Qu’est-ce qu’une pompe centrifuge? Définition

Pompes centrifuges

Pièces principales d’une pompe centrifuge

Chaque pompe centrifuge est composée de centaines de pièces. Il y a quelques composants que pratiquement chaque pompe centrifuge a en commun. Ces composants peuvent être subdivisés en extrémité humide et en extrémité mécanique .

L’ extrémité humide de la pompe comprend les pièces qui déterminent les performances hydrauliques de la pompe . Les deux extrémités humides primaires sont la roue et le carter . Dans certains cas, le premier roulement radial peut être lubrifié à l’eau. Dans ce cas, le roulement peut également appartenir aux extrémités humides.

L’ extrémité mécanique comprend les pièces qui soutiennent la roue à l’intérieur du boîtier . L’extrémité mécanique de la pompe comprend l’ arbre de pompe , l’ étanchéité, les roulements et le manchon d’arbre .

Ces composants sont conçus pour effectuer des tâches spécifiques:

• Roue. La roue est un rotor utilisé pour augmenter l’énergie cinétique du flux.
• Boîtier (Volute). Le boîtier contient le liquide et agit comme un récipient de confinement de pression qui dirige le flux de liquide dans et hors de la pompe centrifuge. La volute est un entonnoir incurvé qui augmente de surface à l’approche de l’orifice de décharge. La volute d’une pompe centrifuge est l’enveloppe qui reçoit le fluide pompé par la roue, ralentissant le débit du fluide. Par conséquent, selon le principe de Bernoulli, la volute convertit l’énergie cinétique en pression en réduisant la vitesse tout en augmentant la pression. Certaines pompes centrifuges contiennent des diffuseurs. Un diffuseur est un ensemble d’aubes fixes qui entourent la roue. Le diffuseur dirige le débit, permet une expansion plus progressive et augmente donc l’efficacité de la pompe centrifuge.
• Arbre (rotor). La roue est montée sur un arbre. L’arbre est un composant mécanique pour transmettre le couple du moteur à la roue.
• Étanchéité d’arbre. Les pompes centrifuges sont fournies avec des bagues de garniture ou une garniture mécanique qui aident à empêcher la fuite du liquide pompé.
• Roulements. Les roulements limitent le mouvement relatif de l’arbre (rotor) et réduisent le frottement entre l’arbre rotatif et le stator. Il existe au moins 5 types de roulements courants, chacun fonctionnant selon des principes différents:
  • Palier lisse
  • Palier à roulement
  • Roulement bijou
  • Palier fluide
  • Roulement magnétique

Types de roues dans les pompes centrifuges

La conception de la roue est le facteur le plus important pour déterminer les performances d’une pompe centrifuge. Une roue correctement conçue optimise le débit tout en minimisant les turbulences et en maximisant l’efficacité .

La roue d’une pompe centrifuge peut être de trois types de base :

• Roue ouverte.  Les roues ouvertes ont les aubes libres des deux côtés. Les roues ouvertes sont structurellement faibles. Ils sont généralement utilisés dans des pompes de petit diamètre et peu coûteuses et des pompes manipulant des matières en suspension.
• Roue semi-ouverte . Les aubes sont libres d’un côté et fermées de l’autre. Le carénage ajoute une résistance mécanique. Ils offrent également des rendements plus élevés que les roues ouvertes. Ils peuvent être utilisés dans des pompes de diamètre moyen et avec des liquides contenant de petites quantités de solides en suspension. En raison de la minimisation de la recirculation et d’autres pertes, il est très important qu’un petit jeu existe entre les aubes de la roue et le carter.
• Roue fermée . Les aubes sont situées entre les deux disques, le tout dans une seule pièce moulée. Ils sont utilisés dans les grandes pompes à haut rendement et à faible hauteur d’ aspiration nette requise . Les pompes centrifuges à roue fermée sont les pompes les plus utilisées pour traiter les liquides clairs. Ils reposent sur des bagues d’usure à jeu réduit sur la roue et sur le corps de pompe. La roue fermée est une conception plus compliquée et plus coûteuse non seulement à cause de la roue, mais des bagues d’usure supplémentaires sont nécessaires.

Les pales de la roue peuvent être:

• Conception de lame incurvée vers l’arrière (conception préférée en raison de la pente négative de la courbe de performance)
• Conception de la lame radiale
• Conception de la lame incurvée vers l’avant (en raison de conditions de pente positives, cette conception peut provoquer une surtension de la pompe)

Les roues peuvent être soit:

• Aspiration simple . Une turbine à aspiration unique permet au liquide de pénétrer au centre des pales dans une seule direction.
• Double aspiration . Une roue à double aspiration permet au liquide de pénétrer au centre des pales de la roue des deux côtés simultanément. Cela réduit les forces exercées sur l’arbre.

