G´ en´ eralit´ es sur les pompes centrifuges

Une pompe centrifuge est compos´ee d’une roue clavet´ee sur un arbre, tournant `a l’int´erieur d’un corps de pompe formant une canalisation progressivement divergente ap-pel´ee volute (Fig. 2.4). Cette roue est pourvue d’aubes, dont la concavit´e de la courbure est dirig´ee `a l’oppos´e du sens de rotation, imprimant au liquide un mouvement de rota-tion. Une roue est caract´eris´ee par les angles de ses aubes, son diam`etre, sa largeur, et sa vitesse de rotation. Un bouchon de remplissage est plac´e sur la partie sup´erieure de la volute permettant `a la pompe de ne pas d´emarrer vide d’eau :une pompe centrifuge n’est pas autoamor¸cante. De mˆeme, un bouchon de vidange est situ´e dans la partie inf´erieure de la volute.

Le grand avantage des pompes centrifuges r´eside dans sa simplicit´e ; sa construction ne pose pas de probl`eme majeur, car nulle part une grande pr´ecision n’est demand´ee. En effet, on peut accepter jusqu’`a un jeu de quelques millim`etres sans inconv´enient.

Une pompe est g´en´eralement plac´ee entre deux canalisations, les canalisations plac´ees en amont et en aval de la pompe appel´ees respectivement conduites d’aspiration et de refoulement (Fig. 2.5).

(a) (b)

Figure 2.4: Pompe centrifuge (a, vue ouverte ; b, vue de coupe (D’apr`es Bergeron [6])).

Figure 2.5: Pompe pr´ec´ed´ee de la conduite d’as-piration et suivie de la conduite de refoulement, l’´ecoulement allant du bas vers le haut. On note sur cette photo les deux vannes plac´ees aux deux extr´emit´es de la pompe permettant son d´emontage (chaufferie ECAM).

(a) (b)

Figure 2.6: a, gravure d’Anthony Turner d’une vis d’Archim`ede [29] ; b, vis d’Archim`ede utilis´ee pour pomper l’eau des polders `a Kinderdijk (photo d’apr`es M.A.

Wijngaarden - page internet wikipedia concernant Kinderdijk).

La variation que subit le fluide au passage de la roue augmente sa charge hydraulique, H =z+p/ρg+V²/2g. Ainsi la charge hydraulique peut ˆetre augment´ee par un accrois-sement des trois termes de cette expression. Si un seau rempli d’eau est mont´e `a l’aide d’une corde `a la traction humaine, la variation hydraulique est cons´ecutive `a une augmen-tation de la cote, la pression et la vitesse demeurant invari´ees. La vis d’Archim`ede est une machine tr`es ancienne fonctionnant sur ce principe (Fig.2.6). Les pompes `a pistons, ainsi que les pompes centrifuges, quant `a elles, sont bas´ees sur l’augmentation du deuxi`eme terme, la pression du liquide qui les traverse.

2.2.1 Diff´ erents types de pompes centrifuges

Il existe plusieurs types de pompes centrifuges que l’on peut ranger dans les trois grandes cat´egories suivantes. (1) les pompes centrifuges de surface install´ees en surface de la nappe dans laquelle s’op`ere le pompage. Elles peuvent ˆetre plac´ees en aspiration ou en charge. Dans le premier cas la surface libre du bassin d’alimentation est plac´ee `a une altitude plus basse que celle de l’entr´ee de la pompe. Lorsque la pompe est mont´ee en charge, l’altitude de l’entr´ee de la pompe est cette fois plus basse que celle du bas-sin. L’avantage de cette derni`ere configuration est l’absence d’un possible d´esamor¸cage.

L’installation en aspiration implique d’´elever la pompe `a un niveau tel qu’on ne risque pas de cavitation (Cf. paragraphe2.5.9). (2) les pompes centrifuges gyrostatiques: ce sont des pompes dont l’axe de rotation est vertical. Elles sont tr`es utilis´ees au relevage des eaux charg´ees dans les stations d’´epuration des eaux us´ees. (3) les pompes immerg´ees employ´ees dans l’exploitation des forages ´etroits et profonds. Elles sont `a axe vertical et ne d´esamorcent jamais. De plus, le gel d’eau n’est pas `a craindre.

2.2.2 Les grandeurs impliqu´ ees dans l’utilisation des pompes centri-fuges

Une pompe centrifuge met en jeu essentiellement cinq grandeurs. (1) la vitesse de rotation qui, lorsqu’elle est exprim´ee en radian par seconde, est not´ee ω, tandis que sa notation en nombre de tours par minute est N, avec ω = 2πN/60, (2) le d´ebit refoul´e, Q. On admet g´en´eralement que le d´ebit refoul´e est identique `a celui aspir´e. Toutefois, pour ´eviter des ´echauffements de l’arbre (organe rotor), une l´eg`ere fuite est admissible au niveau des presse-´etoupes. (3) la hauteur nette d’´el´evation ou hauteur manom´etrique,H_m. Celle-ci correspond `a la diff´erence des charges aval et amont `a la pompe. (4) la puissance utile d´efinie par la relationP =ρgQHm, celle-ci s’exprimant en Watt. (5) le NPSH requis, donn´ee relative au ph´enom`ene de cavitation, et pr´esent´e plus loin. Tous ces param`etres sont d´etaill´es dans la suite.

2.2.3 Courbes caract´ eristiques des pompes centrifuges

Les courbes principales qui caract´erisent les pompes, pour une vitesse de rotation de l’arbre fix´ee, sont (1) la courbe hauteur-d´ebit (appel´ee parfois aussi courbe QH) exprimant la pression exprim´ee sous forme de hauteur d´elivr´ee `a l’´ecoulement par la pompe, (2) la courbe de rendement pr´esentant un maximum pour une certaine valeur de d´ebit et traduisant l’ensemble des pertes dans la pompe, (3) la courbe des puissances absorb´ees, et (4) la courbe de minimum de hauteur `a l’entr´ee de la pompe pour ´eviter toute cavitation

`a l’int´erieur de cette pompe. Ceci est exprim´e par le NPSH requis (Fig. 2.7).