Brevet FR2488346A1 — publié le 19820212

L'invention est relative à une pompe centrifuge pour liquides à étage unique. Une pompe de ce genre comprend un corps à orifice d'entrée et orifice de sortie qui loge une roue à aubes délimitant entre elles des canaux de formes et dimensions telles que la rotation de cette roue provoque, par la force centrifuge engendrée, la circulation d'un liquide de l'orifice d'entrée vers l'orifice de sortie. On rappelle que les caractéristiques et performances d'une telle pompe sont en général représentées par un paramètre 5, appelé vitesse spécifique, qui est défini par la formule suivante: Q112 n n s n " H3/4 Dans cette formule n est la vitesse de rotation de la roue exprimée en tours par minute, Q est le débit de sortie exprimé en mètres cubes par seconde et H est une hauteur de liquide exprimée en mètres représentant la pression de sortie. On a déjà proposé, pour élargir les possibilités d'utilisation de ces pompes, notamment vers les faibles débits et les grandes pressions, c'est-à-dire vers les faibles vitesses spécifiques n5, de disposer en aval de l'orifice de sortie une vanne permettant de diminuer le débit et d'augmenter la pression. Mais une vanne élève le coût de l'installation, provoque une consommation d'énergie excessive pour la pompe, et, pour des faibles débits, se détériore rapidement et engendre un bruit gênant. Pour obtenir des faibles débits Q et des hauteurs H importantes, il est également possible de conférer un diamètre important à la roue et une faible largeur de passage -mesurée parallèlement à l'axe de rotation de la roue- du liquide dans la pompe, car la pression de sortie est une fonction directe du diamètre de la roue et, de même, le débit du liquide est une fonction directe de la largeur de passage. Mais cette dernière solution, qui est satisfaisante pour la consommation d'énergie et la fiabilité, est cependant d'un coût trop élevé pour des vitesses spécifiques faibles, au plus égales à 10 environ. En effet pour ces valeurs de vitesses spécifiques, il faudrait conformer la pompe de manière que le rapport entre la largeur de passage du liquide et le diamètre de la roue soit inférieur à 1/40 et il n'est pas possible, avec les techniques actuellement connues, de fabriquer d'une seule pièce par fonderie des roues ayant un rapport largeur de passage/diamètre aussi faible et présentant, comme il est souhaitable, des canaux fermés par des parois ou flasques perpendiculaires à l'axe de rotation. I1 est cependant possible de fabriquer par fonderie en deux pièces de telles roues. Mais dans ce cas, le coût serait trop élevé. Il serait également possible de fabriquer d'une seule pièce par fonderie des roues ayant les caractéristiques dimensionnelles cidessus à condition que les canaux soient ouverts d'un, ou des deux, côté(s) ; mais dans ce cas les caractéristiques de fonctionnement de la pompe seraient détériorées. En outre, avec une faible largeur de passage, l'effet du frottement du liquide contre les parois, en raison des irrégularités inévitables de ces dernières, provoque une diminution du rendement de la pompe. De plus, ces irrégularités étant aléatoires, des pompes de dimensions identiques, même fabriquées simultano;l:ent, n'auraient pas les mêmes caractéristiques de fonctionnement. Des petites vitesses spécifiques peuvent aussi être obtenues en disposant plusieurs pompes en série, chacune présentant une roue à canaux fermés, et fabriquées d'une seule pièce par fonderie. Mais le coût serait alors encore trop élevé. On peut aussi envisager la fabrication par moulage de matière plastique ou par emboutissage de tôle métallique de telles roues à rapport largeur/diamètre réduit dans des conditions économiques satisfaisantes. Mais les applications de telles pompes seraient limitées car elles ne permettraient pas de faire circuler des liquides corrosifs ou abrasifs à des pressions importantes et des températures extrêmes, alors qu'une pompe fabriquée par fonderie en acier inoxydable ou non, ou en fonte, permet au contraire la circulation de liquides corrosifs ou abrasifs à des pressions importantes et des températures élevées. L'invention