S-tube: l'équilibrage en eau réduit les vibrations

Comment une action déstabilisatrice a apporté l'équilibre
Solution d'équilibrage en eau

Les roues fermées existent depuis des décennies, mais jusqu'à maintenant, elles rencontraient des problèmes de vibration, de colmatage et de rendement en présence d'eaux usées.

En développant la roue S-tube®, les ingénieurs de chez Grundfos ont ciblé trois problèmes principaux :

- le rendement

  • le colmatage
  • les vibrations

« Ils ont commencé par maîtriser les deux premiers facteurs, » explique Flemming Lykholt-Ustrup, Head of Mechanics and Hydraulics chez Grundfos Holding A/S. Non seulement les roues Grundfos S-tube® permettent un passage sphérique intégral dans la pompe sans compromis, mais elles permettent également une augmentation du rendement de 20% par rapport aux roues classiques.

FIGURE 1: Performances de la roue S-tube® dans une pompe Grundfos SL1 15 kW pour eaux usées. Plus de la moitié de la plage de débit de la pompe présente un rendement hydraulique supérieur à 75%. Source: Grundfos

Le dernier problème à résoudre concernait donc les vibrations.

« Dans une roue multicanaux, le fluide et la pression sont répartis de façon plus uniforme sur tout le pourtour de la roue, tandis que la pression est répartie de façon asymétrique dans une roue monocanal, » indique Flemming Lykholt-Ustrup. « La roue monocanal traditionnelle et bien connue présente l'avantage d'un rendement hydraulique élevé, mais elle est également connue pour sa propension aux problèmes de vibration. »

Recherche d'une solution aux vibrations

Les vibrations ont toujours constitué un problème pour les roues, et c'était un défi au début de la conception de la nouvelle roue Grundfos S-tube®. Lors des premiers essais en laboratoire, la roue était robuste et présentait un bon rendement, mais elle vibrait beaucoup trop. Les vibrations peuvent entraîner une usure anticipée des composants, des dommages sur les joints d'arbre et les bobinages, une perte de puissance, voire une panne de la pompe.

En général, les niveaux de vibration acceptables pour les roues de pompe varient de 3 à 7 mm/s. Mais ces normes s'appliquent aux roues multicanaux et aux pompes utilisant de l'eau pure. Il n'existe aucune norme pour les pompes à roue monocanal pour eaux usées. Les niveaux de vibration sont donc souvent plus élevés dans les pompes d'eaux usées. Cela est dû aux caractéristiques hydrodynamiques des pompes monocanal et au contenu des eaux usées en particules et en air, ainsi qu'aux vibrations dans le flux entrant. Bien que ce ne soit pas une situation idéale, l'industrie du traitement de l'eau a largement toléré des niveaux de vibration très élevés.

Grundfos s'est fixé pour objectif de changer cet état de fait en amenant les vibrations à des niveaux inférieurs à ceux des vannes d'eaux usées multicanaux, précise Flemming Lykholt-Ustrup.

Vidéo: Optimisation des forces hydrauliques et du couple dans la roue Grundfos S-tube®

La solution passe par l'équilibrage en eau
Le déséquilibre, ou les vibrations causées par les pièces en mouvement, représente un type particulier de vibrations. L'une des principales tâches de la roue Grundfos S-tube® est de réduire le niveau de vibration, et donc le niveau de bruit, au maximum afin d'assurer une durée de vie maximale aux composants vitaux de la pompe, comme les roulements et le joint d'arbre.

« La méthode classique pour réduire le déséquilibre et faire fonctionner le moteur sans à-coups est de réduire le déséquilibre dans les pièces en mouvement pour éviter les vibrations », explique Flemming Lykholt-Ustrup. « Mais ce n'est pas suffisant en raison de la nature hétérogène des forces de pression. »

Grundfos a opté pour une autre approche en vue de réduire le déséquilibre dans les pompes: l'équilibrage en eau.

« L'équilibrage en eau est une méthode d'équilibrage statique et dynamique semblable à celle que nous utilisons pour équilibrer la pression des pneus de nos voitures », précise-t-il. « La différence est que pour l'équilibrage en eau, la roue est parfaitement équilibrée lorsque le corps de la pompe et la roue sont mis en eau. Un équilibre parfait dans l'eau nous permet de garantir des conditions de fonctionnement optimales. Dans certains cas, les niveaux de vibration constatés sont inférieurs aux niveaux connus pour les moteurs standard. » Il ajoute que l'industrie des pompes a déjà essayé des méthodes similaires à l'équilibrage en eau par le passé, mais sans succès.

L'équilibrage en eau consiste à générer de façon délibérée un déséquilibre mécanique destiné à compenser les forces dynamiques hétérogènes occasionnées par les variations de pression dans la pompe.

Cette approche n'apporte pas de solution pour l'ensemble des forces hétérogènes, dit-il, mais elle permet de faire face à une source importante d'excitation.

Pour réduire l'excitation de base dans la pompe, Grundfos a combiné les forces hydrauliques hétérogènes et les forces mécaniques hétérogènes découlant de l'équilibrage en eau afin d'obtenir un état d'équilibre, explique-t-il.

« On calcule les forces agissant sur la roue lors du pompage, la force directe et le couple. Elles changent bien évidemment en fonction du débit alimentant la pompe », dit-il. « On ne peut pas annuler ces forces. Il est nécessaire de les compenser. On a mis au point notre propre recette pour y arriver, pour mettre la roue en déséquilibre. »

Les essais ont montré une baisse sensible des vibrations. En mettant en place l'équilibrage en eau pour ses roues monocanal S-tube®, Grundfos a pu réduire les niveaux de vibration de 50 à 70 %, affirme Flemming Lykholt-Ustrup.

Ces résultats se traduisent par des pompes plus solides et plus fiables pour Grundfos, car l'équilibrage dynamique des roues et rotors joue un rôle essentiel dans l'amélioration de la fiabilité et du fonctionnement des systèmes de pompage.

En savoir plus sur la roue Grundfos S-tube® et sur les pompes pour eaux usées SL1 et SE1 de 1,5 à 30 kW dans lesquelles elle est inclue.

Lire la brochure produit.

Références
Norme API 670
Normes Europump relatives aux vibrations, juillet 2013, première édition
ANSI/HI 9.6.4. -2009

Texte : Bryan Orchard





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