Structure et application de la pompe centrifuge à entraînement magnétique

1. Structure d'une pompe centrifuge à entraînement magnétique métallique

La pompe centrifuge à entraînement magnétique se compose de quatre éléments principaux : le carter, le rotor, les pièces de liaison et le système de transmission. Elle existe en deux versions : à accouplement direct et à accouplement indirect. La version à accouplement direct utilise un accouplement magnétique (aimant externe) directement relié à l’arbre moteur, ce qui élimine le besoin d’arbres externes, de roulements ou d’autres composants d’accouplement, comme illustré sur la figure 1-12.

 

 

Figure 1-12 Schéma de principe d'une pompe centrifuge à entraînement magnétique direct

 

1—Corps de pompe ; 2—Roue ; 3—Arbre de pompe ; 4—Douille d'arbre ; 5—Palier lisse ; 6—Couvercle de pompe ; 7—Rotor magnétique interne ; 8—Douille d'isolation ; 9—Rotor magnétique externe ; 10—Moteur électrique

La pompe centrifuge à entraînement magnétique non direct, également appelée pompe centrifuge à entraînement magnétique standard, est dotée d'un arbre externe muni d'un accouplement magnétique (aimant externe) relié au moteur par un palier et un accouplement. La structure schématique de cette pompe est illustrée à la figure 1-21.

(1) Section de coque

La partie coque est composée du corps de pompe (coque de pompe), du couvercle de pompe, du manchon d'isolation, etc. Elle supporte toute la pression de service de la pompe.

(2) Section du rotor

L'ensemble rotor se compose de deux éléments principaux : les pièces rotatives montées sur l'arbre de la pompe et celles installées sur l'arbre d'entraînement. Les pièces rotatives de l'arbre de la pompe comprennent la roue, les paliers, la bague de butée, le rotor magnétique interne et l'arbre lui-même, formant la partie rotor en contact avec le fluide. Les pièces rotatives de l'arbre d'entraînement comprennent le rotor magnétique externe, les roulements, le manchon d'arbre d'entraînement et l'arbre lui-même, constituant la partie rotor en contact avec l'air.

(3) Section de raccordement

Il est composé d'un cadre de liaison, d'un boîtier de roulement et d'autres pièces qui assurent la liaison et le support.

(4) Section de transmission

La section de raccordement désigne l'accouplement entre la pompe et le groupe d'entraînement. Les pompes centrifuges à entraînement magnétique utilisent deux méthodes de raccordement : (1) le raccordement de l'accouplement magnétique interne de la pompe à celui du groupe d'entraînement (accouplement magnétique externe) ; (2) l'utilisation d'un accouplement prolongé à membrane pour raccorder l'accouplement magnétique externe de l'arbre de la pompe au groupe d'entraînement. Cette conception permet la maintenance de la pompe par simple retrait des boulons et de la membrane de la partie intermédiaire de l'accouplement, évitant ainsi le démontage du groupe d'entraînement et garantissant une maintenance aisée.

2. Principaux composants et leurs fonctions d'une pompe centrifuge à entraînement magnétique métallique

(1) Principaux composants d'une pompe centrifuge à entraînement magnétique métallique

Les principaux composants d'une pompe centrifuge à entraînement magnétique métallique sont : la roue, l'arbre, la chambre d'aspiration, le corps de pompe, le manchon isolant, le palier et la bague de passage. Certains modèles peuvent également comporter des aubes directrices, une roue d'induction et un disque d'équilibrage. Les passages d'écoulement sont constitués de la chambre d'aspiration, du corps de pompe et de la roue, chacun remplissant les fonctions suivantes.

① Chambre d'admission La chambre d'admission est située à l'extrémité avant de l'entrée de la roue, à l'endroit où le liquide est aspiré dans la roue par l'orifice d'aspiration. Il est impératif que les pertes de charge du liquide traversant la chambre d'admission soient minimales et que la vitesse du liquide entrant dans la roue soit uniforme.

2. Turbine : La turbine rotative convertit l'énergie en aspirant le liquide, lui communiquant ainsi de l'énergie de pression et de l'énergie cinétique. La turbine doit maximiser le transfert d'énergie au liquide tout en minimisant les pertes de charge.

