Bibliographie & annexes
Présentation
English
Auteur(s)
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Robert REY : Ingénieur Arts et Métiers - Professeur à Arts et Métiers ParisTech – CER Paris
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Farid BAKIR : Ingénieur École polytechnique d'Alger - Professeur à Arts et Métiers ParisTech – CER Paris
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Christophe SARRAF : Ingénieur Arts et Métiers - Chargé de cours à Arts et Métiers ParisTech – CER Paris
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Lire l’articleINTRODUCTION
La cavitation se manifeste par la formation, au sein de l'écoulement, de structures de vapeur diverses, dépendant des conditions de fonctionnement et du dessin des canaux interaubages. Ces figures de cavitation apparaissent dans les zones de basse pression et sont transportées vers les zones de haute pression où elles implosent. Les conséquences néfastes de la cavitation sont diverses : érosion, bruit caractéristique, instabilités de fonctionnement, chute des performances…
L'étude de la cavitation mobilise toujours l'énergie de nombreux chercheurs car plusieurs phénomènes de divers niveaux interagissent au sein d'un écoulement en cours de cavitation : moléculaire, thermodynamique, hydrodynamique, hydroacoustique, mécanique et vibratoire, interaction fluide structure, etc.
La cavitation est un phénomène extrêmement instable constitué d'un mélange liquide/vapeur fortement compressible où les deux phases se déplacent avec des vitesses différentes et sont séparées par des interfaces dotées de tensions superficielles où les échanges de masse et de quantités de mouvement sont permanents. Par ailleurs, les changements de phases (vaporisation et condensation) se produisent violemment et les mécanismes de production, transfert et dissipation de la turbulence du mélange sont différents de ceux observés pour un liquide homogène. Enfin, aux changements d'état sont associés des échanges de chaleur entre phases qui modifient la pression de vaporisation du liquide générant ainsi un retard à l'apparition de la cavitation. Cet effet thermodynamique est notamment significatif dans le cas des fluides thermosensibles.
On cherche à approfondir ces phénomènes physiques afin d'en limiter les effets indésirables en particulier concernant les machines rotodynamiques et plus particulièrement les pompes.
Dans ces machines, l'apparition des poches cavitantes, leur géométrie et, de façon plus générale, leurs propriétés statiques et dynamiques dépendent de nombreux paramètres : le profil des pales, leur cambrure, leur mode d'empilement, l'incidence de l'écoulement amont, le niveau de pression, la turbulence à l'entrée, l'existence de microbulles de gaz dissous, la rugosité des parois, etc., sont autant de paramètres qui entrent dans l'apparition, le développement et les effets de la cavitation.
L'objectif de cet article est d'apporter des outils de caractérisation et d'évaluation du niveau de la cavitation dans les pompes rotodynamiques et éventuellement d'en retarder l'apparition, le développement ainsi que d'en réduire les effets. Un autre objectif important est de dégager des critères de dimensionnement permettant l'amélioration des tracés de roues et limitant au maximum les effets néfastes.
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Détermination du NPSH requis pour une pompe axiale et un inducteur
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2. Cas particulier des inducteurs
L'inducteur ou hélice de gavage est généralement placé à l'amont d'une roue centrifuge ou hélicocentrifuge en vue d'en améliorer la tenue à la cavitation. La figure 14 présente une telle configuration en version industrielle. La courbe hauteur-débit correspondante s'accroît de la hauteur produite par l'inducteur pendant que le NPSH requis 3 % est fortement réduit sur toute l'étendue du débit. Si la vitesse spécifique d'aspiration S des pompes centrifuges standards est limitée à 300 environ, les inducteurs industriels de première génération atteignent 450 et les hélices de haute performance dépassent largement 600.
C'est principalement la recherche aérospatiale qui est à l'origine des progrès les plus importants dans la connaissance des écoulements cavitants, ainsi qu'en ce qui concerne l'amélioration du nombre S qui atteint ou dépasse 700 .
L'inducteur est aujourd'hui d'un usage courant dans de nombreuses applications industrielles : nucléaire, pétrole, agroalimentaire, chimie… avec, au sommet des performances, le pompage des carburants et des ergols cryogéniques.
Ce dispositif autorise de plus grandes vitesses de rotation qui rendent les pompes plus compactes et généralement plus économiques. Cependant, la cavitation, à l'origine d'instabilités de fonctionnement et de vibrations, peut compromettre leur exploitation, principalement en régime de débit partiel.
En effet, à la cavitation d'aubage et la cavitation d'entrefer qui se manifestent à tous les débits, se superpose le régime de recirculation et de cavitation tournante qui rend la cavitation très instable. Les effets s'amplifient quand le débit décroît, leur intensité dépend du design général des pales de la machine et de l'environnement amont ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SARRAF (C.) - Étude expérimentale du comportement hydrodynamique de profils portants épais. Étude de la couche limite. - Doctorat École Centrale de Nantes, IRENAV École Navale.
-
(2) - LAKSHMINARAYANA (B.) - Fluid dynamics of inducers – A review. - ASME J. of Fluids Eng., 4, ASME, USA, p. 411-427 (1982).
-
(3) - NOGUERA (R.), REY (R.), MASSOUH (F.), BAKIR (F.), KOUIDRI (S.) - Design and analysis of axial pumps. - ASME Fluids Eng. Conf., Second Pumpings Machinery Symposium, Washington, 111, p. 95 (1993).
-
(4) - JAPIKSE (D.) - Overview of industrial and rocket turbopumps inducer design. - CAV 2001, Session B7, paper 001 (2001).
-
(5) - BAKIR (F.), KOUIDRI (S.), NOGUERA (R.), REY (R.) - Design and analysis of axial inducers performances. - ASME Fluid Machinery Forum, Washington DC, paper FEDSM 98-5118 (1998).
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(6) - BAKIR (F.),...
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