Qu'est-ce que la poussée axiale

La poussée axiale, un facteur critique dans la conception et le fonctionnement des pompes centrifuges, fait référence à la force nette agissant parallèlement à l'arbre de la pompe. Cet article examine les causes, les conséquences et les stratégies de gestion de la poussée axiale dans les pompes centrifuges, fournissant ainsi des informations précieuses aux ingénieurs et aux utilisateurs de pompes.

Composants clés contribuant à la poussée axiale

1. Forces hydrauliques axiales sur les carénages de la roue: La répartition de la pression sur les carénages avant et arrière de la roue crée une force axiale.
2. Forces d'impulsion dues au changement de la vitesse axiale du fluide: Lorsque le fluide accélère ou décélère dans la direction axiale, il exerce une force sur la roue, contribuant à la poussée axiale.
3. Forces dues aux différences de pression à travers les joints et les roulements: Les déséquilibres de pression au niveau des joints d'arbre et des roulements peuvent générer des forces axiales supplémentaires sur le rotor de la pompe.
4. Poids des composants du rotor (pour pompes verticales): Dans les configurations de pompe verticales, le poids de l'ensemble rotor, y compris les roues, l'arbre et les autres composants, contribue à la poussée axiale globale.

Équation pour calculer la poussée axiale

La poussée axiale (F) agissant sur la roue d'une pompe centrifuge peut être calculée à l'aide de l'équation suivante :

F = (P1 – P2) × A + ρ × Q × (V2 – V1)

Où:

• P1 et P2 sont les pressions agissant respectivement sur les carénages avant et arrière de la roue.
• A est la zone du carénage de la turbine
• ρ est la densité du fluide
• Q est le débit volumétrique
• V1 et V2 sont les vitesses axiales du fluide à l'entrée et à la sortie de la roue, respectivement

Cette équation prend en compte à la fois les forces de pression et les forces de quantité de mouvement agissant sur la roue dans la direction axiale.

Causes de la poussée axiale dans différentes conceptions de pompes

Pompes à un étage

Dans les pompes centrifuges à un étage, la poussée axiale provient principalement de la différence de pression entre les carénages avant et arrière de la roue. La pression plus élevée du côté refoulement de la roue crée une force nette qui pousse la roue vers le côté aspiration. Cette poussée axiale peut être influencée par des facteurs tels que la conception de la roue, les conditions de fonctionnement et les jeux des bagues d'usure.

Pompes multicellulaires

Les pompes centrifuges multicellulaires, qui comportent plusieurs roues disposées en série, sont confrontées à des défis supplémentaires dans la gestion de la poussée axiale. La pression augmente à travers chaque étage, ce qui entraîne une force axiale nettement plus élevée que celle des pompes à un étage. De plus, la présence de tambours d'équilibrage, de disques d'équilibrage ou de pistons d'équilibrage, qui sont utilisés pour contrecarrer la poussée axiale, introduit une complexité supplémentaire au système.

Conséquences d'une poussée axiale excessive

1. Surcharge et défaillance prématurée des butées: Des forces axiales élevées peuvent entraîner un fonctionnement des butées au-delà de leur capacité nominale, entraînant une usure accélérée et une défaillance prématurée.
2. Déflexion excessive de l’arbre et vibrations: Des forces axiales déséquilibrées peuvent entraîner une déviation de l’arbre de la pompe, entraînant une augmentation des niveaux de vibrations et une durée de vie réduite des roulements.
3. Usure accélérée des jeux internes de la pompe: La poussée axiale peut provoquer un contact entre les composants rotatifs et fixes, tels que les bagues d'usure et les tambours d'équilibrage, entraînant une usure accélérée et des jeux accrus.
4. Fuite et défaillance de la garniture mécanique: Un mouvement axial excessif du rotor de la pompe peut provoquer une fuite ou une défaillance prématurée des joints mécaniques.
5. Efficacité et fiabilité réduites de la pompe: Les effets combinés de l'augmentation des vibrations, de l'usure et des dommages aux composants dus à une poussée axiale excessive peuvent réduire considérablement l'efficacité et la fiabilité globale de la pompe.

Méthodes d'équilibrage et de contrôle de la poussée axiale

1. Butées et leur dimensionnement: Des butées correctement dimensionnées et sélectionnées, telles que des roulements à billes à contact oblique ou des roulements à patins inclinables, peuvent supporter efficacement les charges axiales générées par la pompe. Une attention particulière doit être accordée à la capacité de charge, à l'indice de vitesse et aux exigences de lubrification du roulement.
2. Dispositions de la turbine: L'utilisation de roues à double aspiration ou d'arrangements de roues dos à dos peut aider à équilibrer les forces axiales agissant sur le rotor de la pompe, réduisant ainsi la poussée axiale nette.
3. Tambours, disques et pistons d'équilibrage: Ces dispositifs, montés sur l'arbre de la pompe, créent une force axiale antagoniste en utilisant la différence de pression entre le refoulement et l'aspiration de la pompe.
4. Trous d'équilibrage et contre-aubes sur les roues: Des trous ou des contre-aubes stratégiquement placés sur les carénages de la roue peuvent aider à égaliser la répartition de la pression, réduisant ainsi la force axiale nette agissant sur la roue.
5. Dispositifs d'équilibrage hydraulique automatique: Les dispositifs d'équilibrage hydrauliques à réglage automatique, tels que le système « Balanced-Flow » d'ITT Goulds Pumps, peuvent automatiquement maintenir un équilibre de poussée axiale optimal dans diverses conditions de fonctionnement.
6. Effet des jeux de la bague d'usure: Le maintien d'un jeu approprié entre les bagues d'usure est essentiel pour contrôler la poussée axiale. À mesure que le jeu de la bague d'usure augmente en raison de l'usure normale, la répartition de la pression autour de la roue change, augmentant potentiellement la poussée axiale.

FAQ

Quelle est la différence entre les butées axiales et radiales ?

Les roulements axiaux (de butée) sont conçus pour supporter des charges agissant parallèlement à l'axe de l'arbre, tandis que les roulements radiaux supportent des charges agissant perpendiculairement à l'axe de l'arbre.

Dans les pompes centrifuges, des butées axiales sont utilisées pour contrecarrer les forces axiales générées par les roues de la pompe et la répartition de la pression dans le corps de la pompe. Les roulements radiaux supportent le poids du rotor de la pompe et toutes les forces radiales résultant des interactions roue-corps ou du désalignement de l'arbre.

Conclusion

Comprendre et gérer efficacement la poussée axiale est crucial pour garantir le fonctionnement fiable et efficace des pompes centrifuges. En prenant en compte les différents facteurs qui contribuent à la poussée axiale, tels que la conception de la turbine, la configuration de la pompe et les conditions de fonctionnement, les ingénieurs peuvent concevoir et sélectionner des stratégies d'équilibrage de poussée appropriées.

Une surveillance, une maintenance et un respect réguliers des meilleures pratiques opérationnelles peuvent contribuer à minimiser l'impact de la poussée axiale sur les performances et la longévité de la pompe.