Pompes Et Compresseurs 2s4c3x

Pompes et compresseurs.

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POMPES 1

GENERALITES Les pompes sont des appareils qui servent à aspirer, refouler ou comprimer les fluides. Lorsque l'appareil sert à comprimer un gaz, on le nomme compresseur. Lorsqu'il "comprime" un liquide, on le nomme pompe. On peut classer les pompes suivant plusieurs critères : -

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selon le mode d'entraînement: pompes alternatives ou rotatives selon le fonctionnement: on distingue: •

les pompes volumétriques, qui à chaque tour débitent un volume bien déterminé de fluide,

•

les pompes centrifuges qui refoulent à une pression essentiellement fonction de la vitesse et de la forme du rouet et dont le débit dépend de la plus ou moins grande ouverture des vannes placées sur le circuit de refoulement.

•

les pompes hélicoïdales dont le fonctionnement est analogue à celui d’une hélice.

POMPES VOLUMETRIQUES On distingue : - les pompes alternatives à clapets - les pompes rotatives à engrenages - les pompes rotatives à palettes - les pompes rotatives à vis Toutes ces pompes nécessitent le montage d'une soupape de sûreté (retour à l'aspiration) en cas de fonctionnement refoulement fermé ou obstrué. 2.1 - Pompes alternatives On rencontre : a)

les pompes foulantes placées dans le liquide à refouler. Fonctionnement :

- course descendante : le clapet R est ouvert et le clapet A fermé ; le liquide est refoulé. - course montante : le clapet R est fermé et A ouvert ; le cylindre se remplit.

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b)

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les pompes aspirantes placées au dessus du liquide a aspirer. Fonctionnement :

- course descendante : le clapet R est ouvert et A est fermé ; le liquide situé dans le cylindre e au dessus du piston - course montante : le clapet R est fermé et A ouvert, le liquide situé au dessus du piston s’écoule par l' orifice de refoulement et le cylindre se remplit à nouveau c)

les pompes aspirantes et foulantes Dans ce type de pompes, le piston ne possède pas de clapet. On distingue les pompes a simple effet où une seule face du piston est utilisée et les pompes a double effet où les 2 faces du piston utilisées.

c1 : pompes à simple effet Fonctionnement : - course descendante ou foulante : le clapet R est ouvert et A fermé ; le liquide est refoulé. - course montante ou aspirante : le clapet R est fermé et A ouvert ; cylindre se remplit. c2 : pompes a double effet Le piston sépare le cylindre en 2 parties qui constituent chacune une pompe. Fonctionnement : - course descendante : le fluide contenu dans la partie inférieure du cylindre est refoulé par le clapet R2 et la partie supérieure aspire le fluide ; le clapet R1 est fermé et A est ouvert. - course montante : le fluide is dans la partie supérieure est refoulé par le clapet R1 et la partie inférieure spire à son tour ; le clapet R2 est fermé et A2 est ouvert. Les pompes à double effet ont été très utilisées dans la marine comme pompes alimentaires des chaudières et comme pompes de cale et de transfert. Leur entraînement est assuré : -

soit directement par un cylindre à vapeur placé sur la même tige (pompes duplex et simplex)

-

soit par un moteur électrique et un système crosse-bielle-manivelle.

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2.2 – Pompes à engrenages Ce sont les plus simples du point de vue mécanique. Elles sont constituées d'un corps de pompe généralement en fonte et de 2 engrenages à dentures droites ou hélicoïdales, dont l'un est entraîne par un moteur et l'a par un engrènement. Deux flasques assurent l’étanchéité latérale et portent les coussinet ou roulements. Ces pompes sont utilisées pour véhiculer des fluides autolubrifiants (huile, mazout). Elles peuvent être employées jusqu’à des pressions de l’ordre de 200 bars dans les circuits hydrostatiques. Fonctionnement : Le liquide se répartit entre chaque dent et le corps de pompe et e ainsi, lors de la rotation des pignons, du côté aspiration au côté refoulement. L'engrènement des 2 pignons empêche le fluide de faire retour à l'aspiration. Si on inverse le sens de rotation, la circulation du fluide est inversée également. Dans le cas d'une pompe attelée à une machine ayant 2 sens de rotation (moteur Diesel ou turbine de propulsion), on doit disposer d'un jeu de clapets permettant de maintenir le sens de circulation du fluide à l'extérieur du corps de pompe. 2.3 – Pompes à palettes L’arbre de la pompe entraîne un rotor entaillé radialement d’encoches servant de guidage aux palettes. Ce rotor est placé dans un stator de profil intérieure ovale ou circulaire mais excentré par rapport à l’arbre du rotor. Fonctionnement : Lors du mouvement de rotation, les palettes, appliquées contre la face interne du stator par la force centrifuge, sortent ou rentrent dans leur logement. Les volumes délimités par le stator et 2 palette voisines varient progressivement, créant aspiration et refoulement. Des ouies, reliées aux tuyauteries correspondant à l’arrivée et au départ du fluide sont ménagées judicieusement dans le stator. On peut faire varier le débit de la pompe en modifiant l’excentricité entre rotor et stator. On obtient un débit nul lorsque rotor et stator sont concentriques, et le sens de circulation du fluide s’inverse si l’excentration est inversée. Celui ci s’inverse également avec le sens de rotation. On peut obtenir des pressions de l’ordre de 150 bars lorsque ces pompes sont utilisées dans les circuits hydrostatiques. Utilisation :

