Qu'est-ce qu'une pompe centrifuge ?
Les pompes centrifuges sont couramment utilisées pour le transfert de liquides à faible viscosité, comme l'eau. Elles sont particulièrement efficaces pour déplacer de grands volumes de ces liquides.
Grâce à leur capacité de débit élevé, leur facilité d'entretien et leur robustesse, les pompes centrifuges sont largement employées dans de nombreuses applications industrielles à travers le monde.
Pompe centrifuge radiale avec carter en spirale
Composants de la pompe centrifuge
Les pompes centrifuges ont une conception relativement simple avec peu de composants. Voici quelques-uns des composants les plus courants :
Carter en spirale et diffuseur
Un carter en spirale ou un diffuseur est utilisé pour convertir l'énergie cinétique en pression.
Carter en spirale avec roue (a)
Une roue tourne et transmet de l'énergie cinétique au liquide environnant par friction. À mesure que la roue tourne, le liquide se déplace vers la périphérie extérieure de la roue et son énergie cinétique est transformée en pression.
Garniture d'étanchéité et joints mécaniques
L'étanchéité de la pompe est assurée soit par une garniture d'étanchéité (également appelée garniture), soit par un joint mécanique. La garniture est une conception très ancienne, tandis que les joints mécaniques sont un développement plus récent.
La garniture est l'option la moins coûteuse bien qu'elle présente plusieurs inconvénients par rapport à un joint mécanique, notamment :
- La garniture de presse-étoupe appuie physiquement contre l'arbre et peut créer une rainure nécessitant une réparation ultérieure.
- Le contact entre la garniture et l'arbre génère de la chaleur qui doit être dissipée pour éviter des dommages.
- La friction entre la garniture et l'arbre augmente la consommation d'énergie du moteur de la pompe, réduisant ainsi l'efficacité globale.
- La garniture doit être périodiquement resserrée pour maintenir un taux de fuite approprié.
- La durée de vie de la garniture est généralement plus courte que celle d'un joint mécanique.
Arrangement de boîte à garniture
En plus de ce qui précède, un anneau de lanterne peut être installé pour permettre le refroidissement de la garniture.
Les joints mécaniques ne souffrent pas des mêmes problèmes que la garniture, bien qu'ils soient plus coûteux et sujets aux fuites si les surfaces d'étanchéité ne sont pas parfaitement propres.
Anneaux d'usure
Les anneaux d'usure servent à sceller l'espace entre la roue et le carter. Les anneaux d'usure installés sur la roue sont appelés « anneaux d'usure de roue », tandis que ceux sur le carter sont appelés « anneaux d'usure de carter ».
Sans anneaux d'usure, le liquide pourrait s'écouler du côté refoulement au côté aspiration de la pompe, réduisant ainsi l'efficacité de la pompe. Bien qu'il soit possible de faire fonctionner une pompe sans anneaux d'usure, cela pourrait endommager la roue et le carter, et le coût de remplacement de ces composants est bien plus élevé que celui des anneaux d'usure.
Le frottement entre la roue et le carter peut également provoquer un phénomène appelé « grippage », où les métaux se soudent microscopiquement ensemble. Dans les cas graves, cela peut entraîner le blocage complet de la pompe.
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Comment fonctionnent les pompes centrifuges
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Le liquide est aspiré par le port d'aspiration (ouverture centrale dans le carter) et refoulé par le port de refoulement (ouverture sur le dessus du carter).
Une fois que le liquide a traversé le port d'aspiration, il passe à travers une roue et est refoulé radialement loin de l'œil de la roue (centre de la roue). Le liquide s'éloigne de l'œil de la roue en raison de la force centripète, bien que ce mouvement d'écoulement soit souvent attribué à tort à la force centrifuge, qui est en réalité une force fictive.
La roue comporte des aubes séparées par des canaux, à travers lesquels le liquide s'écoule. Chaque canal a une surface de chemin d'écoulement croissante. À mesure que la surface du chemin d'écoulement s'élargit, la vitesse du liquide diminue et la pression augmente. La relation entre la surface, la vitesse et la pression est décrite par le principe de Bernoulli.
