Une pompe de puits profond est un dispositif électromécanique spécialisé utilisé pour extraire les eaux souterraines des puits profonds. Ses principes de conception intègrent des connaissances issues de plusieurs disciplines, notamment la mécanique des fluides, la transmission mécanique et l'ingénierie des matériaux, dans le but d'obtenir un transport hydraulique en fond de trou efficace, fiable et stable. Par rapport aux pompes centrifuges classiques, les pompes pour puits profonds fonctionnent dans des puits de forage longs et étroits, surmontant une pression hydrostatique importante et une résistance au transport sur de longues distances, tout en s'adaptant aux limitations de diamètre des puits et aux exigences spécifiques d'installation et de maintenance. Ils possèdent donc des caractéristiques distinctes dans leur structure et leurs principes de fonctionnement.
Le principe de fonctionnement de base des pompes pour puits profonds est basé sur le mécanisme de conversion d’énergie des pompes centrifuges. Le moteur transmet le couple à une turbine à plusieurs étages en fond de trou via un accouplement ou un arbre long. La rotation à grande vitesse-de la roue transmet une force centrifuge à l'eau souterraine entrant dans la chambre de la pompe, créant une zone à haute-pression au bord extérieur de la roue et une zone à basse-pression au centre, permettant une prise et une évacuation d'eau continues. La structure de roue à plusieurs étages-connectée en série-peut augmenter progressivement la pression de l'eau dans un espace axial limité, répondant ainsi aux exigences de hauteur de chute élevée des puits profonds. L'eau s'écoule à travers une série de turbines et d'aubes directrices, subissant une pressurisation et une rectification, avant d'être finalement acheminée vers le système de canalisations de surface depuis la sortie supérieure de la pompe.
Pour s'adapter aux espaces étroits des puits profonds, les pompes pour puits profonds sont structurellement disposées verticalement. Le moteur peut être placé en surface (installation sèche) ou directement connecté au puits via un arbre long (installation humide). Dans l'installation sèche, le moteur est séparé du corps de la pompe et la puissance est transmise à la turbine en fond de trou via l'arbre long. Cela évite la corrosion du moteur par l'humidité et l'eau de puits, mais nécessite de résoudre les problèmes de vibrations causés par la concentricité et la déflexion de l'arbre long. L’installation humide, quant à elle, plonge entièrement le moteur et le corps de la pompe dans l’eau. Le moteur présente une conception de joint étanche, ce qui se traduit par une structure compacte et une installation facile, mais impose des exigences plus élevées en matière d'étanchéité et de refroidissement du moteur. Les deux formes structurelles nécessitent une prise en compte approfondie de la profondeur et du diamètre du puits, des variations du niveau d’eau et de la facilité d’entretien pendant la conception.
La conception hydraulique est cruciale pour les performances des pompes pour puits profonds. Le profil de la roue, le nombre de pales, l'angle de sortie et la largeur du canal d'écoulement doivent être optimisés en fonction du débit nominal et de la hauteur nominale pour réduire les pertes hydrauliques, améliorer l'efficacité et supprimer les tourbillons et la cavitation pendant le fonctionnement. Les aubes directrices convertissent le flux de liquide à grande vitesse provenant de la roue en un flux de pression stable, réduisant ainsi le gradient de vitesse et l'intensité des turbulences, réduisant ainsi la perte d'énergie et le bruit. L'espacement et la longueur axiale totale des roues à plusieurs étages - doivent être minimisés tout en répondant aux exigences de tête pour s'adapter aux diamètres de puits courants et réduire les difficultés d'installation.
La sélection des matériaux suit également les contraintes des principes de conception. L’environnement du puits implique la pression de l’eau, l’érosion des sédiments, une corrosion chimique potentielle et des variations de température. Le corps de la pompe, la turbine et l'arbre doivent être fabriqués à partir de matériaux à haute -résistance, à la corrosion-résistants à l'usure-, tels que l'acier inoxydable, le bronze ou l'acier au carbone renforcé en surface-, pour garantir une fiabilité opérationnelle à long-fiabilité opérationnelle. La conception de la garniture mécanique doit équilibrer l’étanchéité et la résistance à l’usure pour empêcher l’eau du puits de s’infiltrer dans le moteur ou les roulements.
De plus, la conception des pompes pour puits profonds doit pleinement prendre en compte les caractéristiques de démarrage et la stabilité opérationnelle. Étant donné que les fluctuations du niveau d'eau statique dans le puits peuvent affecter les conditions d'aspiration, les conceptions utilisent souvent un diamètre d'entrée d'aspiration plus grand et une profondeur d'immersion appropriée pour réduire le risque de cavitation. L'adaptation de l'inertie de rotation du moteur et du corps de la pompe, ainsi que la rigidité du support de roulement et la conception de l'amortissement, sont utilisées pour contrôler l'amplitude des vibrations et garantir un fonctionnement stable sous différentes charges et conditions de niveau d'eau.
Dans l’ensemble, le principe de conception des pompes pour puits profonds est de répondre aux exigences de hauteur de chute élevée et de rendement élevé de l’extraction d’eau de puits profonds. Ceci est réalisé grâce à la superposition énergétique de turbines verticales à plusieurs étages, une structure compacte adaptée au diamètre du puits, un modèle hydraulique optimisé et des matériaux et solutions d'étanchéité fiables, permettant une extraction sûre et un transport stable des eaux souterraines. L'application approfondie de ce principe a rendu les pompes de puits profonds irremplaçables dans l'irrigation agricole, l'approvisionnement en eau urbain et rural et la prise d'eau industrielle.