Comprendre la recirculation dans les pompes
Définition : Qu'est-ce que la recirculation ?
Recirculation Il s'agit d'une instabilité d'écoulement qui se produit dans les pompes et ventilateurs centrifuges lorsqu'ils fonctionnent à des débits nettement inférieurs au point de conception (point de rendement optimal ou PRO). À faible débit, le fluide inverse partiellement son sens de circulation, s'écoulant de la zone de refoulement vers l'aspiration, créant ainsi des zones de recirculation instables à l'entrée ou au refoulement de la roue. Ce phénomène génère des oscillations basse fréquence. vibration pulsations (généralement 0,2 à 0,8 fois la vitesse de fonctionnement), bruit, perte d'efficacité et peuvent causer de graves dommages mécaniques par charge cyclique, cavitation, et le chauffage.
La recirculation est l'un des phénomènes de fonctionnement les plus destructeurs pour les pompes, car les forces hydrauliques instables peuvent être considérables, provoquant des défaillances de paliers, des dommages aux joints d'étanchéité, une fatigue de l'arbre et même, dans les cas les plus graves, une rupture de la roue. Comprendre et prévenir la recirculation est essentiel à la fiabilité des pompes.
Types de recirculation
1. Recirculation par aspiration
Se produit à l'entrée de la turbine (côté aspiration) :
- Mécanisme: À faible débit, le fluide entrant dans l'œil de la roue a un angle d'écoulement incorrect
- Séparation: L'écoulement se sépare des surfaces d'aspiration des aubes
- Flux inverse : Le fluide séparé s'écoule vers l'arrière hors de l'œil de la turbine.
- Début: Généralement, le débit de BEP se situe entre 60 et 701 TP3T.
- Emplacement: Concentré près des carénages de la turbine
2. Recirculation des eaux de décharge
Se produit à la sortie de la turbine (sortie) :
- Mécanisme: Le fluide refoulé à haute pression s'écoule vers l'arrière, à la périphérie de la roue.
- Chemin: jeux de dégagement (bagues d'usure, jeux latéraux)
- Mélange: Le flux recirculé se mélange au flux principal, créant des turbulences.
- Début: Généralement, à un débit de 40 à 60% de BEP
- Plus grave : Généralement plus dommageable que la recirculation par aspiration
3. Recirculation combinée
- La recirculation à l'aspiration et au refoulement est présente simultanément
- Se produit à des débits très faibles (< 40% BEP)
- Les vibrations et les dommages les plus importants sont susceptibles de se produire.
- À éviter grâce à une protection minimale contre les surtensions
Signature vibratoire
Motif caractéristique
- Fréquence: Sous-synchrone, généralement 0,2 à 0,8 fois la vitesse de fonctionnement
- Exemple: Pompe à 1750 tr/min présentant des pulsations de 10 à 20 Hz
- Amplitude: Peut être 2 à 5 fois supérieure aux vibrations de fonctionnement normales
- Instable: La fréquence et l'amplitude varient, elles ne sont pas constantes.
- Composante aléatoire : Augmentation du haut débit due aux turbulences
Dépendance au flux
- Haut débit : Pas de recirculation, faibles vibrations
- Débit modéré (80-100% BEP) : Recirculation minimale, vibrations acceptables
- Faible débit (50-70% BEP) : La recirculation par aspiration commence, les vibrations augmentent
- Débit très faible (< 50% BEP) : Recirculation importante, vibrations très élevées
- Arrêt : taux de recirculation maximal, de vibration et de dommages maximal
Indicateurs supplémentaires
- Haut vibrations axiales composant
- Augmentation du bruit (rugissement ou grondement)
- Perte de performance (hauteur et débit en dessous de la courbe)
- Augmentation de température due aux pertes hydrauliques
Conséquences et dommages
Effets immédiats
- Vibrations sévères : Peut dépasser les seuils d'alarme en quelques minutes
- Bruit: Bruit turbulent fort
- Perte d'efficacité : Consommation d'énergie élevée pour le débit fourni
- Chauffage: Les pertes hydrauliques converties en chaleur
Dommages mécaniques
- Défaillance du roulement : Les charges cycliques élevées accélèrent l'usure des roulements
- Dommages au joint : Les vibrations et les pulsations de pression endommagent les joints d'étanchéité.