La pression de sortie change légèrement selon la conception utilisée. Les lames peuvent être ouvertes ou fermées. Le diffuseur peut également être équipé d’ailettes fixes pour aider à guider le flux vers la sortie. L’énergie transférée au liquide correspond à la vitesse au bord de la roue. Plus la roue tourne vite ou plus la roue est grande, plus la tête de vitesse sera élevée.

En général, les pompes centrifuges peuvent être classées en fonction de la manière dont le fluide s’écoule à travers la pompe. Ce n’est pas une classification basée uniquement sur la roue, mais elle est basée sur la conception du corps de pompe et de la roue . Les trois types de flux à travers une pompe centrifuge sont:

• écoulement radial
• flux mixte (en partie radial, en partie axial)
• débit axial (type hélice)

Caractéristiques de performance des pompes centrifuges

Bien que la théorie des pompes centrifuges donne de nombreux résultats qualitatifs, l’indicateur le plus important des performances d’une pompe réside dans des tests hydrauliques approfondis .

Dans l’industrie, les caractéristiques de toutes les pompes sont généralement lues à partir de sa courbe QH  ou courbe de performance  (débit – hauteur). Comme on peut le voir, les graphiques de performance utilisent un débit – Q (généralement en m ³ / h) et une tête de pompe – H (généralement en m) comme variables de performance de base.

Tête de système

Dans le chapitre sur la perte de charge , il a été déterminé que les pertes majeures et mineures dans les systèmes de tuyauterie sont proportionnelles au carré de la vitesse d’écoulement . Il est évident que la perte de charge du système doit être directement proportionnelle au carré du débit volumétrique, car le débit volumétrique est directement proportionnel à la vitesse d’écoulement.

Il faut ajouter que les systèmes hydrauliques ouverts contiennent non seulement la tête de friction, mais aussi la tête d’élévation , qui doit être prise en compte. La tête d’élévation (tête statique) représente l’énergie potentielle d’un fluide en raison de son élévation au-dessus d’un niveau de référence.

Dans de nombreux cas, la tête totale d’un système est une combinaison de la tête d’élévation et de la tête de friction, comme indiqué sur la figure.

En génie nucléaire, la plupart des systèmes hydrauliques sont des boucles hydrauliques fermées et ces systèmes n’ont qu’une tête de friction (pas de tête statique).

Tête de pompe – courbe de performance

Dans la dynamique des fluides, le terme tête de pompe est utilisé pour mesurer l’énergie cinétique créée par une pompe. La tête est une mesure de la hauteur de la colonne de fluide incompressible que la pompe pourrait créer à partir de l’énergie cinétique que la pompe donne au liquide. La hauteur et le débit déterminent les performances d’une pompe, qui sont représentées graphiquement sur la figure comme la courbe de performances ou la courbe caractéristique de la pompe . La raison principalede l’utilisation de la tête au lieu de la pression pour déterminer les performances d’une pompe centrifuge est que lela hauteur de la colonne de fluide ne dépend pas de la gravité spécifique (poids) du liquide , tandis que la pression d’une pompe changera. En termes de pression, la tête de pompe ( _pompe ΔP ) est la différence entre la contre-pression du système et la pression d’entrée de la pompe.

La tête de pompe maximale d’une pompe centrifuge est principalement déterminée par le diamètre extérieur de la roue de la pompe et la vitesse angulaire de l’ arbre  – la vitesse de l’arbre en rotation. La tête changera également lorsque le débit volumétrique à travers la pompe augmentera.

Lorsqu’une pompe centrifuge fonctionne à une vitesse angulaire constante , une augmentation de la hauteur du système (contre-pression) sur le flux qui en résulte entraîne une réduction du débit volumétrique que la pompe centrifuge peut maintenir.

La relation entre la tête de pompe et le débit volumétrique (Q) , qu’une pompe centrifuge peut maintenir, dépend de diverses caractéristiques physiques de la pompe comme:

• la puissance fournie à la pompe
• la vitesse angulaire de l’arbre
• le type et le diamètre de la roue

et le fluide utilisé:

• densité de fluide
• viscosité fluide

Cette relation est très compliquée et son analyse réside dans des tests hydrauliques approfondis de certaines pompes centrifuges. Comme on peut le voir sur l’image ci-dessous.

