Qu'est-ce qu'une pompe à engrenages ?
Une pompe volumétrique (également appelée ‘pompe à déplacement’ ou ‘pompe PD’) utilise une action mécanique pour déplacer un fluide physiquement ; contrairement à une pompe centrifuge qui convertit la vitesse en pression.
Il existe deux types de pompes volumétriques : rotatives et alternatives. Une pompe à engrenages est un type de pompe volumétrique rotative. Les pompes volumétriques alternatives se déplacent de manière linéaire et nécessitent des valves d'aspiration et de refoulement pour fonctionner. Les pompes volumétriques sont généralement utilisées pour des applications à faible débit et à haute pression, mais c'est une généralisation approximative.
Inventées au début du 17ème siècle par Johannes Kepler, les pompes à engrenages sont souvent utilisées pour des applications de puissance hydraulique ainsi que pour des applications à haute viscosité (fluide épais). Comme toutes les pompes volumétriques, elles peuvent pomper de l'air, et sont donc auto-amorçantes.
Bien qu'il existe plusieurs conceptions de pompes à engrenages, il y a deux conceptions principales. Une conception utilise deux engrenages identiques qui s'engrènent l'un avec l'autre ; ce type est appelé pompe à engrenages externes. La deuxième conception a un engrenage placé à l'intérieur d'un autre ; ce type est appelé pompe à engrenages internes.
Conceptions de Pompes à Engrenages Externes (gauche) et Internes (centre et droite)
Les fluides évacués d'une pompe à engrenages s'écoulent généralement avec de faibles pulsations de pression, ce qui entraîne un écoulement ‘régulier’ et constant. Le débit à travers la pompe est directement proportionnel à la vitesse de rotation des engrenages, ce qui fait de la pompe à engrenages un bon choix pour les applications de dosage (où la quantité de débit doit être mesurée avec précision).
Les pompes à engrenages sont généralement entraînées électriquement à l'aide d'un moteur électrique, mais elles peuvent également être entraînées hydrauliquement ou mécaniquement, selon la conception et l'application. Par exemple, de nombreux tracteurs utilisent des pompes à engrenages pour les systèmes hydrauliques embarqués (levage et abaissement d'une charrue, etc.), et la pompe est connectée mécaniquement au moteur du tracteur.
La vitesse de rotation d'une pompe à engrenages et les jeux mécaniques serrés minimisent la quantité de fluide s'écoulant dans la mauvaise direction (fuite) ; une fuite réduite conduit à une efficacité de pompe plus élevée.
Connaissance utile – le fluide ou le matériau pompé par une pompe est appelé ‘pompage’. Le pompage peut inclure des solides, des liquides, des vapeurs ou des gaz, selon la conception de la pompe (les pompes à vis peuvent pomper des écrous et des boulons !).
Engrenages de Pompe à Engrenages
Les engrenages de pompe à engrenages sont souvent de type engrenage droit, bien que les pompes à engrenages utilisant des engrenages hélicoïdaux ou chevrons ne soient pas rares. Les engrenages hélicoïdaux et chevrons offrent un débit plus régulier (faibles pulsations de pression) que les engrenages droits ; ils sont également privilégiés pour les applications à plus grande capacité/débit.
Types d'Engrenages de Pompe à Engrenages
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Pompes à Engrenages Externes
Une pompe à engrenages externes se compose d'un orifice d'aspiration, d'un orifice de refoulement, d'engrenages, de paliers et d'un carter.
Composants de Pompe à Engrenages Externes
Les engrenages d'une pompe à engrenages externes sont installés parallèlement les uns aux autres. Un arbre est installé à travers l'axe central de chaque engrenage et des paliers maintiennent chaque arbre en position. Les deux engrenages sont classés comme engrenages externes car les dents d'engrenage sont situées sur la surface externe de chaque engrenage. Typiquement, un engrenage est un engrenage entraîné (‘maître’, ‘leader’) tandis que l'autre est un engrenage libre (‘esclave’, ‘suiveur’). Les engrenages libres ne tournent que si leur engrenage entraîné associé tourne. Un carter avec deux ouvertures entoure les engrenages, ces ouvertures forment les orifices d'aspiration et de refoulement.
Animation de Pompe à Engrenages Externes
Une autre conception de pompe à engrenages externes utilise des engrenages qui sont tous deux entraînés par des engrenages de synchronisation, mais cette conception est plus complexe, plus coûteuse et par conséquent moins courante. Elle présente cependant l'avantage que les engrenages ne se touchent pas, ce qui signifie que des fluides avec des qualités de lubrification inférieures (faible lubrification) peuvent être pompés.