vise donc à fournir une pompe centrifuge de vitesse spécifique au plus égale à 10 qui puisse être fabriquée de façon économique par fonderie. La pompe selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle présente un canal de sortie de section, notamment de forme circulaire, limitée de façon que la vitesse spécifique ns de la pompe soit au plus égale à 10 environ. La limitation du débit est ainsi obtenue en agissant sur le canal de sortie, c'est-à-dire de manière particulièrement simple, économique et fiable. De plus on peut dimensionner la roue de manière qu'elle soit aisément fabricable par fonderie d'une seule pièce même si ses canaux sont fermés. On peut donc fabriquer une pompe à vitesse spécifique au plus égale à 10 dans des conditions satisfaisantes de fiabilité et de prix de revient. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le corps de la pompe comprend un logement pour une douille amovible dans laquelle est ménagé le canal de sortie. De cette manière on peut modifier à volonté les caractéristiques de la pompe par la modification de la section du canal de sortie ménagé dans la douille. Dans une réalisation destinée à des pompes pour la circulation de liquides contenant des particules abrasives, la douille est en une. matière à haute résistance à l'abrasion. - D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique, en coupe perpendiculaire à l'axe de rotation, d'une pompe selon l'invention - la figure 2 est une coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1 - la figure 3 montre, en coupe perpendiculaire à l'axe de rotation, la sortie de la pompe représentée sur la figure 1 ainsi qu'un moyen de raccordement à une tubulure; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 pour une variante; - la figure 5 est aussi une vue analogue à celle de la figure 3 mais pour une autre variante;; - la figure 6 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la pompe représentée sur la figure 1; - les figures 7, 8 et 9 sont des diagrammes illustrant les caractéristiques de fonctionnement de la pompe selon l'invention; - la figure 10 montre une roue dont les canaux délimités par les aubes sont ouverts d'un côté; - la figure 11 est une vue analogue à celle de la figure 10 mais pour une pompe à roue dont les canaux délimités par les aubes sont ouverts des deux côtés ; et - la figure 12 est une vue en coupe axiale d'une partie de la pompe pour plusieurs variantes. La pompe centrifuge 1 représentée sur les figures 1 et 2 comporte un corps 2 de forme générale circulaire d'axe 3 avec un orifice central d'entrée 4 et un orifice radial de sortie 5. Cé corps 2 est fermé, à l'opposé de l'entrée 4, par un fond 5 ayant la forme générale d'un disque se prolongeant par un manchon axial 6, également à l'opposé de l'orifice 4, logeant des moyens d'étanchéité 7 pour le passage de l'arbre d'entraînement s de la roue 9 à aubes 10 réparties de façon régulière autour de l'axe 3. Le corps 2 présente une couronne 11 d'axe 3 prolongée, à l'opposé du fond 5a' par une courte tubulure centrale 12 se terminant par l'orifice d'entrée 4 et de laquelle dépend un manchon 13 pour le raccordement à une canalisation (non montrée) d'amenée de liquide à la pompe. Le corps 2 présente en outre, dirigé vers le fond 5a' un rebord 14 avec une face interne 15 constituant une volute en forme générale d'une spirale centrée sur l'axe 3 et permettant, comme on le verra plus loin, de diriger, en combinaison avec la roue 9, le liquide vers l'orifice de sortie 5. Le rebord 14 se termine par des chambrages 16 coopérant avec des parties complémentaires du fond 5a pour permettre le centrage de ce fond par rapport au corps 2. Un joint 17 est interposé entre le corps et le fond pour assurer l'étanchéité. Un manchon radial 18 est en saillie à l'extérieur du rebord 14 avec une ouverture 19 d'axe radial 20 débouchant d'un côté à l'intérieur du corps de pompe et, de l'autre côté, vers l'orifice de sortie 5. Cette ouverture 19 loge une douille 21 percée d'une ouverture 22 également d'axe- 20 se terminant, au débouché dans le corps 2, par une partie évasée 23, ou chanfrein, troncônique d'angle au