettoyé. On peut ainsi
combiner un système de trop plein avec une conduite de vidange)
14
5- Conduite d’alimentation ou de refoulement :
- Diamètre de la conduite de refoulement
Le diamètre de cette conduite dépend du modèle de bélier. Dans le cas
présent, on choisit un diamètre de 250 mm
- Longueur de la conduite de refoulement
La conduite d'alimentation doit idéalement ne pas avoir de contre-pente.
Dans le cas
Où cette condition est impossible à respecter, des possibilités d'aération
sont à prévoir sur les "points hauts".
La conduite d'alimentation peut être réalisée en tuyaux plastiques; ceux-ci
Doivent Cependant être adaptés à la pression à laquelle ils doivent pouvoir
résister et qui
Dépend de la hauteur de remontée.
Il est conseillé de ne pas combler les fossés éventuellement creusés
pour enfouir la conduite motrice avant d'avoir vérifié le bon
fonctionnement du bélier.
Pour estimer une longueur de la conduite d’alimentation, il faut
simultanément prendre en compte la hauteur d’élévation de l’eau.
Le calcul de la hauteur d’élévation est réalisé à partir de :
o La hauteur d’aspiration: c’est la hauteur entre le niveau de l’eau pompée
et l’axe de la pompe. Dans notre cas elle est de 1.50m.
O La hauteur de refoulement : c’est la hauteur entre l’axe de la pompe
et le point le plus haut Du réseau. Dans notre cas elle est de 100m. .
O La perte de charge : il s’agit de la résistance rencontrée par l’eau dans
les tuyaux.
Elle se calcule, normalement en fonction de la longueur, du diamètre, de
la qualité des tuyaux, de leur forme et du nombre d’accessoires. Dans
notre cas on considérera que la tuyauterie a un large diamètre (>
1000mm), par conséquent la vitesse de l’eau à
15
l’intérieur sera faible, de réservoir de stockage. Cependant, pour
s’assurer un fonctionnement optimal de notre système, on
prendra 25 % de perte de charge.
Hauteur d’élévation = Hauteur d’aspiration + Hauteur de
refoulement + Perte de charge
=1,5+100+2.5=104m.
La conduite de la conduite de refoulement sera donc de 104m.
6- Le réservoir d’alimentation :
3
Le réservoir d'alimentation de capacité 1120 m
est construit
idéalement au-dessus de la zone d'utilisation de manière à permettre un
écoulement par gravité vers le lieu d'utilisation sous une certaine
pression. Cette disposition permet un écoulement régulier et si
nécessaire une réserve peut être ainsi créée pour couvrir les besoins plus
importants.
L'entrée de la conduite d'alimentation dans le réservoir doit se faire audessus du niveau d'eau maximum de manière à toujours permettre un
écoulement libre du conduit d'alimentation et de pouvoir ainsi vérifier le
débit; un système de trop-plein limitant le niveau d'eau dans le réservoir
doit donc être prévu juste en dessous du niveau d'arrivée du conduit
d'alimentation.
De plus, pour maintenir une bonne circulation et une bonne fraîcheur de
l'eau utilisée, la prise d'eau de consommation se fera en face de la sortie
de la conduite d'alimentation
Des vannes d'arrêt seront placées à l'entrée et à la sortie du bélier
pour permettre son isolement et un démontage facile.
Un robinet de vidange sera également placé sur le départ de la conduite
d'alimentation pour permettre, si nécessaire, sa vidange et donc la mise
à pression atmosphérique de la conduite en cas d'intervention
nécessaire.
16
VI-Modélisation et conception :
A l’aide du logiciel CATIA V5 R20 on a pu modéliser la conception du bélier
hydraulique et
cela suivant quatre étapes :
 Modélisation de chaque pièce en 3D dans l’atelier Part design.
 Assemblage du mécanisme dans l’atelier Assembly design.
 Les dessins de définition et dessins d’ensemble dans l’atelier
Drafting.
17
- Modélisation en 3D :
Tube de conduite d’eau en 3D
18
Le vase
d’expansion
en 3D
Le système
complet,
assemblé ; le
bélier
hydraulique
19
2
0
2
1
2
2
Conclusion :
Durant tout le temps que nous avons passé à faire ce
PFE, nous avons été confrontés à de réels problèmes de
conception, à savoir :
- La collecte d’information ;
- La conception de la maquette ;
- Le dimensionnement des pièces ;
- La validation des solutions choisies ;…
Ceci nous a permis de piocher dans les savoirs que nous
avons acquis pendant les deux années de notre
formation en DUT CMP à L’ENSET de
Rabat.
Ainsi, nous avons utilisé les outils de l’analyse
fonctionnelle et l’outil
Catia pour la partie conception, ainsi que des documents
de constructeurs (abaques), 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.
Ce PFE, 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.
23
Bibliographie :
 Sites internet : -http://www.codeart.org/pdf/dossier/realisationd-un-belier-hydraulique.pdf -http://www.wikiwater.fr/e43-lespompes-a-energie.html
 Cours de construction mécanique
24