I. Définition et aperçu des pompes
Une pompe, en tant que dispositif mécanique largement utilisé dans divers domaines, a pour fonction principale de transporter des fluides (tels que l'eau, l'huile, etc.) d'un endroit à un autre. Grâce à l'entraînement de la pompe, les fluides peuvent effectuer la tâche de transport de manière efficace et stable, répondant ainsi à divers besoins de production et de vie.
Une pompe est un appareil mécanique utilisé pour transporter divers liquides. Son champ d'application est vaste, couvrant l'eau, l'huile, les solutions acides et alcalines, les émulsions, les suspensions, les métaux liquides, etc. De plus, les pompes à huile pour engrenages peuvent également transporter des mélanges liquides-gazeux et des liquides contenant des substances solides en suspension.
Les pompes peuvent être classées en trois catégories principales en fonction de leurs principes de fonctionnement : les pompes volumétriques, les pompes à turbine et autres types de pompes. Il convient de noter que la classification des pompes submersibles est plus diversifiée. En plus d'être classés selon le principe de fonctionnement, ils peuvent également être classés et nommés en fonction de la méthode de conduite, de la structure, de l'objectif et de la nature du liquide transporté.
Il existe des changements interdépendants complexes entre les différents paramètres de performance de la pompe, et ces relations peuvent être affichées intuitivement via des courbes caractéristiques. Chaque pompe possède sa propre courbe caractéristique, reflétant ses caractéristiques de performance spécifiques. En tant que dispositif mécanique pour transporter des liquides ou augmenter la pression des liquides, la pompe transfère l'énergie mécanique du moteur principal ou une autre énergie externe au liquide, obtenant ainsi une augmentation de l'énergie du liquide.
II. Définition et origine historique de la pompe
Une pompe, un dispositif mécanique permettant de transporter des liquides ou d'augmenter la pression de liquides, a une histoire qui remonte à l'Antiquité. D'une manière générale, une pompe n'est pas seulement utilisée pour le transport de fluides mais comprend également certains dispositifs mécaniques spécifiquement conçus pour le transport de gaz. En transférant l'énergie mécanique du moteur principal ou l'énergie d'autres sources au liquide, la pompe obtient une augmentation de l'énergie du liquide.
La demande croissante de levage d'eau par l'homme a conduit à l'émergence de divers dispositifs de levage d'eau. Par exemple, la pompe à chaîne en Égypte a été inventée vers 1 700 avant JC, tandis que la Chine possédait d’anciens outils de levage de l’eau tels que des leviers, des guindeaux et des roues hydrauliques. Dans la Grèce antique, Archimède a inventé la tige filetée au 3ème siècle avant JC, jetant ainsi les bases de la technologie des pompes ultérieure.
Au fil du temps, l'ancien artisan grec Ktesibius a inventé la pompe à piston primitive - la pompe d'extinction d'incendie - vers 200 avant JC. Puis, en 1588, il y a eu une mention de la pompe à palettes coulissantes à 4 pales, marquant le développement initial de la pompe rotative. En 1689, D. Papan de France innova encore et inventa la pompe centrifuge à volute avec des roues à 4 pales.
Au XVIIIe siècle, les pompes centrifuges à pales droites radiales, à turbines et volutes semi-doubles-ouvertes à double aspiration, ainsi que les pompes à piston entraînées directement par la vapeur, font leur apparition successivement aux États-Unis. Ces innovations ont contribué à la formation et au développement d'une technologie de pompe moderne.
Grâce aux progrès continus de la technologie, entre 1840 et 1850, HR Worsington des États-Unis a inventé une pompe à piston à action directe à vapeur-avec le cylindre de pompe et le cylindre à vapeur placés l'un en face de l'autre, jetant les bases de l'amélioration des pompes à piston modernes. Et de 1851 à 1875, la naissance des pompes centrifuges à plusieurs étages - a rendu possible le développement de pompes centrifuges à haute hauteur -.
Depuis lors, de nouveaux types de pompes sont apparus continuellement, avec une efficacité qui s'améliore progressivement, et la gamme de performances et de domaines d'application est également devenue de plus en plus étendue.
