Fuite interne de la pompe

novembre 23, 2020

Qu’est-ce qu’une fuite interne ?

Comme nous l’avons vu dans l’aperçu des pompes volumétriques, le déplacement fixe, indépendamment de la pression de sortie, n’est que théorique. La flexion des matériaux, les fuites internes (« blow-by »), l’usure et d’autres variables entraînent une dépendance variable de la pression. Nous examinerons ici les détails des fuites internes.

Fuite interne au niveau des embouts d'une pompe à engrenages

Fuite interne au niveau des embouts d’une pompe à engrenages

Les fuites internes résultent de l’ajustement imparfait entre les composants d’un ensemble de pompe. Quelle que soit la conformité des deux composants entre eux, il y aura des écarts microscopiques et des fluides se déplaceront à travers eux. Les fuites internes sont généralement liées linéairement à la viscosité dynamique d’un fluide et, par conséquent, deviennent plus prononcées pour les fluides de faible viscosité.

Les fuites internes ne sont pas toujours indésirables. La lubrification des paliers de pompes à engrenages nécessite un écoulement des zones de haute pression vers les zones de basse pression pour établir un palier hydrodynamique correct. Dans certaines pompes, la fuite interne est utilisée pour limiter la pression maximale afin d’éviter la surpression du système.

Certaines conceptions de pompes éliminent les fuites internes grâce à l’utilisation de matériaux conformes avec des ajustements serrés (c’est-à-dire des joints). Ces stratégies peuvent éliminer presque toutes les fuites internes. Cependant, elles introduisent une usure par glissement, ce qui crée d’autres problèmes. Cet article ne se concentrera pas sur les joints coulissants.

Pompes volumétriques rotatives

Les deux sources courantes de fuites internes dans les pompes rotatives sont le jeu en bout de pompe et le jeu en bout de pompe. Toutes les pompes n’ont pas les deux types, par exemple, les pompes à palettes n’ont pas de jeu en bout de pale parce que les palettes glissent activement contre la paroi. Les fuites internes des pompes volumétriques rotatives réduisent non seulement le débit, mais aussi la pression maximale et la capacité d’amorçage.

Dégagement à l’extrémité

Le jeu aux extrémités des engrenages, du rotor ou des lobes est une source importante de fuite interne. Sans pression, le fluide atteint la vitesse de pointe à la surface de la pointe et une vitesse nulle à la paroi de la cavité, avec une distribution linéaire entre les deux. Cependant, lorsque la sortie a une pression suffisamment élevée, le milieu de la courbe peut s’inverser, ce qui entraîne un retour du fluide. À une pression d’écoulement bloquée (débit égal à zéro), le volume de fluide qui avance est égal au volume de fluide qui recule (en ignorant les autres sources de fuite).

Débit de fluide des embouts d'engrenages

Débit de fluide des embouts d’engrenages

Débit de fluide des embouts d’engrenages

Contrairement à d’autres formes de fuites internes, le dégagement de la pointe est extrêmement compliqué à modéliser. Les considérations des données expérimentales et des modèles physiques suggèrent que le mécanisme de fuite est un hybride d’écoulement laminaire (dépendant de la viscosité) et d’inertie du fluide (dépendant de la densité). Les données suggèrent une dépendance des fuites internes entre h² et h³, où h est le jeu radial, et linéaire à l’inverse de la longueur de la pointe.

Trois méthodes sont à la disposition des concepteurs de pompes à engrenages internes et externes, de pompes gerotor et de pompes à lobes pour réduire l’effet des fuites aux extrémités :

Diminuer le jeu aux extrémités. Pour ce faire, il faut une précision élevée et reproductible, un excellent contrôle de la qualité et l’utilisation de matériaux présentant une distorsion minimale due à l’absorption de fluide, aux différences de température, aux contraintes résiduelles et au fluage. Ces considérations doivent être appliquées aux engrenages, au logement, aux roulements et aux arbres. Augmenter la longueur du jeu de l’embout. Ce choix est un choix de conception car le compromis est une diminution du volume par tour. Cependant, la fuite interne est proportionnelle et peut atteindre 75 % dans de nombreux cas.

Conseil optimisé pour le déplacement

Conseil optimisé pour le déplacement

Conseil optimisé pour une faible fuite interne

Conseil optimisé pour une faible fuite interne

Pointe optimisée pour le déplacement Pointe optimisée pour une faible fuite interne

Augmenter le nombre de dents sur les engrenages. Tout comme l’augmentation de la longueur de la pointe, le fait d’avoir plus de dents entraîne une diminution du volume par tour. Plus de dents à proximité de la cavité crée plus de « joints de pression », comme le montrent les résultats de pression ci-dessous, issus d’une simulation de dynamique des fluides. L’augmentation du nombre de dents peut avoir des avantages supplémentaires, comme un écoulement plus régulier et une réduction du bruit.

Simulation de la dynamique des fluides par calcul de la fuite de l'extrémité d'un engrenage

Simulation de la dynamique des fluides par calcul de la fuite de l’extrémité d’un engrenage

 

Nettoyage du visage

Les fuites internes sur les faces des éléments rotatifs sont le principal facteur de fuite interne pour de nombreuses pompes volumétriques rotatives. Le jeu dans cette direction est plus facile à contrôler que le jeu en bout de pale (moins de composants dans l’empilage de tolérance), mais la surface est plus grande et le débit est proportionnel au cube de l’espace (h3). L’écoulement à travers les faces ne présente pas non plus l’avantage d’avoir de nombreuses dents le long du trajet de fuite et une vitesse d’avancement élevée aux extrémités des dents de l’engrenage. La seule option pour réduire les fuites sur la face est d’augmenter la précision et la qualité des composants afin de réduire le jeu.

