Brevet FR2499639A1 — publié le 19820813

L'invention a pour objet une pompe à volute et à roue mobile radiale ou semi-axiale. On peut augmenter le débit des pompes centrifuges en augmentant leur débit volumique et en augmentant leur vitesse de rotation. Mais ces deux mesures provoquent une augmentation de la vitesse du courant et ainsi une augmentation des forces de cavitation. Par implosion des bulles de cavitation, le matériau se désagrège et ceci conduit en peu de temps, pour une hauteur d'aspiration totalement utilisée et une vitesse correspondante, à la destruction des aubes de la roue et en fin de compte à la défaillance de la pompe. Pour éviter ces dégâts dus à la cavitation, on utilise souvent des matériaux susceptibles de résister à cette cavitation. Pour éviter la cavitation proprement dite, on peut également modifier les conditions de l'arrivée du courant. C'est ainsi qu'on peut réduire la hauteur d'aspiration ou augmenter la hauteur de l'alimentation géodésique. Dans ce cas, on peut monter par exemple une avant-pompe. Mais ces mesures conduisent toutes à des dépenses constructives plus importantes. L'invention a pour objet de réduire au minimum l'usure par cavitation uniquement par des mesures concernant la forme de la pompe centrifuge et en évitant de mettre en oeuvre des moyens additionnels. Cet objet est atteint en recourant aux moyens ci-après - pour un moment cinétique constant et une vitesse méridienne radialement constante, l'angle d'écoulement,mesuré sur le diamètre extérieur de la roue à son entrée, est compris entre 100 et 170 et l'angle des aubes, mesuré dans le sens périphérique sur toute la longueur radiale à l'entrée de la roue, est supérieur de 60 à 80 à l'angle d'écoulement - et le profil de la volute est, sur toute la périphérie ou, si l'on tient compte de l'épaisseur du bec de volute, sur au moins 351,50, calculé conformément à la relation c u r = Cte, les sections de la volute étant inférieures de 10 à 15% aux sections correspondantes obtenues par le calcul sans tenir compte du frottement. L'invention sera ci-après expliquée plus en détail en référence aux dessins ci-annexés dans lesquels La figure 1 est un diagramme représentant la répartition de la pression le long des aubes de la roue pour des angles d'arrivée du courant ou des angles de choc divers à l'entrée La figure 2 représente les courbes de la hauteur d'aspiration positive nette pour une chute de hauteur de refoulement de 3%, indiquée par NPSH et de la vitesse relative wla en fonction de l'angle d'écoulement pi, pour Q = const. et n = const., Q représentant le débit et n la vitesse de rotation La figure 3 est un diagramme représentant les courbes de la pression à la périphérie de la sortie de la roue mobile pour trois sections transversales relativement différentes de la volute, et La figure 4 représente les courbes caractéristiques individuelles, par rapport aux trois sections transversales de la volute relativement différentes, mesurées en quatre endroits à la périphérie de la sortie de la roue mobile. Dans les procédés connus de calcul des roues de pompes, en hydraulique, on fait en sorte, pour éviter la cavitation, que la vitesse relative le long des filets fluides diminue continuellement et que l'arrivée du fluide s'effectue géométriquement sans brusque transition le long du bord d'entrée des aubes. Pour obtenir des valeurs minimales de NPSH, on prescrit des angles d'entrée optimaux pour les aubes, et on indique des profils déterminés pour les bords denturée. En ce qui concerne le calcul de la volute, 1ES données varient fortement dans la littérature. Théoriquement, la section de la volute doit être calculée en tenant compte d'un supplément pour le frottement. Mais ce supplément varie entre O et 100%.Les données et les déductions théoriques faites pour obtenir des valeurs minimales du NPSH ne signifient cependant pas qu'il n'y aura plus d'usure par cavitation. Lorsque les valeurs du NPSH sont faibles, la hauteur d'aspiration admissible et, de ce fait, la dépression en amont de la roue sont d'autant plus fortes. Le but de l'invention est non d'améliorer la valeur du NPSH, mais d'assurer qu'il n'y aura pas d'érosion par cavitation pour la valeur de NPSH correspondant à la géométrie de l'entrée. On sait de façon générale que le paramètre principal de l'usure par cavitation est constitué par la vitesse relative d'entrée W1. On connaît en outre, à la suite d'essais pratiques, les vitesses limites pour les divers matériaux. La vitesse relative locale w1 n'est cependant que partiellement fonction de la géométrie de l'entrée et de ce fait de la vitesse periphérique u1 et de la vi tesse méridienne cml. Elle est liée aussi à un certain nombre d'autres paramètres Tout d'abord, il convient de mentionner l'angle de choc à l'entrée de l'aube. L'angle de choc ss est défini comme la différence mesurée dans le sens périphérique entre l'angle de l'aube t1Sch et l'angle d'écoulement ss1str pour une vitesse méridienne radialement constante cm. On a donc : #ss1 = ss1Sch - ss1Str. Un angle de choc positif + 41 a pour conséquence un choc à l'entrée sur