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1 - MÉCANISMES DE LA CAVITATION DANS LES MACHINES AXIALES

2 - CAS PARTICULIER DES INDUCTEURS

3 - DÉTERMINATION DU NPSH REQUIS POUR UNE POMPE AXIALE ET UN INDUCTEUR

4 - INFLUENCE DES PARAMÈTRES CONSTRUCTIFS

5 - SIMULATION NUMÉRIQUE DE LA CAVITATION

6 - POMPES CENTRIFUGES

Article de référence | Réf : BM4314 v1

Mécanismes de la cavitation dans les machines axiales
Tenue en cavitation des pompes rotodynamiques

Auteur(s) : Robert REY, Farid BAKIR, Christophe SARRAF

Date de publication : 10 janv. 2011

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Auteur(s)

  • Robert REY : Ingénieur Arts et Métiers - Professeur à Arts et Métiers ParisTech – CER Paris

  • Farid BAKIR : Ingénieur École polytechnique d'Alger - Professeur à Arts et Métiers ParisTech – CER Paris

  • Christophe SARRAF : Ingénieur Arts et Métiers - Chargé de cours à Arts et Métiers ParisTech – CER Paris

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INTRODUCTION

La cavitation se manifeste par la formation, au sein de l'écoulement, de structures de vapeur diverses, dépendant des conditions de fonctionnement et du dessin des canaux interaubages. Ces figures de cavitation apparaissent dans les zones de basse pression et sont transportées vers les zones de haute pression où elles implosent. Les conséquences néfastes de la cavitation sont diverses : érosion, bruit caractéristique, instabilités de fonctionnement, chute des performances...

L'étude de la cavitation mobilise toujours l'énergie de nombreux chercheurs car plusieurs phénomènes de divers niveaux interagissent au sein d'un écoulement en cours de cavitation : moléculaire, thermodynamique, hydrodynamique, hydroacoustique, mécanique et vibratoire, interaction fluide structure, etc.

La cavitation est un phénomène extrêmement instable constitué d'un mélange liquide/vapeur fortement compressible où les deux phases se déplacent avec des vitesses différentes et sont séparées par des interfaces dotées de tensions superficielles où les échanges de masse et de quantités de mouvement sont permanents. Par ailleurs, les changements de phases (vaporisation et condensation) se produisent violemment et les mécanismes de production, transfert et dissipation de la turbulence du mélange sont différents de ceux observés pour un liquide homogène. Enfin, aux changements d'état sont associés des échanges de chaleur entre phases qui modifient la pression de vaporisation du liquide générant ainsi un retard à l'apparition de la cavitation. Cet effet thermodynamique est notamment significatif dans le cas des fluides thermosensibles.

On cherche à approfondir ces phénomènes physiques afin d'en limiter les effets indésirables en particulier concernant les machines rotodynamiques et plus particulièrement les pompes.

Dans ces machines, l'apparition des poches cavitantes, leur géométrie et, de façon plus générale, leurs propriétés statiques et dynamiques dépendent de nombreux paramètres : le profil des pales, leur cambrure, leur mode d'empilement, l'incidence de l'écoulement amont, le niveau de pression, la turbulence à l'entrée, l'existence de microbulles de gaz dissous, la rugosité des parois, etc., sont autant de paramètres qui entrent dans l'apparition, le développement et les effets de la cavitation.

L'objectif de cet article est d'apporter des outils de caractérisation et d'évaluation du niveau de la cavitation dans les pompes rotodynamiques et éventuellement d'en retarder l'apparition, le développement ainsi que d'en réduire les effets. Un autre objectif important est de dégager des critères de dimensionnement permettant l'amélioration des tracés de roues et limitant au maximum les effets néfastes.

Le lecteur pourra consulter les articles suivants :

  • [BM 4 300] à [BM 4 308] Pompes rotodynamiques ;

  • [BM 4 285] Similitude des turbomachines hydrauliques ;

  • [BM 4 313] Pompes centrifuges, hélico-centrifuges et axiales : cavitation ;

  • [BM 4 220] Turbomachines : calcul des écoulements incompressibles – Support théorique et simulation numérique.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm4314


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1. Mécanismes de la cavitation dans les machines axiales

La tendance à la réduction de taille lors de la conception des pompes rotodynamiques industrielles implique une augmentation des vitesses de rotation, ce qui va à l'encontre de l'amélioration des capacités d'aspiration. Le comportement des pompes en présence de cavitation ou lors du pompage des mélanges diphasiques pose des problèmes de fonctionnement importants qui pénalisent les performances et la tenue en service.

Le principal objectif de cet article est de dégager des critères de dimensionnement permettant l'amélioration des tracés des roues, qu'elles soient axiales classiques, roues de gavage (inducteurs), hélicocentrifuges ou centrifuges (voir figure 1), en limitant au maximum les effets néfastes de la cavitation : érosion, instabilités et vibrations, chute des performances...

Parmi les nombreux critères d'optimisation retenus au stade de la conception des pompes, l'un des plus importants est la capacité d'aspiration définie avec précision à partir du NPSH requis « charge nette requise à l'aspiration au-dessus de la pression de vapeur ».

Au cours de son écoulement dans la roue, le fluide voit sa pression augmenter depuis la pression p1 jusqu'à la pression p2 . Cependant, cette variation n'est pas monotone et présente au voisinage de l'entrée de la roue (point K) une dépression dynamique Δp* donnant en ce point particulier la pression minimale du circuit. Cette dépression dynamique est due à la survitesse liée au contournement du bord d'attaque, elle dépend fortement de l'incidence. Elle correspond à la vitesse maximale d'extrados mise en évidence par Lieblein dans l'étude du facteur de diffusion local .

Lorsque les conditions d'installation sont défavorables (forte hauteur d'aspiration ou réservoir à basse pression), la pression au point K peut atteindre la pression limite pour un liquide, à savoir la pression de vapeur saturante pv .

Dans ces conditions particulières, le point K sera le siège d'une vaporisation ponctuelle se manifestant par l'apparition d'une bulle de vapeur, immédiatement résorbée puisqu'à partir de K, la pression va continuellement augmenter (figure 2). Pour les machines axiales, l'examen des triangles de vitesses montre que la vitesse maximale et donc la dépression...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SARRAF (C.) -   Étude expérimentale du comportement hydrodynamique de profils portants épais. Étude de la couche limite.  -  Doctorat École Centrale de Nantes, IRENAV École Navale.

  • (2) - LAKSHMINARAYANA (B.) -   Fluid dynamics of inducers – A review.  -  ASME J. of Fluids Eng., 4, ASME, USA, p. 411-427 (1982).

  • (3) - NOGUERA (R.), REY (R.), MASSOUH (F.), BAKIR (F.), KOUIDRI (S.) -   Design and analysis of axial pumps.  -  ASME Fluids Eng. Conf., Second Pumpings Machinery Symposium, Washington, 111, p. 95 (1993).

  • (4) - JAPIKSE (D.) -   Overview of industrial and rocket turbopumps inducer design.  -  CAV 2001, Session B7, paper 001 (2001).

  • (5) - BAKIR (F.), KOUIDRI (S.), NOGUERA (R.), REY (R.) -   Design and analysis of axial inducers performances.  -  ASME Fluid Machinery Forum, Washington DC, paper FEDSM 98-5118 (1998).

  • (6) - BAKIR...

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