Pompes et compresseurs

Pompes et compresseurs.

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POMPES1 GENERALITESLes pompes sont des appareils qui servent aspirer, refouler ou comprimer les fluides. Lorsque l'appareil sert comprimer un gaz, on le nomme compresseur. Lorsqu'il "comprime" un liquide, on le nomme pompe. On peut classer les pompes suivant plusieurs critres : selon le mode d'entranement: pompes alternatives ou rotatives selon le fonctionnement: on distingue: les pompes volumtriques, qui chaque tour dbitent un volume bien dtermin de fluide, les pompes centrifuges qui refoulent une pression essentiellement fonction de la vitesse et de la forme du rouet et dont le dbit dpend de la plus ou moins grande ouverture des vannes places sur le circuit de refoulement. les pompes hlicodales dont le fonctionnement est analogue celui dune hlice.

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POMPES VOLUMETRIQUESOn distingue : - les pompes alternatives clapets - les pompes rotatives engrenages - les pompes rotatives palettes - les pompes rotatives vis Toutes ces pompes ncessitent le montage d'une soupape de sret (retour l'aspiration) en cas de fonctionnement refoulement ferm ou obstru. 2.1 - Pompes alternatives On rencontre : a) les pompes foulantes places dans le liquide refouler. Fonctionnement : - course descendante : le clapet R est ouvert et le clapet A ferm ; le liquide est refoul. - course montante : le clapet R est ferm et A ouvert ; le cylindre se remplit.


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b)

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

- course descendante : le clapet R est ouvert et A est ferm ; le liquide situ dans le cylindre passe au dessus du piston - course montante : le clapet R est ferm et A ouvert, le liquide situ au dessus du piston scoule par l' orifice de refoulement et le cylindre se remplit nouveau c) les pompes aspirantes et foulantes Dans ce type de pompes, le piston ne possde pas de clapet. On distingue les pompes a simple effet o une seule face du piston est utilise et les pompes a double effet o les 2 faces du piston utilises. c1 : pompes simple effet Fonctionnement : - course descendante ou foulante : le clapet R est ouvert et A ferm ; le liquide est refoul. - course montante ou aspirante : le clapet R est ferm et A ouvert ; cylindre se remplit. c2 : pompes a double effet Le piston spare le cylindre en 2 parties qui constituent chacune une pompe. Fonctionnement : - course descendante : le fluide contenu dans la partie infrieure du cylindre est refoul par le clapet R2 et la partie suprieure aspire le fluide ; le clapet R1 est ferm et A est ouvert. - course montante : le fluide admis dans la partie suprieure est refoul par le clapet R1 et la partie infrieure spire son tour ; le clapet R2 est ferm et A2 est ouvert. Les pompes double effet ont t trs utilises dans la marine comme pompes alimentaires des chaudires et comme pompes de cale et de transfert. Leur entranement est assur : soit directement par un cylindre vapeur plac sur la mme tige (pompes duplex et simplex) soit par un moteur lectrique et un systme crosse-bielle-manivelle.

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2.2 Pompes engrenages Ce sont les plus simples du point de vue mcanique. Elles sont constitues d'un corps de pompe gnralement en fonte et de 2 engrenages dentures droites ou hlicodales, dont l'un est entrane par un moteur et l'a par un engrnement. Deux flasques assurent ltanchit latrale et portent les coussinet ou roulements. Ces pompes sont utilises pour vhiculer des fluides autolubrifiants (huile, mazout). Elles peuvent tre employes jusqu des pressions de lordre de 200 bars dans les circuits hydrostatiques. Fonctionnement : Le liquide se rpartit entre chaque dent et le corps de pompe et passe ainsi, lors de la rotation des pignons, du ct aspiration au ct refoulement. L'engrnement des 2 pignons empche le fluide de faire retour l'aspiration. Si on inverse le sens de rotation, la circulation du fluide est inverse galement. Dans le cas d'une pompe attele 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 l'extrieur du corps de pompe. 2.3 Pompes palettes Larbre de la pompe entrane un rotor entaill radialement dencoches servant de guidage aux palettes. Ce rotor est plac dans un stator de profil intrieure ovale ou circulaire mais excentr par rapport larbre du rotor. Fonctionnement : Lors du mouvement de rotation, les palettes, appliques contre la face interne du stator par la force centrifuge, sortent ou rentrent dans leur logement. Les volumes dlimits par le stator et 2 palette voisines varient progressivement, crant aspiration et refoulement. Des ouies, relies aux tuyauteries correspondant larrive et au dpart du fluide sont mnages judicieusement dans le stator. On peut faire varier le dbit de la pompe en modifiant lexcentricit entre rotor et stator. On obtient un dbit nul lorsque rotor et stator sont concentriques, et le sens de circulation du fluide sinverse si lexcentration est inverse. Celui ci sinverse galement avec le sens de rotation. On peut obtenir des pressions de lordre de 150 bars lorsque ces pompes sont utilises dans les circuits hydrostatiques. Utilisation : appareil gouverner


