Pompes centrifuges

Principe et description

Un impulseur (roue munie de palettes) tourne à grande vitesse dans un corps de pompe, et imprime au liquide une vitesse et une force centrifuge, qui conduira à un débit et une pression à la bride de refoulement de la pompe. Le mouvement du liquide vers la bride de refoulement provoquera l'admission d'un volume équivalent à la bride d'aspiration.
Un impulseur unique permet de générer un relevage maximum de l'ordre 50m pour une vitesse de rotation de 1500t/mn.

Plus le diamètre de l'impulseur et la vitesse de rotation sont grands, plus le débit et le relevage seront grands.
Plusieurs impulseurs peuvent être montés sur le même arbre. On dit que la pompe est multi-étagée. Les hauteurs de relevage de chaque impulseur s'additionnent.

L'impulseur est généralement relié au moteur d'entraînement par un arbre. Alors que l'impulseur est en contact avec le fluide du procédé, le moteur est généralement à l'air libre. L'arbre doit donc traverser la paroie du corps de pompe sans autoriser aucune fuite du fluide du procédé. Ceci est obtenu par un système d'étancheité complexe du type presse-étoupe ou du type garniture mécanique.

Lorsqu'une étanchéité parfaite est requise, le passage de l'arbre à travers la paroie de la pompe est supprimé. Deux technologies sont disponibles:

1. L'entraînement magnétique; l'impulseur à l'intérieur du corps de pompe étanche et l'arbre moteur à l'extérieur sont couplés au moyen de deux aimants permanents. La puissance de telles pompes est limitée par le couple mécanique qui peut ainsi être transmis.
2. Le rotor noyé; le moteur d'entraînement et l'impulseur sont inclus dans la même enceinte contenant le fluide procédé. Le fluide procédé doit donc être capable d'assurer le refroidissement du moteur. La seule connexion avec l'extérieur qui subsiste et pour laquelle on doit assurer l'étanchéité est le passage du câble d'alimentation électrique du moteur.

Nomenclature

Différentes normes permettent à l'utilisateur de trouver sur le marché des matériels de qualité et interchangeables:

• EN 7333 ou DIN 24255
• ISO 2858 pour les pompes de type "chimique"
• API 610 pour les applications dans l'industrie du pétrole et du gaz

Les pompes centrifuges normalisées, sont désignées par le code suivant:
xxx/yyy ou xxx-yyy
xxx: étant le diamètre en mm de la tubulure de refoulement
yyy: étant le diamètre (mm) maximum de l'impulseur pouvant équiper cette pompe.

Exemple: un modèle 50-250 aura une tubulure de refoulement de 50mm (2") de diamètre et admettra un impulseur de 250 mm de diamètre maximum; cependant un impulseur plus petit pourra être installé.

Formes d'impulseur

Les impulseurs encore appelés roues, rouets, peuvent avoir différentes formes:

• fermée
• semi-ouvertes
• ouvertes
• mono canal
• hélice
• en retrait
• vortex
• à spirale
• ...etc

Courbes caractéristiques

Les performances d'une pompe centrifuge sont décrites par trois courbes caractéristiques en fonction du débit volumique:
- Hauteur Manométrique Totale (HMT en m de liquide)
- Rendement (η) ou Puissance absorbée
- NPSH (Net Positive Suction Head)
établies pour:
- une vitesse de rotation
- un diamètre de roue
- un fluide (généralement de l'eau)

La pression mesurée au refoulement d'une pompe centrifuge résulte de la transformation de la vitesse du fluide ou encore de sa pression dynamique en pression statique suivant l'équation de Bernoulli. La pression est donc proportionnelle à la masse volumique du fluide. De ce fait, il est plus rationnel d'exprimer la pression obtenue au refoulement d'une pompe centrifuge par une hauteur de liquide. Cette caractéristique est donc nommée relevage.

La hauteur de relevage (ou HMT) est généralement maximum pour un débit nul.
Elle est décroissante quand le débit augmente.
La pression mesurée à la bride de refoulement est toujours égale à:

P_asp + (9,81 . ρ . HMT)/100000

avec:
P_asp: pression à l'aspiration de la pompe (bars)
ρ: masse volumique du liquide (kg/m³)

Le rendement de la pompe faible à débit nul, croît avec le débit, passe par un maximum et décroît ensuite pour les débits les plus élevés.
Les pompes centrifuges sont généralement conçues pour être exploitées au plus près du point de maximum de rendement.

Le NPSH représente la hauteur minimum de liquide qu'il faut ménager au dessus de l'axe de la pompe si le liquide est à son point d'ébullition.
Si le liquide n'est pas à l'ébullition, la hauteur requise au dessus de l'axe de la pompe peut être réduite voire même être négative (le niveau de liquide pourra alors être au dessous de l'axe de la pompe).
Le NPSH requis augmente avec le débit.

Capacité des pompes centrifuges

Pour une sélection rapide de la pompe qui convient, les fournisseurs proposent tous des diagrammes en coordonnées HMT vs Débit regroupant l'ensemble de leur proposition.

