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Définition et types de pompes hydrauliques

Definizione e tipologie di pompe idrauliche

Les pompes hydrauliques sont des machines de travail qui déplacent des volumes de fluide de manière continue et/ou discontinue.

La pompe fournit de l’ENERGIE MÉCANIQUE à un fluide, qui peut être :

L’énergie kinétique – qui fait acquérir de la vitesse au fluide, et qui influence donc le débit.

L’énergie de pression – qui peut encore être :

  • Geodetic: pour élever le fluide en hauteur.
  • Piezometrique: pour surmonter les différences de pression dans les tuyaux.

Les pompes hydrauliques peuvent être de différents types selon les conditions d’utilisation les plus variées, en fonction du type de fluide à utiliser, des pressions de fonctionnement, des températures et des caractéristiques du système.

Les pompes sont classées en fonction de leur principe de fonctionnement et de leurs caractéristiques de construction.

A leur tour, les macro-catégories sont subdivisées en :

  • Pompes volumétriques: pompes à mouvement alternatif (à piston ou à membrane), pompes rotatives (pompes à engrenages, pompes à lobes, pompes à capsules, pompes à palettes, pompes à palettes déformables, pompes à vis excentrique, pompes à rotor elliptique.
  • Pompes kinétiques: Centrifuges (mono-hélice, multi-hélice), Turbines (à flux axial, à flux mixte).
  • Pompes spéciales: péristaltique, piston liquide, vis d’Archimède, ascenseur à air ou mammouth, éjecteurs, monteurs de liquide.

L'utilisation des pompes hydrauliques dans l'histoire

L’utilisation des pompes hydrauliques dans l’histoire

Les pompes hydrauliques sont apparues au troisième siècle avant Jésus-Christ grâce à Archimède, qui a conçu la pompe connue sous le nom de vis d’Archimède : ce dispositif était capable de déplacer de grandes quantités de fluide à de faibles hauteurs de chute. La vis d’Archimède est encore utilisée aujourd’hui, notamment dans le secteur de la purification de l’eau.

Dans la même période historique, la pompe Noria fait son apparition : il s’agit d’un mécanisme capable de soulever des fluides à des hauteurs plus élevées, jusqu’à 20/30 mètres. L’opération est typique d’un moulin, où un cours d’eau sert de source d’énergie fluide et mécanique. Le fluide a été soulevé au moyen de récipients en forme de coupe.

Vers 1600, l’invention des premiers systèmes tige-manivelle a permis la création des premières pompes à piston, actionnées par la force des bras. L’avènement de la vapeur et son utilisation comme source de force motrice ont permis d’améliorer technologiquement ce type de pompe, qui a commencé à être capable de soulever des fluides à des profondeurs considérables, à tel point qu’elles étaient également utilisées dans les mines pour drainer les puits souterrains.

Au fil des ans, les progrès technologiques ont permis de créer des systèmes capables de déplacer de grandes quantités de fluide à des hauteurs de plus en plus élevées : l’utilisation de moteurs à combustion interne et, plus tard, de moteurs électriques a permis de développer des machines rotatives qui transformaient l’énergie cinétique en pression.

Contexte technique des pompes hydrauliques

Contexte technique des pompes hydrauliques

Comme nous l’avons vu, les pompes hydrauliques sont subdivisées en trois catégories distinctes. Examinons donc chaque type en détail :

Pompes à piston

Les pompes à mouvement alternatif (ou à piston) se caractérisent par le mouvement rectiligne alternatif d’un organe mobile, le piston. Cela exerce une pression sur le fluide, lui transférant de l’énergie. Ce type de pompe convient pour développer des hauteurs manométriques très élevées ; la capacité de la pompe dépend de la taille et de la vitesse de rotation du système.

Les pompes à piston peuvent être classées en deux types :

  • Pompes à piston : caractérisées par une architecture dans laquelle le mouvement du fluide est essentiellement provoqué par un piston relié à un système bielle-manivelle.
  • Pompes à diaphragme : caractérisées par une architecture à l’intérieur de laquelle le fluide est déplacé par des membranes mises en mouvement par l’air ou d’autres systèmes.

Les pompes d’injection de carburant des moteurs diesel modernes sont des exemples particuliers de pompes à mouvement alternatif.

Pompes centrifuges

Pompes centrifuges

Les pompes centrifuges sont constituées d’une chambre à section croissante, appelée volute ou diffuseur, reliée au centre au tuyau d’aspiration et à la périphérie au tuyau de refoulement. À l’intérieur de la volute, un organe rotatif, appelé roue ou impulseur, tourne à grande vitesse (1500 à 3000 tours/minute). Le liquide contenu dans la volute, en raison de la grande vitesse angulaire transmise par la roue, est poussé par la force centrifuge vers la périphérie et par conséquent une dépression est créée au centre ; ainsi une partie de l’énergie cinétique est transformée en énergie de pression, acheminant le liquide dans le tuyau de refoulement et créant une dépression au centre de la pompe qui aspirera plus de liquide du tuyau d’aspiration.

Les pompes centrifuges sont essentiellement composées de :

  • Distributeur : organe fixe à travers lequel le liquide à pomper entre dans une direction axiale et est envoyé vers la roue.
  • Diffuseur : appelé aussi volute, c’est un élément fixe qui transforme l’énergie cinétique accumulée par le liquide en énergie de pression (en augmentant progressivement la section de cet organe), ce qui permet de transporter le liquide dans une direction radiale vers le tuyau de refoulement.
  • Roue : C’est un organe rotatif, de forme et de profil différents, engagé sur l’arbre du moteur dont il reçoit l’énergie pour la transmettre au liquide. La roue est l’élément principal de la pompe. Elle est constituée d’une série d’ailettes dont la courbure doit répondre à deux exigences (aphorismes hydrauliques) afin de minimiser les pertes de charge de la pompe:

L’entrée du liquide dans la pompe doit être exempte de chocs.
La sortie du liquide dans la pompe doit se faire à la vitesse la plus basse possible.

