Considérations importantes dans la conception des pompes à eau

Concevoir une nouvelle pompe à partir de zéro n'est pas facile, et il n'y a rien sur le marché qui fournira tous les outils nécessaires pour concevoir une pompe exactement comme elle a été demandée. Certaines de ces sources peuvent donner un aperçu de la conception de la roue, tandis que d'autres peuvent aider à la disposition des passages hydrauliques (enveloppe/cuve, volute, diffuseur, croisement, etc.).

Cependant, c'est la combinaison des deux composants hydrauliques travaillant ensemble qui déterminera les caractéristiques de performance de la pompe. Par exemple, si la conception de l'œillet de la roue limite la capacité de faux-rond de la pompe, l'augmentation des zones d'écoulement dans la volute peut n'avoir aucun effet sur les performances de faux-rond. En l'absence de normalisation de la conception hydraulique des pompes et en l'absence de deux entreprises ou ingénieurs utilisant exactement les mêmes méthodes, sources ou techniques, cet article se concentrera sur les considérations acceptées par l'industrie lors de la conception de pompes pour les applications d'eau potable.

La plupart des pompes utilisées dans les applications d'eau potable sont du type rotodynamique, plus spécifiquement, de conception radiale (ou centrifuge). Cela ne veut pas dire que les pompes à débit mixte ou axial ne peuvent pas être utilisées dans les applications d'eau potable, juste que les pompes à aspiration horizontale en porte-à-faux, en ligne verticales en porte-à-faux, à carter divisé horizontal et à turbine verticale (refoulement par colonne) sont traditionnellement utilisées dans le transfert d'eau potable. Les pompes centrifuges à eau potable sont spécialement conçues pour faire circuler ou déplacer de l'eau potable fraîche et propre d'un endroit à un autre.

Ces pompes sont utilisées dans une variété de contextes, tels que les systèmes d'eau municipaux, les usines de traitement de l'eau et les systèmes d'irrigation agricole, et leur conception doit respecter toutes les réglementations, normes et codes locaux pertinents. Dans le processus de conception, il y a des considérations importantes à prendre en compte, allant des matériaux de construction au type de joint mécanique et au plan de tuyauterie approprié. Cet article se concentre sur les considérations importantes pour les pompes de type volute, mais selon l'application ou l'environnement, il peut y avoir des facteurs supplémentaires qui affectent la conception de la pompe.

Conception de la pompe

La conception hydraulique des roues, des volutes et des carters n'est pas normalisée dans l'industrie des pompes et ne sera pas couverte. Cependant, il existe plusieurs facteurs universellement acceptés qui contribuent à la conception hydraulique des pompes à eau potable, et leur valeur doit être connue de tous, des ingénieurs concepteurs aux utilisateurs finaux.

Lors de la conception d'une pompe à eau potable, le rendement est un paramètre essentiel à prendre en compte. Il est affecté par divers facteurs tels que le type de pompe, la taille, l'orientation et la vitesse de fonctionnement. Un facteur important qui affecte l'efficacité de la pompe est la vitesse spécifique de la pompe. La vitesse spécifique (Ns) est un paramètre utilisé pour décrire les performances d'une pompe rotodynamique. Il est défini comme un indice de performance de la pompe au débit et à la tête du meilleur point d'efficacité (BEP) de la pompe, avec la roue à aubes de diamètre maximum et à une vitesse de rotation donnée (équation 1).

L'indice informe l'ingénieur concepteur du type de pompe requis pour l'application. Avec le type de pompe, la vitesse spécifique établira l'efficacité maximale réalisable pour la conception particulière. L'efficacité réalisable d'une pompe est l'efficacité maximale qui peut être atteinte pour une conception de pompe donnée en fonction du type de pompe, du débit de conception (BEP) et de la vitesse spécifique (Image 1).

D'autres facteurs peuvent affecter l'efficacité réalisable, tels que la finition de surface des passages d'écoulement et les jeux de fonctionnement (bague d'usure) des composants internes de la pompe ; cependant, leur effet sur l'efficacité maximale atteignable dépend de la vitesse spécifique de la pompe (images 2 et 3). Les pompes à capacité de sortie plus élevée au BEP ont généralement une plus grande efficacité réalisable que les pompes à capacité inférieure lorsqu'elles sont conçues pour des vitesses spécifiques similaires, et la compréhension de cette relation est cruciale dans le processus de conception.

Les transitions de zone d'écoulement créées pendant l'étape de conception de l'aspiration (entrée) et de la volute peuvent également affecter l'efficacité de la pompe. Ces transitions doivent être conçues pour minimiser les pertes, et cela peut être fait en minimisant les changements soudains dans les zones de section transversale et en lissant la transition de la buse d'aspiration à la section de l'œil de la roue, ainsi que de la volute cutwater (ou languette) à la buse de décharge. Cela se fait généralement en évaluant séparément les passages d'aspiration et de refoulement et en ajustant avec précision la progression de la zone dans la direction de l'écoulement. L'image 4 montre l'expansion graduelle typique des zones de section transversale dans le développement de la volute de l'eau de coupe (ou de la langue) à la buse de refoulement pour une pompe horizontale à carter divisé (BB1).

Les considérations supplémentaires dans la conception de la pompe qui n'ont pas été couvertes comprennent la poussée axiale et radiale, la durée de vie des roulements, la déviation et les contraintes de l'arbre, l'épaisseur de la paroi du carter, le nombre de boulons du carter et la zone entre les aubes de la roue par rapport à la surface totale des yeux de la roue.