III. Classification des pompes
Les pompes, largement utilisées dans divers domaines, se déclinent en une grande variété de types et sont classées de nombreuses manières. Selon leurs principes de fonctionnement, les pompes peuvent être principalement divisées en trois catégories :
Tout d’abord, il y a la pompe volumétrique, également connue sous le nom de pompe à turbine ou pompe à palettes. Ce type de pompe utilise une roue rotative pour appliquer une force au liquide, transférant continuellement de l'énergie au liquide et augmentant son énergie cinétique et sa pression. Ensuite, l’énergie cinétique est convertie en énergie de pression à travers la chambre de décharge. Les pompes volumétriques comprennent, entre autres, les pompes centrifuges, les pompes à débit axial, les pompes à débit partiel et les pompes vortex.
Le type suivant est la pompe volumétrique. Ce type de pompe transmet de l'énergie en modifiant périodiquement le volume de l'espace de travail scellé, augmentant ainsi la pression du liquide et forçant son évacuation. Les pompes volumétriques peuvent être classées en pompes alternatives et pompes rotatives en fonction de la forme de mouvement des éléments de travail.
De plus, il existe d’autres types de pompes qui transfèrent l’énergie de manière unique. Par exemple, les pompes à jet s'appuient sur le jet à grande vitesse du fluide de travail pour aspirer et mélanger le fluide à transporter, réalisant ainsi un transfert d'énergie par échange de quantité de mouvement ; les pompes à membrane et les pompes à coups de bélier utilisent l'effet de coup de bélier pendant le freinage pour transférer de l'énergie ; tandis que les pompes électromagnétiques assurent le transport des fluides à travers le flux de métal liquide sous l'influence d'un courant électrique et d'une force électromagnétique.
En outre, les pompes peuvent être classées en fonction des propriétés du liquide transporté, de la méthode d'entraînement, de la structure et de l'objectif.
IV. Applications des pompes dans divers domaines
La gamme de performances des pompes est étendue, allant des pompes géantes avec un débit de plusieurs centaines de milliers de mètres cubes par heure aux pompes miniatures avec un débit inférieur à plusieurs décilitres par heure ; leur plage de pression peut également varier d'une pression normale jusqu'à 19,61 Mpa (200 kgf/cm2) ou plus. De plus, la température et le type de liquide transporté diffèrent également, comme l'eau (eau claire, eaux usées, etc.), l'huile, les acides et bases, les suspensions et les métaux liquides, etc.
Dans la production des secteurs chimique et pétrolier, les pompes jouent un rôle crucial. Étant donné que les matières premières, les produits semi-finis et les produits finis sont pour la plupart des liquides, dans ces processus complexes, les pompes transportent non seulement les liquides, mais fournissent également la pression et le débit nécessaires aux réactions chimiques. Parallèlement, ils sont également utilisés dans de nombreux appareils pour réguler les températures.
Dans la production agricole, les pompes sont les principaux équipements d’irrigation et de drainage. Les zones rurales de notre pays sont vastes et un grand nombre de pompes sont nécessaires chaque année pour soutenir la production agricole. D'une manière générale, les pompes agricoles représentent la moitié de la production totale des pompes.
Les industries minières et métallurgiques constituent également des domaines d’application importants pour les pompes. Dans ces industries, des processus tels que le drainage minier, le traitement des minéraux, la fusion et le laminage nécessitent tous le support de pompes.
Dans le secteur électrique, qu’il s’agisse d’une centrale nucléaire ou d’une centrale thermique, les pompes jouent un rôle crucial. Les centrales nucléaires ont besoin de pompes principales, de pompes secondaires et de pompes tertiaires pour assurer le fonctionnement stable des réactions nucléaires ; tandis que les centrales thermiques dépendent d'un grand nombre de pompes d'alimentation de chaudière, de pompes à condensats, de pompes de circulation et de pompes à scories et à cendres pour maintenir le fonctionnement normal de la centrale électrique.
La construction de défense ne peut pas non plus se passer de l’utilisation de pompes. Le réglage des volets, des gouvernails et des trains d'atterrissage des avions, la rotation des tourelles des navires de guerre et des chars, ainsi que l'immersion et la remontée des sous-marins, nécessitent tous des pompes pour fournir la puissance et les fonctions de réglage nécessaires. De plus, pour certains liquides à haute-pression et radioactifs pendant le transport et la manipulation, l'exigence d'un fonctionnement sans fuite de la pompe-est extrêmement élevée.
Dans l'industrie de la construction navale, des centaines de types différents de pompes sont utilisés sur chaque navire-de haute mer. Des pompes à hélices qui entraînent le navire aux diverses pompes qui maintiennent l'environnement des cabines du navire, elles sont toutes indispensables. De plus, les systèmes d'approvisionnement en eau et de drainage des villes, l'eau utilisée par les locomotives à vapeur, la lubrification et le refroidissement des machines-outils, le transport des teintures dans l'industrie textile et le transport des produits laitiers et sucrés dans l'industrie alimentaire dépendent tous du support des pompes.