(2) Fonctions des composants clés des pompes centrifuges à entraînement métal-magnétique

① Corps de pompe (carter de pompe)

Le corps de pompe, également appelé carter, se décline en deux types : à volute axiale et à volute radiale. Il s'agit d'un composant conçu pour résister à la pression du liquide. La plupart des pompes monocellulaires sont dotées d'un carter à volute, tandis que les pompes multicellulaires utilisent généralement des carters annulaires ou circulaires. Sa fonction principale est de contenir le liquide dans un espace défini, de canaliser le liquide éjecté des passages de la roue vers les conduites de refoulement et de convertir une partie de son énergie cinétique en énergie de pression, augmentant ainsi sa pression.

Le corps de pompe se présente généralement sous les trois formes suivantes :

a. Le corps de pompe à volute (enveloppe) ressemble à une coquille d'escargot (figure 1-22). À l'intérieur de la volute se trouvent des canaux d'écoulement dont la section transversale s'élargit progressivement. La forme et les dimensions de ces canaux influent considérablement sur les performances de la pompe.

b. Corps de pompe (carrosserie) avec ensemble de palettes directrices. Le corps de pompe (carrosserie) est une structure rotative qui abrite la partie extérieure de la roue.

Le canal d'écoulement est entouré de plusieurs structures à aubes directrices.

c. Corps de pompe à double couche (coque) Un corps de pompe (coque) avec un boîtier extérieur cylindrique supplémentaire est appelé corps de pompe à double couche (coque).

② hélice

La roue, composant essentiel d'une pompe, assure le transfert du liquide grâce à sa rotation à grande vitesse. Composée généralement de trois parties (le moyeu, les pales et le couvercle), la roue possède deux types de couvercles : le couvercle avant, côté aspiration, et le couvercle arrière, côté opposé.

Les pompes centrifuges à entraînement magnétique acheminent les liquides principalement grâce à l'action de la roue installée dans le corps de pompe. La taille, la forme et la précision de fabrication de la roue influencent considérablement les performances de la pompe. Selon leur configuration, les roues peuvent être classées en trois types : fermées, ouvertes et semi-ouvertes (figure 1-23).

a. turbine fermée

Une roue à disque se compose généralement d'un couvercle, de pales et d'un moyeu. Le couvercle avant est situé côté aspiration, tandis que le couvercle arrière se trouve du côté opposé, les pales étant positionnées entre les deux. On compte de 4 à 6 pales entre les deux couvercles ; ces pales sont généralement incurvées vers l'arrière, comme illustré sur la figure 1-23(a). Les roues fermées sont très efficaces et largement utilisées, notamment pour le transport de liquides propres exempts de particules solides ou de fibres. Il en existe deux types : à simple aspiration et à double aspiration. La roue à double aspiration, illustrée sur la figure 1-24, est adaptée aux pompes à haut débit et offre une meilleure résistance à la cavitation.

b. turbine ouverte

La roue ne comporte pas de plaques de recouvrement latérales et ses pales sont fixées au moyeu par des raidisseurs, comme illustré sur la figure 1-23(b). Cette conception de roue est simple et facile à fabriquer, mais son rendement est faible, ce qui la rend adaptée au transport de liquides à forte teneur en matières solides en suspension ou en fibres.

c. hélice semi-fermée

Cette hélice ne comporte qu'une plaque de recouvrement arrière, comme illustré sur la figure 1-23(c). Elle est conçue pour le transport de liquides sujets à la sédimentation ou contenant des matières solides en suspension, avec une efficacité intermédiaire entre celle des hélices ouvertes et fermées.

 

 

 

Figure 1-23 Roues d'une pompe centrifuge à entraînement magnétique

 

Figure 1-24 Turbine à double aspiration

Il existe deux types de pales de turbine pour les pompes centrifuges : les pales droites et les pales torsadées.

Les pales droites sont celles dont toute la largeur est alignée parallèlement à l'arbre de la turbine, comme illustré dans la figure 1-23.

Les pales vrillées présentent une section déviée par rapport à l'axe de la roue, comme illustré sur la figure 1-25. Pour les roues à faible vitesse spécifique, les pales sont circulaires avec des canaux d'écoulement étroits, ce qui simplifie la fabrication. En revanche, les roues à vitesse spécifique élevée utilisent des canaux d'écoulement plus larges, permettant une vrillage plus aisé. Ces pales améliorent la résistance à la cavitation de la pompe, réduisent les pertes par impact et, au final, augmentent son rendement global.

