1. Définition et principaux impacts de l'écartement des roues

L'espace entre la roue et le corps de pompe (ou la bague de guidage) est un jeu radial généralement compris entre 0.2 et 0.5 mm. Cet espace affecte considérablement les performances de la pompe.  pompes à turbine verticales multicellulaires sous deux aspects principaux :

● Pertes hydrauliques : des écarts excessifs augmentent le débit de fuite, réduisant ainsi l'efficacité volumétrique ; des écarts trop petits peuvent provoquer une usure par frottement ou une cavitation.

● Caractéristiques du débit : la taille de l'espace influence directement l'uniformité du débit à la sortie de la roue, affectant ainsi les courbes de hauteur et d'efficacité.

2. Base théorique de l'optimisation de l'espacement des roues

2.1 Amélioration de l'efficacité volumétrique

Le rendement volumétrique (ηₛ) est défini comme le rapport entre le débit de sortie réel et le débit théorique :

ηₛ = 1 − QQfuite

Où Qfuite est le débit de fuite dû à l'espace entre la roue. Optimiser cet espace réduit considérablement les fuites. Par exemple :

● La réduction de l’écart de 0.3 mm à 0.2 mm diminue les fuites de 15 à 20 %.

● Dans les pompes multi-étages, l’optimisation cumulative sur tous les étages peut améliorer l’efficacité totale de 5 à 10 %.

2.2 Réduction des pertes hydrauliques

L'optimisation de l'espace améliore l'uniformité du flux à la sortie de la roue, réduisant ainsi les turbulences et minimisant ainsi les pertes de charge. Par exemple :

● Les simulations CFD montrent que la réduction de l'écart de 0.4 mm à 0.25 mm diminue l'énergie cinétique turbulente de 30 %, ce qui correspond à une réduction de 4 à 6 % de la consommation d'énergie de l'arbre.

2.3 Amélioration des performances de cavitation

Les écarts importants accentuent les pulsations de pression à l'entrée, augmentant ainsi le risque de cavitation. L'optimisation de l'écart stabilise le débit et augmente la marge NPSHr (charge d'aspiration positive nette), particulièrement efficace en conditions de faible débit.

3. Vérification expérimentale et cas d'ingénierie

3.1 Données d'essais en laboratoire

Un institut de recherche a mené des tests comparatifs sur un pompe à turbine verticale à plusieurs étages (paramètres : 2950 tr/min, 100 m³/h, 200 m de hauteur manométrique).

3.2 Exemples d'applications industrielles

● Modernisation de la pompe de circulation pétrochimique : une raffinerie a réduit l'espacement de la roue de 0.4 mm à 0.28 mm, réalisant ainsi des économies d'énergie annuelles de 120 kW·h et une réduction de 8 % des coûts d'exploitation.

● Optimisation de la pompe d'injection de la plate-forme offshore : en utilisant l'interférométrie laser pour contrôler l'écart (± 0.02 mm), l'efficacité volumétrique d'une pompe est passée de 81 % à 89 %, résolvant ainsi les problèmes de vibrations causés par des écarts excessifs.

4. Méthodes d'optimisation et étapes de mise en œuvre

4.1 Modèle mathématique pour l'optimisation des écarts

Sur la base des lois de similarité des pompes centrifuges et des coefficients de correction, la relation entre l'écart et l'efficacité est :

η = η₀(1 − k·δD)

où δ est la valeur de l'espace, D est le diamètre de la roue et k est un coefficient empirique (généralement 0.1–0.3).

4.2 Technologies clés de mise en œuvre

●Fabrication de précision : Les machines CNC et les outils de meulage atteignent une précision de l'ordre du micromètre (IT7–IT8) pour les turbines et les carters.

●Mesure in situ : Les outils d'alignement laser et les jauges d'épaisseur à ultrasons surveillent les écarts lors de l'assemblage pour éviter les écarts.

● Réglage dynamique : Pour les fluides à haute température ou corrosifs, des bagues d'étanchéité remplaçables avec réglage fin par boulon sont utilisées.

4.3 Considérations

● Équilibrage frottement-usure : Les espaces sous-dimensionnés augmentent l'usure mécanique ; la dureté du matériau (par exemple, Cr12MoV pour les roues, HT250 pour les carters) et les conditions de fonctionnement doivent être équilibrées.

● Compensation de la dilatation thermique : Des espaces réservés (0.03–0.05 mm) sont nécessaires pour les applications à haute température (par exemple, les pompes à huile chaude).

5. Tendances futures

●Conception numérique: Les algorithmes d’optimisation basés sur l’IA (par exemple, les algorithmes génétiques) détermineront rapidement les écarts optimaux.

●La fabrication additive: L'impression 3D en métal permet des conceptions intégrées de carter de turbine, réduisant ainsi les erreurs d'assemblage.

●Surveillance intelligente : Des capteurs à fibre optique associés à des jumeaux numériques permettront une surveillance des écarts en temps réel et une prévision de la dégradation des performances.

Conclusion

L'optimisation de l'écartement des roues est l'une des méthodes les plus directes pour améliorer le rendement des pompes à turbine verticale multicellulaires. L'association d'une fabrication de précision, d'un réglage dynamique et d'une surveillance intelligente permet d'obtenir des gains d'efficacité de 5 à 15 %, de réduire la consommation d'énergie et les coûts de maintenance. Grâce aux progrès de la fabrication et de l'analyse, l'optimisation de l'écartement évoluera vers une précision et une intelligence accrues, devenant une technologie essentielle pour la modernisation énergétique des pompes.

Attention : Les solutions d’ingénierie pratiques doivent intégrer les propriétés du support, les conditions opérationnelles et les contraintes de coût, validées par une analyse du coût du cycle de vie (LCC).