Ralentissez, vous allez trop vite (peut-être), partie 2 sur 2

Oct 09, 2023

Dans la partie 1 de ma chronique du numéro de novembre 2022, nous avons couvert les premières parties de la décision d'acheter une pompe plus lente. Nous avons abordé la mesure, le processus de décision et plus encore.

La vitesse spécifique (Ns), dans sa définition la plus simple, concerne la géométrie de la roue, y compris les angles d'aube et le nombre d'aubes. Dans la pompe, les forces dynamiques et statiques et leur rapport sont fonction de la vitesse spécifique (F dynamique ÷ F statique).

Notez que des vitesses spécifiques d'environ 3 000 donneront la pompe la plus efficace et, dans une comparaison entre le coefficient de tête et la vitesse spécifique, elle culmine autour de 1 000. Vous pouvez générer une tête de pompe plus facilement à des vitesses spécifiques inférieures, mais pas aussi efficacement à des vitesses spécifiques plus élevées.

À mesure que la vitesse spécifique d'aspiration (Nss) augmente, l'enveloppe de fonctionnement stable/admissible de la pompe diminue. La condition d'aspiration de la pompe est vraiment le facteur le plus important à examiner lors de l'examen de la vitesse de la pompe. Bien que la marge NPSH soit primordiale, vous pouvez vous rendre service en déterminant la région de fonctionnement de la pompe autorisée (fenêtre de stabilité) pour votre sélection à partir des exemples de courbes de performances proposés.

À partir de là, vous pouvez estimer la vitesse spécifique d'aspiration maximale avec laquelle vous décidez de fonctionner. Connaissant la vitesse spécifique d'aspiration maximale, vous pouvez alors déterminer la vitesse maximale de la pompe en utilisant la formule de vitesse spécifique d'aspiration résolue algébriquement pour la vitesse (N). Par exemple, supposons une vitesse spécifique d'aspiration maximale de 8 500. Ne confondez pas la vitesse spécifique d'aspiration de 8 500 avec un maximum ; C'est juste un exemple.

L'énergie d'aspiration (SE) est un autre paramètre souvent négligé. SE est, par essence, une mesure de la quantité de mouvement liquide au niveau de l'œil de la roue. L'espace de colonne ne permet pas une explication complète ici, veuillez donc vous référer à ma colonne de mai 2020 pour plus de détails.

Tout en regardant la vitesse du liquide à l'aspiration, regardez également la vitesse au niveau de la buse de refoulement et des 6 diamètres en aval. Voir la norme 9.6.6 de l'American National Standards Institute (ANSI)/Hydraulic Institute (HI) pour les meilleures pratiques, mais sachez que plus de 8 à 10 pieds par seconde du côté aspiration approchent des problèmes potentiels. Ici, plus lent est meilleur. Je comprends que les vitesses de pointe des aubes de la turbine seraient similaires dans les deux cas (une pompe plus grande et plus lente par rapport à une pompe plus petite et plus rapide), mais je suggère l'idée alternative qu'il peut être préférable d'ajouter un autre étage à la pompe, si vous avez besoin d'une tête supplémentaire, et de modifier la largeur de la roue, si vous avez besoin de plus de débit. Une autre solution pourrait être deux pompes en série.

Les limites nominales pour le diamètre maximal de la turbine sont normalement de 27 pouces pour les limites de vitesse à 4 pôles et de 13 pouces pour les limites de vitesse à 2 pôles. Ce facteur limitant est indépendant des propriétés du liquide et repose davantage sur la résistance du matériau de la roue (carénages et aubes). Une vitesse de pointe excessive se manifestera par des vibrations inacceptables. Les forces radiales sont fonction de la géométrie de la roue pour une conception de carter donnée et augmentent directement avec la vitesse. Les forces radiales auront un impact direct sur la déflexion de l'arbre qui affecte directement la durée de vie des roulements et des garnitures mécaniques. Notez qu'un arbre déviant à des vitesses à 4 pôles dévie 3 550 fois par minute et 7 100 fois par minute à des vitesses à 2 pôles. La qualité du processus de fabrication de la turbine affectera à la fois l'équilibre hydraulique et mécanique. L'usure des roulements, la durée de vie des joints mécaniques et l'alignement de l'entraînement deviendront tous plus critiques avec l'augmentation de la vitesse.

Les forces axiales sont fonction de la géométrie de la roue, de la pression d'aspiration, des jeux et de la tête développée. Les effets délétères des forces axiales peuvent être exacerbés par un ajustement lâche de la roue sur l'arbre. La poussée axiale augmente proportionnellement à la vitesse. Les fréquences des forces dynamiques du rotor dépendent de la vitesse et du débit et réagissent proportionnellement.

Les pompes avec des roues plus grandes et une masse en rotation plus grande posséderont une inertie plus élevée. Une inertie plus élevée se traduit à la fois par une décélération plus longue en cas de perte de puissance et par un temps plus long pour atteindre la pleine vitesse au démarrage. Cette propriété de réaction retardée est bénéfique pour contrôler les pressions transitoires du système, car la pompe décélérera lentement après un déclenchement de la pompe ou un repositionnement de la vanne de contrôle, tout en continuant à déplacer le fluide. La réaction plus lente du changement hydraulique minimisera la séparation des colonnes dans la tuyauterie en aval, ce qui réduit les coups de bélier et autres actions négatives associées.