En conclusion, les pompes sont omniprésentes dans divers domaines, notamment l’aérospatiale, les équipements militaires, la production industrielle et la vie quotidienne, et jouent un rôle indispensable. Par conséquent, les pompes sont classées comme machines générales et deviennent un produit indispensable et important dans l’industrie mécanique.
V. Paramètres de base des pompes
Les pompes, en tant que composant important des machines générales, leurs performances affectent directement l'efficacité opérationnelle dans divers scénarios d'application. Pour bien comprendre les performances des pompes, nous devons d’abord nous concentrer sur plusieurs paramètres de base clés. Ces paramètres reflètent non seulement les caractéristiques inhérentes des pompes, mais fournissent également des indications cruciales pour leur sélection et leur application.
1. Débit Q
Le débit est un indicateur important pour mesurer la quantité de liquide qu'une pompe peut transporter dans une unité de temps, généralement exprimé en termes de volume ou de masse. Le débit volumique est noté Q et ses unités incluent m3/s, m3/h et l/s, etc. Alors que le débit massique est représenté par Qm et ses unités sont t/h, kg/s, etc. La relation entre ces deux peut être établie grâce à la formule Qm=ρQ, où ρ représente la densité du liquide. Pour une eau à température normale, sa densité ρ est d'environ 1000 kg/m3.
2. Tête H
La hauteur fait référence à l'augmentation d'énergie d'une unité de poids de liquide après son pompage par la pompe, depuis l'entrée de la pompe (c'est-à-dire la bride d'entrée de la pompe) jusqu'à la sortie (c'est-à-dire la bride de sortie de la pompe). Cela équivaut à l’énergie efficace gagnée par un Newton de liquide lors du passage dans la pompe. Son unité est N·m/N, également connue sous le nom de mètres. Il représente la hauteur de la colonne de liquide pompée par la pompe et est donc aussi simplement appelé mètres.
3. Vitesse de rotation n
La vitesse fait référence au nombre de rotations de l'arbre de la pompe dans une unité de temps, généralement désignée par le symbole n, et son unité est le nombre de tours par minute (r/min).
4. Marge de la tête d'aspiration
La marge de hauteur d’aspiration, également connue sous le nom de hauteur d’aspiration nette positive, est un paramètre clé pour mesurer les performances de cavitation. En Chine, ce paramètre était auparavant représenté par Δh.
5. Puissance et efficacité
La puissance d'une pompe est généralement appelée puissance d'entrée, qui est la puissance transférée du moteur principal à l'arbre de la pompe et est également connue sous le nom de puissance à l'arbre, notée P. La puissance effective de la pompe, ou la puissance de sortie, est représentée par Pe, et elle mesure l'énergie efficace obtenue par le liquide évacué de la pompe dans une unité de temps.
Il est à noter que la tête représente justement cette énergie efficace. Plus précisément, la hauteur fait référence à l’énergie effective qu’une unité de liquide lourd reçoit lorsqu’elle est pompée hors de la pompe. Par conséquent, en multipliant la hauteur manométrique, le débit massique et l’accélération gravitationnelle, nous pouvons calculer l’énergie effective qu’une unité de liquide sortant de la pompe acquiert en un temps donné, qui est la puissance effective de la pompe :
Pe=ρgQH (W)=QH (W)
Parmi eux, ρ représente la densité du liquide pompé par la pompe (kg/m³), le poids spécifique du liquide pompé par la pompe (N/m³), Q est le débit de la pompe (m³/s), H est la hauteur manométrique de la pompe (m) et g est l'accélération due à la gravité (m/s²).
La différence entre la puissance à l’arbre P et la puissance effective Pe représente la perte de puissance au sein de la pompe. Pour quantifier cette perte, nous introduisons le concept d'efficacité de la pompe, qui est exprimé comme le rapport entre la puissance effective et la puissance à l'arbre et est noté η.
