Pompes: Types, Fonctionnement et Maintenance

Conceptions et fonctionnement des pompes

• Ce document technique est conçu pour les mécaniciens de machines fixes du Québec.
• Il offre une analyse approfondie des types de pompes, de leurs principes de fonctionnement et de leurs applications industrielles.
• Le document explore les pompes alternatives, rotatives et centrifuges.
• Il examine les composants, les caractéristiques et les considérations importantes pour leur exploitation et leur entretien efficace.

Pompes à plongeur

• Lorsque le plongeur se déplace de droite à gauche, la pression dans le cylindre diminue.
• Le liquide est aspiré grâce au clapet à bille d'aspiration.
• La haute pression dans la conduite de refoulement maintient le clapet de refoulement fermé.
• La course du plongeur est le mouvement unidirectionnel du plongeur.
• La longueur de la course est la distance que le plongeur parcourt pour entrer et sortir du cylindre.
• Dans une pompe à simple effet, le liquide est refoulé pendant une course sur deux.
• Les pompes à plongeur incluent les modèles à commande mécanique utilisés pour l'alimentation en produits chimiques.
• Elles incluent aussi les pompes triplex à grande capacité avec trois cylindres et des manivelles à 120 degrés.

Pompes à piston

• Les pompes à piston à double effet ont deux robinets de refoulement (D-A et D-B) et deux robinets d'aspiration (S-A et S-B).
• Quand le piston se déplace de gauche à droite, le liquide est aspiré dans le côté gauche.
• Le liquide passe par le robinet S-A, et le piston force le liquide hors du côté droit par le robinet D-B.
• Quand le piston change de direction, le liquide est aspiré dans le côté droit par le robinet S-B et refoulé du côté gauche par le robinet D-A.
• Les deux côtés du piston participent au pompage.
• L'avantage principal est que le liquide est refoulé lorsque le piston se déplace dans les deux sens.
• Le débit est ainsi plus constant, d'où le nom de "double effet".

Pompe à membrane

• La pompe à membrane diffère des pompes à piston et à plongeur.
• Le fluide pompé est isolé du mécanisme alternatif par la membrane.
• Les fuites le long de la tige de piston, du plongeur ou du piston sont ainsi éliminées.
• La membrane est construite en matériau flexible métallique ou non métallique, comme le plastique, le caoutchouc ou le néoprène, selon le liquide pompé.
• Elle sert de composante de déplacement du liquide.
• Dans une pompe à membrane mécanique, la membrane est fixée au guide du piston par un disque.
• Un excentrique produit le mouvement alternatif du guide, ce qui déplace la membrane en va-et-vient et crée l'effet de pompage.

Pompes rotatives

• La pompe à engrenages externes a deux engrenages tournant en sens inverse.
• Le liquide est piégé entre les dents des engrenages et la paroi, puis acheminé au côté refoulement.
• Les dents engrenantes au centre empêchent le retour du liquide.
• Pompes à engrenages internes : l'engrenage à denture extérieure s'engrène avec un engrenage à denture intérieure.
• Un croissant empêche le liquide de passer du refoulement à l'aspiration.
• Le liquide remplit l'espace entre les dents quand elles se séparent.
• Les pompes à palettes coulissantes ont une roue avec des palettes dans des rainures.
• La roue tourne de façon excentrique avec un jeu minimal.
• Les palettes sont forcées contre la paroi par la force centrifuge et acheminent le liquide piégé de l'aspiration au refoulement.

Pompes centrifuges

• Une pompe centrifuge utilise la force centrifuge pour donner de la vitesse au fluide, qui est ensuite convertie en pression.
• Cette caractéristique les distingue des modèles volumétriques.
• La méthode de transmission divise en types : à volute, à diffuseur, semi-axial, axial et régénératrice, chacun adapté à des usages spécifiques.
• Les pompes se classent selon le nombre d'étages, l'entrée d'aspiration, la position de l'arbre, le type de corps et l'installation.
• Les pompes centrifuges sont aussi classées selon l'application, par exemple alimentation de chaudière, universelle, à vide, circulation.
• Chaque application exige une conception différente.

Pompe à volute

• Une pompe centrifuge à volute comprend une roue avec des palettes tournant dans un corps fixe à volute.
• "Volute" se réfère à l'aire croissante du corps en spirale, une caractéristique essentielle.
• Le liquide est aspiré au centre, recueilli par les palettes, et accéléré à une haute vitesse.
• Le fluide contient une énergie cinétique et est refoulé par la force centrifuge.
• L'énergie cinétique est convertie en pression quand le liquide se déplace vers le refoulement.
• Cette conversion est essentielle à son fonctionnement.

Pompe à diffuseur

• Dans ce type, le liquide à haute vitesse sortant de la roue passe entre des aubes dans une bague de diffuseur fixe.
• Ces aubes sont conçues pour que les passages augmentent graduellement en aire.
• L'énergie de vitesse du liquide est transformée en énergie de pression dans ces passages.
• Le liquide est refoulé où une conversion additionnelle se déroule.
• Puisque le débit de liquide est loin du centre, elles sont souvent classées comme pompes centrifuges radiales.