En raison de la forme unique du carter en spirale, le liquide subit une nouvelle diminution de vitesse et une augmentation de pression. Le liquide est ensuite refoulé par le port de refoulement.
Classification par débit
Les pompes centrifuges sont classées comme étant à débit radial, axial ou mixte.
Les pompes à débit radial refoulent le liquide perpendiculairement à l'arbre principal de la pompe (à 90 degrés de l'orientation de l'arbre principal de la pompe) ; ce type de pompe est idéal pour de nombreuses applications de pression et de débit.
Pompe centrifuge à débit radial
Les pompes à débit mixte refoulent le liquide à un angle supérieur à 90 degrés par rapport à l'arbre de la pompe.
Pompe centrifuge à débit mixte
Les pompes à débit axial sont utilisées pour des applications à basse pression et à haut débit. Presque aucune force radiale n'est appliquée sur le liquide, mais la pompe est toujours classée comme centrifuge car une petite partie du mouvement du liquide est radiale.
Pompe centrifuge à débit axial
Classification par roue
Les roues sont disponibles en trois conceptions courantes, à savoir fermée, semi-ouverte et ouverte.
Roues ouvertes, semi-ouvertes et fermées
Fermée – les roues de type fermé ont deux flasques. Les aubes de la roue sont complètement prises en sandwich entre les deux flasques. Ce type de roue est très efficace pour pomper des liquides à faible viscosité avec peu de corps en suspension (eau, eau de mer, etc.). La roue de type fermé a la plus grande résistance mécanique de toutes les conceptions de roue en raison du soutien apporté aux aubes par les flasques.
Semi-ouverte/Semi-fermée – ce type de roue est également connu sous le nom de roue « partiellement ouverte » ou « partiellement fermée ». Les roues semi-ouvertes n'ont qu'un seul flasque. Ce type de roue est utilisé pour pomper des liquides avec une quantité modérée de corps en suspension. Les roues semi-ouvertes ne sont pas aussi efficaces que les roues entièrement fermées car le liquide pompé n'est pas guidé directement le long des aubes.
Ouverte – les roues de type ouvert n'ont pas de flasques. Ce type de roue est idéalement adapté pour pomper des liquides à haute viscosité (à condition qu'ils ne moussent pas lorsqu'ils sont agités) et des liquides avec de nombreux corps en suspension. Les applications typiques pour ce type de roue incluraient les eaux usées et la pâte à papier. Parfois, le centre de la roue sera également équipé d'un couteau dentelé pour hacher les corps en suspension lorsqu'ils sont aspirés dans l'œil de la roue.
Classification par étage
Les pompes centrifuges peuvent être à un seul étage ou à plusieurs étages.
Une roue à un seul étage est une pompe avec une seule roue. Les pompes à un seul étage utilisent généralement un carter en spirale, bien qu'un diffuseur puisse être utilisé si l'espace est limité.
Une pompe à plusieurs étages est une pompe avec plus d'une roue. Les pompes à plusieurs étages utilisent généralement des diffuseurs car l'installation d'un carter en spirale pour chaque roue est peu pratique en raison des considérations de taille.
Les pompes à plusieurs étages sont désignées par le nombre de roues installées sur un arbre commun, par exemple, une pompe à cinq étages est une pompe à plusieurs étages avec cinq roues (illustrée ci-dessous).
Pompe à plusieurs étages (5 étages)
Les pompes à plusieurs étages permettent au liquide pompé de passer à travers plusieurs roues et diffuseurs avant d'être refoulé ; cela permet d'augmenter progressivement la pression à chaque étage de la pompe.
Classification par type d'aspiration
Les roues peuvent être à aspiration simple ou à double aspiration.
Les roues à aspiration simple ont une seule entrée d'aspiration.
Les roues à double aspiration ont deux entrées d'aspiration.
