Tout savoir sur les pompes centrifuges

Principe de fonctionnement des pompes centrifuges

Les pompes centrifuges sont des machines hydrauliques caractérisées par leur capacité à transmettre de l’énergie aux fluides (en particulier aux liquides) grâce à l’action d’un champ de forces centrifuges. Leur objectif principal est de transférer des fluides en augmentant la pression. Les pompes centrifuges peuvent avoir des structures différentes, mais leur principe de fonctionnement et leurs caractéristiques fluidodynamiques restent toujours identiques.

Schématiquement, les pompes centrifuges sont constituées d’une roue (ou impeller) qui tourne à l’intérieur du corps de pompe. La roue comporte une série d’aubes, de préférence à conception radiale, qui transmettent de l’énergie cinétique au fluide pompé. Le corps de pompe est équipé d’une bouche d’aspiration et d’une bouche de refoulement pour le fluide. La bouche d’aspiration est alignée avec l’axe de rotation de la roue, tandis que la bouche de refoulement est perpendiculaire à cet axe, mais située sur le plan passant par celui-ci.

Principe de fonctionnement

Le fluide pompé pénètre en continu par la bouche d’aspiration située au centre de la roue. Il est ensuite accéléré radialement jusqu’au bord de la roue, où il est dirigé vers le corps de pompe. Le courant de fluide est accéléré par la poussée des aubes, qui, grâce à leur courbure, transmettent de l’énergie au fluide. Ainsi, le fluide acquiert de l’énergie, principalement sous forme d’augmentation de sa vitesse moyenne (énergie cinétique).
À l’intérieur du corps de pompe, le liquide est ralenti grâce à une section qui s’élargit progressivement dans le sens du mouvement.

Cette augmentation de section est généralement obtenue en concevant la partie périphérique du corps (volute) en forme de spirale, avec une section transversale (circulaire, trapézoïdale ou rectangulaire) qui varie de zéro jusqu’à la valeur de la bouche de refoulement. De cette manière, l’énergie cinétique du fluide est convertie en énergie de pression. Le corps de pompe est fermé par un couvercle du côté opposé à la bouche d’aspiration. Au centre du couvercle, où passe l’arbre, se trouve une chambre abritant la garniture mécanique. L’étanchéité entre la zone haute pression (à l’intérieur du corps) et la zone basse pression (bouche d’aspiration) est assurée par un jeu très réduit entre la roue et le corps. La roue et l’arbre sont supportés en porte-à-faux par deux roulements situés à l’extérieur du corps dans un support spécial.

Types de pompes centrifuges

Pompes centrifuges à roue fermée

Ce type de roue comporte généralement 5 à 7 aubes, avec un diamètre minimal de 125 mm et maximal de 550 mm. Les aubes présentent une courbure simple vers l’arrière avec un mouvement radial pour les pompes à faible nombre d’aubes (hautes pressions et faibles débits), tandis qu’elles peuvent avoir une double courbure vers l’arrière avec un mouvement semi-axial pour les pompes à grand nombre d’aubes (basses pressions et débits élevés). Les aubes sont complètement enfermées entre le disque de moyeu et le disque de couronne. Le rendement varie de 0,6 pour les plus petites roues à 0,83 pour les plus grandes. Ce type de roue convient aux liquides propres ou contenant de légères impuretés.

Pompes centrifuges à roue canal

Ce type de roue comporte un nombre réduit d’aubes (3 à 4), avec un diamètre minimal de 270 mm et maximal de 450 mm. Les aubes ont généralement une double courbure vers l’arrière et un mouvement principalement radial, et sont complètement enfermées entre le disque de moyeu et le disque de couronne. Le moyeu est beaucoup plus incliné vers l’arrière que dans les roues fermées. Ces roues sont moins efficaces car le liquide est moins bien guidé, mais elles permettent la création de canaux internes de grande ouverture, par lesquels peuvent passer des eaux usées contenant des solides en suspension de taille importante.