VI. Définition et conversion du trafic
Le débit, qui est le volume de liquide déchargé par la pompe par unité de temps, est noté Q. Ses unités comprennent les mètres cubes par heure (m3/h), les litres par seconde (l/s), etc. Il convient de noter que 1 litre par seconde équivaut à 3,6 mètres cubes par heure, ce qui est également égal à 0,06 mètre cube par minute ou 60 litres par minute. De plus, nous pouvons calculer le poids pompé par heure en utilisant le débit et la densité spécifique du liquide, noté G, où ρ représente la densité spécifique du liquide. Par exemple, si une certaine pompe a un débit de 50 mètres cubes par heure, lors du pompage de l'eau, nous voulons savoir combien de poids peut être pompé par heure ? En supposant que la densité de l'eau ρ est de 1 000 kilogrammes par mètre cube, nous pouvons calculer en utilisant la formule G=Qρ, ce qui donne un résultat de 50 000 kilogrammes par heure, ou 50 tonnes par heure.
VII. Définition et conversion de la tête
La hauteur, qui correspond à l'énergie gagnée par une unité de poids de liquide passant à travers une pompe, est désignée par H et se mesure en mètres (m). Elle comprend la hauteur d'aspiration et est approximativement égale à la différence de pression entre la sortie et l'entrée de la pompe. Pendant ce temps, la pression de la pompe est représentée par P et se mesure en Mpa (mégapascals). Il convient de noter qu’il existe une certaine relation de conversion entre la hauteur et la pression. La formule spécifique est H=P/ρ, où ρ est la densité du liquide. Par exemple, lorsque P vaut 1 kg/cm², nous pouvons utiliser la formule pour calculer que H vaut environ 10 mètres.
1 Mpa équivaut à 10 kg/cm². La hauteur H peut être calculée à l'aide de la formule H=(P2 - P1) / ρ, où P2 représente la pression de sortie, P1 représente la pression d'entrée et ρ est la densité du liquide.
Nous aborderons ensuite les concepts de marge de cavitation et de hauteur d'aspiration, ainsi que leurs unités de mesure. La cavitation fait référence au phénomène par lequel, pendant le fonctionnement d'une pompe, le liquide à l'entrée de la roue génère de la vapeur en raison de la pression du vide. Ces bulles vaporisées, lors de l'impact avec les particules liquides, provoquent l'érosion des surfaces métalliques telles que la roue, endommageant ainsi ces composants métalliques. Cette pression de vide est appelée pression de vaporisation. La marge de cavitation, quant à elle, fait référence à l'énergie que possède une unité de poids de liquide à l'entrée d'aspiration de la pompe au-dessus de la pression de vaporisation. Il est mesuré en mètres et est généralement désigné par NPSHr.
La hauteur d'aspiration, également connue sous le nom de marge de cavitation nécessaire Δh, est le degré de vide auquel la pompe peut aspirer du liquide. C'est la hauteur d'installation autorisée pour la pompe, et son unité est également en mètres. La formule de calcul de la hauteur d'aspiration est la suivante : Hauteur d'aspiration=Pression atmosphérique standard - Marge de cavitation - Marge de sécurité. Parmi eux, la hauteur du vide du pipeline généré par la pression atmosphérique standard est de 10,33 mètres et la marge de sécurité est généralement de 0,5 mètre.
Par exemple, pour une certaine pompe, sa hauteur d'aspiration nécessaire est de 4,0 mètres. Nous pouvons utiliser la formule ci-dessus pour calculer sa hauteur d'aspiration Δh. Le résultat du calcul est : Δh=10.33 - 4.0 - 0.5=5.83 mètres.
VIII. Phénomène de cavitation de la pompe et ses causes
1. Définition de la cavitation
Lorsqu'un liquide atteint une température spécifique, sa pression chute jusqu'à la pression de vaporisation correspondant à cette température. À ce stade, des bulles se formeront dans le liquide. Ce phénomène est connu sous le nom de cavitation.
2. Effondrement par cavitation
Au cours du processus de cavitation, les bulles générées, à mesure que le liquide s'écoule vers la zone à haute-pression, rétréciront rapidement en raison de l'augmentation soudaine de la pression et finiront par éclater dans le liquide. Ce phénomène est appelé effondrement par cavitation.
3. Causes et dangers de la cavitation
Pendant le fonctionnement de la pompe, si certaines zones du passage d'écoulement (telles que la position légèrement derrière l'entrée des pales de la turbine) connaissent une raison spécifique qui fait chuter la pression absolue du liquide pompé en dessous de la pression de vaporisation à cette température, le liquide commence à se vaporiser à ce stade, formant un grand nombre de bulles. Lorsque le liquide contenant ces bulles pénètre dans la zone à haute-pression de la roue, les bulles se contractent rapidement sous l'action du liquide à haute-pression et finissent par éclater. Ce processus est particulièrement évident dans les pompes submersibles. La condensation et la rupture des bulles s'accompagnent d'un remplissage rapide des vides par des particules liquides à des vitesses extrêmement élevées, entraînant un fort impact d'eau. Cet impact d'eau frappe la surface métallique avec une fréquence d'impact élevée, la contrainte d'impact atteignant des centaines, voire des milliers d'atmosphères, et la fréquence d'impact peut même atteindre des dizaines de milliers de fois par seconde. Les surfaces des murs qui sont soumises à de tels impacts pendant une longue période peuvent être gravement érodées, voire même percées.