Aspiration simple et double
Entre roulements ou en porte-à-faux
Les roues de pompe centrifuge peuvent être supportées à une extrémité dans une disposition en porte-à-faux, ou aux deux extrémités.
Les roues supportées à une seule extrémité sont appelées pompes en porte-à-faux, car la roue est « suspendue » dans le carter.
Les roues supportées des deux côtés sont appelées pompes entre roulements, car la ou les roues sont installées entre les roulements de l'arbre. Les grandes pompes centrifuges et les pompes centrifuges à plusieurs étages sont presque toujours des pompes entre roulements.
Courbes de pompe
Les courbes de pompe sont utilisées pour déterminer les conditions optimales de fonctionnement en fonction de certaines caractéristiques, telles que le liquide pompé, la pression souhaitée et le débit requis. Les caractéristiques souhaitées dépendent des exigences spécifiques ; certaines pompes ont de nombreuses conditions à satisfaire avant d'être mises en service.
Deux des caractéristiques les plus importantes d'une courbe de pompe sont la hauteur de coupure et le débit de fuite.
La hauteur de coupure représente la quantité maximale de hauteur statique que la pompe peut générer.
La valeur de débit de fuite est le débit maximal admissible à travers la pompe sans causer de dommages.
Courbe de pompe
Hauteur de coupure – est la quantité maximale de hauteur statique (parfois appelée « hauteur totale ») que la pompe peut générer à une certaine vitesse. Une fois la hauteur de coupure atteinte, il n'y a pas de débit.
Exemple
Imaginez pomper un liquide à travers un tuyau vertical de 10 m de long. Vous ne connaissez pas la hauteur de coupure, alors vous commencez à percer des trous dans le tuyau vertical jusqu'à ce que l'eau s'écoule. Vous percez à 10 m de hauteur, puis à 9 m de hauteur et l'eau s'écoule lorsque vous percez à 8 m de hauteur. Vous coupez ensuite le haut du tuyau vertical de 1 mètre et pouvez voir que le niveau d'eau est à environ 8,5 m. Vous voyez qu'il n'y a pas de débit. Le niveau d'eau que vous voyez représente la hauteur de coupure.
Dans notre exemple, la « hauteur » peut être classée comme la « hauteur de refoulement », c'est la hauteur de pression qui soulève le liquide du tuyau de refoulement de la pompe jusqu'à la sortie finale.
La « hauteur statique » (également appelée hauteur totale) est la différence de hauteur verticale entre le sommet du liquide pompé et le point le plus élevé où le liquide est refoulé.
La hauteur de coupure est la valeur de hauteur totale lorsqu'aucun débit ne se produit.
Hauteur de pression totale (hauteur statique)
Débit de fuite – est le débit maximal admissible à travers la pompe sans endommager la pompe. Les débits élevés entraînent souvent la cavitation, ce qui n'est pas souhaité.
Cavitation
La cavitation se produit en raison des variations de pression rencontrées par le liquide lorsqu'il traverse la roue de la pompe. Des bulles de vapeur emprisonnées se forment et s'effondrent en raison de ce changement soudain de pression. Bien que la cavitation soit sans conséquence à petite échelle, elle est très dommageable pour la pompe lorsqu'elle se répète des milliers de fois par seconde.
Effet du changement de pression sur une bulle de vapeur (cavitation)
La cavitation donne souvent l'impression que des billes sont secouées à l'intérieur du carter de la pompe. Si la cavitation est suspectée, des mesures correctives doivent être prises pour réduire ou arrêter la cavitation dès que possible.
Enrayage gazeux
Le liquide pompé peut être considéré comme une partie essentielle de la pompe. Sans liquide, la pompe ne fonctionnera pas correctement. L'enrayage gazeux fait référence à une situation où trop peu de liquide est présent dans la pompe et une pression d'aspiration négative ne peut pas être obtenue. Si aucune pression d'aspiration négative ne peut être obtenue, aucun liquide ne peut être aspiré dans la pompe et aucun débit ne se produira.
