La pompe à flux mixte à arbre entièrement réglable est un modèle de pompe de moyen et grand diamètre. Son système de réglage d'angle des pales permet de faire pivoter ces dernières et ainsi de modifier leur orientation, et donc le débit et la hauteur manométrique. Elle est principalement utilisée pour le pompage d'eau claire ou d'eaux usées légères à une température de 0 à 50 °C (avec des fluides spécifiques comme l'eau de mer et l'eau du fleuve Jaune). Elle est principalement employée dans les projets d'aménagement hydraulique, d'irrigation, de drainage et de dérivation d'eau, et notamment dans de nombreux projets nationaux tels que le projet de dérivation d'eau Sud-Nord et le projet de dérivation du Yangtsé vers la rivière Huaihe.
Les aubes des pompes axiales et à flux mixte présentent des déformations spatiales. Lorsque les conditions de fonctionnement de la pompe s'écartent du point de conception, le rapport entre la vitesse circonférentielle des bords intérieur et extérieur des aubes se rompt, ce qui entraîne une inégalité de la portance générée par les aubes (profils aérodynamiques) à différents rayons. Il en résulte une turbulence de l'écoulement d'eau dans la pompe et une augmentation des pertes de charge ; plus on s'éloigne du point de conception, plus la turbulence et les pertes de charge sont importantes. Les pompes axiales et à flux mixte ont une faible hauteur manométrique et une plage de rendement élevé relativement étroite. Toute variation de leur hauteur manométrique entraîne une réduction significative de leur rendement. Par conséquent, il est généralement impossible d'utiliser des méthodes de réglage telles que l'étranglement ou l'orientation pour modifier les performances de ces pompes en fonction des conditions de fonctionnement. De plus, le coût élevé de la régulation de vitesse explique sa rareté en pratique. Enfin, grâce à leur corps de roue plus large, les pompes axiales et à flux mixte peuvent aisément intégrer des aubes et des mécanismes de bielle permettant le réglage angulaire. Par conséquent, le réglage des conditions de fonctionnement des pompes axiales et à flux mixte adopte généralement un réglage à angle variable, ce qui permet aux pompes axiales et à flux mixte de fonctionner dans les conditions de fonctionnement les plus favorables.
Lorsque la différence de niveau d'eau entre l'amont et l'aval augmente (c'est-à-dire que la hauteur manométrique nette augmente), l'angle d'inclinaison des pales est réduit. Tout en maintenant un rendement relativement élevé, le débit d'eau est diminué afin d'éviter la surcharge du moteur. À l'inverse, lorsque la différence de niveau d'eau entre l'amont et l'aval diminue (c'est-à-dire que la hauteur manométrique nette diminue), l'angle d'inclinaison des pales est augmenté afin de solliciter pleinement le moteur et d'optimiser le débit de la pompe. En résumé, l'utilisation de pompes à arbre et à flux mixte, dont l'angle d'inclinaison des pales est variable, permet un fonctionnement optimal, évitant les arrêts inopinés et garantissant un rendement et un débit de pompage élevés.
De plus, lors du démarrage de l'unité, l'angle de positionnement des pales peut être ajusté au minimum, ce qui permet de réduire la charge de démarrage du moteur (environ 1/3 à 2/3 de la puissance nominale) ; avant l'arrêt, l'angle des pales peut être ajusté à une valeur plus faible, ce qui permet de réduire la vitesse de reflux et le volume d'eau du débit dans la pompe pendant l'arrêt, et de réduire les dommages causés par l'impact du flux d'eau sur l'équipement.
En résumé, le réglage de l'angle des pales a un impact significatif : ① un angle plus petit facilite le démarrage et l'arrêt ; ② un angle plus grand augmente le débit ; ③ un angle ajusté permet un fonctionnement plus économique du groupe de pompage. On constate ainsi que le dispositif de réglage de l'angle des pales joue un rôle relativement important dans l'exploitation et la gestion des stations de pompage de moyenne et grande taille.
Le corps principal de la pompe à flux mixte à arbre entièrement réglable se compose de trois parties : la tête de pompe, le régulateur et le moteur.