Conceptions de la roue

• Roue ouverte : les aubes se prolongent radialement, sans flasque ni couvercles.
• Ce type est utilisé pour les liquides contenant des particules ou des solides.
• Roue semi-ouverte : les aubes se prolongent radialement, avec un couvercle d'un côté.
• Cette conception offre un équilibre entre efficacité et gestion des particules, la rendant polyvalente.
• Roue fermée : les aubes se prolongent à partir du moyeu et les deux côtés sont protégés par des flasques ou des couvercles.
• Cette conception est plus efficace et utilisée pour les pompes plus grandes où l'aire entre les aubes est importante.

Pompes verticales

• Elles ont un arbre vertical, avec le moteur ou la turbine au sommet et la pompe en dessous.
• Cette configuration permet une installation compacte et efficace.
• L'assemblage de la pompe est souvent immergé dans le liquide pompé, ce qui élimine les problèmes d'amorçage.
• Cela permet de pomper à partir de sources profondes, avantageux pour les puits et les réservoirs profonds.
• Disponibles en versions à un étage ou à plusieurs étages.
• La pompe verticale illustrée est une grande pompe semi-axiale conçue pour des applications à haut débit.

Pompes horizontales

• Les pompes horizontales ont le moteur, l'arbre et la pompe sur un même axe horizontal par rapport à la surface d'installation.
• Leur disposition facilite l'accès pour l'entretien et offre une stabilité optimale.
• Les paliers à billes supportent l'arbre et permettent sa rotation avec un minimum de friction.

Aspiration simple et double

• La pompe à aspiration simple a une seule entrée d'aspiration.
• Le déséquilibre de poussée généré est compensé par un palier de butée.
• Une pompe à double entrée a deux aspirations opposées.
• La symétrie des passages d'aspiration et de refoulement équilibre naturellement les forces axiales, réduisant ainsi les contraintes sur les composants mécaniques.
• Un petit palier de butée suffit pour absorber le reste du déséquilibre.
• La durée de vie des composants est améliorée et les besoins de maintenance réduits.

Rotors opposés

• Certaines pompes utilisent des rotors opposés l'un à l'autre pour équilibrer les forces de poussée.
• L'équilibrage réduit l'usure des paliers et prolonge la durée de vie de la pompe.
• Cette conception est avantageuse pour les pompes à deux étages.

Pompes à plusieurs étages

• La pression maximale développée est d'environ 1000 kPa pour une pompe centrifuge à une roue, insuffisant pour certaines applications.
• Pour des pressions plus élevées, on utilise plusieurs roues fonctionnant en série.
• Le refoulement d'une roue est relié à l'aspiration de la suivante.
• Une pompe illustrée est une pompe à volute à cinq étages. Les pompes à plusieurs étages augmentent progressivement la pression du fluide.

Corps en deux parties

• Un corps de pompe centrifuge peut être séparé horizontalement, verticalement ou diagonalement.
• Un corps séparé horizontalement, appelé corps à plan de joint axial.
• Les tubulures d'aspiration et de refoulement sont situées dans la moitié inférieure.
• Cette configuration est facile à entretenir car la partie supérieure peut être facilement soulevée pour inspection.

Corps à cuve de charge

• Les corps à cuve de charge sont utilisés pour les pompes à plusieurs étages à volute ou à diffuseur avec des pressions de refoulement supérieures à 10 000 kPa.
• Les pompes à cuve de charge sont utilisés pour éviter un joint étanche entre les moitiés d'un corps conventionnel devant des pressions importante.
• La corps à cuve de charge tend à maintenir les sections du corps interne ensemble, créant un effet d'auto-étanchéité.
• Le corps interne se compose de bagues maintenues ensemble par tirants et peut être enlevé de la cuve sans perturber la machine d'entraînement.

Pompe axiale

• La pompe axiale utilise une roue à aubes semblable à l'hélice d'un navire et développe sa charge par l'effet de propulsion ou de havage des aubes sur le liquide.
• Cette pompe est habituellement verticale, a une hauteur d'aspiration faible et développe une hauteur de refoulement faible.
• Elle a une grande capacité d'écoulement et sert principalement pour des applications à hauteur basse et à capacité élevée.

Pompe semi-axiale

• La pompe semi-axiale combine les caractéristiques des pompes radiales et axiales.
• La hauteur de refoulement est développé par la force centrifuge et le havage des aubes sur la liquide, offrant ainsi un équilibre entre pression et débit.
• Ce sont souvent des pompes verticales qui peuvent être amorcées en permanence.

Bagues d'usure

• La roue rotative de la pompe centrifuge doit être rendue étanche dans un corps fixe avec un jeu minimal pour limiter les fuites à l'aspiration.
• Cette étanchéité est assurée par le rebord de l'ouïe de la roue et une surface circulaire correspondante dans le corps.
• Le joint s'use lentement au fonctionnement et le coût de restauration est réduit en installant des bagues d'usure remplaçables.

