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Auteur(s)
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Jean-François LAPRAY : Ingénieur de l’École Nationale Supérieure d’Hydraulique et de Mécanique de Grenoble (ENSHMG) - Chef du service technique hydraulique GEC-ALSTHOM BERGERON
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Lire l’articleINTRODUCTION
La cavitation reste, aujourd’hui encore, un sujet de préoccupation majeure pour qui s’intéresse aux pompes rotodynamiques, qu’il soit utilisateur, installateur ou bien entendu constructeur. L’évolution rapide de l’industrie des pompes, les récents progrès réalisés dans l’étude et la compréhension des nombreux mécanismes qui régissent le phénomène de cavitation, rendent nécessaire la mise à jour des connaissances sur le sujet. Cet article a pour but de fournir au lecteur des explications et des éléments directement exploitables sur le plan pratique, tout en essayant de mettre en évidence la multiplicité et la complexité des nombreux éléments à prendre en compte.
Le coût d’une station de pompage est directement fonction de deux paramètres qui sont la vitesse de rotation des groupes de pompage retenus et le niveau du radier de la station eu égard au niveau minimal du fluide à pomper à l’aspiration. Ces deux paramètres font référence à la hauteur de charge nette à l’aspiration universellement dénommée Net Positive Suction Head ou NPSH : (NPSH)req de la pompe et (NPSH)disp lié à l’installation ; c’est dans la valeur de la marge de sécurité à prendre entre (NPSH)req et (NPSH)disp pour assurer à l’utilisateur un fonctionnement satisfaisant vis‐à‐vis de la cavitation que réside une part importante du coût de la station de pompage.
Une grande partie de l’article a pour objet de définir les divers aspects de la cavitation dans les pompes et de donner des indications pour calculer le (NPSH)disp lié aux installations. Ces définitions de base permettent de faire les choix techniques les plus judicieux.
Une petite partie a été consacrée au bruit généré par la cavitation, car ce sujet d’une extrême importance dans certaines applications sera traité dans un article plus général consacré au bruit des turbomachines. Il apparaît plus cohérent de regrouper tous les éléments consacrés au bruit, tant il est délicat de traiter séparément la part du bruit incombant à la cavitation des autres sources de bruit généré par les groupes motopompes.
Compte tenu de la pratique industrielle courante, le NPSH a été exprimé en mètres de colonne de liquide alors que, sur le plan scientifique, il eut été plus judicieux d’utiliser l’expression NPSE = g (NPSH), énergie massique d’aspiration (en J / kg).
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Effets de la cavitation
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7. Études actuelles
L’étude de la cavitation continue à mobiliser l’énergie de nombreux chercheurs et les milliers de publications disponibles couvrent tous les aspects du phénomène : aspect moléculaire, aspect thermodynamique, hydrodynamique des écoulements avec bulles de cavitation, mécanique, hydroacoustique, comportement des matériaux, etc.
En ce qui concerne les pompes, on peut classer en trois catégories les efforts menés aujourd’hui :
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études fondamentales : elles touchent de nombreux domaines qui vont de la physique moléculaire jusqu’à l’étude du comportement des matériaux soumis à l’implosion des cavités de vapeur, y compris l’étude de l’hydrodynamique des écoulements avec poches et bulles de vapeur. En ce qui concerne plus particulièrement les turbomachines, des efforts sont faits pour le calcul de la cavitation et la prévision de son développement sur les aubes des roues. Ces programmes de calcul seront utilisés soit au stade de la conception des rotors pour les optimiser, soit comme outils d’analyse en cas de cavitations néfastes ;
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études appliquées : elles concernent principalement les modèles de prédiction de l’érosion par cavitation. Dans l’état actuel des connaissances, seuls des essais en vraie grandeur dans les conditions réelles de fonctionnement permettent de s’assurer que le produit sera exempt de toute érosion. À l’évidence, ces essais sont longs et très coûteux et ne sont pas, en général, réalisables dans des conditions économiques satisfaisantes. Des modèles prédictifs de simulation accélérée d’érosion par cavitation sont en cours de développement. D’autres recherches, avec le même objectif, utilisent une corrélation entre le bruit hydraulique et /ou solidien et l’érosion de cavitation. Les études pour analyser le phénomène de l’érosion des matériaux ont pour but l’amélioration de la résistance des alliages à l’érosion par cavitation. Enfin, il faut rappeler les recherches qui concernent la réduction du bruit de cavitation pour des pompes plus silencieuses, application marine en particulier ;
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études de base chez les constructeurs : la plupart des constructeurs ont entrepris des travaux de développement expérimentaux sur des bancs d’essais spécifiques dotés d’équipement qui leur ont permis d’établir...
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