BE1021195B1 - Protection contre poussee inverse pour une pompe a immersion - Google Patents
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Abstract
Protection contre poussée inverse pour une pompe à immersion. Pompe à immersion (2) comprenant une ou plusieurs roues à ailettes (15) caractérisé en ce que au moins une roue à ailettes est munie d'une bague de protection (16) afin de réduire la friction causée par la poussée inverse générée par la pompe à immersion (2) même.
Description
Protection contre poussée inverse pour une pompe à immersion. L'invention concerne une pompe à immersion utilisée pour monter l'eau d'un puits d'eau souterraine ou d'une citerne d'eau de pluie par exemple.
Plus particulièrement il s'agit d'une pompe à immersion qui est composée de plusieurs unités rotatives superposées l'une sur l'autre tenues par des tirants métalliques et actionnées par un arbre moteur qui coïncide avec l'axe longitudinal du tube cylindrique qui est entraîné par un moteur électrique en dessous des unités rotatives.
Chaque unité rotative est composée d'une roue à ailettes dont la rotation propulse l'eau dans une chambre fixe de forme circulaire à partir de l'entrée de la chambre du côté inférieur de l'unité rotative vers la sortie de la chambre circulaire du côté supérieur de l'unité rotative.
La sortie de l'unité rotative est liée à l'entrée de l'unité rotative supérieure, de sorte que les unités rotatives forment une cascade de pompes, poussant l'eau dans une direction inverse à la gravité avec une force multipliée.
Il y a deux forces qui agissent sur l'axe de la pompe à immersion. La première force est la force axiale (Fax) qui est dirigée vers le moteur en dessous et la deuxième force est la force poussée inverse (FPi) qui est dirigée dans le sens inverse à la force axiale.
La force axiale Fax est fonction de la différence de pression entre l'entrée de l'unité rotative et de la sortie et en plus de la surface d'entrée de cette même unité rotative. La surface d'entrée de l'unité rotative est fixe, mais fonction du type de pompe. D'autre part, la différence de pression est variable et dépend du point de fonctionnement.
Comme l'unité rotative subit une pression axiale maximale à un débit de 0 m3/h, cette force Fax est la plus importante à ce point de fonctionnement. D'autre part, si le débit d'eau augmente, la pression que l'unité rotative donne diminue. A très grand débit l'unité rotative ne donne presque plus de pression et par conséquence, la force axiale Fax devient négligeable.
La force poussée inverse FPi est uniquement fonction du débit qui est pompé. En effet, l'eau entre axialement dans l'unité rotative et sort de cette même unité radialement ou semi-axialement dépendant de la construction. La roue de l'unité rotative est donc poussée vers le haut. A un débit de 0 m3/h cette force n'existe pas, mais quand le débit d'eau augmente, la force poussée inverse monte avec un maximum à très grand débit.
La force Fax est plus grande que la force Fpi pour un débit de 0 m3/h jusqu'un débit de +/- 30% supérieur au débit nominal de la pompe. Pour les débits supérieurs de ce dernier point de fonctionnement, la force Fpi devient plus importante que la force Fax.
Comme la connexion entre l'axe cannelé du moteur et accouplement/axe de la partie hydraulique est axialement libre, les roues des unités rotatives dans la pompe sont poussées vers le haut dès que FPi > Fax. La connexion entre axe moteur et axe hydraulique suit pour les pompes à immersion la norme Américaine NEMA.
Par conséquence, il se posent deux problèmes : d'abord la roue frotte contre le diffuseur qui se trouve au-dessus. Cette friction fait monter la puissance absorbée par la pompe avec un surcharge du moteur comme résultat.
Simultanément, la friction provoque une usure mécanique sur l'unité rotative et le bas du diffuseur. Par conséquence, la poussée inverse endommage très vite la partie hydraulique de la pompe.
Le deuxième problème posé est que la roue à ailettes est physiquement sortie de son joint d'étanchéité avec une chute de rendement comme résultat. L'invention a pour but d'éviter les problèmes susdits et de procurer une pompe à immersion dont la construction est très simple et dont la durée de la vie est sensiblement prolongée.
Ce but est atteint selon l'invention par le montage d'une protection contre la poussée inverse dans l'hydraulique de la pompe. A cette fin, cette invention concerne une pompe à immersion comprenant une ou plusieurs roues à ailettes ayant au moins une roue à ailettes qui est munie d'une bague de protection afin de réduire la friction causée par la poussée inverse générée par la pompe à immersion même.
De préférence, la bague de protection se trouve entre la roue à ailettes et le diffuseur supérieur contre lequel la roue à ailettes est pressée par la poussée inverse de la pompe.
