Pompe à flux axial

Une pompe à flux axial , ou AFP , est un type courant de pompe qui se compose essentiellement d'une hélice (une roue axiale ) dans un tuyau. L'hélice peut être entraînée directement par un moteur scellé dans le tuyau ou par un moteur électrique ou des moteurs à essence/diesel montés sur le tuyau depuis l'extérieur ou par un arbre de transmission à angle droit qui perce le tuyau.

Les particules de fluide, au cours de leur écoulement à travers la pompe, ne changent pas leur position radiale puisque le changement de rayon à l'entrée (appelée « aspiration ») et à la sortie (appelée « refoulement ») de la pompe est très faible. D'où le nom de pompe « axiale ».

Opération

Une pompe à flux axial est dotée d'une turbine de type hélice qui tourne dans un boîtier. La pression dans une pompe à flux axial est développée par l'écoulement du liquide sur les pales de la turbine. Le fluide est poussé dans une direction parallèle à l'arbre de la turbine, c'est-à-dire que les particules de fluide, au cours de leur écoulement à travers la pompe, ne changent pas de position radiale. Cela permet au fluide d'entrer dans la turbine axialement et de refouler le fluide presque axialement. L'hélice d'une pompe à flux axial est entraînée par un moteur.

Remarques

Les aubes fixes du diffuseur servent à éliminer la composante tourbillonnaire ( ) de la vitesse de refoulement de la roue et à convertir l'énergie en pression. ${\displaystyle V_{ m {w2 <semantics> <mrow> <mstyle> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mrow> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </mrow> </mrow> </msub> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle V_{ m {w2}}}</annotation> </semantics> </math><img src=$
Les aubes de la turbine peuvent être réglables.
La machine peut être équipée d'aubes de pré-entrée pour éliminer la pré-rotation et rendre le flux purement axial.

Travail effectué sur le fluide par unité de poids = ${\displaystyle U{\frac {(V_{ m {w2}}-V_{ m {w1}})}{g <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>Tu</mi> <mrow> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mrow> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </mrow> </mrow> </msub> <mo>−</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mrow> <mi>m</mi> <mn>1</mn> </mrow> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>g</mi> </mfrac> </mrow> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle U{\frac {(V_{ m {w2}}-V_{ m {w1}})}{g}}}</annotation> </semantics> </math><img src=$

où est la vitesse de la lame. ${\displaystyle U=U_{ m {2}}=U_{ m {1 <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>Tu</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>Tu</mi> <mrow> <mrow> <mn>2</mn> </mrow> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>Tu</mi> <mrow> <mrow> <mn>1</mn> </mrow> </mrow> </msub> </mstyle> </mrow> <annotation>{ displaystyle U = U_ {\ rm {2}} = U_ {\ rm {1}}}</annotation> </semantics> </math><img src=$

Pour un transfert d'énergie maximal, c'est-à-dire, ${\displaystyle V_{ m {w1}}=0 <semantics> <mrow> <mstyle> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mrow> <mi>m</mi> <mn>1</mn> </mrow> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mstyle> </mrow> <annotation>{ displaystyle V_ { rm {w1}} = 0}</annotation> </semantics> </math><img src=$ ${\displaystyle \alpha _{ m {1}}=90^{\circ <semantics> <mrow> <mstyle> <msub> <mi>α</mi> <mrow> <mrow> <mn>1</mn> </mrow> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mn>90</mn> <mrow> <mo>∘</mo> </mrow> </msup> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle \alpha _{ m {1}}=90^{\circ }}</annotation> </semantics> </math><img src=$

Par conséquent, à partir du triangle des vitesses de sortie , nous avons

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Par conséquent, le transfert d'énergie maximal par unité de poids par une pompe à flux axial = ${\displaystyle U{\frac {(U-V_{ m {f2}}\cot \beta _{ m {2}})}{g <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>Tu</mi> <mrow> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Tu</mi> <mo>−</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mrow> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </mrow> </mrow> </msub> <mi>lit bébé</mi> <mo>⁡</mo> <msub> <mi>β</mi> <mrow> <mrow> <mn>2</mn> </mrow> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>g</mi> </mfrac> </mrow> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle U{\frac {(U-V_{ m {f2}}\cot \beta _{ m {2}})}{g}}}</annotation> </semantics> </math><img src=$

Conception de la lame

Dans une pompe à flux axial, les pales ont une section aérodynamique sur laquelle le fluide s'écoule et la pression est développée. Pour un débit constant, nous avons ${\displaystyle V_{ m {f1}}=V_{ m {f2}}=V_{ m {f <semantics> <mrow> <mstyle> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mrow> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </mrow> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mrow> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </mrow> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mrow> <mi>f</mi> </mrow> </mrow> </msub> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle V_{ m {f1}}=V_{ m {f2}}=V_{ m {f}}}</annotation> </semantics> </math><img src=$

Ainsi, le transfert d'énergie maximal au fluide par unité de poids sera

${\displaystyle U{\frac {(U-V_{ m {f}}\cot \beta _{ m {2}})}{g <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>Tu</mi> <mrow> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Tu</mi> <mo>−</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mrow> <mi>f</mi> </mrow> </mrow> </msub> <mi>lit bébé</mi> <mo>⁡</mo> <msub> <mi>β</mi> <mrow> <mrow> <mn>2</mn> </mrow> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>g</mi> </mfrac> </mrow> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle U{\frac {(U-V_{ m {f}}\cot \beta _{ m {2}})}{g}}}</annotation> </semantics> </math><img src=$