sommet égal à 60 environ, valeur qui est favorable à un fonctionnement silencieux de la pompe. De l'extrémité libre du manchon 18 dépend une bride 24 pour le raccordement à une autre bride 26 à l'extrémité d'une tubulure 25 d'évacuation du liquide (figure 3). L'ouverture 19 présente à son extrémité libre une partie 27 de plus grand diamètre recevant une couronne 28 entourant l'extrémité de la douille 21. La longueur selon l'axe 20 de la couronne 28 est égale à la longueur, selon le même axe, de la partie 27 de l'ouverture 19 du manchon 18 de manière que, lorsque l'épaulement entre ladite couronne 28 et le corps de la douille 21 repose sur l'épaulement 30 formant le fond du chambrage à l'extrémité de l'ouverture 19, la face d'extrémité 31 de la douille et de la couronne soit coplanaire à la face d'extrémité 32 du manchon 18 et de la bride 24. Un joint 33 chevauche les faces 31 et 32 et est serré entre ces faces et la face 34 à l'extrémité de la bride 26 et de la tubulure 25. La roue 9 comporte un manchon central cylindrique 40 d'axe 3 avec, à une extrémité, une ouverture tournée vers l'orifice d'entrée 4 ; L'autre extrémité du manchon 40 est entourée par une couronne ou flasque 41 (figure 2) séparée d'une autre couronne analogue 42 par les aubages 101, 102, etc. Deux aubages voisins, par exemple ceux de références 101 et 102, délimitent entre eux un canal 43 dont la section augmente progressivement de l'entrée, au voisinage du manchon 40, vers la sortie 45, à la périphérie de la roue. La forme de la surface interne 15 du corps 2 est telle que l'intervalle 46 entre la périphérie 47 de la roue 9 et cette surface 15 présente une section augmentant de façon progressive depuis un épaulement 48 au voisinage du débouché interne de l'ouverture 19 jusqu'à cette ouverture, après un tour complet dans le sens de rotation f de la roue (figure 1). Le liquide arrivant à l'entrée du canal 22 de la douille 21 est dirigé vers l'orifice de sortie 5 grâce à la présence de l'épaulement 48 et n'est pas recyclé dans la pompe du fait de la faible largeur de l'intervalle 46 audelà de cet épaulement. On notera que, contrairement aux pompes centrifuges classiques, le bec 48a délimité par l'épaulement 48 et le début de la surface 15 forme un angle obtus voisin d'un angle droit. La douille 21 est amovible du manchon 18 de façon à pouvoir être remplacée par une douille dont le diamètre d (figure 6) de son canal est différent, plus grand ou plus petit. On peut ainsi, comme on le verra plus loin, modifier les caractéristiques de fonctionnement de la pompe alors que jusqu'à présent on faisait appel soit à une modification du diamètre de la roue 9 soit au degré d'ouverture d'une vanne en aval de la pompe 1. I1 est important de noter que le diamètre d peut être inférieur à la largeur axiale 1 (figure 6) des canaux 43. Par exemple pour une roue 9 du diamètre D égal à 180 mm et de largeur 1 de 5 mm, le diamètre d peut être compris entre 3 et 12 mm. La variante représentée sur la figure 4 se distingue de la réalisation représentée sur la figure 3 par le fait que la face d'extrémité 32 de la bride 24 comporte un bossage central 50 dont la face apparente 51 est coplanaire à la face 31 de la couronne 28. De même la contre-bride 26 présente un bossage 52 correspondant au bossage 50. Dans l'exemple représenté sur la figure 5, la contre-bride 26 comporte une nervure de centrage 53 centrée sur l'axe 20 avec une face interne 54 de diamètre légèrement supérieur au diamètre extérieur de la couronne 28. Cette nervure 53 présente également une face externe 55 de diamètre légèrement inférieur au diamètre d'un chambrage 56, de plus grand diamètre que le chambrage 27.de l'ouverture du manchon 18. La nervure 53 contribue ainsi, en combinaison avec la face externe de la couronne 28 et le chambrage 56 à l'extrémité de l'ouverture 19, au centrage de la bride 26 par rapport à la bride 24. Le joint d'étanchéité 60 est interposé entre le fond du chambrage 56 et l'extrémité libre de la nervure 53. Le fonctionnement et les performances ainsi que d'autres caractéristiques de la pompe que l'on vient de décrire vont maintenant apparaître avec la description ci-après faite en relation avec les figures 6 à 9. Sur le diagramme de la figure 7, on a porté en abscisses le débit Q, en ordonnées la pression H de sortie, la puissance P absorbée par la pompe et le paramètre NPSH qui est la pression du liquide à l'entrée de la pompe au-dessous de laquelle la pompe est soumise à une cavitation (dangereuse pour ses parties constitutives) et se désamorce. Les courbes 61, 62, 63, 64, 65 et 66 sont des courbes de variation de la pression H en fonction du débit pour des diamètres d d'ouverture 22 de la douille 21 (figure. 