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La turbomachine est un ensemble mécanique de révolution comportant une ou plusieurs roues mobiles munies d’aubes qui ménagent entre elles des canaux à travers lesquels le fluide s’écoule. L’échange d’énergie s’effectue dans la roue et résulte du travail des forces aérodynamiques sur les aubes produites par l’écoulement du fluide autour de celles-ci, et qui résultent principalement de la différence de pression entre les deux faces des aubes [1]. Un premier classement des turbomachines est fait à partir du sens de l’échange d’énergie. Il est à distinguer les machines réceptrices qui reçoivent du travail et les machines motrices qui en fournissent. Parmi les machines réceptrices il y a les pompes rotodynamiques, les ventilateurs, les compresseurs et les soufflantes. Les principales machines motrices sont les turbines à vapeur, les turbines à gaz, les turbines hydrauliques .
Dans 1 ‘exploitation minière, pétrolière, agricole et autre, les pompes centrifuges jouent un rôle primordial dans le drainage, l’assèchement, le transport par canalisation et le contrôle du niveau d’eau. La puissance électrique consommée par ces pompes se chiffre à plusieurs kilowatts. Cependant, les différentes études réalisées [2-15] ont démontré que la conception de ces pompes peut être améliorée afin d’augmenter leur efficacité énergétique et leurs performances tout en réduisant les coûts de consommation électrique. La conception et la réalisation d’une roue à aubes, d’une volute ou d’un diffuseur sont donc déterminantes pour l’efficacité énergétique et les performances d’une pompe. Confrontés au problème de design des roues, des volutes ou des diffuseurs des pompes, le souci d’un constructeur, est de disposer des méthodes rapides, fiables et suffisamment précises pour la réalisation de la géométrie d’une roue, d’un diffuseur ou d’une volute qui maximise l’efficacité d’une pompe en minimisant le plus possible les pertes.
Les constructeurs utilisent fréquemment la méthode directe pour la conception des pompes centrifuges. Cette dernière tient compte des pompes déjà existants aux quels des modifications géométriques sont apportées afin de modifier leurs caractéristiques (débit, hauteur manométrique, puissance et rendement) selon les besoins. Après réalisation, les pompes sont soumises à des tests sur banc d’essai afin de visualiser leurs performances. Si ces dernières répondent au cahier des charges, elles seront commercialisées, sinon des réajustements auront lieu. Cela génère des coûts importants et réduisent les marges bénéficiaires des fabricants des pompes. Pour cette rmson, l’analyse CFD (Computational fluid dynamics) est actuellement utilisée dans la conception des pompes centrifuges.
De la littérature, il a été constaté que la plupart des recherches antérieures, en particulier les recherches fondées sur des approches numériques qui utilisent les logiciels commerciaux CFD, visent à prédire les performances des pompes centrifuges (hauteur manométrique, puissance et rendement). Cependant 1′ étude numérique de plusieurs parmnètres géométriques qui influencent les performances d’une pompe centrifuge en se basant sur des pompes existantes est rarement disponible dans la littérature, et la variation de la pression d’aspiration est aussi rarement prise en compte quand la régulation de débit se fait à l’aide d’une vanne de régulation.
Développer des modèles numériques de volumes f »mis 3D : roue, roue-volute et roue-diffuseur
Dans cette activité, des modèles numériques de volume finis 3D d’une roue, de l’ensemble roue-volute et de l’ensemble roue-diffuseur sont développés en se basant sur des pompes existantes chez Technosub [16]. À cet effet, les équations de continuité et de Navier-Stokes sont appliquées pour obtenir des modèles mathématiques. Les conditions aux frontières sont prises en compte dans la modélisation. La turbulence des écoulements de liquide dans la roue, 1 ‘ensemble roue-volute et l’ensemble roue-diffuseur est considérée en utilisant le modèle de turbulence k-ε . L’interaction entre la roue et la volute, ainsi que la roue et le diffuseur est prise également en compte. Le système d’équations différentielles partielles résultant de la modélisation mathématique est résolu en utilisant la méthode des volumes finis à l’aide du logiciel ANSYS-CFX. Ce dernier permettra de déterminer la distribution des champs de vitesse et de pression dans la pompe.
Faire des simulations numériques à l’aide des modèles numériques développés
Des simulations numériques sont réalisées à l’aide des modèles numériques développés pour étudier l’influence de la forme et de la géométrie de la roue, de la volute et du diffuseur sur les performances des écoulements de liquide dans la pompe centrifuge dont la hauteur manométrique la puissance et le rendement. Une approche généralisée est proposée pour la détermination des courbes caractéristiques des pompes centrifuges.
Les pompes centrifuges comprennent. généralement, les éléments suivants :
➤ Un conduit d’aspiration du fluide vers la roue (implliseur) de la pompe.
➤ Une roue, qui est l’élément essentiel de la pompe. La totalité de l’énergie est apportée au fluide sous deux formes distinctes:
• d’une part, directement, sous la forme d’un accroissement de presswn statique ;
• d’autre part, sous la forme d’un accroissement d’énergie cinétique, qm est lui-même transformé en pression dans les organes situés en aval de la roue. La roue est munie d’aubes, qui sont décalées angulairement de façon régulière. Elles sont en nombre variable, elles sont inclinées en arrière. En d’autres termes le bord de fuite des aubes est en retard dans la rotation par rapport au bord d’attaque.
➤ une volute qui a le rôle de recueillir le fluide sortant à grande vitesse de la roue, de le canaliser, puis de le ralentir, transformant ainsi en pression une part importante de son énergie cinétique.
➤ Des dispositifs d’étanchéité internes sont destinés à limiter le retour vers l’aspiration et à réduire les débits de fuite internes.
➤ Un arbre a pour fonction de porter la roue, d’assurer son centrage dynamique et de transmettre la puissance.
➤ Un système d’étanchéité vers l’extérieur a pour fonction d’empêcher une fuite externe ou tout au moins, d’en limiter l’importance.
➤ L’étanchéité externe peut aussi être assurée par une garniture mécanique.
Fonctionnement
L’énergie du fluide augmente en lui donnant nne accélération tangentielle (ou rotation par rapport à 1′ axe de 1 ‘écoulement) durant son passage dans la pompe. Cette énergie est fournie par la roue, qui elle, est entraînée par un moteur. Pour donner cette accélération tangentielle au fluide, les aubes de la roue poussent le fluide vers l’extérieur tout en lui permettant de conserver ses composantes de vitesse.
INTRODUCTION GÉNÉRALE |
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