I. Tête de pompe
La vitesse spécifique de la pompe axiale à flux mixte entièrement réglable est de 400 à 1 600 tr/min (contre 700 à 1 600 tr/min pour une pompe axiale classique), et la hauteur manométrique générale est de 0 à 30,6 m. La hauteur manométrique est principalement composée du tube d'aspiration (avec joint de dilatation), des éléments du rotor, de la chambre de la roue, du corps de la roue directrice, du siège de pompe, du coude, de l'arbre, des garnitures, etc. Présentation des composants clés :
1. Le rotor est l'élément central de la tête de pompe. Il se compose de pales, d'un corps de rotor, d'une bielle inférieure, d'un roulement, d'un bras de manivelle, d'un bâti, d'une bielle et d'autres pièces. Après l'assemblage, un test d'équilibrage statique est effectué. Les pales sont de préférence en acier ZG0Cr13Ni4Mo (dureté élevée et bonne résistance à l'usure) et usinées par commande numérique (CNC). Les autres pièces sont généralement en acier ZG.
2. Les composants de la chambre de la turbine sont ouverts en leur centre, fixés par des boulons et positionnés par des goupilles coniques. Le matériau utilisé est de préférence de l'acier zingué massif, et certaines pièces sont en acier zingué recouvert d'acier inoxydable (cette solution est complexe à fabriquer et sujette aux défauts de soudure ; il convient donc de l'éviter autant que possible).
3. Corps de la roue directrice. La pompe à réglage complet étant généralement une pompe de moyenne à grande taille, la complexité de la fonderie, le coût de fabrication et d'autres aspects sont pris en compte. Le matériau privilégié est généralement l'acier ZG+Q235B. La roue directrice est moulée d'une seule pièce et la bride du corps est en tôle d'acier Q235B. Les deux sont soudés puis usinés.
4. Arbre de pompe : La pompe à réglage complet est généralement constituée d’un arbre creux muni de brides à ses deux extrémités. Le matériau utilisé est de préférence de l’acier forgé 45 avec un revêtement en acier 30Cr13. Le revêtement au niveau du palier de guidage d’eau et du remplissage sert principalement à accroître la dureté et à améliorer la résistance à l’usure.
II. Présentation des principaux composants du régulateur
De nos jours, le régulateur hydraulique d'angle de lame intégré est le plus répandu sur le marché. Il se compose principalement de trois parties : un corps rotatif, un couvercle et un boîtier d'affichage de commande.
1. Corps rotatif : Le corps rotatif est composé d'un siège de support, d'un cylindre, d'un réservoir de carburant, d'un groupe hydraulique, d'un capteur d'angle, d'une bague collectrice d'alimentation, etc.
L'ensemble du corps rotatif est placé sur l'arbre du moteur principal et tourne de manière synchrone avec celui-ci. Il est boulonné sur le dessus de l'arbre du moteur principal à travers la bride de fixation.
La bride de fixation est reliée au siège de support.
Le point de mesure du capteur d'angle est installé entre la tige de piston et le manchon de la biellette de direction, et le capteur d'angle est installé à l'extérieur du cylindre de carburant.
La bague collectrice d'alimentation est installée et fixée sur le couvercle du réservoir de carburant, et sa partie rotative (rotor) tourne de manière synchrone avec le corps rotatif. L'extrémité de sortie du rotor est reliée à l'unité de puissance hydraulique, au capteur de pression, au capteur de température, au capteur d'angle et au contacteur de fin de course ; la partie stator de la bague collectrice d'alimentation est reliée à la vis d'arrêt du couvercle, et la sortie du stator est reliée à la borne du couvercle du régulateur ;
La tige de piston est boulonnée à la biellette de direction de la pompe à eau.
Le groupe hydraulique se trouve à l'intérieur du réservoir de carburant et fournit l'énergie nécessaire au fonctionnement du cylindre de carburant.
Deux anneaux de levage sont installés sur le réservoir d'huile pour être utilisés lors du levage du régulateur.