le côté pression, et un angle de choc négatif -#ss1 a pour conséquence un choc à l'entrée sur le côté aspiration. Théoriquement, et la plupart du temps également dans la pratique, une roue mobile radiale ou semi- axiale reçoit le courant du fluide de façon géo métriquement optimale et sans heurts, c'est-à-dire tangen tiellement à l'angle de l'aube, quand = O. Mais on a constaté que, contrairement à la théorie, le comportement du point de vue de la cavitation n'est pas optimal lorsqu'un courant arrive sans choc. La figure 1 montre la répartition de la pression le long de l'aube de la roue, aussi bien sur le côté pres sion que sur le côté aspiration. Pour un angle de choc on 3 , os constate une zone de dépression prononcée allant jusqu'à 70% de la longueur de l'aube. Pour un angle de choc tangentiel à l'entrée 4 = 00, la zone de dépression est certes moins longue, mais elle couvre toujours 60% de la longueur de l'aube. Ce n'est que pour un angle de choc positif 4 = + 8 que la zone de dépression disparaît ou se réduit en pratique à une petite zone à l'entrée de l'aube. On peut donc dire que plus la dépression est importante, plus la distance jusqu'à la tension de la vapeur d'eau est faible. Plus la zone de dépression est importante, plus la surface sur laquelle agit la cavitation est grande.En raison de l'angle choisi selon l'invention pour l'aube, cette aube recevra, quelle que soit son épaisseur relative habituelle dans la pratique, un courant exerçant un choc en direction du côté pression selon un angle #ss=ss1Sch - ss1Str = 6 à 8 . Un autre paramètre dont on doit tenir compte est l'angle du courant à l'entrée de la roue. La valeur du NPSH pour une chute de hauteur de refoulement de 3% atteint un minimum quand l'angle du courant ss1a au diamètre extérieur de la partie limite d'entrée de la roue est dans le sens périphérique denvi- ron 10 . Mais la vitesse relative wla au diamètre extérieur à l'entrée de la roue atteint cependant son minimum pour un angle zla d'environ 350. Pour un débit et une vitesse de rotation prédéterminés, c'est-à-dire quand Q est constant et n est constant, les valeurs de NPSH 3% et de wla dans la plage de ssla = 100 à 350 évoluent inversement. Comme le montre la figure 2, la vitesse relative pour NPSH minimale est 1,3 fois plus importante que wla min Pour une vitesse relative minimale, la valeur de NPSH3% est approximativement 4,4 fois plus importante que celle de NPSH3% min Bien que l'usure par cavitation soit pour une distance d'entraînement égale des bulles, d'autant plus faible que la vitesse relative est plus réduite, on se rend compte aisément que, lorsque la valeur du NPSH3% augmente fortement, le fonctionnement de la pompe, dans de nombreux cas, n'est possible que lorsqu'il y a écoulement en amont de l'entrée, ce qui augmente le coût du dispositif.La figure 2 montre que 31aStr n e doit pas sortir de la plage de 100 et 170 du point de vue du comportement à l'aspiration et de l'usure par cavitation. Finalement, la forme de la volute a une influence sensible sur la cavitation dans la pompe centrifuge. Les considérations qui précèdent concernant l'angle du courant et l'angle de choc ne sont valables que pour une répartition symétrique de la pression aussi bien à l'entrée de la roue qu'à sa sortie. Une pertubation survenant en aval de la roue et qui peut apparaître dans le diffuseur ou dans la volute influence non seulement le courant à la sortie de la roue, mais se propage en fait jusqu'à l'entrée de celle-ci. On n'obtient un comportement symétrique, c'est-à-dire constant, de la pression à la sortie de la roue que lorsque la répartition de la pression est également constante sur la périphérie de la volute. On a constaté qu'il n'était pas possible d'obtenir une pression constante à la sortie de la roue Si on utilise des volutes calculées d'après les théories connues. La figure 3 montre que l'évolution de la pression n'est constante que lorsque les sections transversales de la volute, déterminées selon la formule de moment angulaire cinétique cu . r = const. sont de 10 à 15% plus petites que les sections calculées sans tenir compte du frottement. quand Q = 1,0, on a donc opt. A8p réelle N,0,85 à 0,9 Sp théorique sans frottement L'évolution de la pression qui correspond à la configuration selon l'invention est indiquée par la courbe 2 sur la figure 3. Si la section réelle de la volute est plus grande, la pression évolue selon la courbe 1. Dans la zone rétré cie, entre O et 45 , on constate une forte chute de la pression, puis une montée de la pression jusqu'à l'extrémité de la volute. Si les sections réelles de la volute sont trop petites, on obtient la courbe 3 et on constate une forte montée de la pression entre 0 et 700, puis une baisse continue de cette pression. Une pression inégale à la périphérie de la roue peut avoir des effets divers. Selon Euler, on a pour la hauteur de refoulement la formule générale : u1 # cu1 + u2 # cu2 Hth = g g Lorsqu'il s'agit de pompes centrifuges à volute dans lesquelles le courant de fluide arrive sans prérotation, on a H - U2 c Cu2 g Une différence de pression n'est