appareil à gouverner

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2.4 – Pompes à vis Les pompes à vis sont d'un fonctionnement semblable aux pompes à engrenages. Elles sont constituées de 2 vis de même pas mais de sens contraires placées côte à côte et engrenant entre elles à l'intérieur d'un carter relié a chaque extrémité à un conduit. Il n'existe qu'un très faible jeu entre le carter et les vis entre les filets en (flancs et fonds de filets). En dehors de leurs surfaces d'appui communes, les filets délimitent certain nombre de volumes V1, V2, V3 ... V’1, V’2, V’3... Fonctionnement : Lorsque l'une des vis tourne, l'autre est entraînée et les volumes V1, V2, V3 et V’l, V’2, V’3 se déplacent suivant l'axe des vis ; on a donc une aspiration à une extrémité et un refoulement de l'autre. La pression de refoulement pouvant être très importante (200 bars et plus), il y a création d'une poussée axiale dans le sens contraire de l’écoulement du fluide. Pour équilibrer cette poussée, plusieurs dispositifs sont prévus : - système à double flux où chaque vis possède à la suite l'un de l’autre un filetage de pas contraire. Le refoulement est au centre et l'aspiration aux extrémités. - ou bien pistons d’équilibrage constitués par des douilles placées en bout des axes de la vis centrale et des satellites, et au centre desquelles aboutit le tuyau d’équilibrage. La plupart des pompes à vis actuelles (SCAM-IMO) comprennent une vis centrale entraînée par le moteur et 2 ou 3 vis appelées satellites. Ces pompes sont à simple flux et comportent un système d’équilibrage. Pour certaines applications (pompage de l’eau), ces vis reçoivent un revêtement spécial. Comme pour les pompes à engrenages, lorsque ces pompes sont attelées et peuvent tourner dans les 2 sens, on doit disposer d’un jeu de clapets permettent de conserver le sens de circulation du fluide. Utilisation :

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idem pompes à engrenages

POMPES CENTRIFUGES 3.1 – Pompe élémentaire

-

Une pompe centrifuge élémentaire se compose de 3 parties : une turbine ou rouet ou roue portant des canaux radiaux avec une inclinaison généralement en sens inverse du sens de rotation, un diffuseur qui transforme l’énergie cinétique de l’eau en énergie potentielle, une volute, en forme d'escargot, qui recueille le fluide et le dirige vers le refoulement.

Pour simplifier la construction, sur de nombreuses pompes, c'est la volute (construite en conséquence) qui joue le rôle de diffuseur.

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Fonctionnement: La pompe étant pleine de liquide, lorsqu'on fait tourner le rouet, le fluide emprisonné entre 2 aubes radiales est entraîné en rotation sous l'effet de la force centrifuge, il est chassé vers la périphérie avec une certaine vitesse relative W2 associée à la vitesse d'entraînement U2 pour donner la vitesse absolue de sortie V2. Le fluide pénétrant dans le diffuseur à la vitesse V2 possède une énergie cinétique qui se transforme en énergie potentielle dans le diffuseur. Les avantages de ce type de pompes sont: -

de pouvoir refouler a des pressions relativement élevées si la vitesse périphérique U2 est grande.