6) de valeurs différentes, respectivement dl à d6, la relation d'ordre entre les diamètres étant la suivante: dlc d2 La courbe 67 représente la variation de la puissance absorbée par la pompe en fonction du débit Q. Les courbes 71 à 76 sont des courbes de variation de la pression NPSH en fonction du débit pour les diamètres respectivement dl à d6. Les performances de la pompe évoluent avec le diamètre d de la douille jusqu'à ce qu'elles soient limitées par la largeur I de la roue (figure 6). C'est ainsi que toute augmentation de d au-delà de d6 "(entraîne aucune évolution des caractéristiques de la pompe audelà de la courbe en pointillés 66 de la figure 7. Dans cet exemple, les caractéristiques de la pompe sont telles que, même pour un diamètre d égal à d6, la vitesse spécifique est faible, au plus égale à 10 environ. Lorsque le diamètre d est inférieur à d6, la vitesse spécifique est encore plus faible car le débit et la pression de sortie diminuent avec le diamètre d. .*La pression H de sortie à débit nul est la même, égale à Ho (figure 7), quel que soit le diamètre d. Ainsi le faisceau des courbes 61 à 66 présente, pour un même diamètre D de la roue 9, un point commun A de coordonnées Q = O et H = Ho. Pour les faibles valeurs du diamètre d, la pression H de sortie varie dans une large gamme alors que le débit Q varie au contraire selon une gamme étroite. Cette propriété permet d'utiliser la pompe avec un diamètre d de l'ouverture 22 relativement faible pour réguler la pression dans le réseau de circulation de liquide raccordé à la pompe avec un débit pratiquement constant. On peut également observer que la courbe 67 de variation de la puissance absorbée en fonction du débit est indépendante de la valeur du diamètré d et que cette puissance a une valeur réduite. Elle est limitée pour un diamètre d donné, d4 par exemple selon la figure 7, au point C sur la courbe 67 correspondant au point B de débit maximum sur la courbe 64. I1 est ainsi possible, à condition de conserver constant le diamètre D de la roue 9, d'entratner la pompe 1 par un moteur de puissance utile limité au strict minimum sans risque de surcharge, car la puissance absorbée est aisément déterminable. Le prix de revient du groupe de pompage peut être ainsi réduit à un minimum et le moteur d'entraînement peut fonctionner à sa charge nominale, c'est-à-dire au rendement optimal, le coût d'exploitation étant ainsi aussi faible que possible. Lorsque le diamètre d a une valeur faible, on constate qu'on peut faire fonctionner la pompe à très faible débit jusqu'à, par exemple, quelques centaines de litres par heure pour des pressions H de 50 mètres d'eau environ, à vitesse de 2 900 tr/mn, et cela en service continu sans qu'il soit engendré des vibrations nuisibles à la durée de vie de la pompe et un bruit gênant qui pourraient se produire s'il était fait appel à une vanne en aval de la pompe. A la réduction de bruit contribue également le chanfrein 23 à l'entrée de l'ouverture 22. Un autre avantage du procédé selon l'invention, qui consiste à faire varier le diamètre d du canal de sortie 22, est que, comme on peut le voir sur les courbes 71 à 76, la pression NPSH, pression minimale pour éviter la cavitation et le désamorçage, est pratiquement indépendante du diamètre d pour une grande partie de chaque courbe pression-débit. Les caractéristiques de la pompe peuvent encore être étendues en faisant également varier le diamètre D de la roue 9. Ces variations de performances sont illustrées sur les figures 8 et 9. La figure 8 est un diagramme représentant les