2. Couvercle (également appelé corps fixe) : Il se compose de trois parties. La première est le couvercle extérieur ; la deuxième, le couvercle intérieur ; la troisième, la fenêtre d’observation. Le couvercle extérieur est fixé sur le couvercle extérieur du moteur principal et recouvre le corps rotatif.
3. Boîtier du système d'affichage de commande (voir figure 3) : Il comprend un automate programmable, un écran tactile, un relais, un contacteur, une alimentation CC, un bouton rotatif, un voyant lumineux, etc. L'écran tactile affiche l'angle de pale actuel, le temps, la pression d'huile et d'autres paramètres. Le système de commande offre deux modes : commande locale et commande à distance. Le passage d'un mode à l'autre s'effectue à l'aide du bouton rotatif à deux positions situé sur le boîtier du système d'affichage de commande (ci-après dénommé « boîtier d'affichage de commande »).
3. Comparaison et sélection des moteurs synchrones et asynchrones
A. Avantages et inconvénients des moteurs synchrones
Avantages :
1. L'entrefer entre le rotor et le stator est important, et l'installation et le réglage sont aisés.
2. Fonctionnement fluide et forte capacité de surcharge.
3. La vitesse ne change pas en fonction de la charge.
4. Haute efficacité.
5. Le facteur de puissance peut être amélioré. De la puissance réactive peut être fournie au réseau électrique, améliorant ainsi sa qualité. De plus, lorsque le facteur de puissance est ajusté à 1 ou à une valeur proche, l'intensité indiquée par l'ampèremètre diminue car la composante réactive du courant est réduite, ce qui est impossible pour les moteurs asynchrones.
Inconvénients :
1. Le rotor doit être alimenté par un dispositif d'excitation dédié.
2. Le coût est élevé.
3. La maintenance est plus compliquée.
B. Avantages et inconvénients des moteurs asynchrones
Avantages :
1. Le rotor n'a pas besoin d'être connecté à d'autres sources d'alimentation.
2. Structure simple, poids léger et faible coût.
3. Entretien facile.
Inconvénients :
1. La puissance réactive doit être prélevée sur le réseau électrique, ce qui détériore la qualité de ce dernier.
2. L'entrefer entre le rotor et le stator est faible, et l'installation et le réglage sont difficiles.
C. Sélection des moteurs
Le choix des moteurs d'une puissance nominale de 1000 kW et d'une vitesse nominale de 300 tr/min doit être déterminé sur la base de comparaisons techniques et économiques en fonction des circonstances spécifiques.
1. Dans le secteur de la gestion de l'eau, lorsque la puissance installée est inférieure à 800 kW, on privilégie les moteurs asynchrones. Lorsque la puissance installée est supérieure à 800 kW, on privilégie les moteurs synchrones.
2. La principale différence entre les moteurs synchrones et les moteurs asynchrones est qu'il y a un enroulement d'excitation sur le rotor et qu'un écran d'excitation à thyristors doit être configuré.
3. Le service de distribution d'électricité de mon pays exige que le facteur de puissance au niveau du réseau électrique de l'utilisateur soit supérieur à 0,90. Les moteurs synchrones, grâce à leur facteur de puissance élevé, satisfont à cette exigence ; en revanche, les moteurs asynchrones, avec leur faible facteur de puissance, ne peuvent y répondre et nécessitent une compensation de puissance réactive. Par conséquent, les stations de pompage équipées de moteurs asynchrones doivent généralement être dotées de dispositifs de compensation de puissance réactive.
4. La structure des moteurs synchrones est plus complexe que celle des moteurs asynchrones. Lorsqu'un projet de station de pompage doit prendre en compte la production d'énergie et la modulation de phase, il est nécessaire de choisir des moteurs synchrones.
Pompes axiales à flux mixte entièrement réglablessont largement utilisés dans les unités verticales (ZLQ, HLQ, ZLQK), les unités horizontales (inclinées) (ZWQ, ZXQ, ZGQ) et peuvent également être utilisés dans les unités LP à faible hauteur de levage et à grand diamètre.
Date de publication : 18 octobre 2024