Lorsque le sens de courbure de la pale est opposé au sens de rotation de la roue, on parle de pale à courbure inversée ; dans le cas contraire, il s’agit d’une pale à courbure directe. Du fait de leur rendement supérieur, les pales à courbure inversée sont généralement utilisées pour les roues de turbine.

③ choma

La bague d'étanchéité, également appelée presse-étoupe, est généralement montée sur le corps de pompe et présente un jeu minimal avec la circonférence extérieure de l'orifice d'aspiration de la roue (Figure 1-26). La pression du liquide à l'intérieur du corps de pompe étant supérieure à la pression d'aspiration, le fluide tend à s'écouler vers l'orifice d'aspiration de la roue. La fonction principale de la bague d'étanchéité est d'empêcher les fuites de liquide entre la roue et le corps de pompe. Elle sert également de palier de frottement. En cas d'usure excessive du jeu, le remplacement de la bague d'étanchéité permet d'éviter la mise au rebut de la roue et du corps de pompe, prolongeant ainsi leur durée de vie. Par conséquent, la bague d'étanchéité est considérée comme une pièce sujette à l'usure. Le jeu entre la bague d'étanchéité et la circonférence extérieure de l'orifice d'aspiration de la roue est généralement déterminé par le diamètre du presse-étoupe.

④ Manchon isolant

Dans un système à entraînement magnétique pompe centrifugeLe manchon isolant joue principalement le rôle de joint d'arbre, assurant à lui seul l'étanchéité. Contrairement aux pompes centrifuges classiques, l'arbre rotatif ne dépasse pas du corps de pompe fixe. Le manchon isolant remplace le joint d'arbre traditionnel, empêchant ainsi les fuites de fluide haute pression et les entrées d'air dans la chambre de la pompe (voir figure 1-27). Ce principe de conception justifie la présence d'un système d'étanchéité dans ces pompes. L'arbre et le corps de pompe sont physiquement séparés par le manchon isolant, qui remplace le joint d'arbre classique.

⑤ Couplage magnétique

Un accouplement magnétique se compose d'un aimant interne (avec un support et une gaine) et d'un aimant externe (également avec un support). La gaine isolante, placée entre les aimants interne et externe (figure 1-28), est un élément distinctif essentiel des pompes magnétiques et constitue leur composant principal. La structure de l'accouplement magnétique, la conception du circuit magnétique et le choix des matériaux de ses composants influent directement sur la fiabilité de la pompe, le rendement de l'entraînement magnétique et sa durée de vie.

 

Figure 1-28 Schéma de la structure de couplage magnétique

1—Base magnétique extérieure ; 2—Bloc d'acier magnétique extérieur ; 3—Manchon isolant ; 4—Enceinte en acier magnétique intérieure ; 5—Bloc d'acier magnétique intérieur ; 6—Base magnétique intérieure

L — Longueur du bloc d'acier magnétique ; a — Épaisseur du revêtement ; b — Épaisseur du manchon isolant ; c — Entrefer

a. Acier magnétique interne

L'élément magnétique interne est fixé à son support par un adhésif. Afin d'isoler cet élément du fluide, une gaine de protection doit être appliquée à l'extérieur. Cette gaine est disponible en deux versions : métallique et plastique. Les gaines métalliques sont soudées, tandis que les gaines plastiques sont moulées par injection (dans ce cas, il est impératif d'utiliser un acier inoxydable austénitique non magnétique).

b. Aimant externe

L'aimant extérieur et son support sont reliés par adhésif.

c. Manchon isolant

Le manchon d'isolation, également appelé manchon d'étanchéité, est positionné entre les aimants intérieur et extérieur pour les isoler complètement, le milieu étant enfermé à l'intérieur du manchon (Figure 1-29).

L'épaisseur de la gaine isolante dépend de la pression et de la température de service. Une gaine trop épaisse augmente l'entrefer entre les aimants interne et externe, ce qui nuit au rendement de l'entraînement magnétique. À l'inverse, une gaine trop fine affecte la force d'entraînement. Il existe deux types de gaines isolantes : métalliques et non métalliques. Les gaines métalliques présentent des pertes par courants de Foucault, contrairement aux gaines non métalliques.