- Fatigue de l'arbre : Contraintes de flexion alternées dues aux forces hydrauliques
- Dommages à la turbine : Fissuration par fatigue des ailettes due à une charge cyclique
Dommages hydrauliques
- Cavitation : Zones de recirculation sujettes à la cavitation
- Érosion: Un flux de recirculation à grande vitesse érode les surfaces
- Cavitation par vortex : Les tourbillons dans les zones de recirculation cavitation
Détection et diagnostic
Analyse des vibrations
- Recherchez les composants sous-synchrones (0,2-0,8×)
- Test à différents débits
- Identifier le débit à partir duquel les pulsations commencent (début de la recirculation).
- Comparer aux prévisions de la courbe de performance de la pompe
Tests de performance
- Mesurer la courbe de débit-hauteur réelle
- Comparer à la courbe de conception
- Une déviation à faible débit indique une recirculation
- Consommation électrique supérieure aux prévisions de la courbe
Surveillance acoustique
- son turbulent et rugissant distinctif
- Augmentation du bruit à large bande
- Peut être entendu et ressenti au niveau du corps de pompe
Prévention et atténuation
Stratégies opérationnelles
Protection contre le débit minimal
- Installer une ligne de recirculation automatique à débit minimal
- La vanne s'ouvre en dessous du débit minimal de sécurité (généralement 60-70% BEP).
- Recycle les rejets vers l'aspiration ou le réservoir
- Empêche le fonctionnement en zone de recirculation
Contrôle du point de fonctionnement
- Éviter tout fonctionnement en dessous du débit continu minimal
- Utilisez un variateur de vitesse pour adapter la pompe à la demande.
- Plusieurs petites pompes plutôt qu'une seule grande pompe (meilleure plage de réglage)
- Fonctionnement étagé des pompes parallèles
Solutions de conception
- Inducteur : Étage d'entrée axial pour stabiliser le flux d'aspiration
- Turbines à faible débit : Conceptions spéciales pour un fonctionnement à faible débit
- Taille appropriée : Ne pas surdimensionner la pompe (éviter un fonctionnement chronique à faible débit).
- Plage de fonctionnement étendue : Sélectionnez des pompes à courbe plate tolérant les variations de débit.
Conception du système
- Système de conception pour le fonctionnement de la pompe à proximité du point optimal de production (BEP)
- Prévoir une marge NPSH adéquate pour réduire la cavitation dans les zones de recirculation
- Positionnement de la vanne de régulation pour minimiser l'étranglement par aspiration
- Systèmes de dérivation ou de recirculation pour une assurance de débit minimale
Normes et lignes directrices de l'industrie
Débit continu minimal
- API 610 : Spécifie le débit continu minimal stable pour les pompes centrifuges
- Valeurs typiques: 60-70% pour le débit BEP des pompes radiales, 70-80% pour le débit mixte
- Considérations thermiques : Limité également par l'élévation de température en cas de faible débit
Tests de performance
- Les tests en usine vérifient le point de déclenchement de la recirculation
- Des tests de performance sur le terrain pour confirmer
- Critères d'acceptation des vibrations au débit minimal
La recirculation représente l'une des conditions de fonctionnement les plus critiques pour les pompes centrifuges. Ses vibrations sub-synchrones caractéristiques, ses fortes amplitudes de pulsation et le risque de dommages mécaniques rapides rendent essentiels, pour la fiabilité et la durée de vie des pompes en milieu industriel, la compréhension des conditions d'apparition de la recirculation, la mise en œuvre d'une protection contre les débits minimaux et l'évitement d'un fonctionnement chronique à faible débit.
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