Presse-garnitures

• Un presse-garniture contient des anneaux de garniture assurant une étanchéité entre le corps et l'arbre pour les pompes.
• Les anneaux de garniture peuvent être en matériaux flexibles et maintenus en place par un fouloir.
• Le presse-garniture se compose de matériaux en nylon, en lin ou en téflon.
• Pour les pompes fonctionnant à une pression d'aspiration négative, une lanterne distribue le liquide tampon dans le presse-garniture.

Chemises d'arbre

• Les arbres sont soumis à la corrosion, l'érosion et l'usure aux presse-garnitures.
• Ils perdent ainsi de leur résistance et nuisent à l'étanchéité.
• Les arbres des petites pompes sont faits en matériaux résistants.
• Les grandes pompes, des chemises remplaçables protègent les arbres et y sont fixées par l'écrou de l'arbre.

Garnitures mécaniques

• Les garnitures mécaniques réduisent les fuites dans les pompes traitant l'essence, les acides et l'ammoniac.
• Elles ont deux anneaux plats avec des surfaces d'étanchéité polies.
• Les anneaux sont perpendiculaires à l'arbre et les faces d'étanchéité tournent l'une sur l'autre.
• Ils sont composés de matériau carboné et de ressorts.

Garniture mécanique rotative

• L'anneau d'étanchéité et le ressort sont maintenus en place par une enveloppe fixée à l'arbre par une vis de réglage.
• Un anneau à coin en téflon entre l'anneau d'accouplement et le boîtier de garnitures assure une étanchéité optimale pendant la rotation.
• Le boîtier a un liquide d'arrosage qui empêche l'infiltration d'air et assure la lubrification et le refroidissement des surfaces d'étanchéité.

Garniture mécanique fixe

• L'enveloppe contenant les ressorts et l'anneau d'étanchéité est fixe dans l'espace annulaire du boîtier de la pompe.
• L'anneau d'accouplement est fixé à l'arbre et tourne avec lui.
• Des faces fonctionnant à sec compromettent rapidement l'étanchéité en raison des rainures.

Paliers de pompe

• Ils ont trois fonctions essentielles : supporter l'arbre portant une ou plusieurs roues, permettre à l'arbre de tourner avec un minimum de frottement, et maintenir ce dernier de façon rotative.
• Ils se divisent en deux catégories : les paliers en deux parties et les paliers à coquilles d'une part, et les roulements à billes et les roulements à rouleaux d'autre part.
• Le choix du type de palier dépend des caractéristiques de la taille de la pompe, les charges axiales et radiales, la vitesse de rotation et les conditions spécifiques.

Paliers en deux parties et paliers à coquilles

• Les paliers des des petites pompes sont habituellement des douilles ou des chemises de bronze installées autour de l'arbre.
• Les gros ont un palier en deux parties composés de fer ou d'acier.
• De nombreux paliers sont à rotule.

Roulements à billes et roulements à rouleaux

• Les roulements à billes et à rouleaux ont largement remplacé les roulements en deux parties.
• Les roulements à bille sont utilisés avec les petit arbres et les roulements à rouleaux avec les grands arbres.

Évents et vidanges

• Les pompes centrifuges ont une conduite de vidange pour évacuer le fluide du corps et une conduite d'évent reliée au haut du corps.
• Le robinet d'évent et le robinet de vidange peuvent être ouverts simultanément.
• Pour remplir la pompe, le robinet de vidange est fermé et le robinet d'aspiration est ouvert.

Poussée axiale

• Une roue à une entrée est soumise à des forces hydrauliques qui créent un déséquilibre.
• Cela cause une poussée vers l'aspiration, qui doit être compensée pour éviter l'usure.

Roue à double entrée

• Les forces sont équilibrées avec une roue à double entrée, neutralisant les poussées axiales.
• Un palier reste nécessaire pour absorber les variations.

Roues opposées à simple entrée

• La poussée axiale est éliminée en utilisant des roues opposées et en neutralisant ainsi les débits.

Piston d'équilibrage

• Installé sur l'arbre entre la dernière roue et la chambre d'équilibrage, il exploite efficacement les différences de pression pour créer une force compensatoire.

Disque d'équilibrage

• Constitué d'un disque sur l'arbre et séparé du dispositif anti-disque du corps par un axe axial.
• Une perte limitée de liquide a comme objectif de réguler la pression.

Système de robinet de régulation

• Le débit dans une pompe à plusieurs étages doit être maintenu au-dessus du minimum établi.
• Le robinet de régulation de recirculation permet au liquide de retourner au ballon.

Amorçage des pompes

• Une pompe doit être préparée avec le liquide à pomper avant de démarrer.
• Pour les pompes au-dessous de la source, il faut ouvrir les sorties d'air.
• Pour les pompes au dessus de la source, il faut une amorce annexe.

Régulation de la capacité des pompes

• Les pompes alternatives et rotatives sont volumétriques et ont une quantité de liquide précise.
• Lorsque la hauteur est accrue, la capacité est diminuée.

Précautions d'exploitation

• Une pompe centrifuge ne doit pas être mise au complet en sec et que son fonctionnement se fasse par frottement.
• Une pompe à vide doit fonctionner avec un orifice d'aspiration ou ouverte et pourrait endommager de nombreux composantes.