Quels sont les paramètres de base et les questions à prendre en compte lors du choix de la vitesse de la pompe ? Je n'ai pas la place d'expliquer comment chacun de ces facteurs affectera la décision de vitesse de la pompe, mais la liste suivante est considérée comme digne d'être examinée :

Un aperçu rhéologique qui comprend toutes les propriétés du liquide et surtout la quantité de solides. Plus il y a de solides présents, plus vous devez ralentir. Notez également l'abrasivité, la forme et la taille des solides.

La viscosité est une propriété liquide que beaucoup de gens négligent, je la mets donc en évidence avec sa propre catégorie. Une viscosité plus élevée nécessite une pompe plus grande pour les mêmes conditions hydrauliques.

Le fluide est-il newtonien ou non newtonien ? Pensez au cisaillement et au facteur de taux de cisaillement. De nombreux liquides non newtoniens ne réagissent pas bien à des vitesses plus élevées.

Compte tenu du cycle de service réel, il est important de quantifier le coût de l'énergie (à un certain coût par kilowattheure).

Les conditions d'aspiration ont été discutées précédemment, mais considérez également s'il s'agit d'une situation d'aspiration inondée par rapport à une situation d'aspiration ou s'il y a plusieurs pompes raccordées en parallèle ou en série. Le niveau de sophistication de la conception de la géométrie de la tuyauterie du système d'aspiration est important à prendre en compte pour la submersion critique, l'écoulement turbulent, l'énergie d'aspiration, la vitesse de la buse d'aspiration et la marge NPSH.

Un autre sous-ensemble important de conditions d'aspiration est si la pompe est auto-amorçante. Notez que le temps d'amorçage sur les applications à grande vitesse chauffera le liquide dans les chambres d'étanchéité et d'amorçage 8 à 10 fois plus rapidement.

Les questions suivantes affecteront également votre choix de vitesse de pompe :

D'où viennent les mythes urbains relatifs à la vitesse de la pompe ? Bon nombre des conceptions initiales de pompes à grande vitesse des années 1960 étaient basées sur des modèles à faible vitesse dont la vitesse avait simplement augmenté pour répondre aux demandes du marché. Après un certain temps de fonctionnement, ces pompes se sont souvent avérées peu fiables. Pourquoi? Parce que de nombreux modèles de pompes plus anciens n'étaient pas conçus à l'origine pour fonctionner à des vitesses plus élevées. Les événements de défaillance ultérieurs ont faussé les données de fiabilité, de sorte que la ligne de pensée commune selon laquelle plus lent doit être mieux prévalu. Cependant, dans les années 1970, les pompes qui ont été repensées et correctement entretenues pour fonctionner à des vitesses plus élevées se sont souvent avérées tout aussi fiables que les pompes à vitesse plus lente des générations de conception précédentes.

La mise en garde est que les conceptions de pompes à grande vitesse des modèles ultérieurs s'accompagnent d'un bagage supplémentaire en ce sens qu'elles doivent être exploitées et entretenues selon des normes supérieures. Des niveaux plus élevés de maintenance de précision sont nécessaires pour la fiabilité de la pompe à des vitesses plus rapides, comme un bon équilibre du rotor et des jeux opérationnels en conjonction avec l'atténuation de la contrainte de la tuyauterie, l'établissement et le maintien d'alignements de précision et d'autres meilleures pratiques de l'industrie.

À mesure que les exigences de la tête du système augmentent, les lois de la physique vous obligeront à utiliser des pompes à plus grande vitesse. Cependant, j'ai été témoin de plusieurs applications où une pompe à deux étages de 1 750 rotations par minute (tr/min) était le meilleur choix par rapport à une pompe à un étage de 3 550 tr/min.

Attention : Vous pouvez également faire fonctionner une pompe trop lentement et rencontrer des problèmes de stabilité hydrodynamique ou de surchauffe du moteur en raison de problèmes de ventilateur de refroidissement. Je ne recommande pas de faire fonctionner la plupart des pompes à moins de 600 tr/min pendant une durée quelconque, sauf si la pompe a été conçue ou approuvée pour ces conditions. Vérifiez auprès de l'OEM dans tous les cas, y compris l'OEM du moteur.

En conclusion, je suggère un scénario où parfois la route (pensez au système de pompe) vers votre destination est construite pour plusieurs voies de circulation à grande vitesse. Pensez à l'autoroute allemande (Bundesautobahn). Cependant, il n'y a parfois que deux voies qui peuvent être abordées lentement et régulièrement pour faire le travail avec une grande fiabilité et plaisir. Pensez à 17 Mile Drive, Pebble Beach, Californie.

Instabilité hydraulique de la pompe centrifuge Rapport EPRI CS-1445 Projet de recherche 1266-18 par le Dr E Mackay 1980

Jim Elsey est un ingénieur en mécanique avec plus de 50 ans d'expérience dans les équipements rotatifs pour les applications industrielles et marines à travers le monde. Il est conseiller en ingénierie pour Summit Pump, Inc., membre actif de l'American Society of Mechanical Engineers, de la National Association of Corrosion Engineers et de la Naval Submarine League. Elsey est également le directeur de MaDDog Pump Consulting LLC. Il peut être contacté à l'adresse [email protected].