Voir American National Standards Institute (ANSI)/Hydraulic Institute (HI) 14.3-2019 Rotodynamic Pumps for Design and Application et HI 20.3-2020 Rotodynamic Pump Efficiency Prediction pour plus d'informations.

Une autre considération critique lors de la conception d'une pompe à eau potable est la sélection des matériaux des pièces mouillées (composants en contact direct avec l'eau potable). Les matériaux utilisés dans la construction de la pompe doivent respecter toutes les réglementations et normes pertinentes, telles que les normes NSF/ANSI 61 ou FDA et ne doivent pas contaminer l'alimentation en eau. L'acier inoxydable, le bronze et divers plastiques sont des matériaux couramment utilisés dans la construction de pompes à eau potable. L'image 5, qui est une version modifiée décrite à l'annexe B de la directive relative à l'application des pompes de l'Hydraulic Institute Water Treatment Plant Pumps, montre des matériaux de construction typiques conformes aux réglementations et aux normes.

Le choix du bon joint mécanique est une autre considération critique lors de la conception d'une pompe à eau potable. Le joint mécanique doit répondre à certaines exigences pour garantir qu'il est sûr et adapté à une utilisation avec de l'eau potable et être conçu pour empêcher les fuites de la pompe. Il doit également être en mesure d'empêcher tout contaminant d'entrer. Il existe plusieurs types de conceptions de joints mécaniques qui peuvent devoir être utilisés pour répondre aux exigences spécifiques de l'application, mais le plus souvent, les joints mécaniques simples sont utilisés dans les applications d'eau potable.

La conception spécifique du joint mécanique utilisé variera en fonction des exigences de l'application. Les matériaux acceptables pour la face d'étanchéité, l'équilibre du joint, les composants métalliques intégrés et les joints secondaires doivent tous être pris en compte et sont décrits dans la directive relative aux applications de pompe de l'Hydraulic Institute for Mechanical Seals for Pumps. Cependant, avec une attention réglementaire accrue sur les substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS), à l'avenir, les concepteurs de pompes devront peut-être envisager des matériaux alternatifs pour les joints, les joints toriques, les joints d'arbre et les garnitures.

Il existe plusieurs types de plans de tuyauterie à joint mécanique utilisés dans les applications d'eau potable, y compris les plans 2, 11 et 13 (image 6). Le plan 2 est une chambre d'étanchéité en cul-de-sac sans circulation de fluide de rinçage. Un plan 11 implique la recirculation du produit de la décharge de la pompe vers le joint à travers un orifice ou une vanne de contrôle de débit, et un plan 13 implique la recirculation du produit de la chambre du joint vers l'aspiration de la pompe. La sélection d'un plan de tuyauterie d'étanchéité dépendra des exigences spécifiques de l'application, y compris les conditions de fonctionnement, l'environnement et toute exigence réglementaire.

Une autre méthode d'étanchéité d'arbre couramment utilisée dans les applications d'eau potable est la garniture de compression. Lors de la sélection des matériaux de garniture d'étanchéité pour les applications d'eau potable, il est important de choisir des matériaux conformes aux normes et réglementations industrielles en vigueur. Les matériaux couramment utilisés pour la garniture d'étanchéité dans les applications d'eau potable comprennent le fil synthétique tressé en polytétrafluoroéthylène (PTFE), le PTFE expansé tressé ou le graphite. Cependant, consultez le fournisseur pour les matériaux qui répondent à toutes les réglementations et normes pertinentes.

La facilité avec laquelle une pompe peut être évaluée pendant l'entretien standard est une considération essentielle lors de la conception de tout type de pompe, mais est particulièrement importante pour les pompes chargées de fournir de l'eau potable aux ménages, aux entreprises et aux installations publiques. Toute panne ou dysfonctionnement de la pompe peut avoir de graves conséquences sur la santé et la sécurité publiques. En donnant la priorité à la facilité de maintenance dans la conception, les ingénieurs peuvent garantir un accès facile aux composants critiques qui peuvent avoir besoin d'être remplacés ou entretenus au fil du temps. Cela comprend les turbines, les roulements, les joints et autres pièces susceptibles de s'user ou de se dégrader pendant le fonctionnement.

En termes de fiabilité, choisir des matériaux durables et résistants à la corrosion, et qui répondent à toutes les réglementations et normes en vigueur, est essentiel. Une conception appropriée de la pompe pour répondre aux besoins de l'application est également cruciale, car une pompe sous-dimensionnée ou surdimensionnée peut entraîner une usure accélérée, un risque de panne plus élevé et une réduction de l'efficacité énergétique.

La conception d'une pompe à eau potable nécessite un examen attentif de plusieurs facteurs importants, allant de la conception hydraulique, des matériaux de construction, du joint mécanique et de son plan de tuyauterie approprié à la facilité d'entretien et à la fiabilité. En tenant compte de ces considérations, les concepteurs peuvent s'assurer que la pompe sera efficace, efficiente et sûre pour une utilisation dans une large gamme d'applications d'eau potable.

Alex Moser est l'ingénieur principal des normes et de la formation à l'Institut hydraulique. Il peut être contacté à [email protected]. Pour plus d'informations, visitez pompes.org.