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2.4 Pompes vis Les pompes vis sont d'un fonctionnement semblable aux pompes engrenages. Elles sont constitues de 2 vis de mme pas mais de sens contraires places cte cte et engrenant entre elles l'intrieur d'un carter reli a chaque extrmit un conduit. Il n'existe qu'un trs faible jeu entre le carter et les vis entre les filets en contact (flancs et fonds de filets). En dehors de leurs surfaces d'appui communes, les filets dlimitent certain nombre de volumes V1, V2, V3 ... V1, V2, V3... Fonctionnement : Lorsque l'une des vis tourne, l'autre est entrane et les volumes V1, V2, V3 et Vl, V2, V3 se dplacent suivant l'axe des vis ; on a donc une aspiration une extrmit et un refoulement de l'autre. La pression de refoulement pouvant tre trs importante (200 bars et plus), il y a cration d'une pousse axiale dans le sens contraire de lcoulement du fluide. Pour quilibrer cette pousse, plusieurs dispositifs sont prvus : - systme double flux o chaque vis possde la suite l'un de lautre un filetage de pas contraire. Le refoulement est au centre et l'aspiration aux extrmits. - ou bien pistons dquilibrage constitus par des douilles places en bout des axes de la vis centrale et des satellites, et au centre desquelles aboutit le tuyau dquilibrage. La plupart des pompes vis actuelles (SCAM-IMO) comprennent une vis centrale entrane par le moteur et 2 ou 3 vis appeles satellites. Ces pompes sont simple flux et comportent un systme dquilibrage. Pour certaines applications (pompage de leau), ces vis reoivent un revtement spcial. Comme pour les pompes engrenages, lorsque ces pompes sont atteles et peuvent tourner dans les 2 sens, on doit disposer dun jeu de clapets permettent de conserver le sens de circulation du fluide. Utilisation : idem pompes engrenages

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POMPES CENTRIFUGES3.1 Pompe lmentaire Une pompe centrifuge lmentaire se compose de 3 parties : une turbine ou rouet ou roue portant des canaux radiaux avec une inclinaison gnralement en sens inverse du sens de rotation, un diffuseur qui transforme lnergie cintique de leau en nergie potentielle, une volute, en forme d'escargot, qui recueille le fluide et le dirige vers le refoulement.

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


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Fonctionnement: La pompe tant pleine de liquide, lorsqu'on fait tourner le rouet, le fluide emprisonn entre 2 aubes radiales est entran en rotation sous l'effet de la force centrifuge, il est chass vers la priphrie avec une certaine vitesse relative W2 associe la vitesse d'entranement U2 pour donner la vitesse absolue de sortie V2. Le fluide pntrant dans le diffuseur la vitesse V2 possde une nergie cintique qui se transforme en nergie potentielle dans le diffuseur. Les avantages de ce type de pompes sont: de pouvoir refouler a des pressions relativement leves si la vitesse priphrique U2 est grande. d'avoir (si l'allure est constante) une pression de refoulement qui varie peu avec le dbit (possibilit de fonctionnement refoulement ferm dans la limite de l'chauffement du fluide), de convenir aux gros dbits tout en ayant un encombrement rduit. Ses inconvnients sont : faible hauteur daspiration : les pompes centrifuges ne samorcent pas seules si elles ne sont pas en charge ; il faut alors les remplir de liquide. En rgle gnrale, elles sont toujours places en charge par rapport au fluide vhiculer. Certains dispositifs permettent nanmoins damliorer les caractristiques damorage (pompes auto-amorantes).

