Cavitation de la pompe et comment l’éviter

Qu’est-ce que la cavitation ?

Toutes les pompes fonctionnent en créant une basse pression à l’entrée et en permettant à la pression atmosphérique (ou du système) de pousser le fluide dans la pompe. Ce processus rend toutes les pompes sensibles à un phénomène appelé cavitation. La cavitation est la formation de cavités de vapeur (bulles) à l’intérieur d’un liquide lorsque la pression locale diminue rapidement en dessous de la pression de vapeur du liquide. Cela forme une bulle de vapeur à l’intérieur du liquide qui dure généralement peu de temps avant de retomber dans le liquide. L’effondrement est violent, produisant un fort bruit d’éclatement et endommageant souvent les surfaces avoisinantes. Même les métaux forts seront impactés lorsqu’ils sont soumis au jet puissant et localisé résultant de l’implosion de la bulle.

À l’intérieur des pompes, la cavitation prend souvent naissance derrière une pièce mobile où se trouvent des zones localisées de basse pression. L’utilisateur ne s’en rendra peut-être pas compte, mais cela commencera à endommager les composants de la pompe et doit être évité. Lorsque la pression à l’entrée du système est réduite, la cavitation devient plus importante, produisant des fluctuations de la pompe, émettant un bruit fort, et parfois un fluide trouble à la sortie de la pompe.

Le moment où la cavitation commence est très compliqué. C’est une combinaison de la viscosité du fluide, de la pression de vapeur, de la densité, de la température, de l’élévation hydraulique, de la pression atmosphérique, du type de pompe et de la vitesse de la pompe. Un précurseur de la cavitation est souvent la croissance de gaz préexistant piégé dans le liquide. Bien que ces bulles ne risquent pas d’endommager la pompe, elles peuvent réduire la précision de la distribution du fluide.

Restrictions à l’entrée

La cavitation la plus fréquente lors de l’utilisation de pompes volumétriques résulte de l’utilisation de tubes longs et de petit diamètre à l’entrée de la pompe. Une équation générale pour la chute de pression dans un tube est ∆P=Q∙μ∙(128∙L)/(π∙D^4) où :

Q = débit
µ = viscosité dynamique
L = longueur de la tuyauterie
D = diamètre intérieur du tube

Notez que la chute de pression dépend de D4 ; par conséquent, en doublant le diamètre intérieur du tube, vous diminuerez la chute de pression d’un facteur 16 ! L’équation ci-dessus concerne uniquement l’écoulement laminaire (nombres de Reynolds < 2320). Pour un écoulement turbulent, l’équation est plus compliquée et dépend de la densité plutôt que de la viscosité.

Flux laminaire DPP contre flux turbulent dans les tubes

Les tuyaux ne sont pas la seule source de chute de pression souvent négligée par les concepteurs de systèmes hydrauliques. Les filtres d’entrée, les clapets anti-retour et les orifices sont des exemples de composants qui augmentent le vide à l’entrée. Les clapets anti-retour, en particulier, doivent être choisis avec soin afin de ne pas créer un vide trop important.

Cavitation dans les pompes à déplacement positif à mouvement alternatif

Les pompes volumétriques à piston ne souffrent généralement pas de cavitation interne très localisée comme les pompes rotatives à grande vitesse. Cependant, elles ont un débit très pulsé, ce qui entraîne des pics de débit jusqu’à trois fois le débit moyen. Plus important encore, l’arrêt/démarrage fréquent du fluide génère un vide par inertie à l’entrée. Lorsque la pompe commence à aspirer du fluide par l’entrée, le fluide qui se trouve derrière doit s’accélérer. Comme pour la traînée visqueuse, les longs tubes fins sont les pires pour le vide lié à l’accélération du fluide (proportionnelle au D2). Ces aspects des pompes alternatives peuvent surprendre un ingénieur système qui conçoit pour le débit moyen.

Débit pulsé dans une pompe à piston

Cavitation dans les pompes rotatives à déplacement positif

En plus de la traînée produite par le vide mentionnée précédemment, les éléments mobiles à grande vitesse créent une région de basse pression immédiatement derrière l’élément mobile. Ce risque existe pour les éléments de plus grand diamètre comme les hélices ou la roue d’une pompe centrifuge et n’a pas une influence aussi forte sur les petites pompes à engrenages. Cependant, une cavitation interne peut se produire dans une pompe à engrenages au niveau de l’engrènement des engrenages, car le vide s’ouvre entre les deux engrenages, et le volume nouvellement créé est rapidement rempli de liquide. Cet effet peut être minimisé avec des engrenages hélicoïdaux usinés avec précision, ce qui permet une ouverture en douceur de l’engrènement. Néanmoins, les mécanismes internes de la pompe peuvent produire des chutes de pression localisées pouvant atteindre 0,1 bar dans l’eau à des vitesses supérieures à 3000 tr/min.

Emplacements courants de cavitation dans les pompes à engrenages externes

Les pompes péristaltiques et à lobes présentent une pulsation relativement forte dans leurs profils d’écoulement. Cette pulsation produit des vides transitoires similaires à ceux des pompes à piston. Il faut donc être prudent lors de la mise en œuvre de ces types de pompes.

Tête d’aspiration positive nette (NPSH)

Le NPSH est une métrique commune utilisée par les ingénieurs civils. Les fabricants de pompes centrifuges et de turbines dans cette industrie donnent souvent à leurs pompes une cote NPSH signifiant la pression minimale à l’orifice d’aspiration nécessaire pour empêcher la pompe de caviter. Le NPSH est généralement exprimé en pieds, car c’est l’unité de pression (hauteur manométrique) la plus utilisée par les ingénieurs civils aux États-Unis. Les pompes volumétriques utilisées dans les secteurs de la médecine, de l’alimentation et des boissons, ainsi que dans l’industrie légère, n’attribuent généralement pas de valeur NPSH aux pompes en raison des grandes variations des fluides, des températures, des vitesses et d’autres conditions de fonctionnement.

La meilleure façon d’éviter la cavitation est d’impliquer le fournisseur de la pompe dès le début de la conception d’un système hydraulique. Les ingénieurs en pompes comprennent la sensibilité de leurs pompes, savent quels niveaux de vide sont tolérables et ont une grande expérience dans la conception de systèmes hydrauliques pour éviter la cavitation. Une collaboration étroite entre les concepteurs de systèmes et les ingénieurs de pompes permettra de rationaliser le processus de conception et d’éviter les itérations tard dans le cycle de conception.