variations en fonction du débit Q, porté en abscisses, de la pression H et de la puissance absorbée P, portées en ordonnées, pour différentes valeurs du diamètre d et du diamètre D de la roue 9. Les courbes 61, 62, 63 et 64 de cette figure 8 sont identiques aux courbes de mêmes références sur la figure 7. Les courbes en traits interrompus 61', 62', 63' et 64' correspondent aux courbes 61 à 64, respectivement, avec les mêmes diamètres d du canal de sortie mais pour un diamètre D' de la roue 9 inférieur au diamètre D (roue 9' représentée en traits interrompus sur la figure 6). On peut observer que les pressions H et les débits Q sont plus faibles que les paramètres correspondants pour un diamètre D de la roue 9 qui est plus élevé. La courbe 67' correspond à la courbe 67 de puissance absorbée mais pour le diamètre D'. La figure montre que la puissance absorbée est plus faible lorsque le diamètre de roue est plus petit. La figure 9 représente les variations de la pression NPSH en fonction du débit Q. Les courbes 71', 72', 73' et 74' en traits interrompus représentent les variations de ladite pression NPSH en fonction du débit Q pour les mêmes valeurs d que les courbes respectivement 71, 72, 73 et 74 mais pour le diamètre de roue D' plus petit que le diamètre D. Cette figure 9 montre que cette pression NPSH présente, pour les faibles débits, pratiquement toujours la même valeur. Chacune des parties du corps de pompe 2 est fabriquée d'une seule pièce par fonderie en acier ou en fonte. Dans le cas du corps 2, le démoulage s'effectue en une seule fois par le côté destiné à être fermé par le fond 5a I1 n'est pas nécessaire de prévoir, pour le moulage, de noyau rapporté qui augmenterait le prix de fabrication. La roue 9 est également fabriquée d'une seule pièce par moulage en acier, inoxydable ou non, ou en fonte. Comme on l'a vu plus haut, il est nécessaire, dans ce cas, que la largeur 1 soit supérieure au 1/40 du diamètre D. Le débit est diminué et la pression de sortie augmentée -donc la vitesse spécifique ns réduitepar le choix de la faible valeur du diamètre d du canal de sortie. En d'autres termes, par rapport aux procédés habituels de fabrication de pompes centrifuges, la roue est surdimensionnée, la limitation du débit n'étant obtenue que par la limitation de la section du canal de sortie. Le canal 43 ayant une longueur, selon la direction de l'axe 3, qui n'est pas trop faible, les irrégularités (inévitables) des faces internes des flasques 41 et 42 dues au moulage ne diminuent pas les performances de la pompe. En outre, deux pompes de mêmes dimensions présentent pratiquement les mêmes performances. Dans la réalisation représentée sur la figure 2, pour faciliter la fabrication par moulage, la surface interne 15 est rectiligne en section selon un plan passant par l'axe 3. Cependant en variante, il est possible, afin d'améliorer les performances de la pompe, de conférer une section plus complexe à cette surface 15, par exemple celles représentées sur la figure 12. Dans une première réalisation, représentée en traits pleins sur cette figure 12, la surface 15 présente une rainure 85 dont le fond est, en section selon un plan passant par l'axe 3, rectiligne. Dans la première réalisation représentée en traits mixtes, on prévoit une rainure 86 plus profonde à fond et bords courbes, qui présente un axe radial 87 de symétrie. Dans la seconde variante représentée en traits mixtes, la rainure 88 est dissymétrique par rapport à l'axe 87. Elle présente dans ce cas un bord droit 89 raccordé par une courbure 90 à un fond sensiblement plat 91. Le second bord de cette rainure 88 est courbe en forme d'arc de cercle 92 se raccordant au fond rectiligne 91 avec un autre bord 93 sensiblement rectiligne se rapprochant de l'axe 87 selon un angle d'environ 4.jO. Dans ces réalisations illustrées par la figure 12, il est nécessaire de prévoir un noyau de démoulage pour permettree la fabrication des rainures. Dans l'exemple de la figure 10, la roue 91 ne comporte pas de flasque analogue au flasque 41 dans la réalisation représentée sur les figures 1 et 2, les aubages 10' étant ainsi en saillie du flasque 42'. Cette