Caractéristiques de fonctionnement d’une boucle hydraulique

Lorsque nous rassemblons les caractéristiques de frottement  (tête du système) d’une boucle hydraulique et la courbe de performance, le résultat décrira les caractéristiques de l’ensemble du système (par exemple, une boucle du circuit primaire ). La figure suivante montre la courbe de performance typique d’une pompe centrifuge liée à la tête de friction du système.

La tête de pompe , sur l’axe vertical, est la  différence entre la contre-pression du système et la pression d’entrée de la pompe ( _pompe ΔP ). Le débit volumétrique (Q) , sur l’axe horizontal, est le débit auquel le fluide s’écoule à travers la pompe. Comme on peut le voir, la tête est approximativement constante à faible débit, puis tombe à zéro à Q _max . À faible débit, les caractéristiques peuvent être instables (avec une pente positive de la tête de pompe). Il s’agit de caractéristiques indésirables, car une pompe instable peut commencer à osciller entre les deux combinaisons possibles de débit et la canalisation peut vibrer.

Au débit Q1, la pompe gagne plus de charge que ne consomme les pertes par friction, donc le débit à travers le système augmentera . Le débit se stabilisera au point où les pertes par frottement coupent les caractéristiques de la pompe .

Afin de caractériser les performances des pompes centrifuges, les termes suivants sont définis:

Fonctionnement en série des pompes centrifuges (Booster)

Afin d’augmenter le débit volumétrique dans un système ou de compenser des pertes importantes ou mineures importantes , les pompes centrifuges sont souvent utilisées en parallèle ou en série .

Le fonctionnement en série des pompes centrifuges est utilisé pour surmonter une perte de charge importante dans le système ou pour augmenter considérablement la pression lorsque le liquide est injecté dans un système à très haute pression (par exemple, les systèmes d’injection de sécurité à haute pression dans les REP , où des pompes à plusieurs étages sont utilisées).

Lorsqu’une pompe centrifuge fonctionne en boucle fermée, la pression de refoulement résultante sera simplement la somme de la pression d’aspiration et de la pression normalement développée par la pompe lorsqu’elle fonctionne à une pression d’aspiration nulle. Par conséquent, il est bien adapté pour une utilisation en tant que pompe de surpression lorsqu’il est utilisé en série. La tête produite par deux pompes ou plus est égale à la somme des têtes individuelles . Le débit volumétrique de l’entrée de la première pompe à la sortie de la seconde reste le même. Dans la pratique, les pompes à plusieurs étages ( pompe à plusieurs roues ) sont construites afin d’atteindre une hauteur de pompe plus élevée.

Fonctionnement parallèle des pompes centrifuges

Afin d’augmenter le débit volumétrique dans un système ou de compenser des pertes importantes ou mineures importantes, les pompes centrifuges sont souvent utilisées en parallèle ou en série .

Le fonctionnement parallèle des pompes centrifuges est utilisé pour augmenter le débit à travers le système. Les pompes fonctionnant en parallèle tirent leur aspiration d’un collecteur commun et se déchargent dans une décharge commune . Bien que la tête ne change que légèrement, le débit est presque doublé à un moment donné. Il faut noter que le débit volumétrique est en réalité inférieur au double du débit atteint en utilisant une seule pompe. Cela est dû à une plus grande perte de charge du système résultant d’un débit plus élevé.

Modes de défaillance majeurs des pompes centrifuges

Les pompes centrifuges étant l’un des types de pompes les plus utilisés au monde, leurs paramètres de fonctionnement ainsi que leurs vulnérabilités sont bien connus. Cet article examine les principaux modes de défaillance qui se trouvent dans les pompes centrifuges . En général, les pannes de pompe entraînent des changements de fonctionnement qui réduisent l’efficacité ou peuvent entraîner une panne de la pompe. La fiabilité des systèmes hydrauliques et également des pompes centrifuges est de la plus haute importance en génie nucléaire .

