L'équilibrage des forces axiales dans les pompes centrifuges multicellulaires est une technologie essentielle pour garantir un fonctionnement stable. Du fait de la disposition en série des roues, les forces axiales s'accumulent considérablement (jusqu'à plusieurs tonnes). Un équilibrage inadéquat peut entraîner une surcharge des paliers, une détérioration des joints d'étanchéité, voire une panne de l'équipement. Vous trouverez ci-dessous les méthodes courantes d'équilibrage des forces axiales, ainsi que leurs principes, avantages et inconvénients.
1.Disposition symétrique des turbines (dos à dos / face à face)
Dans la conception du dispositif d'équilibrage des forces axiales des pompes centrifuges modernes, le nombre d'étages de la roue est généralement pair. En effet, avec un nombre pair d'étages, la répartition symétrique des roues permet d'équilibrer les forces axiales de l'équipement. Ainsi, les forces axiales générées par les roues, réparties symétriquement, sont égales en magnitude et de sens opposé en fonctionnement, assurant un état d'équilibre macroscopique. Lors de la conception, il convient de veiller à ce que le diamètre du rétrécissement d'étanchéité en amont de l'entrée de la roue inverse soit adapté à celui de cette dernière afin de garantir une étanchéité optimale.
●PrincipeLes turbines adjacentes sont disposées dans des directions opposées de sorte que leurs forces axiales s'annulent mutuellement.
●Dos à dosDeux jeux de turbines sont installés symétriquement autour du milieu de l'arbre de la pompe.
●Face à faceLes hélices sont disposées face à l'intérieur ou à l'extérieur selon une configuration symétrique.
●AvantagesAucun appareil supplémentaire requis ; structure simple ; efficacité d'équilibrage élevée (plus de 90 %).
●InconvénientsConception complexe du corps de pompe ; optimisation difficile du circuit d’écoulement ; applicable uniquement aux pompes à nombre pair d’étages.
●ApplicationsPompes d'alimentation de chaudières haute pression, pompes multicellulaires pétrochimiques.
2. Tambour d'équilibrage
La structure du tambour d'équilibrage (également appelé piston d'équilibrage) ne présente pas un jeu axial réduit, ce qui permet de compenser la majeure partie de la poussée axiale, mais pas la totalité. De plus, aucune compensation supplémentaire n'est prévue lors des déplacements en position axiale, et des butées à billes sont généralement nécessaires. Cette conception induit une recirculation interne (fuite interne) plus importante, mais offre une meilleure tolérance aux démarrages, aux arrêts et aux autres variations de régime.
●PrincipeUn tambour cylindrique est installé après la roue du dernier étage. Le fluide à haute pression s'infiltre par l'espace entre le tambour et le carter dans une chambre à basse pression, générant une force de réaction.
● Aavantages: Forte capacité d'équilibrage, adaptée aux pompes haute pression à plusieurs étages (par exemple, plus de 10 étages).
●InconvénientsLes pertes par fuite (environ 3 à 5 % du débit) réduisent l'efficacité. Cela nécessite des conduites d'équilibrage supplémentaires ou des systèmes de recirculation, ce qui complexifie la maintenance.
●Applications: Grandes pompes centrifuges multicellulaires (par exemple, pompes pour pipelines longue distance).
3.Disque d'équilibrage
Dans la conception des dispositifs d'équilibrage de la force axiale des pompes centrifuges multicellulaires modernes, la méthode du disque d'équilibrage est couramment utilisée. Elle peut être ajustée en fonction des exigences de production. La force d'équilibrage est principalement générée par la section transversale entre le jeu radial et le jeu axial du disque, et partiellement par le jeu axial et le rayon extérieur de ce dernier. Ces deux forces d'équilibrage contribuent à compenser la force axiale. Comparée à d'autres méthodes, la méthode du plateau d'équilibrage présente l'avantage d'un diamètre plus important et d'une sensibilité accrue, ce qui améliore la stabilité de fonctionnement de l'équipement. Cependant, en raison du faible jeu axial, cette conception est sensible à l'usure et aux dommages en régime transitoire.
