Pompe rotodynamique

Une pompe rotodynamique est une machine cinétique qui fournit continuellement de l'énergie au fluide pompé grâce à une roue , une hélice ou un rotor en rotation , contrairement à une pompe volumétrique qui déplace un fluide en piégeant un volume fixe de fluide et en le refoulant dans la sortie de la pompe. Parmi les exemples de pompes rotodynamiques, on peut citer l'ajout d'énergie cinétique à un fluide, par exemple en utilisant une pompe centrifuge pour augmenter sa vitesse ou sa pression.

Une pompe est un dispositif mécanique généralement utilisé pour élever un liquide d'un niveau inférieur à un niveau supérieur. Ce résultat est obtenu en créant une basse pression à l'entrée et une haute pression à la sortie de la pompe. Du fait de la basse pression à l'entrée, le liquide monte depuis son lieu de stockage ou de distribution. Cependant, un travail doit être fourni par un moteur pour permettre à la pompe de communiquer de l'énergie mécanique au liquide, laquelle est finalement convertie en énergie de pression.

Si l'on considère leur principe de fonctionnement de base, les pompes peuvent être classées en deux catégories :

1. Pompes volumétriques.
2. Pompes non volumétriques.

Les pompes sont classées comme suit :

Une pompe volumétrique fonctionne en refoulant un volume fixe de fluide de la zone d'aspiration vers la zone de refoulement. On distingue deux types de pompes volumétriques :

1. Pompes volumétriques rotatives :
   • Pompes à engrenages internes
   • pompes à vis
2. Pompes volumétriques alternatives :
   • Pompes à piston
   • Pompes à membrane

Les pompes volumétriques rotatives déplacent le fluide grâce à un mécanisme de rotation qui crée un vide permettant de capturer et d'aspirer le liquide. On distingue deux grands types de pompes volumétriques rotatives :

1. Pompes à engrenages
2. Pompes à palettes rotatives

Les pompes alternatives déplacent le fluide à l'aide d'un ou plusieurs pistons, plongeurs ou membranes oscillants, tandis que les vannes limitent le mouvement du fluide à la direction souhaitée.

Les pompes de cette catégorie sont simples et comportent un ou plusieurs cylindres. Elles peuvent être à simple effet, avec aspiration dans un sens du mouvement du piston et refoulement dans l'autre, ou à double effet, avec aspiration et refoulement dans les deux sens.

Avec ce type de pompe, le volume de liquide refoulé à chaque cycle dépend de la résistance à l'écoulement. La pompe exerce sur le liquide une force constante pour chaque vitesse de rotation. La résistance dans la conduite de refoulement produit une force opposée. Lorsque ces forces s'équilibrent, le liquide est à l'équilibre et ne s'écoule pas. Si la sortie d'une pompe non volumétrique est complètement obturée, la pression de refoulement atteindra sa valeur maximale pour une pompe fonctionnant à sa vitesse maximale.

Les pompes centrifuges utilisent la force centrifuge pour élever des liquides d'un niveau inférieur à un niveau supérieur en créant une pression. Le type de pompe le plus simple comprend une roue montée sur un arbre et tournant dans une volute. Le liquide est acheminé au centre de la roue (appelé « œil »), où il est entraîné par les aubes et accéléré à grande vitesse. La force centrifuge le refoule ensuite dans le corps de pompe, puis par le tuyau de refoulement. Lorsque le liquide est repoussé du centre, un vide se crée et une plus grande quantité de liquide reçoit de l'énergie des aubes, gagnant ainsi en énergie de pression et en énergie cinétique. Comme une trop grande quantité d'énergie cinétique est indésirable à la sortie de la roue, un dispositif est prévu pour convertir l'énergie cinétique du liquide en énergie de pression avant son entrée dans le tuyau de refoulement.

Les pompes rotodynamiques peuvent être classées selon divers facteurs tels que la conception, la construction, les applications, le service, etc.

• Par nombre d'étapes :
  • Pompes à un étage :
    • Également connues sous le nom de pompes à turbine unique
    • Simple et nécessitant peu d'entretien
    • Idéal pour les débits importants et les installations à basse pression
  • Pompes à deux étages :
    • Deux turbines en série
    • Pour les applications à usage moyen
  • Pompes multicellulaires :
    • Trois turbines ou plus en série
    • Pour les applications à haute pression
• Par type de répartition des cas :
  • Division axiale :
    • Dans ce type de pompes, le corps de pompe est divisé axialement et la ligne de séparation du corps de pompe se situe sur l'axe de l'arbre.
    • Ils sont généralement montés horizontalement pour faciliter leur installation et leur entretien.
  • Division radiale :
    • Le corps de pompe est fendu radialement, la fente du corps de volute est perpendiculaire à l'axe de l'arbre.
• Par conception de l'hélice
  • Pompes à simple aspiration :
    • Elle est dotée d'une seule turbine d'aspiration qui permet au fluide de pénétrer dans les pales par une seule ouverture.
    • Elle possède une conception simple, mais la turbine présente un déséquilibre de poussée axiale plus élevé en raison du flux provenant d'un seul côté de la turbine.
  • Pompes à double aspiration :
    • La turbine à double aspiration permet au fluide de pénétrer des deux côtés des pales.
    • Ce sont les types de pompes les plus courants.
• Par nombre de volutes :
  • Pompes à volute simple :
    • Généralement utilisé pour les pompes de faible capacité en raison de la petite taille de la volute
    • Le moulage de petites volutes est difficile mais donne des résultats de bonne qualité.
    • Avoir des charges radiales plus élevées
  • Pompes à double volute :
    • Disposez deux volutes à 180 degrés d'écart.
    • Bon pour l'équilibrage des charges radiales
    • Le modèle le plus couramment utilisé
• Par orientation de l'arbre :
  • Pompes centrifuges horizontales :
    • Disponible immédiatement
    • Facile à installer, à inspecter, à entretenir et à réparer
    • Convient aux basses pressions
  • Pompes centrifuges verticales :
    • Nécessite un dégagement important pour l'installation, l'entretien et la maintenance.
    • Résister à des charges de pression plus élevées
    • Plus chères que les pompes horizontales