disposition facilite l'utilisation de la pompe pour des liquides contenant des particules abrasives ou des fibres. Les arêtes 95 des aubages 10' se trouvant dans un plan transversal à l'axe 3' sont à faible distance de la face interne 96 de la couronne 11' du corps de pompe afin de faciliter le' broyage desdites particules. Un tel broyage est encore amélioré avec la réalisation représentée sur la figure 11 dans laquelle la roue 92 est dépourvue de flasque. Dans ce cas, l'arête 95 de l'aubage 10" qui est tournée vers l'orifice d'entrée est à faible distance de la surface 96 et, de même, l'arête opposée 97 est à faible distance d'une surface 98 d'une pièce 99 rapportée au fond 5" du corps de pompe. Bien entendu, il entre dans le cadre de l'invention de fabriquer une série de pompes de dimensions identiques ne différant cependant que par la section de leur canal de sortie de façon que leurs performances soient différentes. ll entre également dans le cadre de l'invention de réaliser le canal de sortie par un simple perçage du corps de pompe obtenu par fonderie. Le diamètre de ce canal est par exemple inférieur à 15 mm environ. Des accessoires constitués par un jeu de douilles présentant des canaux de sections différentes et les mêmes dimensions extérieures, c'est-à-dire pour une même pompe, entrent également dans le cadre de l'invention. Les douilles peuvent être en une matière résistante à la corrosion. REVENDICATIONS 1. Pompe centrifuge pour liquide à étage unique présentant un corps à orifice d'entrée et orifice de sortie à l'extrémité d'un canal et une roue à aubes logée dans ce corps, caractérisée en ce que la section du canal de sortie (22) est limitée de façon que la vitesse spécifique ns de la pompe soit au plus égale à 10 environ. 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps (2) et la roue (9) sont en une matière permettant leur fabrication par fonderie. 3. Pompe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les canaux (43) ménagés entres les aubes (10) de la roue sont fermés transversalement à l'axe (3) par des flasques (41, 42) d'une seule pièce avec le reste de la roue. 4. Pompe selon les revendications 2 et 3, caractérisée en ce que la largeur axiale (1) des canaux (43) entre les aubes (10) de la pompe (1) est supérieure à 1/40 du diamètre (D) de la roue (9). 5. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le canal de sortie (22) a une section circulaire. 6. Pompe selon l'ulve quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le canal de sortie (22) de la pompe est ménagé dans une douille (21) disposée dans un logement (19) du corps (2) de pompe (li. 7. Pompe selon la revendication 6, caractérisée en ce que la douille (21) est en une matière résistante à l'abrasion et/ou à la corrosion. 8. Pompe selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le logement (19) du corps de pompe présente une irrégularité (27) à laquelle correspond une irrégularité complémentaire (28) de la douille (21) pour l'immobilisation de cette dernière dans le corps (2). 9. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que, pour pénétrer dans le canal de sortie (22) du corps de pompe, le liquide effectue un changement de direction d'environ 90" grâce à un épaulement (48) de la surface interne (15) du corps au voisinage du canal. 10. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le canal de sortie (22) du corps de pompe présente un chanfrein troncônique d'entrée (23) d'angle au sommet d'environ 600. 11. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la partie intérieure du corps est conformée pour pouvoir être fabriquée par moulage sans utilisation de noyau. 12. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la dimension transversale (d) du canal de sortie (22) est au plus égale à la largeur (1), selon l'axe de rotation, offerte au passage du liquide entre les aubes (10) de la roue (9). 13. Ensemble de douilles, caractérisé en ce que chacune d'elles étant destinée à une pompe selon la revendication 6 et ayant toutes la même forme et les mêmes dimensions extérieures, deux douilles d'un même jeu se distinguent par la section de leur canal.