Une introduction à la pompe centrifuge, partie 1

Aug 03, 2023

Le thème du numéro de février de Pumps & Systems est "retour aux sources". Dans la foulée, la chronique de ce mois-ci passera en revue certains des principes fondamentaux des pompes centrifuges. Notez que les pompes centrifuges appartiennent à la classe cinétique des pompes rotodynamiques.

Je suppose initialement que le lecteur a un concept visuel de base d'une roue attachée à un arbre, le tout monté à l'intérieur d'un boîtier/volute. Voir Image 1.

L'arbre de la pompe peut être soit l'arbre d'entraînement lui-même, soit couplé à un entraînement. Le conducteur est généralement un moteur à induction électrique, mais il peut également s'agir d'un moteur, d'une turbine à vapeur ou de l'un des nombreux autres types de moteurs principaux.

Comme première synthèse globale, la roue à aubes augmente le niveau d'énergie du fluide en augmentant la vitesse. Une fois que le fluide quitte la roue, le carter convertit la vitesse en pression.

Une pompe fonctionne réellement sur des principes scientifiques de base. À la discrétion d'un opérateur, l'entraînement tourne (énergie mécanique), entraînant également la rotation de l'arbre de la pompe et de la roue à aubes attachée.

La roue rotative transmet une énergie cinétique au fluide environnant qui initie un mouvement (vitesse) dans le fluide. La vitesse du fluide augmentera considérablement au cours de son parcours à travers la roue à aubes depuis l'œil au centre jusqu'aux bords des aubes sur le diamètre extérieur.

Il existe une formule simple pour calculer la vitesse du fluide transmise par la roue. C'est une simple fonction de la vitesse et du diamètre (voir équation 1). Notez la relation directe, où si la vitesse de la roue augmente et/ou à mesure que le diamètre de la roue augmente, la vitesse du fluide augmente et vice versa.

En tant que vue de niveau supérieur du processus se produisant à l'intérieur de la pompe : la roue rotative (énergie cinétique) confère un mouvement (vitesse) au fluide.

Lorsque le fluide quitte la pointe de l'aube de la roue et s'attrape (s'accumule) dans le carter, le carter convertit l'énergie de vitesse en énergie de pression (hauteur). En termes simples, l'énergie de vitesse du fluide est convertie en énergie de pression dans le boîtier. L'énergie de pression est également définie comme la tête (H).

Pour regarder ce phénomène sous un autre angle technique, on pourrait aussi utiliser la première loi de conservation de l'énergie. "L'énergie ne peut être ni créée ni détruite; elle ne peut être modifiée que dans sa forme."

De plus et complémentaire de la discipline mécanique de la dynamique des fluides, nous connaissons également le principe de Bernoulli, qui stipule dans sa forme la plus simple que si la vitesse diminue, la pression augmentera et vice versa. Encore une fois, cela est dû à la conservation de l'énergie.

Notez qu'une pompe centrifuge ne crée pas vraiment de pression dans le système en soi, mais crée plutôt un débit. La pression que nous mesurons sur la jauge de décharge est en fait le résultat de la résistance du système au débit généré.

S'il n'y avait pas de système connecté à la bride de refoulement, il n'y aurait pas de véritable pression développée (le "système" est l'agrégat de différentes élévations, pressions, tuyaux, composants et vannes).

L'explication la plus simple de l'utilisation de la tête au lieu de la pression pour mesurer l'énergie d'une pompe centrifuge est que la pression d'une pompe changera si le poids / gravité spécifique (SG) du liquide change, mais la tête ne changera pas.

Par conséquent, vous pouvez toujours décrire les performances d'une pompe (en supposant qu'il s'agit d'un fluide newtonien), qu'il s'agisse d'un hydrocarbure lourd (acide sulfureux à SG de 1,2 à 1,5) ou d'un hydrocarbure léger (essence à SG 0,7) en utilisant le terme tête.

L'opérateur de la pompe mesure l'état et les performances de la pompe en surveillant la différence de pression manométrique des deux côtés de la pompe.

Si tous les fluides étaient identiques avec un SG constant, les unités pour exprimer la pression de refoulement de la pompe pourraient être exprimées en pression avec peu ou pas d'effets indésirables ou inexacts. Mais comme les fluides ont des SG différents, nous sommes obligés d'utiliser le terme tête.

Sachez que même si tout ce que nous pompions était de l'eau, le SG change à chaque degré de changement de température. Notez et distinguez que la tête est un niveau d'énergie et que la pression est simplement une force.

Une pompe donnée déplacera de manière prévisible un fluide d'une certaine unité de poids/densité par unité de temps donnée. Nous le considérons comme des gallons par minute ou des mètres cubes par heure. Par exemple : l'eau, le fluide universel a un poids de 8,345 livres par gallon et un SG de 1,0 à température standard. D'autres façons d'exprimer cette densité/masse/poids sont 1,0 gramme par centimètre cube ou 62,425 livres par pied cube.

Remarque pour être techniquement correct : ces gravités, masses et poids sont tous basés sur une température de fluide à 39,2 F, et nous arrondissons une petite quantité pour couvrir des températures allant jusqu'à et autour de 68 ou 70 F.

Veuillez consulter "Cameron Hydraulic Data Book" ou d'autres références techniques pour les valeurs réelles des propriétés de l'eau à différentes températures. Il se lit comme suit : "La définition de la densité implique strictement la masse. Le poids et la masse sont numériquement égaux au niveau de la mer sur terre."

Lors du dépannage d'un système de pompe, il est préférable de diviser et de considérer le système comme trois systèmes différents : le côté aspiration, la pompe elle-même et le côté refoulement. D'après mon expérience, je crois que 90% des problèmes de pompe se situent du côté de l'aspiration. L'hypothèse est que le système a été conçu et construit correctement. Une fois que vous avez fourni le liquide de manière adéquate à la pompe, elle gérera le processus à partir de là. Les problèmes de performances sont généralement causés par une énergie d'aspiration insuffisante, une hauteur d'aspiration positive nette insuffisante disponible (NPSHa), un entraînement d'air ou une augmentation des jeux de fonctionnement au-dessus de la conception.

La pompe fonctionnera sur ou près de sa courbe de performance au point où la courbe du système croise la courbe de la pompe, s'il est possible de fonctionner à ce point.

En règle générale, ne faites jamais fonctionner une pompe à sec et ne faites jamais fonctionner une pompe avec la vanne d'aspiration fermée. Ne faites pas fonctionner avec la vanne de refoulement fermée pendant plus de temps qu'il n'en faut pour ouvrir la vanne, de quelques secondes à peut-être une minute. Faites fonctionner la pompe aussi près du meilleur point d'efficacité (BEP) que le permettent la conception du système et du procédé. Au fur et à mesure que les opérations quittent la région BEP, la pompe développera une poussée radiale élevée qui se manifestera par une réduction de la durée de vie des joints mécaniques et des roulements.

Lire et comprendre le manuel d'instructions et d'utilisation. Comme toute autre pièce de machinerie (ou équipement de l'usine), si vous prenez bien soin de la pompe, elle fonctionnera pour vous.

Jim Elsey est un ingénieur en mécanique qui s'est concentré sur la conception et les applications d'équipements rotatifs pour l'armée et plusieurs grands fabricants d'équipements d'origine pendant 43 ans sur la plupart des marchés industriels du monde. Elsey est un membre actif de l'American Society of Mechanical Engineers, de la National Association of Corrosion Engineers et de l'American Society for Metals. Il est directeur général de Summit Pump Inc. et directeur de MaDDog Pump Consultants LLC. Elsey peut être contacté à [email protected].