-

d'avoir (si l'allure est constante) une pression de refoulement qui varie peu avec le débit (possibilité de fonctionnement refoulement fermé dans la limite de l'échauffement du fluide),

-

de convenir aux gros débits tout en ayant un encombrement réduit. Ses inconvénients sont :

-

faible hauteur d’aspiration : les pompes centrifuges ne s’amorcent pas seules si elles ne sont pas en charge ; il faut alors les remplir de liquide. En règle générale, elles sont toujours placées en charge par rapport au fluide à véhiculer. Certains dispositifs permettent néanmoins d’améliorer les caractéristiques d’amorçage (pompes auto-amorçantes).

risques de cavitation, particulièrement dans le cas des pompes alimentaires et des pompes d’extraction lorsque la pression à l’entrée est égale à la tension de vapeur saturante du liquide (il y a vaporisation du liquide) ; il se forme alors des poches de vapeur, des cavités (d’où le terme de cavitation pour designer le phénomène). La pompe se désamorce partiellement, est soumise à des chocs et la pression et le débit deviennent instables. Pour éviter ce phénomène, il faut, à l’aspiration, la pression la plus élevée possible. -

-

présence d’une poussée axiale Equilibrage des pompes centrifuges :

En cours de fonctionnement, le rouet est soumis à une poussée axiale due essentiellement aux fuites inévitables qui se produisent entre le diffuseur et le rouet. Ces fuites permettent l’ établissement d'une pression dans les espaces latéraux séparant le rouet du stator, et comme les sections d'applications sont différentes, il en résulte une force dans le sens inverse de l'écoulement du fluide.

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Pour pallier à cet inconvénient, il est nécessaire : -

soit d'absorber la poussée par une butée : procédé utilisé sur les petites pompes, soit de compenser la poussée, ce qui peut être réalisé par : • •

•

l'adoption d'un rouet à. double ouïe d’aspiration (pompe de grande puissance), l'adoption d'un piston d’équilibrage généralement constitué par une partie de la face arrière du rouet formant chambre d'équilibrage. Quelques orifices sont percés dans le rouet pour créer dans la chambre une pression égale à celle régnant à l'aspiration, une butée reste cependant nécessaire, pour absorber les poussées résiduelles et positionner la roue à l’intérieur du stator.

Utilisation : pompe à incendie 3.2 – Pompes multicellulaires La pression de refoulement est proportionnelle au carré de la vitesse périphérique du rouet. La vitesse périphérique maximum est de l’ordre de 80 m/s, ce qui limite la pression à environ 40 bars. Pour obtenir des pressions de refoulement supérieures, on cale sur le même arbre plusieurs rouets identiques placés en série. A vitesse égale, le débit est le même que celui fourni par un seul rouet, mais la pression est multipliée par le nombre de roues. Pour un même débit et une même pression, une pompe multicellulaire à n rouets, tourne √n fois moins vite que la pompe élémentaire. L’équilibrage des pompes multicellulaires est semblable à celui des pompes élémentaires. Ce type de pompe est utilisé pour l’alimentation en eau des chaudières haute pression.

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POMPES HELICOÏDES Les aubes du rouet sont analogues à des pales d'hélice. Leur action déplace le fluide parallèlement à l'axe de rotation.

-

Ces pompes sont caractérisées par : une faible pression de refoulement la possibilité d'assurer l'écoulement de gros débits une hauteur d'aspiration très faible

Ce type de pompe trouve son application dans la circulation d'eau de mer au condenseur.

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POMPES CENTRIFUGES

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FONCTIONNEMENT DES POMPES CENTRIFUGES 1.1 - Principe Soit une pompe centrifuge constituée schématiquement par un corps de pompe C dans lequel tourne un rouet R qui met en mouvement le liquide aspiré. A la sortie de R, l’énergie cinétique acquise par le liquide est transformé en énergie potentielle (pression) dans un diffuseur D qui est soit une simple volute de section croissante ou une couronne d' aubage fixe (pompes de grand débit). Pour une masse unité de fluide aspiré, équation générale de l’écoulement des fluides appliquée à la pompe s’écrit : WP = 1 (Ps – Pe) + 1 (V2s – V2e) + g (Zs - Ze) P 2 Or Zs ≠ ≠ Ze et le travail reçu par la pompe est : WP = 1 (PS – PE) + 1 (V2s – V2e) P 2 1.2 – Expression de la hauteur théorique Considérons une pompe montée sur une conduite qui aspire en A et refoule en B. En appliquant l’équation de Bernouilli on a : - Pour le circuit d’aspiration 1-2. P + g ZA = Pe + 1 V2B + g ZB P P 2 Soit : Ha = Zp – Za = Pe – Pe – 1_ V2e Pg 2g ( Ha = hauteur d’aspiration en mètres ). -