4. Le processus et les effets de la cavitation
Dans une pompe, la cavitation est un processus complexe impliquant la formation, le développement et l’effondrement de bulles. Lorsque certaines zones de la section d'écoulement de la pompe subissent des conditions spécifiques qui font chuter la pression absolue du liquide en dessous de la pression de vaporisation, le liquide commence à se vaporiser, formant un grand nombre de bulles. Ces bulles, lorsque le liquide pénètre dans la zone à haute-pression de la roue, se contractent rapidement sous l'effet de la haute-pression et finissent par se rompre. Cette série de processus provoque non seulement de graves dommages aux composants du débit, mais génère également des bruits et des vibrations désagréables, réduisant ainsi considérablement les performances de la pompe. Dans les cas graves, la cavitation peut même provoquer l'interruption de l'alimentation en liquide dans la pompe, affectant ainsi le fonctionnement normal de la pompe.
IX. Quelle est la courbe caractéristique d’une pompe ?
La courbe caractéristique d'une pompe, également appelée courbe de performance, représente essentiellement la relation entre les principaux paramètres de performance d'une pompe centrifuge. Ces courbes sont obtenues grâce à des mesures réelles et représentent visuellement le modèle de mouvement du liquide dans la pompe. Les courbes caractéristiques comprennent les courbes de débit et de hauteur (Q-H), de débit et d'efficacité (Q-η), de débit et de puissance (Q-N) et de marge de débit et de hauteur de vaporisation (Q-NPSHr). Ces courbes sont cruciales pour comprendre l'état de fonctionnement de la pompe car pour tout point de débit donné, un ensemble de valeurs correspondantes pour la hauteur, la puissance, l'efficacité et la marge de hauteur de vaporisation peuvent être trouvées sur la courbe, et cet ensemble de paramètres est appelé l'état de fonctionnement ou le point de fonctionnement. En particulier, le point de fonctionnement au rendement le plus élevé de la pompe centrifuge est appelé point de fonctionnement optimal, et il s'agit généralement également du point de fonctionnement de conception. Comprendre ces paramètres de performance est crucial pour garantir le fonctionnement normal et l'efficacité énergétique -de la pompe.
11. Comment est définie l’efficacité d’une pompe ? Quelle est sa formule ?
L'efficacité d'une pompe est définie comme le rapport entre la puissance effective et la puissance à l'arbre, représenté par le symbole η, et sa formule de calcul est η=Pe/P. Ici, Pe représente la puissance effective de la pompe et P fait référence à la puissance à l'arbre de la pompe, c'est-à-dire la puissance transmise du moteur principal à l'arbre de la pompe. La puissance effective est le produit de la hauteur de la pompe, du débit massique et de l'accélération gravitationnelle, et sa formule est Pe=ρg QH (en watts) ou Pe=QH/1000 (en kilowatts). De plus, ρ représente la densité du liquide transporté par la pompe, la gravité spécifique du liquide (=ρg) et g est l'accélération gravitationnelle. Dans le même temps, le débit massique Qm peut être obtenu en multipliant la densité ρ par le débit Q, avec des unités de tonnes par heure ou de kilogrammes par seconde.
12. Qu'est-ce qu'un banc d'essai complet de performances pour une pompe ?
Le banc d'essai complet de performances pour pompes est un équipement avancé capable de tester avec précision divers paramètres de performance des pompes. Il est conforme aux normes nationales et a une précision de niveau B-, garantissant l'exactitude des résultats des tests. Ce banc d'essai est équipé d'instruments précis, dont un débitmètre à vis sans fin pour la mesure du débit, un manomètre de précision pour la mesure de la hauteur de chute, un vacuomètre pour la mesure de la hauteur d'aspiration et une machine de puissance axiale pour la mesure de puissance. De plus, un compteur de vitesse est également utilisé pour déterminer avec précision la vitesse de la pompe. Grâce à l'action collaborative de ces instruments précis, nous pouvons obtenir l'ensemble complet des paramètres de performance de la pompe, évaluant ainsi de manière exhaustive ses performances.
