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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 317 - 1 Pompes rotodynamiques de technologie particulière par Jean POULAIN Ingénieur de l’École supérieure d’électricité Ancien élève de l’Institut Von Karman Conseiller scientiﬁque de l’Association française des constructeurs de pompes es fascicules B 4 300 à B 4 308 [18] à [22] traitent des pompes rotodynami- ques, c’est-à-dire de pompes centrifuges, hélicocentrifuges et axiales de conception standard. À coté de ces machines qui constituent la masse principale des pompes existent d’autres machines devant satisfaire à des fonctions particu- lières. Les pompes à canal latéral permettent d’obtenir des hauteurs manométri- ques très importantes tout en conservant des vitesses de rotation modérées et un encombrement réduit. Les pompes pour liquides chargés résistent à l’érosion, à l’abrasion ou offrent des sections de passages exceptionnelles qui permettent le transit de lar- ges corps solides. Les pompes à inducteur utilisant une hélice de gavage permettent de réaliser des pompes aux dimensions réduites ou encore d’obtenir des NPSH requis très petits permettant d’aspirer bien au-delà de ce que peut une pompe centrifuge standard. Dans ce qui suit, nous allons décrire chacun de ces types de pompe, expliquer leur principe de fonctionnement et préciser le cadre dans lequel il convient de les utiliser. 1. Pompes à canal latéral............................................................................ BM 4 317 - 3 2. Pompes pour liquides chargés.............................................................. — 11 3. Hélices de gavage..................................................................................... — 15 Références bibliographiques.......................................................................... — 22 L POMPES ROTODYNAMIQUES DE TECHNOLOGIE PARTICULIÈRE __________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. BM 4 317 - 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique Notations et symboles principaux Symbole Unité Définition Symbole Unité Définition B coefficient de blocage q2 m3 · s-1 débit-volume de fluide transféré entre les ailes de la roue b largeur de la roue à la sortie R m rayon du centre de gravité des ailes de la roue c m corde de l’hélice r m rayon D m diamètre de la roue Sf m2 section de fuite d rapport diamétral de l’inducteur à l’entrée d = r0b/r0s S m2 coefficient de vitesse spécifique d’aspiration (§ 3) ou section utile du canal latéral (§ 1) e m épaisseur des ailes de l’hélice t m pas des aubes de l’hélice g m · s-2 accélération due à la pesanteur u m · s-1 vitesse périphérique de la roue H m hauteur d’élévation V m · s-1 vitesse de l’écoulement h J · kg-1 hauteur d’élévation h = gH Vc m · s-1 vitesse de circulation de l’écoulement (§ 1) kc coefficient de pertes par circulation Vm m · s-1 vitesse méridienne de l’écoulement (§ 3) NPSH c m NPSH requis 3 % Vt m · s-1 vitesse tangentielle de l’écoulement NPSH d m hauteur de charge nette à l’aspiration de la pompe Vu m · s-1 vitesse de prérotation N tr/min vitesse de rotation de la pompe W m · s-1 vitesse relative à la roue (de l’inducteur ou centrifuge selon l’indice) Ns vitesse spécifique de la pompe d coefficient de débit de Rateau p Pa pression l coefficient de dépression dynamique de l’inducteur (lc pour la roue centrifuge) pV Pa pression de vapeur du fluide à la température d’aspiration angle définissant la position angulaire d’une particule dans le canal latéral (selon figure 7) Q m3 · s-1 débit-volume (dans le canal latéral pour le § 1) m coefficient de hauteur de Rateau viscosité (§ 2) Qc m3 · s-1 débit-volume de circulation global r kg · m-3 masse volumique rendement (§ 3) Qs m3 · s-1 débit-volume fictif de déplacement du corps solide s facteur de glissement à la sortie de la roue ou coefficient de cavitation de Thoma (§ 1.7) Qu m3 · s-1 débit-volume utile w rad· s-1 vitesse de rotation de la roue q1 m3 · s-1 débit-volume de fuite au barrage Indices Pompes à canal latéral 1 entrée de la roue 2 sortie de la roue Hélice de gavage + roue centrifuge 0 entrée de l’inducteur 1 entrée de la roue centrifuge 2 sortie de la roue centrifuge s sommet des ailes de l’inducteur b base des ailes de l’inducteur o ou opt optimal c roue centrifuge i inducteur n nominal d Q u2 r2 2 ( ) ¤ = q m h u ¤ 2 2 = _________________________________________________________________________________ POMPES ROTODYNAMIQUES DE TECHNOLOGIE PARTICULIÈRE Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 4 317 - 3 1. Pompes à canal latéral 1.1 Composants hydrauliques 1.1.1 Cas d’une pompe monocellulaire à entrée et sortie radiales Les ﬁgures 1 a et 1 b présentent une pompe monocellulaire, de conﬁguration symétrique, double, qui comporte un canal latéral et des aubes mobiles situées de part et d’autre du plan médian de la roue. On peut considérer cette structure comme faite de 2 pompes montées dos à dos et fonctionnant en parallèle. Les éléments constitutifs de la pompe sont les suivants : — la roue (repère 1) qui dans sa forme la plus simple porte des aubes (ailes) droites radiales et d’épaisseur constante (repère 2) ; les ailes sont portées par le flasque central, qui leur confère une bonne rigidité mécanique ; — les canaux latéraux (repère 3), situés de part et d’autre de la roue, sont un espace vide, dans lequel s’effectue la compression du fluide (rappelons que le diffuseur lisse d’une pompe centrifuge est aussi un espace vide où se produit une compression) ; — le barrage d’étanchéité interne (repère 4 sur la figure 1 b) qui sépare la partie haute pression de la partie basse pression (HP et BP sur la figure 1 b) ; son rôle est d’éviter le retour vers l’aspiration du fluide qui a été comprimé ; il épouse avec un jeu minimal la forme de la roue ; — le conduit d’entrée (repère 5) qui amène le fluide vers la roue ; — le conduit de sortie (repère 6 sur la figure 1 b) qui délivre le fluide haute pression vers l’utilisation ; — des systèmes d’étanchéité externes (repère 7) entre le fluide véhiculé et l’atmosphère ; ils sont généralement constitués par des garnitures mécaniques, cependant certaines réalisations utilisent des tresses presse-étoupe. Par suite de la forme particulièrement simple de ses sections d’entrée et de sortie, la pompe monocellulaire de la ﬁgure 1 sera uti- lisée pour la description des écoulements et l’exposé du principe de fonctionnement. 1.1.2 Cas d’une pompe multicellulaire Bien que théoriquement, il soit possible de constituer une pompe multicellulaire à partir de la pompe que nous venons de décrire, une telle disposition est rarement utilisée. Les composants hydrauliques d’une pompe multicellulaire sont donc assez différents de ce que nous venons de voir. Les principales différences sont les suivantes : — les entrées et sorties dans l’étage ne se font plus radialement, mais latéralement ; la fonction que remplissait le barrage (repère 4 de la figure 1 b) est remplie par une pièce de forme trimensionnelle que l’on ne peut pas représenter simplement ; — le transit axial de l’écoulement nécessite que la roue ne porte pas de cloison centrale comme celle de la figure 1 a ; les ailes sont donc en porte-à-faux, plus épaisses, radiales ; ces caractères appa- raissent bien sur la photographie de la figure 2 b ; — le nombre d’ailes est de l’ordre de 20 à 30 ; — le fluide ne passe pas directement de l’étage de rang n à l’étage de rang n + 1 ; il transite par une capacité intermédiaire ; — l’étage d’une pompe multicellulaire comporte un seul canal latéral ; c’est un étage simple assimilable à la moitié de l’étage représenté sur la figure 1 a ; il remplit exactement les mêmes fonc- tions. 1.2 Description détaillée d’une pompe multicellulaire La ﬁgure 3 montre une pompe à deux étages, dans une conﬁgu- ration bien représentative de cette famille. Les éléments constitutifs sont les suivants : — les roues (repère 1) porteuses d’ailettes (repère 2) ; — le canal latéral de chacun des étages (repère 3) ; Les ailes de la roue n’ont pas toujours une forme droite aussi simple que celle de la ﬁgure 1 b. Elles peuvent être épaisses et proﬁlées, ou encore inclinées au lieu d’être radiales. Le nombre d’ailes est supérieur à 30 lorsque les ailes sont minces et d’épaisseur constante. Il peut atteindre 60 lorsque le rapport diamétral est grand (ailettes courtes). Figure 1 – Composants hydrauliques d’une pompe à canal latéral monocellulaire à entrée et sortie radiales 5 5 1 1 2 2 2 3 3 3 4 6 7 7 a b BP HP Contrairement à ce qui est pour les pompes centrifuges, le ﬂuide n’entre pas dans l’axe de la roue. Il entre, circule et ressort à la périphérie de la pompe sans jamais s’approcher du centre. Les pompes à canal latéral appartiennent ainsi à la uploads/Litterature/ pompes-canal-lateral.pdf