Pompes à Engrenages Internes
Les pompes à engrenages internes fonctionnent sur le même principe que les pompes à engrenages externes, mais les pompes à engrenages internes ont un engrenage installé à l'intérieur d'un autre. Contrairement aux engrenages d'une pompe à engrenages externes, les deux engrenages accouplés ne sont pas de la même taille. Le petit engrenage intérieur est appelé le rotor et le grand engrenage extérieur l'engrenage libre.
Animation de Pompe à Engrenages Internes
Les pompes à engrenages internes ont des dents d'engrenage sur la surface interne de l'engrenage libre afin qu'elles puissent interagir avec les dents d'engrenage externes du rotor. Les deux ensembles d'engrenages (rotor et engrenage libre) s'emboîtent/s'engrènent de la même manière que ceux d'une pompe à engrenages externes.
Comment Fonctionnent les Pompes à Engrenages ?
Les pompes à engrenages piègent le fluide du côté aspiration et le refoulent à une pression plus élevée du côté refoulement. Le principe de fonctionnement d'une pompe à engrenages externes est très similaire à celui d'une pompe à engrenages internes ; les deux principes de fonctionnement seront discutés séparément pour plus de clarté.
Comment Fonctionnent les Pompes à Engrenages Externes
Le fluide entre dans la pompe du côté aspiration. Lorsque les engrenages du côté aspiration tournent, l'espace volumétrique entre leurs dents d'engrenage augmente. Le fluide pénètre dans l'espace/les cavités entre les dents en raison de la pression d'aspiration négative à l'intérieur des cavités. Au fur et à mesure que les engrenages tournent davantage, le fluide dans les cavités est piégé entre les engrenages et le carter.
Fonctionnement de la Pompe à Engrenages Externes
Après une rotation supplémentaire, les engrenages approchent du côté refoulement. L'écart entre les engrenages et le carter augmente et le fluide s'échappe des cavités. Une rotation supplémentaire des engrenages les amène à s'engrener (s'emboîter), ce qui entraîne l'expulsion de tout fluide restant dans les cavités. Ainsi, lorsque les engrenages commencent à se séparer à nouveau du côté aspiration, le fluide peut entrer dans les cavités vacantes, et le processus peut être répété.
Comment Fonctionnent les Pompes à Engrenages Internes
Le mécanisme d'entraînement (moteur électrique, etc.) fournit un mouvement rotatif à l'engrenage rotor (l'engrenage interne). Lorsque l'engrenage rotor tourne, il fait également tourner l'engrenage libre (engrenage externe). Le fluide entre du côté aspiration de la pompe et s'écoule dans les cavités entre le rotor et l'engrenage libre. Un joint croissant stationnaire sépare les deux engrenages au fur et à mesure qu'ils continuent leur rotation. Le fluide est piégé dans les cavités entre l'engrenage rotor et la surface interne du croissant, et entre l'engrenage libre et la surface externe du croissant. Une rotation supplémentaire des engrenages rapproche les dents des deux engrenages. Lorsque les engrenages commencent à s'engrener, le fluide est expulsé des cavités et est évacué de la pompe ; le processus se répète alors.
Fonctionnement de la Pompe à Engrenages Internes (avec croissant)
D'autres conceptions de pompes à engrenages internes n'utilisent pas de joint croissant, mais le principe de fonctionnement est très similaire à celui d'une pompe à engrenages internes avec joint croissant.
Fonctionnement de la Pompe à Engrenages Internes (sans croissant)
Applications des Pompes à Engrenages
Les pompes à engrenages conviennent bien aux fluides à haute viscosité (épais) avec un faible nombre de solides en suspension. Les fluides à haute viscosité incluent des substances telles que les peintures et les savons, etc. Étant donné que les pompes à engrenages ont des jeux mécaniques serrés, les solides en suspension dans un fluide peuvent provoquer une abrasion des pièces d'une pompe à engrenages, ce qui entraîne une réduction de l'efficacité de la pompe et une durée de vie réduite de la pompe.
Les applications typiques des pompes à engrenages incluent :
- Carburants et huiles automobiles.
- Huiles hydrauliques.
- Alcool et solvants.
- Circulation à petite échelle d'huile chaude.
- Peintures, résines et polymères.
- Savon liquide.
- Aliments comestibles tels que le sirop de maïs, les aliments pour animaux et le beurre de cacahuète.