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risques de cavitation, particulirement dans le cas des pompes alimentaires et des pompes dextraction lorsque la pression lentre est gale la tension de vapeur saturante du liquide (il y a vaporisation du liquide) ; il se forme alors des poches de vapeur, des cavits (do le terme de cavitation pour designer le phnomne). La pompe se dsamorce partiellement, est soumise des chocs et la pression et le dbit deviennent instables. Pour viter ce phnomne, il faut, laspiration, la pression la plus leve possible. prsence dune pousse axiale Equilibrage des pompes centrifuges : En cours de fonctionnement, le rouet est soumis une pousse axiale due essentiellement aux fuites invitables qui se produisent entre le diffuseur et le rouet. Ces fuites permettent l tablissement d'une pression dans les espaces latraux sparant le rouet du stator, et comme les sections d'applications sont diffrentes, il en rsulte une force dans le sens inverse de l'coulement du fluide.


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Pour pallier cet inconvnient, il est ncessaire : soit d'absorber la pousse par une bute : procd utilis sur les petites pompes, soit de compenser la pousse, ce qui peut tre ralis par : l'adoption d'un rouet . double oue daspiration (pompe de grande puissance), l'adoption d'un piston dquilibrage gnralement constitu par une partie de la face arrire du rouet formant chambre d'quilibrage. Quelques orifices sont percs dans le rouet pour crer dans la chambre une pression gale celle rgnant l'aspiration, une bute reste cependant ncessaire, pour absorber les pousses rsiduelles et positionner la roue lintrieur du stator.

Utilisation : pompe incendie 3.2 Pompes multicellulaires La pression de refoulement est proportionnelle au carr de la vitesse priphrique du rouet. La vitesse priphrique maximum est de lordre de 80 m/s, ce qui limite la pression environ 40 bars. Pour obtenir des pressions de refoulement suprieures, on cale sur le mme arbre plusieurs rouets identiques placs en srie. A vitesse gale, le dbit est le mme que celui fourni par un seul rouet, mais la pression est multiplie par le nombre de roues. Pour un mme dbit et une mme pression, une pompe multicellulaire n rouets, tourne n fois moins vite que la pompe lmentaire. Lquilibrage des pompes multicellulaires est semblable celui des pompes lmentaires. Ce type de pompe est utilis pour lalimentation en eau des chaudires haute pression.

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POMPES HELICODESLes aubes du rouet sont analogues des pales d'hlice. Leur action dplace le fluide paralllement l'axe de rotation. Ces pompes sont caractrises par : une faible pression de refoulement la possibilit d'assurer l'coulement de gros dbits une hauteur d'aspiration trs faible

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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 CENTRIFUGES1.1 - Principe Soit une pompe centrifuge constitue schmatiquement par un corps de pompe C dans lequel tourne un rouet R qui met en mouvement le liquide aspir. A la sortie de R, lnergie cintique acquise par le liquide est transform en nergie potentielle (pression) dans un diffuseur D qui est soit une simple volute de section croissante ou une couronne d' aubage fixe (pompes de grand dbit). Pour une masse unit de fluide aspir, quation gnrale de lcoulement des fluides applique la pompe scrit : WP = 1 (Ps Pe) + 1 (V2s V2e) + g (Zs - Ze) P 2 Or Zs Ze et le travail reu par la pompe est : WP = 1 (PS PE) + 1 (V2s V2e) P 2 1.2 Expression de la hauteur thorique Considrons une pompe monte sur une conduite qui aspire en A et refoule en B. En appliquant lquation de Bernouilli on a : - Pour le circuit daspiration 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 daspiration en mtres ). Ps P Pour le circuit de refoulement 3 4 Ps P 1 2 V2s + g ZP 1 2g V2s