Pour un transfert d'énergie constant sur toute la longueur de la pale, l'équation ci-dessus doit être constante pour toutes les valeurs de . Mais, augmentera avec une augmentation du rayon , donc pour maintenir une valeur constante, une augmentation égale de doit avoir lieu. Puisque, est constant, doit donc augmenter lorsque . Ainsi, la pale est tordue lorsque le rayon change. ${\displaystyle r <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>l</mi> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle r}</annotation> </semantics> </math><img src=$ ${\displaystyle U^{2 <semantics> <mrow> <mstyle> <msup> <mi>Tu</mi> <mrow> <mn>2</mn> </mrow> </msup> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle U^{2}}</annotation> </semantics> </math><img src=$ ${\displaystyle r <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>l</mi> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle r}</annotation> </semantics> </math><img src=$ ${\displaystyle UV_{ m {f}}\cot \beta _{ m {2 <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>Tu</mi> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mrow> <mi>f</mi> </mrow> </mrow> </msub> <mi>lit bébé</mi> <mo>⁡</mo> <msub> <mi>β</mi> <mrow> <mrow> <mn>2</mn> </mrow> </mrow> </msub> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle UV_{ m {f}}\cot \beta _{ m {2}}}</annotation> </semantics> </math><img src=$ ${\displaystyle V_{ m {f <semantics> <mrow> <mstyle> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mrow> <mi>f</mi> </mrow> </mrow> </msub> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle V_{ m {f}}}</annotation> </semantics> </math><img src=$ ${\displaystyle \cot \beta _{ m {2 <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>lit bébé</mi> <mo>⁡</mo> <msub> <mi>β</mi> <mrow> <mrow> <mn>2</mn> </mrow> </mrow> </msub> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle \cot \beta _{ m {2}}}</annotation> </semantics> </math><img src=$ ${\displaystyle r <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>l</mi> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle r}</annotation> </semantics> </math><img src=$

Caractéristiques

Les caractéristiques d'une pompe à flux axial sont présentées sur la figure. Comme le montre la figure, la hauteur manométrique à débit nul peut être jusqu'à trois fois supérieure à la hauteur manométrique au point de rendement optimal de la pompe. De plus, les besoins en énergie augmentent à mesure que le débit diminue, la puissance absorbée étant la plus élevée à débit nul. Cette caractéristique est opposée à celle d'une pompe centrifuge, où les besoins en énergie augmentent avec l'augmentation du débit. De plus, les besoins en énergie et la hauteur manométrique de la pompe augmentent avec l'augmentation du pas, ce qui permet à la pompe de s'adapter aux conditions du système pour assurer le fonctionnement le plus efficace.

Avantages

Le principal avantage d'une pompe à flux axial est qu'elle a un débit relativement élevé à une hauteur manométrique relativement faible (distance verticale). Par exemple, elle peut pomper jusqu'à 3 fois plus d'eau et d'autres fluides à des hauteurs inférieures à 4 mètres par rapport à la pompe à flux radial ou centrifuge plus courante . Elle peut également être facilement réglée pour fonctionner à une efficacité maximale à faible débit/haute pression et à haut débit/basse pression en modifiant le pas de l'hélice (certains modèles uniquement).

, l'effet de rotation du fluide n'est pas trop important et la longueur des pales de la turbine est également courte. Cela conduit à des pertes hydrodynamiques plus faibles et à des rendements d'étage plus élevés . Ces pompes ont les dimensions les plus petites parmi la plupart des pompes conventionnelles et sont plus adaptées aux faibles hauteurs manométriques et aux débits plus élevés.

Applications

L’une des applications les plus courantes des AFP serait le traitement des eaux usées provenant de sources commerciales, municipales et industrielles.

Dans les voiliers, les AFP sont également utilisées dans les pompes de transfert utilisées pour le ballast des voiliers . Dans les centrales électriques, elles sont utilisées pour pomper l'eau d'un réservoir, d'une rivière, d'un lac ou de la mer pour refroidir le condenseur principal. Dans l'industrie chimique, elles sont utilisées pour la circulation de grandes masses de liquide, comme dans les évaporateurs et les cristallisoirs . Dans le traitement des eaux usées , une AFP est souvent utilisée pour la recirculation interne de liqueur mixte (c'est-à-dire pour transférer la liqueur mixte nitrifiée de la zone d'aération vers la zone de dénitrification).

Dans l'agriculture et la pêche, des turbines à très grande puissance sont utilisées pour élever l'eau pour l'irrigation et le drainage. En Asie de l'Est, des millions d'unités mobiles de plus petite puissance (6 à 20 CV) sont alimentées principalement par des moteurs diesel et essence monocylindres. Elles sont utilisées par les petits agriculteurs pour l'irrigation des cultures, le drainage et la pêche. La conception des turbines s'est également améliorée, apportant encore plus d'efficacité et réduisant les coûts énergétiques de l'agriculture dans ces régions. Les premiers modèles mesuraient moins de deux mètres de long, mais ils peuvent aujourd'hui mesurer jusqu'à 6 mètres ou plus pour leur permettre d'atteindre plus en toute sécurité la source d'eau tout en permettant à la source d'énergie (souvent des tracteurs à deux roues ) d'être maintenue dans des positions plus sûres et plus stables, comme le montre l'image ci-contre.