Pour une vitesse de rotation de 2900 t/mn (vitesse courante pour un entraînement par moteur électrique) les performances qu'on peut attendre d'une pompe centrifuge sont les suivantes:

Type

Débit
maxi
(m3/h)

Relevage
maxi
(m)

Puissance
moteur
(kW)

32/160 

15 

35 

3

32/200 

15 

50 

5

32/250 

15 

80 

7,5

40/160 

30 

30 

4

40/200 

30 

50 

8

40/250 

30 

80 

14

40/315 

30 

125 

20

50/160 

55 

30 

7,5

50/200 

55 

45 

10

50/250 

55 

80 

20

50/315 

55 

125 

40

65/160 

100 

30 

18

65/200 

100 

50 

20

65/250 

100 

80 

35

65/315 

100 

115 

55

80/160 

160 

30 

19

80/200 

160 

45 

30

80/250 

160 

75 

55

80/315 

160 

115 

80

100/200 

250 

45 

45

100/250 

250 

70 

75

100/315 

250 

115 

150

Pour des vitesses de rotation différentes:
- le débit est proportionnel à la vitesse
- le relevage est proportionnel au carré de la vitesse
- la puissance est proportionnelle au cube de la vitesse

Effet de la vitesse de rotation

Les pompes centrifuges sont souvent accouplées directement à l'arbre d'un moteur électrique. Sa vitesse de rotation est alors égale à celle du moteur (généralement 1500 ou 3000t/mn).
Parfois la vitesse du moteur peut être multipliée ou démultipliée par une transmission à engrenages ou à courroies.
Le moteur électrique peut aussi être alimenté par un variateur de vitesse.
L'entraînement peut aussi être fait par turbine.

Le relevage d'une pompe centrifuge est proportionnel au carré de la vitesse de rotation.
Le débit que peut fournir une pompe centrifuge est proportionnel à la vitesse de rotation.
Lorsque la vitesse d'utilisation est différente de la vitesse d'essai, chaque point de la courbe caractéristique peut être recalculé ainsi:

HMT₁ / HMT₂ = vitesse₁²/ vitesse₂²
Débit₁ / Débit₂ = vitesse₁ / vitesse₂

Le tableau ci-dessous donne l'ordre de grandeur des relevages avec des pompes normalisées:

750

1500

3000

-/160

2 à 3

7 à 10

30 à 40

-/200

3 à 4

12 à 15

50 à 60

-/250

5 à 6

20 à 25

80 à 100

-/315

7 à 10 

30 à 38

120 à 150

-/400

12 à 15

50 à 60

200 à 240

Le tableau ci-dessous donne l'ordre de grandeur des débits avec des pompes normalisées:

type de
pompe

Débit en m3/h pour
 vitesse de rotation en t/mn

750

1500

3000

32/-

2 à 4

5 à 9

10 à 18

40/-

4 à 8

9 à 15

18 à 30

50/-

8 à 15

15 à 30

30 à 60

65/-

15 à 30

30 à 60

60 à 120

80/-

30 à 45

60 à 90

120 à 180

100/-

45 à 70

90 à 140

180 à 240

125/-

70 à 110

140 à 230

280 à 450

Effet du diamètre de l'impulseur

Les performances d'une pompe standard sont données par le fournisseur pour le diamètre  maximum de l'impulseur. Pour adapter précisément les caractéristiques d'une pompe au besoin de son service, il est courant de sélectionner un impulseur légèrement plus petit. Dans ce cas débit et relevage sont affectés simultanément. Tous deux sont proportionnels au carré du diamètre de l'impulseur. Le rendement sera également affecté, mais il n'existe pas de règle simple pour le prédir. Cela dépend du type de pompe envisagé.

type de 
 pompe

Diam de l'impulseur (mm) pour
correction de HMT et Débit:

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

-/160

115

125

135

145

150

-/200

140

155

165

180

190

-/250

175

195

210

225

235

-/315

225

245

265

280

300

-/400

285

310

335

360

380

Exemple:
Pour obtenir:
- un relevage de 16m
- au débit de 30m3/h
on choisira:
- un type 65/250 (20 à 25m de HMT et 30 à 60m3/h de débit)
- avec un impulseur de 210mm (débit et HMT seront multipliés par 0,7).

Effet de la viscosité du liquide

Les pompes centrifuges sont peu adaptées au pompage des liquides visqueux. HMT, Débit et surtout Rendement diminuent quand la viscosité augmente.

Viscosité du liquide (cpo)

 1

10

40

100

400

1000

Débit

 1

 1

0,99

0,97

0,89

0,75

Hauteur

 1

0,99

0,96

0,94

0,88

0,80

Rendement

 1

0,95

0,85

0,75

0,50

0,30

Réglage du débit

Amorçage d'une pompe centrifuge

Les pompes centrifuges ne sont pas adaptées pour pomper un gaz. La pompe doit être pleine de liquide pour assurer sa fonction. Relevage et capacité volumique sont dégradés par la présence de gaz dans le liquide pompé. On estime qu'à partir de 10% volume de gaz dans le liquide, la pompe cesse sont action; elle se désamorce.

Lorsque la pompe est installée en dessous du niveau du liquide à pomper, il suffit de laisser le liquide remplir la pompe par gravité naturelle avant de la démarrer.
Lorsque la pompe est installée au dessus du niveau du liquide à pomper, il faut utiliser une des méthodes suivantes pour préalablement remplir la pompe:
 - remplir la ligne d'aspiration et la pompe à partir d'un circuit déjà sous pression
 - évacuer l'air au moyen d'une pompe à vide ou un éjecteur
Il conviendra en outre d'installer un clapet de pied sur la ligne d'aspiration qui empêchera le liquide de s'écouler en sens inverse et permettra de maintenir la pompe pleine de liquide lorsqu'elle est à l'arrêt. Il faudra garder à l'esprit que le clapet de pied peut présenter une fuite et donc qu'il ne permet pas de s'affranchir complètement d'un moyen de remplissage de la pompe.