Pompage des compresseurs

Le pompage est un phénomène fondamental propre aux compresseurs dynamiques. Ces machines sont caractérisées par le fait que la compression est obtenue par échange d’énergie dans le gaz mis en mouvement dans des rangées d’ailettes. Les compresseurs axiaux et centrifuges appartiennent à cette catégorie de turbomachines.

Il est connu qu’une aile d’avion sous incidence élevée perd sa portance et « décroche ». Dans le cas des turbomachines, on assiste à un phénomène analogue. Cette incidence élevée s’obtient à petit débit. Le décrochage aérodynamique ne permet plus de pousser le gaz ; le compresseur étant connecté à deux réseaux à pressions différentes, la capacité à haute pression du refoulement se vide dans la capacité à basse pression de l’aspiration par un débit à contre courant dans le compresseur.

Le pompage est cette instabilité aérodynamique d’ensemble du compresseur dans son environnement, lors du fonctionnement à petit débit. Quand le réseau de refoulement s’est suffisamment vidé dans l’aspiration, le compresseur trouve de nouvelles conditions de fonctionnement lui permettant de rétablir le débit dans la bonne direction, jusqu’à ce qu’un nouveau cycle d’instabilité recommence.

Ces grandes fluctuations de débit portent le nom de pompage, en raison de la nature de ce phénomène en oscillations de relaxation, qui s’apparente, vu de l’extérieur, à l’instabilité d’une boucle de régulation (pompage de vitesse…).

Le pompage est un phénomène redouté des exploitants et des constructeurs. L’inversion soudaine du débit s’apparente à un choc et ses conséquences mécaniques sont désastreuses :

• ruptures d’ailettes sur les compresseurs axiaux ;

• vibrations radiales de très grand niveau, avec destruction des dispositifs d’étanchéité internes sur les compresseurs centrifuges.

Il est donc évident qu’il faudra que des moyens spécifiques de protection soient installés sur les machines pour préserver leur intégrité et conserver leurs performances dans le temps. Ces moyens sont d’autant plus complexes que l’on souhaite toujours la plus grande plage possible en débit pour le fonctionnement de la machine afin d’adapter de façon permanente, économique et souple, la production aux impositions de la consommation.

Les dispositifs de protection contre le pompage, dits également d’antipompage, empêchent le compresseur de descendre trop bas en débit. Ils limitent donc quelque peu la plage de fonctionnement de la machine. Leur dimensionnement et leur réglage tient compte, bien sûr, de la performance aérodynamique du compresseur, des caractéristiques des réseaux amont et aval et de la nature du gaz, mais également du fait qu’ils doivent protéger la machine lors des régimes transitoires rapides.

Il faut être conscient que des services différents à assurer entre l’été et l’hiver, des taux de pression variant dans le temps (déplétion des champs de gaz naturel, unités de stockage…), ou encore la manipulation de gaz dont la nature change (augmentation de la masse molaire), exigent des moyens de protection antipompage spécifiques et adaptés. Leur définition ne peut alors être faite que par une action conjointe du constructeur de l’équipement et du concepteur du procédé.

Dans cet article, il sera surtout question des compresseurs installés dans les unités de production, c’est-à-dire des machines conçues et construites spécifiquement pour un procédé et pour un environnement particuliers. Le cas des compresseurs d’air des turbines à gaz sera peu abordé, même si les conséquences du pompage sont extrêmement graves. En effet, ces matériels sont construits de façon beaucoup plus répétitive et leur système de protection contre le pompage est beaucoup plus transparent pour l’utilisateur.