donc possible que lorsque cu2 change, c'est-à-dire lorsque l'angle de sortie ou la puissance minimale sont différents à la périphérie. Toutefois, des mesures qui ont été effectuées montrent que des valeurs de cu2 légèrement différentes ne constituent que pour une faible part la cause des modifications de pression.Mais si u2 # cu2 est constant il faut qu'il y ait une prérotation à l'entrée de la roue, ce qui signifie que u1 . cul ne peut pas être nul. En fait, on peut prouver par une technique de mesure qu'il y a à l'entrée un moment cinétique différent, mais localement fixe , sur la périphérie. Si on effectue des coupes à 450, 1350, 2250 et 3150 (en I,II,III et IV) à la figure 3 et si on porte les points d'intersection en fonction de 0,0opt' on obtient quatre courbes caractéristiques individuelles mesurées localement. Ciest ce que représente la figure 4. Si la pression mesurée pour les courbes caractéristiques individuelles est plus faible que celle de la courbe caractéristique commune également représentée, il faut qu'il y ait un moment angulaire cinétique direct (dans le sens de rotation), et si la pression est plus élevée, un moment angulaire cinétique inverse (dans le sens inverse de la rotation). On peut voir à la figure 4 que lorsque la volute est trop large (Q/Qopt IV, il y a un moment angulaire cinétique inverse. Quand il y a surcharge, c'est-à-dire quand la volute est trop étroite, la répartition du moment angulaire cinétique est exactement inversée. En I et en II, le moment angulaire cinétique est inverse, et en III et en IU, il est direct. Comme mentionné, chaque moment angulaire cinétique différent reste au meme endroit, de sorte que l'aube reçoit alternativement un courant à grande vitesse et à basse vitesse. Chaque baisse de pression locale ou chaque augmentation locale de la vitesse facilite la formation de bulles de cavitation. Du fait que la formation de bulles ne peut survenir que dans une partie limitée à entrée de la roue mobile, il est possible qu'il y ait usure par cavitation sans dégradation mesurable de la valeur du NPSH3%. quand les surfaces de la volute sont trop importantes, le débit au refoulement augmente, mais les pertes par frottement se réduisent en pourcentage, ce qui fait qu'en dépit de la répartition asymétrique de la pression, le rendement total peut rester égal ou être légèrement plus important. Dans la pratique, ceci a pour résultat que l'on peut, pour augmenter le débit, augmenter localement la section de la volute en reculant le bec. Il en résulte des chutes de la pression dans la zone du bec. Le tracé de la volute n'étant plus conforme à la relation cu r = constante. La condition pour éviter une usure par cavitation, est non seulement que les sections de la volute soient inférieure de 10 à 15% aux valeurs obtenues pour le calcul sans tenir compte du frottement, elle est aussi que ses sections soient conformes à la relation c .r = constante sur les 3600 de la périphérie. Ceci n'est possible que lorsque le début de la volute, c'est-à-dire son bec, est infiniment mince. Plus le bec est épais, plus il est difficile d'obtenir une section qui, entre 3300 et 3600, soit conforme à cU . r = constante. Des essais ont montré qu'il est possible de réaliser un bec de volute dont l'épaisseur est telle que le tracé de la volute est conforme à la relation précitée sur au moins 351,5 de la périphérie. Si le bec de la volute est plus épais et si de ce fait le tracé non conforme à la dite relation occupe plus de 805 de la périphérie, le danger d'usure par cavitation existe non seulement pour les aubes de la roue, mais-il se produit, en outre, du fait des chutes de pression locales, une zone d'inversion de l'écoulement le long du flasque, ce qui peut provoquer une cavitation au niveau de la bague, côté aspiration. L'influence sera d'autant plus importante que la vitesse de rotation spécifique de la pompe sera plus faible. Des recherches ont confirmé qu'on ne peut obtenir un fonctionnement exempt de cavitation, uniquement par une configuration optimale de la roue et une attaque optimale du fluide. Une volute bien adaptée joue également un rôle très important. Du fait que les divers paramètres ont un rôle plus ou moins important suivant la vitesse, il convient d'éviter toutes les influences pouvant conduire à une destruction des matériaux. REVENDICATION Pompe centrifuge à volute et à roue radiale ou semiaxiale, caractérisé en ce que pour un moment cinétique constant et une vitesse méridienne radialement constante, l'angle d'écoulement (ss1a), mesuré sur le diamètre extérieur de la roue à son entrée, est compris entre 100 et 170 et l'angle des aubes, mesuré dans le sens périphérique sur toute la longueur radiale à l'entrée de la roue, est swpérieur de 60 à 8" à l'angle d'écoulement et en ce que le profil de la volute est, sur toute la périphérie ou, si l'on tient compte de l'épaisseur du bec de volute, sur au moins 351,50, calculé conformément à la relation c . r = Cte, les sections de la volute étant u inférieures de 10 à 15% aux sections correspondantes obtenues par le calcul sans tenir compte du frottement.