Remarque : Les pompes volumétriques ne souffrent pas d'enrayage gazeux car ces types de pompes sont auto-amorçantes (peuvent pomper de l'air).
Amorçage
Les pompes qui peuvent pomper de l'air sont appelées « auto-amorçantes ». Contrairement aux pompes volumétriques, une pompe centrifuge ne peut pas pomper de l'air et n'est donc pas auto-amorçante. Il est normalement nécessaire qu'une pression soit disponible lorsque la pompe est démarrée, cela signifie souvent que la pompe est installée en dessous du niveau du liquide pompé (le liquide est aspiré dans la pompe par gravité). Un autre moyen d'amorcer la pompe est d'utiliser une pompe supplémentaire pour alimenter la pompe centrifuge principale jusqu'à ce que l'aspiration soit obtenue.
Pompe installée en dessous du liquide pompé
Détails du modèle 3D
Ce modèle 3D montre tous les composants majeurs associés à une pompe centrifuge typique, ceux-ci incluent :
- Roue
- Carter en spirale
- Arbre
- Joint mécanique
- Ports d'aspiration et de refoulement
- Clé d'arbre
- Roulement
- Écrous et boulons
- Anneaux d'usure
- Garniture d'étanchéité
- Anneau de lanterne
Ceci est un modèle 3D d'une pompe centrifuge.
Annotations du modèle 3D
Décharge/Sortie
Le fluide est déchargé par cette connexion.
Aspiration/Entrée
Le fluide est aspiré dans la roue par cette connexion.
Anneau d'usure
Un anneau d'usure de roue est installé pour réduire le jeu entre le carter et la roue. Réduire le jeu réduit la quantité de fuite du côté refoulement au côté aspiration de la roue ; cela améliore finalement l'efficacité de la pompe.
Roue
Le fluide s'écoule dans l'œil de la roue puis vers l'extérieur radialement. À mesure que le fluide se déplace vers l'extérieur à travers les aubes de la roue, son énergie cinétique est convertie en énergie de pression. Il existe trois types de roues centrifuges, à savoir les types fermés, partiellement fermés et ouverts ; le type utilisé dépend du fluide pompé.
Carter en spirale
Les carters de pompe centrifuge sont de type diffuseur ou en spirale. Les pompes à un seul étage (une roue) utilisent presque toujours des carters en spirale, tandis que les pompes à plusieurs étages (>1 roue) utilisent généralement des carters diffuseurs.
Garniture d'étanchéité
La garniture d'étanchéité scelle l'espace entre l'arbre et le carter. La garniture d'étanchéité est généralement simplement appelée « garniture ». Une alternative à la garniture d'étanchéité est le joint mécanique.
Boîte à garniture
La zone où la garniture et l'anneau de lanterne sont installés est connue sous le nom de « boîte à garniture ». La garniture est littéralement « bourrée » dans cet espace. Sur ce modèle, le marqueur d'annotation a été placé au-dessus de la boîte à garniture.
Anneau de lanterne
Les anneaux de lanterne sont utilisés pour distribuer le liquide de refroidissement à la garniture. Le liquide refroidit et lubrifie la garniture, ce qui aide à éviter qu'elle ne surchauffe.
Suiveur de presse-étoupe
Un suiveur de presse-étoupe est utilisé pour comprimer la garniture, mais il est important de maintenir un taux de fuite à travers la garniture. Le taux de fuite doit être mesuré en gouttes par minute et le suiveur de presse-étoupe doit être ajusté si le taux de fuite devient excessif.
Roulements à billes
Les roulements supportent les charges axiales et radiales générées par la pompe lorsqu'elle est à l'arrêt et en service. Le type de roulement utilisé dépend de nombreux facteurs, bien que les roulements à billes soient considérés comme un roulement adapté pour de nombreuses applications de service. Les roulements à billes sont un type de roulement anti-friction.
Ressources supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_pump
https://www.powerzone.com/resources/glossary/centrifugal-pump
https://www.introtopumps.com/pumps-101/what-is-a-centrifugal-pump