 

 

Fuite interne à travers les visages des engins

Fuite interne à travers les visages des engins

Certaines pompes placent des joints en PTFE entre les pièces du boîtier. Ces joints forment un joint d’étanchéité contre les fuites externes. L’épaisseur de ces joints, cependant, influe directement sur le jeu de la face. Avec le temps et/ou la température, l’épaisseur de ces joints peut changer, ce qui peut modifier les performances de la pompe.

Pompes volumétriques à piston alternatif

Les pompes volumétriques à piston sont idéales pour doser ou distribuer des quantités précises de liquides. Il n’est pas surprenant que ces pompes présentent la plus faible fuite interne des deux catégories de pompes volumétriques. Cependant, la précision requise pour de nombreuses applications fait encore de la fuite interne un aspect important de la conception et de la production des pompes.

Clapets anti-retour

La source de fuite interne commune à presque toutes les pompes alternatives est constituée par les clapets de retenue intégrés à l’entrée et à la sortie. La plupart des clapets de retenue des pompes sont soit des clapets à membrane (1), soit des clapets à bille (à ne pas confondre avec les robinets à bille) (2). Une fuite à l’entrée peut entraîner une pression positive involontaire sur l’admission. Une fuite au niveau de la sortie peut entraîner un léger refoulement du liquide de l’orifice de refoulement. Dans les deux cas, le volume de distribution effectif sera réduit.

Exemples de clapets anti-retour dans une pompe à membrane

Les clapets anti-retour à membrane utilisent un caoutchouc flexible qui est positionné au-dessus d’un trou et qui est fermé en régime permanent. L’étanchéité repose sur la forme non contrainte du diaphragme couplée à une contre-pression pour empêcher toute fuite. Les différentes formes de clapets anti-retour à membrane comprennent le disque flottant, l’élastomère flexible, le bec de canard et le parapluie. Une fuite en retour peut se produire lorsque le diaphragme fléchit avec le temps, que des débris interfèrent avec la surface d’étanchéité ou que des particules abrasives dans le fluide usent le joint ou les surfaces du siège.

Les robinets à bille à ressort assurent l’étanchéité en créant un ajustement serré entre la bille et le siège. Souvent, le siège est conique, ce qui guide la bille dans le siège pour une étanchéité de qualité. La construction est généralement en matériaux durs pour maximiser la durée de vie. Cependant, les matériaux rigides n’ont pas la conformité nécessaire pour s’adapter les uns aux autres, ce qui entraîne des chemins microscopiques pour les fuites de liquide.

De nombreuses entreprises se spécialisent dans la conception et la production de clapets anti-retour de qualité. Les matériaux, la conception et les méthodes de fabrication sont bien développés. Toutefois, les caractéristiques inhérentes décrites ci-dessus ne peuvent être évitées. Les pompes à piston sans clapet offrent une conception sans clapet de retenue, bien qu’elles aient une source supplémentaire de fuite interne.

Dégagement des pistons

Les pompes à piston et les pompes à piston sans clapet ont un piston qui coulisse à l’intérieur d’un cylindre. Les écarts de rectitude, de taille, de circularité et de cylindricité créent des espaces dans lesquels le fluide peut s’écouler. La quantité de fuite dépend linéairement de la pression de sortie et sera soustraite du volume distribué.

Fuite interne dans une pompe à piston

Fuite interne dans une pompe à piston

La fuite, en fonction de la pression, entre un piston et un cylindre est , où :

P = pression de sortie
µ = viscosité dynamique
D = diamètre du piston
h = jeu radial
L = longueur

En général, la seule variable dont disposent les concepteurs de pompes est l’autorisation. Le débit est proportionnel à h3, donc une pompe à piston à haute performance nécessite un jeu très serré. Pour illustrer ceci, une application courante de pompe à eau est présentée ci-dessous avec un jeu variant de 0 à 20µm. Pour les applications de précision, la fuite doit être nettement inférieure à 1 % du déplacement souhaité.

Piston Pump Internal Leakage as a Function of Clearence

Piston Pump Internal Leakage as a Function of Clearence

Fuite interne d’une pompe à piston en fonction de l’autorisation

Il n’est pas simple d’obtenir des dégagements de l’ordre du micromètre à un chiffre (microns). Des variables telles que la forme, la taille, l’état de surface, la dilatation thermique et les techniques d’usinage doivent être évaluées de près. Les matériaux céramiques ont des caractéristiques qui se prêtent parfaitement à cette application :

Faible dilatation thermique
Capacité à être rectifié avec précision
Petite taille de grain
Aucun changement dimensionnel avec une large gamme de fluides

Le choix du bon matériau n’est que le début de la solution. Ensuite, il faut mettre en œuvre des pratiques d’usinage de précision et de contrôle de la qualité hautement contrôlées. Cela va au-delà des pratiques typiques de la norme ISO 9001 et exige une connaissance et une expérience approfondies de la manière de fournir une qualité élevée à l’échelle microscopique.

Résumé

Les fuites internes sont une réalité qui ne peut être ignorée pour les pompes volumétriques, à moins que l’utilisateur n’accepte des composants d’usure à durée de vie limitée utilisés comme joints coulissants. La clé d’une conception hydrauliquement efficace et reproductible est d’utiliser des matériaux appropriés, un usinage de haute précision, un test de la pompe à 100% et un processus d’assurance qualité discipliné. Si une application exige précision, répétabilité et fiabilité, la communication entre ingénieurs est cruciale pour éviter les surprises pendant une bonne partie du cycle de développement ou de production.

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Grâce à leur excellente précision de distribution, les pompes doseuses de la série Precision sont parfaites pour une utilisation en dialyse, par exemple. Ils sont également disponibles dans la version double précision.
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