Les modes de défaillance des pompes centrifuges peuvent être regroupés en trois catégories:

Modes de défaillance hydraulique

• Cavitation. La cavitation est, dans de nombreux cas, un événement indésirable. Dans les pompes centrifuges, la cavitation provoque des dommages aux composants (érosion du matériau), des vibrations, du bruit et une perte d’efficacité.
• Pulsation de pression.  Les pulsations de pression sont des fluctuations de la pression de base. Pour les pompes à haut débit, les pulsations de pression d’aspiration et de refoulement peuvent entraîner une instabilité des commandes de la pompe, des vibrations de la tuyauterie d’aspiration et de refoulement et des niveaux élevés de bruit de pompe.
• Recirculation de la pompe. Une pompe fonctionnant à une capacité inférieure aux limites de conception peut souffrir d’une recirculation qui se produit à l’intérieur des pompes. La recirculation de la pompe peut provoquer une poussée et une cavitation même lorsque le NPSHa disponible dépasse considérablement le NPSHr du fournisseur.
• Poussée radiale et axiale. Une poussée radiale élevée qui entraîne des déformations excessives de l’arbre peut entraîner des problèmes persistants de garniture ou de garniture mécanique et, éventuellement, une défaillance de l’arbre. La poussée axiale est imposée le long de l’axe de l’arbre. Une poussée axiale élevée peut imposer une charge excessive sur le roulement.

Modes de défaillance mécanique

• Saisie ou rupture de l’arbre
• Défaillance du roulement
• Échec du joint
• Les vibrations
• Fatigue

Autres modes de défaillance

• Érosion
• Corrosion

Cavitation dans les pompes centrifuges

Les principaux endroits où la cavitation se produit sont dans les pompes, sur les roues ou les hélices . Dans les pompes centrifuges, la cavitation résulte d’une réduction de la pression d’aspiration , d’une augmentation de la température d’aspiration ou d’une augmentation du débit au-dessus de celle pour laquelle la pompe a été conçue.

Il existe deux types de base de cavitation de pompe :

Numéro de cavitation

Le nombre de cavitation (Ca) ou paramètre de cavitation est un nombre sans dimension utilisé dans les calculs de débit. Il est classique de caractériser la proximité de la pression dans le flux de liquide avec la pression de vapeur (et donc le potentiel de cavitation) au moyen du nombre de cavitation.

Le nombre de cavitation peut être exprimé comme suit:

où

CA = numéro de cavitation

p = pression locale (Pa)

p _v = pression de vapeur du fluide (Pa)

ρ = densité du fluide (kg / m ³ )

v = vitesse du fluide (m / s)

Dégâts de cavitation

La cavitation est, dans de nombreux cas, un événement indésirable. Dans les pompes centrifuges, la cavitation provoque des dommages aux composants (érosion du matériau), des vibrations, du bruit et une perte d’efficacité.

Le problème technique le plus important causé par la cavitation est peut-être les dommages matériels que les bulles de cavitation peuvent causer lorsqu’elles s’effondrent au voisinage d’une surface solide. L’effondrement des bulles de cavitation est un processus violent qui génère des ondes de choc et des microjets très localisés . Ils forcent le liquide énergétique dans de très petits volumes, créant ainsi des taches de température élevée et ces perturbations intenses génèrent des contraintes de surface hautement localisées et transitoires sur une surface solide. Des signes d’ érosion apparaîtront sous forme de piqûres en raison de l’action de coup de bélier des bulles de vapeur qui s’effondrent. Il a été constaté que les taux de dommages par cavitation augmentent rapidement avec l’augmentation du débit volumique.

Les matériaux plus mous peuvent être endommagés même en cas de cavitation à court terme . Des piqûres individuelles peuvent être observées après l’effondrement d’une seule bulle. Par conséquent, des matériaux plus durs sont utilisés pour les pompes centrifuges . Mais avec les matériaux plus durs utilisés dans la plupart des applications, la contrainte cyclique due à des effondrements répétés peut entraîner une défaillance locale de la fatigue de surface . Ainsi, les dommages causés par la cavitation aux métaux ont généralement l’apparence d’une défaillance par fatigue .

Lorsque les bulles de cavitation s’effondrent, elles forcent le liquide énergétique dans de très petits volumes, créant ainsi des taches de haute température et émettant des ondes de choc, ces dernières étant une source de bruit. Bien que l’effondrement d’une petite cavité soit un événement relativement peu énergivore, des effondrements très localisés peuvent éroder les métaux, tels que l’acier, au fil du temps. Les piqûres causées par l’effondrement des cavités produisent une grande usure des composants et peuvent considérablement réduire la durée de vie d’une hélice ou d’une pompe.

La cavitation s’accompagne généralement également de:

• Bruit. Le bruit typique est causé par l’effondrement des cavités. Le niveau du bruit qui résulte de la cavitation est une mesure de la gravité de la cavitation.
• Vibration . Les vibrations de la pompe dues à la cavitation sont des vibrations de basse fréquence caractéristiques, généralement trouvées dans la plage de 0 à 10 Hz.
• Réduction de l’efficacité de la pompe . Une diminution de l’efficacité de la pompe est un signe plus fiable d’apparition de cavitation.