+ g ZB =

+

Soit : H2 = ZB ZP =

Ps P Pg

+

H2 = hauteur refoulement


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La hauteur thorique (ou gomtrique) est gale : Ht = Ha + Hr = ( ZP Za ) + ( ZB ZP ) = ( ZB ZA ) = P Pe Pg = Ps Pe Pg - 1 2g 1 - 2g + Ps P Pg ( V2s V2e ) +1 2g V2s

En comparant cette expression avec celle dfinissant le travail reu par la pompe, on en dduit : WP = g Ht

1.3 Equation de fonctionnement Elle dfinit la relation qui existe entre la hauteur thorique et le dbit volumique de fluide Ht = f ( Q ) En appliquant la formule dEuler au rouet, on a : CR = I ( Vs R cos 2 Ve r cos 1 ) or 1 = 90 et Ve 2 cos 1 = 0 CR = I VS R cos 2 La puissance fournie la pompe est : P = I WP = CR Us = R

Do WP = Vs R cos 2 Us =Us Vs cos 2 R WP et Ht = g Dans le triangle de sortie, on a : Vs = Us + Ws Soit Vs cos 2 = Us + Ws cos 2 et l' expression (1) s' crit E = :H Us ( Us + Ws cos 2 ) g = Us2 + Us Ws cos 2 g = Us Vs cos 2 g (1)

Exprimons Us et Ws en fonction de N et Q : Us = R N 30 et Qs = S . Ws sin 2 Ws = Q__ Sin 2


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

N2 + ( R ) ( 30 ) et 1 g

NQ S

cot 2 cot 2 = B

Posons

1 ( R )2 g ( 30 )

=A

(R).1 ( 30 ) S

L'quation de fonctionnement de la pompe centrifuge scrit alors : HE = A N2 + B N Q


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CARACTERISTIQUES THEORIQUES DES POMPES CENTRIFUGES2.1 Courbes de fonctionnement Ht = f (Q)

1) Courbes vitesse constante. La caractristique est une droite dont la pente dpend de la forme des aubages du rouet cest dire de la valeur de langle 2. Ainsi pour une aube incline en arrire 15 < 2 < 60, cotg 2 < 0 et B < 0, la pente est ngative et lallure de la courbe dcroissante. La hauteur thorique diminue quant le dbit augmente. Dans les autres cas : - pour 2 = 90, cotg 2 = 0 et Ht = cte - pour 2 > 90, cotg 2 > 0 et Ht = cte NOTA : Si lon modifie le diamtre du rouet (R), on obtient une nouvelle caractristique qui est sensiblement parallle la prcdente.

2) Courbes vitesse variable. Si lon fait varier la vitesse par chelon, on obtient une srie de courbes dont la pente augmente avec la vitesse sauf pour 2 = 90.

2.2 Courbes de puissance

Pa = f (Q)

La puissance thorique absorbe par la pompe est gale : Pa = I WP = I g Ht = g Q ( A N2 + B N Q ) Dune manire gnrale, les courbes de puissance sont traces vitesse constante. Lexpression prcdente scrit alors : Pa = a Q + b Q2 Avec a = g A N2 et b=gBN Suivant le type du rouet, on aura les caractristiques suivantes :


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CARACTERISTIQUES REELLES DES POMPES CENTRIFUGESPour obtenir les caractristiques relles des pompes, on retranche les pertes de charge des caractristiques thoriques. 3.1 - Pertes de charge Elles sont dues : au frottement du liquide dans le rouet, le diffuseur et la volute. hf = . Q2 - aux chocs des filets de liquide l'entre de la roue et surtout l'entre du diffuseur. hc = ( Q Qn )2 (Qn est le dbit normal sans choc; ce dbit correspond une vitesse sortie tangente aux aubages). H = hf + hc

3.2 - Courbes de fonctionnement La hauteur relle engendre 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 caractristique thorique. Pour une vitesse donne, on a la reprsentation suivante :

M est le point de fonctionnement normal et Mo celui vanne de refoulement ferme. Qc est dbit limite au del duquel il y a dsamorage.


