Pompe centrifuge : du dimensionnement hydraulique à l’assemblage CAO
À partir d’un point de fonctionnement défini, j’ai réalisé le dimensionnement hydraulique, l’assemblage 3D et les plans de fabrication d’une pompe centrifuge monocellulaire. Le projet relie les calculs aux études détaillées dans Solid Edge.
État du projet : Dimensionnement hydraulique, CAO et plans terminés ; aucun prototype, calcul CFD ni essai de performances à ce jour.
Besoin initial
Il s’agissait de dimensionner et détailler une pompe monocellulaire à partir d’un point de fonctionnement. Débit, hauteur et vitesse de rotation relient les exigences hydrauliques à la géométrie obtenue.
Ma contribution
J’ai réalisé les calculs hydrauliques dans Excel selon la méthode de Gülich, puis transféré les résultats dans un modèle Solid Edge : modélisation des composants, assemblage, plans et nomenclatures.
Hydraulique : du point de fonctionnement à la roue et à la volute
Le calcul Excel relie le point de fonctionnement aux dimensions et angles de la roue. Ces grandeurs définissent le contour méridien, les courbes 3D des aubes et les sections de la volute.
L’enregistrement montre une version de travail avec des références de cellules non résolues. Les explications distinguent les données imposées, les hypothèses et les résultats calculés.
Point de fonctionnement et paramètres initiaux
Le dimensionnement part d’un débit de 85 m³/h, d’une hauteur de 38 m et d’une vitesse de 2 900 min⁻¹. La masse volumique de l’eau est fixée à 1 000 kg/m³. La vitesse spécifique métrique nq vaut environ 29.12 et la puissance hydraulique environ 8.81 kW. La hauteur est une donnée de conception ; aucune courbe mesurée n’est disponible à ce stade.
- Débit Q
- 85 m³/h
- Hauteur H
- 38 m
- Vitesse de rotation n
- 2 900 min⁻¹
- Vitesse spécifique nq
- 29,12
Du débit aux dimensions de la roue
Une marge initiale pour les fuites internes est ajoutée au débit traversant la roue. Avec 5.5%, le débit interne atteint environ 89.68 m³/h. Le diamètre d’entrée, le moyeu et la section libre sont étudiés ensemble. Dans le dimensionnement présenté, d1 est d’environ 85.04 mm ; le diamètre de sortie retenu est de 210 mm et la largeur de sortie de 17.85 mm.
Le calcul utilise six aubes, un angle métallique de sortie de 16° et des modèles de blocage, de glissement et de rendement hydraulique. Ces paramètres influencent ensemble vitesses et hauteur. Une valeur isolée ne remplace donc pas l’évaluation du dimensionnement complet.
Angles d’entrée et géométrie tridimensionnelle des aubes
À l’entrée, la vitesse périphérique et l’écoulement varient sur la largeur du canal. Moyeu, ligne de courant moyenne et flasque sont donc étudiés séparément. Le rapport entre la vitesse méridienne cm1 et la vitesse périphérique u1 détermine l’angle d’écoulement, auquel on ajoute ici une incidence de 2°. Les angles métalliques d’entrée obtenus sont d’environ 40.82° au moyeu, 33.40° à mi-hauteur et 27.30° au flasque.
Chacun des trois contours méridiens est divisé en dix segments. L’angle d’aube varie de l’entrée à la sortie. La longueur et l’angle local donnent un déplacement circonférentiel qui, avec le rayon, détermine l’incrément angulaire de la courbe projetée. Les points calculés relient ainsi l’hydraulique à la surface 3D de l’aube en CAO.
Δu = Δm / tan(β) · Δε = Δu / r
Débits de fuite et rendement volumétrique
Un calcul séparé considère les fuites dans le jeu annulaire et dans six trous d’équilibrage de 4 mm. Différence de pression, géométrie du jeu et frottement sont couplés. Le nombre de Reynolds, le coefficient de frottement et la vitesse sont actualisés par étapes successives.
Le modèle donne environ 2.26 m³/h dans le jeu et 2.30 m³/h dans les trous. Avec le débit utile, cela représente environ 89.56 m³/h en interne et un rendement volumétrique calculé de 94.9%. Il s’agit d’un résultat sous hypothèses, pas d’un rendement mesuré.
Dimensionnement de la volute
La volute collecte le débit sortant de la roue sur sa circonférence. Une vitesse choisie d’environ 9.57 m/s conduit, dans ce modèle, à une section totale de référence d’environ 2 468 mm². Un rapport largeur/hauteur de 1 donne environ 49.68 mm dans chaque direction.
La feuille « 12.28 » répartit la section autour de la circonférence par pas de 30°. Avec Aε = (ε/360°) A360 la section attribuée augmente avec la part de débit collectée. La hauteur et le rayon extérieur sont déduits de la largeur choisie. Un décalage angulaire de 12.28° et des corrections géométriques complètent le placement des sections pour la CAO.
Prédimensionnement de l’arbre et comportement à l’aspiration
La feuille « ShaftDiameter » relie puissance hydraulique, puissance d’arbre et couple par un rendement supposé. Avec 0.77, on obtient environ 11.44 kW et 37.66 Nm. Flexion supposée, facteurs de charge et sécurité conduisent à un diamètre initial d’environ 25.86 mm ; 30 mm sont ensuite retenus. Ce prédimensionnement ne constitue pas une analyse complète de fatigue ou de déformation.
Le calcul estime aussi le NPSHR à partir d’une vitesse spécifique d’aspiration choisie. Environ 3.92 m constituent une estimation de conception. NPSHA = 8 m est indiqué dans la feuille. L’installation d’aspiration réelle et les essais ultérieurs nécessitent une évaluation distincte.
Des résultats calculés à la géométrie des aubes
J’ai divisé la ligne moyenne de l’aube en dix segments et fait varier l’angle entre l’entrée et la sortie. Le profil a d’abord été construit sur le contour du moyeu puis étendu au flasque. Le projet montre ainsi la traduction des grandeurs hydrauliques en géométrie tridimensionnelle.
Concevoir un système cohérent
Les vues assemblées et éclatées montrent l’articulation entre corps, roue, arbre et composants associés. Les coupes révèlent l’agencement interne. La mise en plan relie la CAO à la préparation de fabrication.
Résultat et état du développement
Calcul hydraulique, assemblage 3D et plans sont disponibles. La géométrie reste un premier dimensionnement détaillé. L’angle d’enroulement relativement élevé nécessite notamment une étude hydraulique complémentaire. Aucun prototype, résultat CFD ni courbe mesurée n’est encore disponible.
Ce que démontre le projet
Le projet met en relation calculs, CAO et documentation tout au long de la conception. Ce stade permet un échange technique sur le dimensionnement ; la vérification expérimentale des performances constitue une étape ultérieure.
