Bibliographie & annexes
Présentation
Auteur(s)
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Robert REY : Ingénieur Arts et Métiers - Professeur à Arts et Métiers ParisTech – CER Paris
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Farid BAKIR : Ingénieur École polytechnique d'Alger - Professeur à Arts et Métiers ParisTech – CER Paris
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Christophe SARRAF : Ingénieur Arts et Métiers - Chargé de cours à Arts et Métiers ParisTech – CER Paris
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Lire l’articleINTRODUCTION
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.
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Mécanismes de la cavitation dans les machines axiales6. Pompes centrifuges
6.1 Influence des paramètres constructifs
La cavitation dans les pompes centrifuges est de nature tout à fait comparable à celle présente dans les pompes déjà examinées. Elle se manifeste d'abord dans les zones de basse pression : au bord d'attaque de l'aube sur la face en dépression. Quand la pression d'entrée diminue, la poche de vapeur s'étend progressivement vers l'aval comme le montre la figure 32 et de façon différente suivant le niveau de débit, cela en raison de la variation d'incidence au bord d'attaque des pales.
De par la présence du bec de volute, l'écoulement dans chaque canal interaubage n'est pas rigoureusement identique et les poches de cavitation évoluent durant la rotation. Ce phénomène conduit à un déséquilibre hydraulique du mobile, phénomène contribuant à l'augmentation du niveau vibratoire (figure 33).
Le NPSH requis des pompes centrifuges évolue de manière caractéristique en présentant une montée très rapide après le point nominal. Divers modèles sont utilisés pour donner une prévision du NPSH requis en fonction du débit, les prévisions sont difficiles pour les régimes hors nominal.
Pour le point nominal, un premier calcul peut être effectué à partir du nombre S de cavitation qui est caractéristique des pompes dont le tracé hydraulique reste conforme aux standards.
Le tableau numérique 3 donne quelques valeurs utiles obtenues à partir de pompes industrielles monoétagées à volute : plus le nombre S est élevé, plus la pompe est apte à résister à la cavitation. On observe dans ce tableau une forte dispersion sur les valeurs du nombre S, suivant les options retenues au moment du tracé et au cours des différentes périodes de conception de la gamme de pompes.
Le nombre S d'une pompe centrifuge ordinaire est de l'ordre de 150, une pompe de bonne qualité peut atteindre 200 et une excellente roue aspiratrice peut dépasser 250 et atteindre 300. Au-delà, on doit avoir recours à toutes les dispositions constructives les plus efficaces en la matière. Améliorer fortement la tenue en cavitation reste un problème difficile.
Pour cela, récapitulons les paramètres géométriques ayant un effet sur le NPSH requis :
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le NPSH diminue lorsque l'on adopte une faible...
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Pompes centrifuges
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).
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(6) - BAKIR...
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