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3.3 - Courbes de puissance On dfinit : la puissance effective Pe, comme la puissance mesure sur larbre de la pompe. La courbe de variation de Pe se dduit de la courbe de puissance thorique absorbe Pa en ajoutant les pertes mcaniques qui sont sensiblement constantes pour une vitesse N donne. la puissance utile Pu absorbe par la pompe comme la puissance ncessaire pour fournir un dbit Q la hauteur relle (utile) Hu soit : Pu = I g Hu = g Q Hu La courbe se dduit de la courbe de fonctionnement Hu.

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

En gnrale, les constructeurs fournissent des courbes rendement constant pour diffrentes allures de la pompe, ou pour diffrents types de rouets (diamtre). Dans ce dernier cas, lallure de la pompe reste constante.


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UTILISATION DES POMPES CENTRIFUGES4.1 Caractristique rsistante d'une conduite Considrons l'installation d'un TPA plac sur la conduite d'alimentation d'une chaudire. La rsistance de la conduite est homogne une hauteur d'eau. Soit Hm la hauteur manomtrique ncessaire pour assurer le dbit Q dans la chaudire. On a : Hm = H0 + H1 + H2 Avec : H0 = pression de rgime de la chaudire en m, indpendante de Q (650 m) Hl = perte de charge en mtres la vanne de rgulation (90 m) H2 = perte de charge dans la conduite H2 = Q2 La courbe rsistante de linstallation est une parabole (courbe I) dordonne lorigine (H0 + H1) = Hs (hauteur statique). Si la caractristique relle de fonctionnement de la pompe est donne par la courbe II, le point de fonctionnement de linstallation se trouve lintersection des courbes (point M). Le fonctionnement sera stable car une perturbation accidentelle dans le dbit de part et dautre de M provoque un retour spontan lquilibre.

Si Q

Hu Hm Hu Hm

( Hu Hm ) < 0

Q

Stabilit

Q

( Hu Hm ) > 0

Q

Il y aurait pompage (fonctionnement instable) si le point de fonctionnement se situait gauche du point C ce qui limite le dbit minimum de la pompe Qm. Soit Q1 le dbit demand et rgl . Pour une perturbation accidentelle Q jusqu Q2 Q1

Si Q

Hu Hm

( hu Hm ) > 0 Q

Do action sur le vannage pour diminuer le dbit qui tend alors vers zro. Hu ( hu Hm ) < 0 Q et tend vers zro Hm Do action sur le vannage pour augmenter le dbit qui tend vers Q2. Il stablit donc une variation constante du dbit entre 0 et Q2 (pompage).

Si Q


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4.2 Rglage du dbit des pompes centrifuges Lutilisation dun moteur vitesse variable permet un rglage rationnel car il conserve sensiblement le rendement de la pompe tous les dbits. Cest le cas des turbo pompes.

NOTA : La caractristique de la rgulation est superpose celle de la conduite.

Avec un moteur vitesse constante, le rglage se fait sur la caractristique de la conduite (laminage) ce qui augmente les pertes de charge aux faibles dbits et diminue rapidement le rendement. (cas des lectro-pompes).

4.3 - Problme de l'aspiration : cavitation La cavitation est le phnomne qui apparat quand la pression laspiration est gale la tension de vapeur du liquide pomp. Il y a alors vaporisation et la formation de vapeur dtruit l' coulement. Le fonctionnement de la pompe devient instable . Pour dterminer la limite de cavitation, on dfinit la charge nette laspiration appele N P S H (net positive suction head). La caractristique daspiration de la pompe (N P S Hr) est donne par le constructeur. La caractristique daspiration de la conduite (N P S Ha) tient compte : - de la pression absolue du liquide (surface libre) H - de la hauteur gomtrique daspiration Ha

r = required (ncessaire)

a = available (disponible)

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de la hauteur correspondant la tension de vapeur Hv


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- des pertes de charge par frottement dans la conduite Hf. Do : 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

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