Quelle est la principale source de force axiale dans une pompe centrifuge horizontale

Pompes centrifuges horizontales sont les équipements de transport de fluides les plus couramment utilisés dans les processus industriels, et leur fiabilité opérationnelle a un impact direct sur l'efficacité de la production. Dans ce domaine professionnel, la poussée axiale est un paramètre crucial de conception et de fonctionnement. Comprendre le mécanisme de génération de poussée axiale et comment l'équilibrer est crucial pour la sélection, l'installation, le dépannage et la prolongation de la durée de vie des roulements et des garnitures mécaniques.

1. Source principale de force axiale : différence de pression à travers la turbine

La cause fondamentale de la force axiale est le déséquilibre de la pression du liquide des deux côtés de la roue. Il s’agit de la source principale et souvent la plus importante de force axiale.

Une turbine à un étage et à aspiration unique en est l’exemple le plus typique. Lorsqu'une pompe centrifuge fonctionne :

Côté carénage avant de la roue (côté aspiration) : La zone centrale de la roue est une zone basse pression, avec une pression proche ou inférieure à la pression atmosphérique (selon le NPSH).

Côté carénage arrière de la roue (arrière) : lorsque le liquide s'écoule hors de la roue et dans la volute, une partie du liquide à haute pression s'infiltre ou reflue à travers les interstices des bagues d'usure jusqu'à l'arrière de la roue. De plus, la haute pression à la sortie de la volute exerce également une pression sur l’arrière de la roue. Par conséquent, la pression moyenne à l’arrière de la roue est généralement beaucoup plus élevée qu’à l’avant.

Cette différence de pression entre l'avant et l'arrière de la turbine, projetée sur la zone efficace, crée une force de réaction dirigée vers l'orifice d'aspiration : une force axiale. L'ampleur de cette force est directement liée à la tête de pompe, au diamètre de la roue et à l'écartement de la bague d'usure. Une hauteur de tête plus élevée augmente la différence de pression et, par conséquent, la force axiale.

2. Effet de changement d'élan dans le passage d'écoulement de la turbine

Une deuxième source importante de force axiale est la force de réaction au changement de quantité de mouvement générée lorsque le fluide change de direction et de vitesse dans le passage d'écoulement interne de la roue.

Lorsque le liquide pénètre dans la roue depuis l'orifice d'aspiration, le débit passe d'axial (parallèle à l'axe de la pompe) à radial (perpendiculaire à l'axe de la pompe). Selon la deuxième loi de Newton, lorsque le fluide subit ce changement de direction dans la roue, il génère inévitablement une force de réaction sur la roue. La composante de cette force de réaction, agissant le long de l'arbre de la pompe, constitue une force axiale de sens opposé.

Dans la plupart des conceptions de turbine à aspiration unique, la direction de cette force axiale induite par l'impulsion est opposée à la force axiale provoquée par la différence de pression, mais son ampleur est généralement inférieure à la force axiale provoquée par la différence de pression.

3. Influence des joints d'arbre et des trous d'équilibrage : répartition locale de la pression

La conception et les conditions de fonctionnement de la zone de la garniture mécanique affectent également la répartition locale des forces axiales.

Zone de la garniture mécanique/du presse-étoupe : Au niveau de la garniture mécanique, la force agissant sur l'arbre de la pompe est la force combinée de la pression du liquide dans la chambre d'étanchéité et de la pression atmosphérique. Si la pression à l’intérieur de la chambre d’étanchéité est élevée, elle pousse l’arbre vers l’extérieur le long de l’arbre de la pompe.

Trous d'équilibrage : pour les roues qui utilisent des trous d'équilibrage pour équilibrer les forces axiales, la fonction des trous d'équilibrage est de réduire efficacement la pression derrière la roue en dirigeant le liquide à haute pression à l'arrière de la roue vers l'orifice d'aspiration ou la zone basse pression. La conception du diamètre et du nombre de trous d'équilibrage détermine directement le degré d'élimination de la différence de pression entre les surfaces avant et arrière de la roue.

4. Roues à double aspiration et équilibre inhérent des forces axiales

Il convient de noter que dans les pompes centrifuges à double aspiration, les roues sont conçues avec une aspiration bilatéralement symétrique.

Structure symétrique : Le liquide pénètre au centre de la roue simultanément et symétriquement des deux côtés.

Annulation mécanique : cela signifie que la géométrie du trajet d'écoulement des deux roues est complètement symétrique et que la répartition de la pression des deux côtés est également essentiellement symétrique. Pendant le fonctionnement, les forces axiales générées par les deux roues sont égales en ampleur et en direction opposée, réalisant théoriquement un équilibre automatique des forces axiales. C'est l'un des principaux avantages structurels des pompes à double aspiration qui leur permettent de gérer des conditions de débit élevé.

5. L’importance de l’équilibrage des forces axiales et des contre-mesures

Dans la conception des pompes centrifuges, il est crucial d’éliminer ou de minimiser les forces axiales résiduelles. Sinon, des forces axiales excessives peuvent entraîner :

Surcharge des roulements : des forces axiales continues imposent des charges importantes sur la butée, accélérant l'usure et la défaillance. Il s’agit de l’un des modes de défaillance les plus courants des pompes centrifuges.

Dommages à la garniture mécanique : des changements brusques dans les forces axiales peuvent provoquer une compression ou une séparation excessive entre les bagues rotatives et fixes de la garniture mécanique, entraînant des fuites ou une usure importante.

Par conséquent, en plus de la conception auto-équilibrée des roues à double aspiration, les mécanismes spécialisés suivants sont souvent utilisés dans les conceptions techniques pour équilibrer les forces axiales :

Trous d'équilibrage et aubes arrière : utilisés dans les pompes à simple aspiration.

Disques/tambours d'équilibrage : dispositifs d'équilibrage haute pression couramment utilisés dans les pompes multi-étages.

Le contrôle précis des forces axiales des pompes centrifuges horizontales et la garantie de la stabilité de l'arbre de la pompe sont des exigences techniques essentielles pour garantir un fonctionnement fiable et à long terme de l'équipement.