Pour le circuit de refoulement 3 – 4 Ps P

+ g ZB =

Ps P

Soit : H2 = ZB – ZP =

+

1 2

V2s + g ZP

Ps – P Pg

+

1 2g

V2s

H2 = hauteur refoulement

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La hauteur théorique (ou géométrique) est égale à : Ht = Ha + Hr = ( ZP – Za ) + ( ZB – ZP ) = ( ZB – ZA ) = P – Pe Pg =

Ps – Pe Pg

- 1 2g

+ Ps – P Pg

1 - 2g

+1 2g

V2s

( V2s – V2e )

En comparant cette expression avec celle définissant le travail reçu par la pompe, on en déduit : WP = g Ht

1.3 –Equation de fonctionnement Elle définit la relation qui existe entre la hauteur théorique et le débit volumique de fluide Ht = f ( Q ) En appliquant la formule d’Euler au rouet, on a : CR = I ( Vs R cos α 2 – Ve r cos α 1 ) or α 1 = 90° et Ve 2 cos α 1 = 0 CR = I VS R cos α 2 La puissance fournie à la pompe est : P = I WP = CR ω

Us = R ω

D’où WP = Vs R cos α 2 Us =Us Vs cos α 2 R WP et Ht = g

=

Us Vs cos α 2 g

Dans le triangle de sortie, on a : Vs = Us + Ws Soit Vs cos α 2 = Us + Ws cos β 2 et l' expression (1) s' écrit :HE =

Us ( Us + Ws cos β 2 ) g

=

Exprimons Us et Ws en fonction de N et Q : Us = R

πN 30

et Qs = S . Ws sin β2

⇔

Ws =

Q__ Sin β2

Us2 + Us Ws cos β 2 g

(1)

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En reportant ces valeurs dans l'expression de la hauteur théorique on a : 2 Ht = 1 ( ( π R ) g ( ( 30 )

Posons

1 ( π R )2 g ( 30 )

=A

N2 + ( π R ) ( 30 ) et

1 g

NQ S

cot β2

(πR).1 ( 30 ) S

cot β2 = B

L'équation de fonctionnement de la pompe centrifuge s’écrit alors : HE = A N2 + B N Q

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CARACTERISTIQUES THEORIQUES DES POMPES CENTRIFUGES 2.1 – Courbes de fonctionnement

Ht = f (Q)

1) Courbes à vitesse constante. La caractéristique est une droite dont la pente dépend de la forme des aubages du rouet c’est à dire de la valeur de l’angle β2. Ainsi pour une aube inclinée en arrière 15 < β2 < 60, cotg β2 < 0 et B < 0, la pente est négative et l’allure de la courbe décroissante. La hauteur théorique diminue quant le débit augmente. Dans les autres cas : - pour β2 = 90°, cotg β2 = 0 et Ht = cte - pour β2 > 90°, cotg β2 > 0 et Ht = cte NOTA : Si l’on modifie le diamètre du rouet (R), on obtient une nouvelle caractéristique qui est sensiblement parallèle à la précédente.

2) Courbes à vitesse variable. Si l’on fait varier la vitesse par échelon, on obtient une série de courbes dont la pente augmente avec la vitesse sauf pour β2 = 90°.

2.2 – Courbes de puissance

Pa = f (Q)

La puissance théorique absorbée par la pompe est égale à : Pa = I WP = I g Ht = g ρ Q ( A N2 + B N Q ) D’une manière générale, les courbes de puissance sont tracées à vitesse constante. L’expression précédente s’écrit alors : Pa = a Q + b Q2 Avec a = g ρ A N2 et b=gρBN Suivant le type du rouet, on aura les caractéristiques suivantes :

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CARACTERISTIQUES REELLES DES POMPES CENTRIFUGES Pour obtenir les caractéristiques réelles des pompes, on retranche les pertes de charge des caractéristiques théoriques. 3.1 - Pertes de charge Elles sont dues : -

au frottement du liquide dans le rouet, le diffuseur et la volute. hf = α . Q2 - aux chocs des filets de liquide à l'entrée de la roue et surtout à l'entrée du diffuseur. hc = β ( Q – Qn )2 (Qn est le débit normal sans choc; ce débit correspond à une vitesse sortie tangente aux aubages). H = hf + hc

3.2 - Courbes de fonctionnement La hauteur réelle engendrée ou hauteur utile est : Hu = Ht - h Pour obtenir la courbe de fonctionnement Hu = f ( Q ) il suffit de retrancher les pertes de charge de la caractéristique théorique. Pour une vitesse donnée, on a la représentation suivante :

M est le point de fonctionnement normal et Mo celui à vanne de refoulement fermée. Qc est débit limite au delà duquel il y a désamorçage.