Caractéristiques de Fonctionnement
Pour améliorer le fonctionnement d'une pompe à engrenages, il est important de réduire les frottements entre ses pièces. Les frottements entraînent de la chaleur, ce qui fera se dilater physiquement les composants d'une pompe à engrenages. Les pompes à engrenages ont des jeux mécaniques serrés, en particulier les pompes à engrenages externes, donc toute dilatation thermique peut causer des dommages à la pompe. Par exemple, les dents d'engrenage pourraient devenir désalignées, ce qui entraînerait de l'usure, des fuites et une réduction conséquente de l'efficacité. Dans les cas extrêmes, une pompe à engrenages sévèrement désalignée peut se gripper (ne plus pouvoir tourner).
Typiquement, le fluide pompé sert à lubrifier les composants internes de la pompe. Pour cette raison, la plupart des pompes à engrenages ne conviennent pas à un fonctionnement à sec (sans écoulement de fluide) sur de longues périodes.
Les pompes à engrenages sont plus efficaces lorsqu'elles fonctionnent à leur vitesse de conception maximale ; des révolutions par minute (rpm) plus faibles entraîneront des efficacités de pompe plus faibles.
Avantages Généraux des Pompes à Engrenages
Les pompes à engrenages en général sont utiles en raison de leur taille compacte et de leur conception simpliste. Parce qu'elles ont un faible nombre de pièces mobiles, elles sont plus fiables que d'autres conceptions de pompes plus complexes. Elles sont souvent auto-lubrifiantes car le fluide qu'elles pompent lubrifie également les pièces internes de la pompe. La plupart des pompes à engrenages ne doivent pas être utilisées à sec pendant de longues périodes, car cela entraînerait très probablement des dommages aux composants de la pompe en raison des frottements/chaleur.
Inconvénients Généraux des Pompes à Engrenages
En raison des jeux serrés nécessaires par leur conception (en particulier pour les pompes à engrenages externes), les pompes à engrenages sont sujettes à l'usure. À mesure que leurs pièces s'usent/se dégradent, des fuites se produisent, et l'efficacité de la pompe diminue. Si une pompe à engrenages doit être utilisée avec des solides abrasifs (déconseillé), la pression doit être basse, le débit élevé et la vitesse de fonctionnement basse.
Comme pour toutes les conceptions de pompes volumétriques, des dispositifs de décharge de pression doivent être installés pour protéger la pompe et les composants en aval.
Avantages et Inconvénients des Pompes à Engrenages Externes
Une pompe à engrenages externes peut fonctionner à des pressions plus élevées que certains autres types de pompes et offre souvent une conception plus compacte et moins coûteuse. Les pompes à engrenages externes fonctionnent bien à des températures basses à moyennes, tout en conservant un débit relativement élevé. La conception de la pompe à engrenages externes nécessite des jeux internes serrés, ce qui la rend idéale pour les applications par lots, car elle a un débit précis ; elle est également capable de gérer des fluides de faible viscosité car il y a peu de fuites en raison des jeux serrés entre les pièces. Cependant, en raison des jeux serrés entre ses pièces mobiles, une pompe à engrenages externes a souvent un taux d'usure plus élevé par rapport à d'autres types de pompes.
Avantages et Inconvénients des Pompes à Engrenages Internes
La pompe à engrenages internes fonctionne mieux sous une pression modérée. Elle est généralement plus volumineuse et plus coûteuse que son homologue externe. Pourtant, elle présente plusieurs avantages par rapport à une pompe à engrenages externes :
- Elle a une plus grande capacité d'aspiration, elle est donc mieux adaptée pour manipuler des fluides de haute viscosité.
- Elle est plus robuste car elle a des jeux mécaniques plus détendus.
- Les jeux mécaniques détendus lui permettent de mieux gérer des températures de fluide plus élevées (plus d'espace pour la dilatation thermique des pièces), ce qui en fait un bon choix de pompe pour les systèmes à haute température, par exemple l'huile thermique.
Les pompes à engrenages internes sont capables d'un écoulement bidirectionnel (écoulement dans deux directions). Cela les rend utiles si une seule pompe est nécessaire pour un double usage, par exemple remplir et vider un réservoir.
Bien qu'il soit déconseillé d'utiliser une pompe à engrenages avec des substances abrasives ou des solides, les pompes à engrenages internes sont mieux adaptées à ce type d'opération que les pompes à engrenages externes, cela est dû à leurs tolérances mécaniques détendues. Cependant, les pompes à engrenages internes sont moins capables de gérer des fluides de faible viscosité car le taux de fuite est comparativement élevé (les tolérances détendues entraînent des taux de fuite plus élevés, surtout pour les fluides de viscosité plus faible (plus mince)).
Ressources Supplémentaires
https://kammash.com/learn-gear-pumps-characteristics-and-applications/