Que sont les forces hydrauliques ? Sources de vibrations des pompes • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et autres rotors. Que sont les forces hydrauliques ? Sources de vibrations des pompes • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et autres rotors.

Que sont les forces hydrauliques ? Sources de vibrations des pompes

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Comprendre les forces hydrauliques dans les pompes

Définition : Que sont les forces hydrauliques ?

Forces hydrauliques Les forces exercées sur les composants de la pompe par le liquide en écoulement comprennent les charges induites par la pression sur les aubes de la roue, la poussée axiale due aux différences de pression, les forces radiales dues aux distributions de pression asymétriques et les forces pulsatoires dues à la turbulence de l'écoulement et à l'interaction aube-volute. Ces forces sont distinctes des forces mécaniques (de déséquilibrer, désalignement) en ce qu'ils résultent de changements de pression et d'impulsion du fluide, créant vibration composants à fréquence de passage des aubes et les harmoniques associées.

La compréhension des forces hydrauliques est essentielle à la fiabilité de la pompe, car ces forces créent des charges de roulement, une déflexion de l'arbre et des vibrations qui varient selon les conditions de fonctionnement (débit, pression, propriétés du fluide), ce qui rend le comportement de la pompe différent des autres machines rotatives où les forces sont principalement mécaniques.

Types de forces hydrauliques

1. Poussée axiale (poussée hydraulique)

Force axiale nette due à la différence de pression à travers la roue :

  • Mécanisme: Pression de refoulement d'un côté, pression d'aspiration de l'autre côté de la roue
  • Direction: Généralement vers l'aspiration (arrière de la turbine)
  • Ampleur: Peut peser des milliers de livres, même avec des pompes modérées
  • Effet: Les charges sur les paliers de butée peuvent provoquer vibrations axiales
  • Varie avec : Débit, pression, conception de la roue

Méthodes d'équilibrage de la poussée

  • Trous d'équilibre : Trous dans le carénage de la turbine égalisant la pression
  • Ailettes arrière : Aubes à l'arrière pompant le fluide pour réduire la pression
  • Roues à double aspiration : Conception symétrique annulant la poussée
  • Roues opposées : Pompes multicellulaires avec roues orientées dans des directions opposées

2. Forces radiales

Forces latérales dues à une distribution asymétrique de la pression :

Au point de rendement optimal (BEP)

  • Répartition de la pression relativement symétrique autour de la roue
  • Les forces radiales s'équilibrent et s'annulent
  • Force radiale nette minimale
  • Condition de vibration la plus faible

Hors BEP (faible débit)

  • Répartition asymétrique de la pression dans la volute
  • Force radiale nette vers la languette de volute
  • L'amplitude de la force augmente à mesure que le débit diminue
  • Peut être 20-40% du poids de la turbine à l'arrêt
  • Crée une vibration 1× à partir d'une force radiale rotative

Hors BEP (débit élevé)

  • Différents modèles d'asymétrie
  • Force radiale présente mais généralement inférieure à celle à faible débit
  • La turbulence de l'écoulement ajoute des composantes de force aléatoires

3. Pulsations de passage des girouettes

Impulsions de pression périodiques lorsque les aubes passent devant le bec :

  • Fréquence: Nombre d'aubes × RPM / 60
  • Mécanisme: Chaque passage d'aube crée une impulsion de pression
  • Forces: Agit sur la roue, la volute et le carter
  • Vibration: Dominant à la fréquence de passage des aubes
  • Ampleur: Cela dépend du jeu, du point de fonctionnement et de la conception

4. Forces de recirculation

  • Forces instables à basse fréquence dues aux instabilités d'écoulement
  • Se produisent à des débits très faibles ou très élevés
  • Fréquences généralement de 0,2 à 0,8 × vitesse de fonctionnement
  • Peut créer de fortes vibrations à basse fréquence
  • Indique une opération loin du BEP

Effets sur les performances de la pompe

Charge de roulement

  • Les forces radiales hydrauliques s'ajoutent aux charges mécaniques
  • Des forces variables créent une charge cyclique
  • Charge maximale dans des conditions de faible débit
  • Le choix des roulements doit tenir compte des charges hydrauliques
  • Durée de vie du roulement réduite par les forces hydrauliques (Durée de vie ∝ 1/Charge³)

Déviation de l'arbre

  • Les forces radiales dévient l'arbre
  • Modifie les jeux des joints et les bagues d'usure
  • Peut affecter l'efficacité
  • Les cas extrêmes conduisent à des frictions

Génération de vibrations

  • 1× Composant : D'une force radiale constante ou à variation lente
  • Composant VPF : Des pulsations de pression
  • Basse fréquence : De la recirculation et des instabilités
  • Dépend du point de fonctionnement : Les vibrations varient en fonction du débit

Contrainte mécanique

  • Les forces cycliques créent des charges de fatigue
  • Aubes de turbine sollicitées par les différentiels de pression
  • Fatigue de l'arbre due aux moments de flexion
  • Contrainte du tubage due aux pulsations de pression

Minimisation de la force hydraulique

Opérer à proximité du BEP

  • Stratégie la plus efficace pour minimiser les forces hydrauliques
  • Fonctionner dans les 80-110% du débit BEP lorsque cela est possible
  • Forces radiales minimales au BEP
  • Vibrations et charges de roulement minimisées

Caractéristiques de conception

  • Pompes à diffuseur : Répartition de pression plus symétrique que la volute
  • Double Volute : Deux avant-becs espacés de 180° équilibrent les forces radiales
  • Dégagements accrus : Réduit les pulsations de pression de passage des aubes (mais diminue l'efficacité)
  • Sélection du numéro de palette : Optimiser pour éviter les résonances acoustiques

Conception du système

  • Recirculation à débit minimum pour les pompes de base
  • Pompe correctement dimensionnée pour le service réel (éviter le surdimensionnement)
  • Variateur de vitesse pour maintenir un point de fonctionnement optimal
  • Conception d'admission minimisant le pré-tourbillon et la turbulence

Utilisation diagnostique

Courbes de performance et forces hydrauliques

  • Graphique des vibrations en fonction du débit
  • Vibration minimale généralement égale ou proche du BEP
  • L'augmentation des vibrations à faible débit indique des forces radiales élevées
  • Guides de sélection de la plage de fonctionnement

Analyse VPF

  • L'amplitude du VPF indique la gravité des pulsations hydrauliques
  • L'augmentation du VPF suggère une dégradation du jeu ou un décalage du point de fonctionnement
  • Les harmoniques VPF indiquent un écoulement turbulent et perturbé

Considérations relatives aux mesures

Emplacements de mesure des vibrations

  • Boîtiers de roulement : Détecter les forces mécaniques et hydrauliques globales
  • Corps de pompe : Plus sensible aux pulsations hydrauliques
  • Tuyauterie d'aspiration et de refoulement : Transmission des pulsations de pression
  • Plusieurs emplacements : Distinguer les sources hydrauliques des sources mécaniques

Mesure des pulsations de pression

  • Capteurs de pression en aspiration et en refoulement
  • Mesurer directement les pulsations hydrauliques
  • Corrélation avec les vibrations
  • Identifier les résonances acoustiques

Les forces hydrauliques sont fondamentales pour le fonctionnement des pompes et constituent une source majeure de vibrations et de charges. Comprendre comment ces forces varient selon les conditions de fonctionnement, reconnaître leurs signatures dans les spectres vibratoires et concevoir et exploiter les pompes de manière à minimiser les forces hydrauliques grâce à un fonctionnement proche de la BEP est essentiel pour garantir des performances fiables et durables dans les applications industrielles.

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