La pompe centrifuge est le dispositif de pompage le plus couramment utilisé dans le domaine hydraulique . L'eau provient du réservoir situé au centre de la roue et est refoulée par le haut de la pompe. La roue, véritable cœur du système, se décline en trois types : 1. Roue ouverte , 2. Roue semi-ouverte , 3. Roue fermée . Cette dernière offre le meilleur rendement. Les roues fermées sont constituées d'une série d'ailettes incurvées vers l'arrière, fixées entre deux plaques. Elles sont constamment immergées. Lorsque la roue se met en rotation, le fluide dans lequel elle baigne se met également en mouvement. Cette rotation induit une force centrifuge qui augmente la pression et l'énergie cinétique du fluide. Sous l'effet de cette force centrifuge, la pression diminue à l'entrée (côté aspiration), devenant inférieure à la pression atmosphérique . Cette faible pression facilitera l'aspiration du fluide stocké. Cependant, si la buse d'aspiration est vide ou remplie d'air, la roue sera endommagée. La différence de pression entre la buse d'aspiration et la pression atmosphérique sera trop faible pour aspirer le fluide du réservoir. La roue est logée à l'intérieur du carter. Le fluide doit donc se trouver à l'intérieur de celui-ci. Le carter est conçu pour optimiser la pression à la sortie. À l'intérieur du carter, le diamètre maximal se situe à la sortie (buse de refoulement) et diminue progressivement vers l'intérieur. De ce fait, le volume de fluide est plus important à la buse de refoulement, ce qui entraîne une diminution de la vitesse. Or, la vitesse et la pression étant inversement proportionnelles, la pression augmente. Cette augmentation de pression est nécessaire pour vaincre la résistance du système de pompage.

Si la pression à l'entrée (à l'aspiration) descend en dessous de la pression de vapeur du fluide, des bulles d'air se forment à l'intérieur du corps de pompe. Cette situation est très dangereuse pour la pompe car le fluide se met à bouillir et forme des bulles. Ces bulles risquent de heurter la roue et d'endommager son matériau. Ce phénomène est appelé cavitation . Pour augmenter la pression à l'entrée (aspiration), il faut diminuer la hauteur manométrique.

Ces trois types de turbines ont des usages différents. Si le fluide est plus encrassé, on utilise une turbine semi-ouverte ou ouverte. Cependant, le rendement diminue en conséquence. De plus, la conception mécanique de la pompe est complexe. L'arbre relie la turbine au moteur, qui transmet le mouvement de rotation à la turbine. La pression du fluide à l'intérieur du corps de pompe étant très élevée, un système d'étanchéité adéquat est indispensable.

Les principaux secteurs industriels où les pompes rotodynamiques sont utilisées comprennent :

• Services généraux : eau de refroidissement, eau de service, lutte contre l’incendie, drainage
• Agriculture : Irrigation, forage, drainage des terres
• Chimie/Pétrochimie : Transfert
• Services de construction/bâtiment : surpression, drainage, circulation d’eau chaude, climatisation , alimentation de chaudière
• Laiterie/Brasserie : Transfert du moût (ou « wash ») à la fermentation
• Usage domestique : eau chaude
• Fabrication de métaux : Calamine , décapage par frottement aux gaz de four, décalaminage
• Exploitation minière/extraction de carrières : lavage du charbon, lavage du minerai, transport des solides, déshydratation , nettoyage au jet d’eau
• Production de pétrole et de gaz : oléoduc principal, chargement des pétroliers, injection d’eau, pompage d’eau de mer
• Raffinage du pétrole et du gaz : transfert d’hydrocarbures, approvisionnement en pétrole brut, chargement de pétroliers, pipeline de produits, chargement de réacteurs
• Papier/pâte à papier : pâte à consistance moyenne/faible, copeaux de bois, liqueurs/condensats, pâte à papier vers la caisse de tête
• Production d'énergie : traitement de l'eau de refroidissement à grande échelle, gestion des cendres, désulfuration des gaz de combustion , extraction des condensats, alimentation des chaudières
• Fabrication de sucre : lait de chaux/sirop, résidus de betterave, jus, betteraves entières
• Eaux usées : eaux usées brutes et décantées, eaux chargées de sable, eaux pluviales
• Approvisionnement en eau : Prélèvement d'eau brute , distribution, surpression