De préférence, la bague de protection avec une friction minimale est exécutée dans une matière qui a des propriétés lubrifiantes et résistantes à la dégradation mécanique, comme la matière polytétrafluoréthylène (PTFE) avec 30 % de fibre de verre.
La bague de protection augmente le rendement de la pompe à immersion, comme illustré dans les graphiques des figures 7 et 8, et réduit la friction de la roue à ailettes permettant d'augmenter la durée de vie de la pompe à immersion.
Il est évident que la bague de protection peut être exécutée ayant des dimensions adaptées à la taille et le type de la pompe à immersion concernée.
Il est aussi évident que la pompe à immersion munie d'une bague de protection peut aussi être apte à pomper d'autres liquides que l'eau.
Pour plus de clarté, quelques exemples de réalisation d'une pompe à immersion selon l'invention sont décrits ci-après à titre illustratif et non restrictif, référence étant faite aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une coupe selon l'axe longitudinal d'une pompe à immersion selon l’invention; la figure 2 représente une vue explosée de la figure 1; la figure 3 est un détail F3 de la figure 2, à plus grande échelle; la figure 4 est une coupe schématique selon l'axe longitudinal de deux unités rotatives superposées montrant les forces hydrauliques en jeu; la figure 5 est une coupe selon l'axe longitudinal d'une variation de la figure 1 ayant une section doublée ; la figure 6 est un détail F6 de la figure 5, à plus grande échelle ; la figure 7 compare graphiquement le rapport entre la hauteur de la colonne d'eau et le débit de pompage avec et sans bague de protection selon l'invention; la figure 8 compare graphiquement le rapport entre le rendement de pompage et le débit de pompage avec et sans bague de protection selon l'invention.
Dans la figure 1 est représenté une coupe 1 selon l'axe longitudinal d'une pompe à immersion 2, comprenant un moteur électrique 3, qui entraîne avec son bras moteur 4 les roues des unités rotatives 5, 5', 5'' superposées l'une sur l'autre tenues par les tirants métalliques 6. L'assemblée des unités rotatives est pourvu d'ouvertures 7 à son extrémité inférieure pour laisser entrer l'eau dans la pompe à travers des filtres 8 à retenir des particules solides avant que l'eau passe à travers les unités rotatives 5 en commençant par l'unité inférieure 5 et en sortant par l'unité supérieure 5''.
Dans la figure 2 une vue explosée de la figure 1 montre en détail les composants de la pompe à immersion à savoir le pied 9 posé sur le moteur 3 à immersion, la crépine 10 qui sert à filtrer l'eau entrante, l'accouplement 11 pour lier le bras moteur 4 au moteur 3 entraînant l'axe rotatif des unités rotatives 5 dont les composants F3 sont représentés plus en détail dans la figure 3.
La figure 3 montre l'espaceur 12, le premier diffuseur 13 et le joint d'étanchéité 14 qui supporte la roue à ailettes 15. Au dessus de la roue à ailettes 15 se trouve la bague de protection 16 contre poussée inverse selon l'invention. Au dessus de cette bague de protection 16 se trouve le diffuseur supérieur 13', faisant partie de l'unité rotative supérieure de composition analogue à l'unité rotative inférieure et la superposition d'unités rotatives peut se répéter jusqu'une dizaine d'unités ou plus formant une cascade de pompes tenue par les tirants métalliques 6.
Dans la figure 4, une coupe schématique selon l'axe longitudinal de deux unités rotatives 5, 5' superposées montre les forces hydrauliques opposées en jeu, étant la force axiale (Fax) 18 qui est dirigée vers le moteur en dessous des tirants métalliques 6 tenant les unités rotatives 5, 5' et la deuxième force étant la force poussée inverse (FPi) 19 qui est dirigée dans le sens opposé à la force axiale.
La figure 5 est une coupe selon l'axe longitudinal d'une variation de la figure 1 dont la section perpendiculaire aux tirants métalliques 6 est le double de celle de la figure 1, montrant que d'autres formes d'exécution sont possibles, dans ce cas-ci pour obtenir un débit plus élevé, dont certains composants sont représentés plus en détail dans la figure 6.
La figure 6 montre une partie F6 de la coupe selon l'axe longitudinal d'une variation de la figure 5, montrant la roue à ailettes 15 qui dans ce cas-ci porte des ailettes de modèle et de dimensions différentes, mais qui peut porter tout aussi bien une bague de protection 16 selon l'invention dont les dimensions sont adaptées à cette variation.
La figure 7 compare de façon graphique le rapport entre la hauteur H de la colonne d'eau en mètres et le débit de pompage en m3/h avec ou sans bague de protection 16. La courbe 20 avec bague de protection 16 montre que le débit avec bague de protection dépasse le débit de la courbe 21 sans bague de protection et donne donc un rendement supérieur.