Pompes centrifuges à roue vortex

Ce type de roue comporte 9 aubes avec une courbure simple vers l’arrière et un développement radial. Il n’y a pas de disque de couronne, tandis que le disque de moyeu présente un mouvement en « cuillère » en section. Le moyeu est conçu pour placer la roue dans le corps avec une inclinaison très prononcée vers l’arrière. Cette roue est moins efficace car le liquide n’est pas guidé comme dans les autres types.

Pompes centrifuges à roue à aubes hélicoïdales

Cette roue innovante est destinée aux liquides denses et très visqueux, ou aux solutions contenant beaucoup de résidus secs. Elle comporte deux ou quatre aubes selon la viscosité du liquide. Deux aubes, disposées symétriquement par rapport au moyeu, sont prolongées par une appendice en spirale allant du moyeu à la bouche d’aspiration. Ce type de roue n’a pas de disque de couronne, l’étanchéité entre les aubes étant assurée par un jeu très réduit avec la plaque d’usure du corps. Cette roue est plus efficace que les roues canal et vortex et offre de meilleures caractéristiques d’aspiration.

Caractéristiques structurelles des pompes centrifuges

Roue

La roue est disponible en différentes formes et tailles selon les performances requises et les caractéristiques des liquides pompés. Toutes les roues sont équipées d’aubes spéciales à l’arrière du disque de moyeu pour compenser les poussées axiales et réduire la pression dans la chambre de garniture. Les roues sont fabriquées dans divers matériaux selon l’agressivité chimique ou l’abrasivité du liquide. Elles sont équilibrées dynamiquement avant montage.

Corps

Le corps des pompes centrifuges comporte une seule bouche d’aspiration et une volute simple, disponible en version à spirale étroite ou large. Les corps sont généralement fabriqués dans les mêmes matériaux que les roues, mais des matériaux différents peuvent être utilisés pour des besoins spécifiques. L’étanchéité entre le corps et le couvercle est assurée par un joint plat intégré, résistant aux contraintes de pression et de température. Les matériaux utilisés sont sans amiante. Le corps peut être chauffé (/RR), avec une chambre pour vapeur jusqu’à 7 bar et 180 °C. Les pompes des séries RN/RNS et RKN/RKNS sont normalisées selon UNI EN 22858 et ISO 5199.

Couvercle

Le couvercle est conçu pour permettre l’extraction de la roue sans démonter le corps des tuyauteries. Les matériaux sont identiques à ceux du corps.

La zone externe de la chambre de garniture peut être réalisée en deux versions :

a) Version refroidie /R : avec une chambre de refroidissement par circulation d’eau jusqu’à 4 bar. Utilisée lorsque la température élevée du liquide pompé peut compromettre la garniture.

b) Version chauffée /RR : avec une chambre chauffée par vapeur jusqu’à 7 bar et 180 °C. Utilisée lorsque le liquide pompé risque de se solidifier en refroidissant, ce qui compromettrait la garniture.

Arbre

Le diamètre de l’arbre est calculé pour minimiser la flèche dans la zone de la garniture, même dans des conditions de service intensif, et pour obtenir une vitesse critique de flèche au moins deux fois supérieure à la vitesse prévue pour la pompe.

Au niveau de la garniture de l’arbre, une douille de protection est prévue afin d’éviter tout dommage causé par la garniture (principalement l’usure).

Support

L’arbre est supporté par deux roulements à billes avec la roue en porte-à-faux. Le roulement côté accouplement supporte également la poussée axiale résiduelle de la roue. Les roulements sont dimensionnés pour garantir une durée de vie B10 de 20 000 heures dans les conditions de fonctionnement les plus sévères prévues pour la pompe.

La fonction de la garniture d’arbre dans les pompes centrifuges est d’empêcher les infiltrations d’air du côté aspiration (pour les pompes aspirantes) et d’éliminer ou de réduire au minimum les pertes de liquide sous pression du côté refoulement de la pompe.

La garniture d’arbre peut être de trois types :

tressée
mécanique axiale
hydrodynamique

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