⑥ palier lisse

L'arbre d'une pompe centrifuge à entraînement magnétique est supporté par un palier lisse. Ce palier étant lubrifié par le fluide transporté, il doit être fabriqué à partir de matériaux présentant une excellente résistance à l'usure et des propriétés autolubrifiantes. Parmi les matériaux couramment utilisés, on trouve le carbure de silicium, la céramique, les matériaux à base de graphite et les composites chargés de polytétrafluoroéthylène (PTFE).

La lubrification des paliers lisses repose sur leur propre écoulement de fluide, ce qui exige des paliers, des bagues et des disques de butée d'excellentes propriétés d'autolubrification, de résistance à l'usure et à la corrosion. Par exemple, le SSiC et le YWN8 présentent tous deux des propriétés remarquables d'autolubrification, de résistance à l'usure et à la corrosion, le SSiC ayant une dureté relative supérieure à celle du YWN8. Associés à des butées, ces matériaux tendres et durs forment un couple de frottement optimal, prolongeant considérablement la durée de vie des paliers. Des essais pratiques ont démontré que la durée de vie de paliers composés de ces matériaux (SSiC et YWN8) peut être jusqu'à dix fois supérieure à celle de paliers en graphite ou en SiC associés au même matériau. Composants essentiels des pompes magnétiques, l'allongement de la durée de vie des paliers lisses contribue directement à l'augmentation de la durée de vie globale de la pompe. Le choix des matériaux est donc crucial pour garantir un fonctionnement stable et durable des pompes magnétiques.

⑦ égaliseur

Dans une pompe à entraînement magnétique, les forces agissant de part et d'autre de la roue sont inégales, comme illustré sur la figure 1-30. Lors du démarrage momentané de la pompe par le mécanisme d'entraînement, une force axiale s'exerce sur la roue, du côté aspiration. Si cette force axiale n'est pas compensée, un mouvement axial des pièces rotatives se produit, entraînant usure, vibrations et surchauffe, ce qui perturbe le fonctionnement normal de la pompe. Un dispositif d'équilibrage est donc indispensable pour prévenir ce mouvement axial. Les dispositifs d'équilibrage axial les plus courants comprennent les trous d'équilibrage, les tubes d'équilibrage et les disques d'équilibrage.

 

 

Figure 1-30 Schéma de la force axiale de la pompe

a. trou d'équilibrage

Le même joint d'étanchéité est ajouté au couvercle arrière de la roue, et plusieurs trous sont ouverts sur le couvercle arrière (trous d'équilibrage) pour que la pression au niveau du couvercle arrière soit égale à la pression d'entrée d'aspiration, afin d'équilibrer la force axiale.

b. tuyau d'équilibrage

Un tuyau relie le corps de la pompe à l'orifice d'aspiration, assurant ainsi l'équilibre de pression de part et d'autre de la roue. Ces deux dispositifs, de conception simple, peuvent toutefois engendrer un reflux de liquide, réduisant ainsi le rendement. De plus, 10 à 25 % de la force axiale demeure déséquilibrée, nécessitant généralement un disque de butée pour absorber cette force résiduelle.

c. disque d'équilibrage

La figure 1-31 illustre le schéma d'un ensemble de disque d'équilibrage, principalement utilisé dans pompes multicellulaires Le disque d'équilibrage est fixé à la roue du dernier étage sur le même arbre. Un jeu axial existe entre le disque et le corps de pompe. En fonctionnement, le liquide sous haute pression s'écoule à travers ce jeu vers la chambre d'équilibrage située à droite du disque. Cette chambre est reliée à l'entrée d'aspiration, assurant ainsi une pression égale. Il en résulte une différence de pression de part et d'autre du disque, les forces de poussée et axiales opposées se compensant. Les composants rotatifs de la pompe peuvent se déplacer latéralement, et le disque d'équilibrage maintient automatiquement son équilibre pendant le fonctionnement. Par ailleurs, l'utilisation de roues à double aspiration ou de roues disposées symétriquement contribue également à équilibrer partiellement les forces axiales.