La figure 8 compare graphiquement le rapport entre le rendement de pompage η en pourcent (%) et le débit de pompage en m3/h avec et sans bague de protection 16 selon l'invention. La courbe 22 avec bague de protection 16 montre que le rendement avec bague de protection dépasse le rendement de la courbe 23 sans bague de protection.
Le fonctionnement de la pompe à submersion selon l'invention est très simple et comme ce qui suit.
La pompe est munie d'une bague de protection 16 selon l'invention seulement dans l'unité rotative inférieure 5 des unités rotatives superposées.
Quand la pompe est submergée dans l'eau une force axiale (Fax) 18 est subie dans la pompe qui est fonction de la différence de pression entre l'entrée de la roue à ailettes 15 et de sa sortie. Cette force est le plus important quand la pompe ne fonctionne pas encore et le débit d'eau est zéro. Progressivement cette force diminue quand le débit d'eau augmente quand la pompe fonctionne, pour devenir négligeable à un très grand débit.
La force poussée inverse (FPi) 19 est uniquement fonction du débit de pompage et la roue à ailettes est poussée vers le haut avec une force maximale au débit maximal, et dépasse la force axiale opposée déjà à partir d'environ 30 % du débit nominal de la pompe. Dès ce moment la roue à ailettes 15 frotte contre le diffuseur 13' qui se trouve au-dessus et cause une surcharge du moteur 3. En même temps la friction provoque une usure mécanique sur la roue à ailettes 15 et le bas du diffuseur 13' ce qui mène à l'endommagement de la partie hydraulique de la pompe. En plus, la roue à ailettes 15 peut physiquement être sorti de son joint d'étanchéité 14 ce qui mène à une dégradation supplémentaire du rendement de pompage.
La présence d'une bague de protection 16 selon l'invention pour protéger la roue à ailettes 15 dans l'unité rotative inférieure suffit pour absorber cette force poussée inverse (FPi) 19 comme la matière en laquelle cette bague de protection est exécuté a des propriétés lubrifiantes et résistantes à la dégradation mécanique.
En général il suffit de munir d'une telle bague de protection seulement la roue à ailettes 15 dans l'unité rotative inférieure 5 comme elle est capable d'absorber ces forces et de protéger ainsi aussi les unités rotatives superposées.
Pour certaines variations de haute capacité il est souhaitable d'équiper plusieurs unités rotatives inférieures avec une telle bague de protection 16 comme la force poussée inverse 19 devient plus importante. Dans ces cas deux ou trois bagues de protection peuvent être nécessaires pour protéger une pompe à submersion de ce type cascadé.
Il est évident que l'invention n'est nullement limitée aux exemples décrits ci-avant mais que de nombreuses modifications peuvent être apportées à une pompe à submersion décrite ci-avant sans sortir du cadre de l'invention telle que définie dans les revendications suivantes.
Claims (8)
- Revendications .1. - Pompe à immersion (2) comprenant une ou plusieurs roues à ailettes (15) caractérisée en ce qu'au moins une roue à ailettes est munie d'une bague de protection (16) afin de réduire la friction causée par la poussée inverse générée par la pompe à immersion même.
- 2. - Pompe à immersion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bague de protection (16) se trouve entre la roue à ailettes (15) et le diffuseur (13') supérieur contre lequel la roue à ailettes (15) est pressée par la poussée inverse de la pompe à immersion (2).
- 3. - Pompe à immersion selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la bague de protection (16) est exécutée en une matière qui a des propriétés lubrifiantes et résistantes à la dégradation mécanique.
- 4. - Pompe à immersion selon la revendication 3, caractérisée en ce que cette matière est le polytétrafluoréthylène (PTFE) avec 30 % de fibre de verre.
- 5. - Pompe à immersion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bague de protection (16) augmente le rendement de la pompe à immersion.
- 6. - Pompe à immersion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bague de protection (16) augmente la durée de vie de la pompe à immersion.
- 7, - Pompe à immersion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bague de protection (16) a des dimensions adaptées à la taille et le type de la pompe concernée.
- 8. - Pompe à immersion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pompe à immersion (2) est apte pour pomper de l'eau mais aussi d'autres liquides.
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| DE895102C (de) * | 1951-11-13 | 1953-10-29 | Siemens Ag | Vorrichtung zum Ausgleich des Axialschubes bei Kreiselpumpen, insbesondere bei elektrisch angetriebenen Tauchpumpen |
| US2887062A (en) * | 1954-07-01 | 1959-05-19 | Westinghouse Electric Corp | Motor pump unit |
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2014
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