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3.3 - Courbes de puissance

-

-

On définit : la puissance effective Pe, comme la puissance mesurée sur l’arbre de la pompe. La courbe de variation de Pe se déduit de la courbe de puissance théorique absorbée Pa en ajoutant les pertes mécaniques qui sont sensiblement constantes pour une vitesse N donnée. la puissance utile Pu absorbée par la pompe comme la puissance nécessaire pour fournir un débit Q à la hauteur réelle (utile) Hu soit : Pu = I g Hu = ρ g Q Hu La courbe se déduit de la courbe de fonctionnement Hu.

3.4 – Courbe de rendement manométrique On appelle rendement manométrique, le rapport de la puissance utile sur la puissance effective, soit : η = Pu Pe

En générale, les constructeurs fournissent des courbes à rendement constant pour différentes allures de la pompe, ou pour différents types de rouets (diamètre). Dans ce dernier cas, l’allure de la pompe reste constante.

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UTILISATION DES POMPES CENTRIFUGES 4.1 – Caractéristique résistante d'une conduite Considérons l'installation d'un TPA placé sur la conduite d'alimentation d'une chaudière. La résistance de la conduite est homogène à une hauteur d'eau. Soit Hm la hauteur manométrique nécessaire pour assurer le débit Q dans la chaudière. On a : Hm = H0 + H1 + H2 Avec : H0 = pression de régime de la chaudière en m, indépendante de Q (650 m) Hl = perte de charge en mètres à la vanne de régulation (90 m) H2 = perte de charge dans la conduite H2 = α Q2 La courbe résistante de l’installation est une parabole (courbe I) d’ordonnée à l’origine (H0 + H1) = Hs (hauteur statique). Si la caractéristique réelle de fonctionnement de la pompe est donnée par la courbe II, le point de fonctionnement de l’installation se trouve à l’intersection des courbes (point M). Le fonctionnement sera stable car une perturbation accidentelle dans le débit de part et d’autre de M provoque un retour spontané à l’équilibre. Si Q

 Hu  Hm

( Hu – Hm ) < 0



Q



Stabilité Q

 Hu  Hm

( Hu – Hm ) > 0

Q



Il y aurait pompage (fonctionnement instable) si le point de fonctionnement se situait à gauche du point C ce qui limite le débit minimum de la pompe à Qm. Soit Q1 le débit demandé et réglé . Pour une perturbation accidentelle Q jusqu’à Q2 ≠ Q1 Si Q

 Hu  Hm

( hu – Hm ) > 0 Q

D’où action sur le vannage pour diminuer le débit qui tend alors vers zéro.  Hu ( hu – Hm ) < 0 Q et tend vers zéro  Hm D’où action sur le vannage pour augmenter le débit qui tend vers Q2. Il s’établit donc une variation constante du débit entre 0 et Q2 (pompage). Si Q

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4.2 Réglage du débit des pompes centrifuges L’utilisation d’un moteur à vitesse variable permet un réglage rationnel car il conserve sensiblement le rendement de la pompe à tous les débits. C’est le cas des turbo pompes.

NOTA : La caractéristique de la régulation est superposée à celle de la conduite.

Avec un moteur à vitesse constante, le réglage se fait sur la caractéristique de la conduite (laminage) ce qui augmente les pertes de charge aux faibles débits et diminue rapidement le rendement. (cas des électro-pompes).

4.3 - Problème de l'aspiration : cavitation La cavitation est le phénomène qui apparaît quand la pression à l’aspiration est égale à la tension de vapeur du liquide pompé. Il y a alors vaporisation et la formation de vapeur détruit l' écoulement. Le fonctionnement de la pompe devient instable . Pour déterminer la limite de cavitation, on définit la charge nette à l’aspiration appelée N P S H (net positive suction head). La caractéristique d’aspiration de la pompe (N P S Hr) est donnée par le constructeur. La caractéristique d’aspiration de la conduite (N P S Ha) tient compte : - de la pression absolue du liquide (surface libre) H - de la hauteur géométrique d’aspiration Ha r = required (nécessaire) -

a = available (disponible)

de la hauteur correspondant à la tension de vapeur Hv

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- des pertes de charge par frottement dans la conduite Hf. D’où : N S P Ha = H + Ha – Hf – Hv

Pour fonctionner sans cavitation il faut : N P S Ha > N P S Hr

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Planche 1

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Planche 2

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Planche 3