●PrincipeUn disque mobile est installé après la roue du dernier étage. La différence de pression de part et d'autre du disque ajuste dynamiquement sa position pour compenser la force axiale.
●Avantages: S'adapte automatiquement aux variations de force axiale ; haute précision d'équilibrage.
●InconvénientsLe frottement provoque une usure, nécessitant un remplacement périodique. Sensible à la propreté du fluide (les particules peuvent bloquer le disque).
●Applications: Pompes à eau claire multicellulaires de première génération (remplacées progressivement par des tambours d'équilibrage).
4.Combinaison tambour et disque d'équilibrage
Comparativement à la méthode à plaque d'équilibrage, la méthode à tambour à plaque d'équilibrage diffère par le fait que la taille de sa bague d'étranglement est supérieure à celle du moyeu de la roue, tandis que pour le disque d'équilibrage, la taille de la bague d'étranglement doit correspondre à celle du moyeu. De manière générale, dans la conception d'un tambour à plaque d'équilibrage, la force d'équilibrage générée par la plaque représente plus de la moitié de la force axiale totale, pouvant atteindre jusqu'à 90 %, le reste étant principalement assuré par le tambour. Par ailleurs, une augmentation modérée de la force d'équilibrage du tambour permet de réduire d'autant celle de la plaque d'équilibrage, et donc la taille de cette dernière. Ceci diminue l'usure de la plaque, prolonge la durée de vie des pièces et garantit le bon fonctionnement de la pompe centrifuge multicellulaire.
●PrincipeLe tambour supporte la majeure partie de la force axiale, tandis que le disque ajuste avec précision la force résiduelle.
●AvantagesAlliant stabilité et adaptabilité, convient aux conditions de fonctionnement variables.
●InconvénientsStructure complexe ; coût plus élevé.
●Applications: Pompes industrielles haute performance (par exemple, pompes de refroidissement de réacteurs nucléaires).
5. Paliers de butée (équilibrage auxiliaire)
●PrincipeLes roulements à billes à contact oblique ou les roulements Kingsbury absorbent la force axiale résiduelle.
●Avantages: Solution de secours fiable pour les autres méthodes d'équilibrage.
●InconvénientsNécessite une lubrification régulière ; durée de vie plus courte sous des charges axiales élevées.
●Applications: Pompes multicellulaires de petite à moyenne taille ou pompes à grande vitesse.
6. Conception de la turbine à double aspiration
●PrincipeUne turbine à double aspiration est utilisée au premier étage ou à un étage intermédiaire, équilibrant la force axiale grâce à un flux d'entrée bilatéral.
●Avantages: Équilibrage efficace tout en améliorant les performances de cavitation.
●Inconvénients: N'équilibre que la force axiale à un seul étage ; d'autres méthodes sont nécessaires pour les pompes à plusieurs étages.
7. Trous d'équilibrage hydraulique (trous de la plaque arrière de la turbine)
●PrincipeDes trous sont percés dans la plaque arrière de la turbine, permettant au fluide haute pression de recirculer vers la zone basse pression, réduisant ainsi la force axiale.
●AvantagesSimple et peu coûteux.
●Inconvénients: Réduit l'efficacité de la pompe (~2–4%).Convient uniquement aux applications à faible force axiale ; nécessite souvent des paliers de butée supplémentaires.
Comparaison des méthodes d'équilibrage des forces axiales
| Méthode | Efficacité | Complexité | Coût d'entretien | Applications typiques |
| Roues symétriques | ★★★★★ | ★★★ | ★★ | Pompes haute pression à étages constants |
| Tambour d'équilibrage | ★★★★ | ★★★★ | ★★★ | Pompes multicellulaires à haute pression |
| Disque d'équilibrage | ★★★ | ★★★★ | ★★★★ | Fluides propres, charges variables |
| Combinaison batterie + disque | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★ | Conditions extrêmes (nucléaire, militaire) |
| paliers de butée | ★★ | ★★ | ★★★ | Équilibrage des forces axiales résiduelles |
| Turbine à double aspiration | ★★★★ | ★★★ | ★★ | Premier ou stade intermédiaire |
| trous d'équilibrage | ★★ | ★ | ★ | Petites pompes basse pression |
Date de publication : 29 mars 2025