Il est possible de choisir entre différents modèles de roue, en fonction de la hauteur de chute requise et du type de fluide à déplacer :

  • Roue à flux radial : constituée d’une série d’aubes montées entre deux disques clavetés sur l’arbre de la pompe, avec un canal étroit ou large et des aubes droites ou courbes.
  • Roue ouverte : avec des pales hélicoïdales fixées directement sur le moyeu, elle convient au transport de liquides avec des particules solides en suspension.

Les pompes centrifuges, lorsqu’il est nécessaire de surmonter des hauteurs de charge élevées tout en maintenant des débits importants, peuvent être multi-hélice. Dans ce cas, plusieurs roues sont reliées à un même arbre. La géométrie interne force le liquide à quitter une roue pour entrer dans la suivante. La pompe fonctionne donc comme plusieurs pompes en série, mais avec une plus grande compacité. Il existe sur le marché des pompes à axe horizontal et à axe vertical. Ce dernier peut être utilisé lorsque l’espace disponible pour l’installation est très réduit, car le moteur est placé juste au-dessus de la pompe. Un type particulier de pompe à axe vertical est la pompe submersible, dans laquelle le moteur électrique est placé à l’intérieur d’un récipient étanche. Ces pompes peuvent donc être installées sous le niveau du liquide et sont donc utilisées pour pomper l’eau de puits particulièrement profonds ou de réservoirs souterrains. Les pompes centrifuges peuvent également être auto-amorçantes, ces pompes sont capables, contrairement aux pompes centrifuges normales, d’aspirer l’air contenu dans la ligne d’aspiration et de créer un vide à l’intérieur de la pompe qui assure l’aspiration du liquide à pomper. Ces pompes sont à roue unique, ont une bonne hauteur de chute, mais ont généralement un rendement inférieur à celui des pompes centrifuges normales, en raison de la recirculation d’une partie du liquide pompé. Selon les dispositions techniques et les solutions mécaniques adoptées, ils peuvent essentiellement être de deux types :

  • Pompes centrifuges auto-amorçantes à canal latéral : elles possèdent une chambre séparée dans la partie la plus extérieure, qui est divisée en deux secteurs : la chambre d’aspiration et la chambre de refoulement. Dans la zone centrale des deux chambres, il y a respectivement une lumière d’aspiration et une lumière de décharge. À l’arrière de cette chambre extérieure se trouve une chambre dans laquelle tourne une roue ouverte, en forme d’étoile, qui tourne avec un minimum de jeu, de manière à assurer une capacité d’amorçage élevée, c’est-à-dire qu’elle travaille en contact avec le corps et la culasse de la pompe, créant ainsi un vide qui aspire le liquide de la chambre d’aspiration à travers l’orifice d’entrée vers l’orifice de sortie, puis vers la chambre de sortie. Dans l’une ou les deux parois de la chambre ou sur la face du rotor, la pompe est équipée d’une rainure circulaire, convenablement formée en forme de canal, qui provoque une circulation secondaire du liquide entre la roue et les canaux latéraux.
  • Pompes centrifuges auto-amorçantes à anneau liquide, ces pompes sont équipées d’une roue en étoile ouverte, tournant de façon excentrique dans la chambre de la pompe ; la rotation de la roue provoque l’épaississement du liquide à pomper à la périphérie de la chambre, formant un anneau liquide qui remplira l’espace délimité entre les ailettes de la roue, en chassant tout l’air ; de cette façon, un vide progressif est créé qui produit l’aspiration du liquide.

Les principales utilisations des pompes centrifuges sont le pompage de produits chimiques, d’eau, dans l’agriculture, la galvanoplastie, les tours de désenfumage et dans l’industrie pétrochimique. Les pompes centrifuges sont souvent choisies pour leur grande capacité de débit, leur compatibilité avec les solutions abrasives, leur potentiel de mélange et leur ingénierie relativement simple.

Pompes rotatives

Pompes rotatives

Les pompes rotatives se caractérisent par le mouvement rotatif lent des pièces mobiles : roues dentées ou lobes. L’énergie est transférée en exerçant une pression sur le fluide de la même manière que pour les pompes à piston. Le fonctionnement d’une pompe rotative exige qu’un volume fixe de fluide soit déplacé à chaque rotation. Ces pompes sont auto-amorçantes et fournissent un débit presque constant quelle que soit la pression. Les pompes rotatives sont conçues avec de très petites distances entre les parties rotatives et stationnaires afin de minimiser les pertes du côté du refoulement vers le côté de l’aspiration.

Les pompes rotatives peuvent être classées en trois types selon le type de pièces mobiles avec lesquelles elles sont construites :

  • Pompes à engrenages qui utilisent le mouvement des engrenages pour pomper un fluide par déplacement. Elles constituent l’un des types de pompes les plus courants pour les applications de puissance hydraulique.
  • Pompes à lobes semblables aux pompes à engrenages, sauf que les lobes sont conçus de manière à se rencontrer, plutôt que de se toucher et de tourner l’un avec l’autre.

Les pompes rotatives sont couramment utilisées pour faire circuler l’huile de lubrification dans les équipements mécaniques ou pour fournir une pression aux systèmes d’exploitation hydrauliques.