thumb|Figure 1: Pompe centrifuge utilisée en vinification. vignette|Figure 2: Pompe centrifuge de type Râteau à arbre horizontal Une pompe centrifuge est une machine rotative qui pompe un liquide en le forçant au travers d’une roue à aubes ou d'une hélice appelée impulseur (souvent nommée improprement turbine). C’est le type de pompe industrielle le plus commun. Par l’effet de la rotation de l’impulseur, le fluide pompé est aspiré axialement dans la pompe, puis accéléré radialement, et enfin refoulé tangentiellement.
Histoire L’idée même de la pompe centrifuge est difficile à dater. On a pu créditer Denis Papin d'en avoir fabriqué une des premières au voir liste d'inventions françaises 1689, mais des machines similaires bien plus anciennes ont été décrites : certains historiens des sciences désignent le peintre et ingénieur florentin Léonard de Vinci comme son inventeur à l'orée du dans le cadre de ses recherches sur l'assèchement des marais, .. En 1735, M. Le Demour invente une pompe basée sur ce principe pour être utilisée dans les jardins du roi.
Cependant ces inventions demeurent sans lendemain, et il faut attendre la seconde moitié du pour voir apparaître ce type de machine autrement que par des prototypes.
La seconde moitié du voit le démarrage de l'utilisation des pompes centrifuges (Angleterre - Allemagne). Plusieurs modèles sont présentés à la grande exposition universelle de Londres en 1851. Cependant l'utilisation des pompes volumétriques alternatives restera la règle dans l'industrie du .
L'essor de la machine centrifuge accompagne celui de l'utilisation des moteurs électriques auxquels elle est particulièrement adaptée, puisqu'elle ne requiert aucune pièce intermédiaire de transformation du mouvement: la pompe centrifuge est un enfant du .
Dès 1902, la maison Sulzer Frères avait donné, à la suite d'un appel d'offres, une solution pratique dans l'installation d'accumulation de Ruppoldingen en Suisse, qui forme un établissement complémentaire des usines électriques situées au fil de l'Aar, dans le Canton d'ArgovieL'Éclairage électrique - volume 44 - page 338 (1905). La pompe rejetait de l'eau la nuit dans un bassin situé en amont, pour produire supplémentaires le jourHistoire de l'énergie hydraulique : moulins, pompes, roues et turbines de l'Antiquité au siècle, page 179, par Pierre-Louis Viollet, Presse des ponts, 2005. La même technique est utilisée dans l'usine suisse de Porrenlruy en 1910Jules Blondin, dans La Revue électrique - Volume 10 (1908).
La société d'Auguste Rateau, fondée en 1903, met en œuvre au barrage de la Girotte une pompe qui vient compléter celle de Sulzer Frères installée en 1921 ou 1922. Cette pompe centrifuge remonte Classiquement la rotation aspire axialement l'eau dans la pompe et l'accélère radialement pour la refouler plus haut dans la retenue d'eau d'où elle venait et d'où elle redescendra une seconde fois dans les turbines, produisant une seconde fois une puissance électrique, ce qui n'a d'intérêt que lors d'une courte pénurie sur le réseau, face à un pic de demande et un creux de la production des autres centrales. Ainsi, en 1925, cette installation de pompage-turbinage de Belleville, juste sous le lac de la Girotte, la première en France, permet d'afficher une puissance de en période de pointe, en remontant dans le lac, plus haut, par secondeHistoire de l'énergie hydraulique : moulins, pompes, roues et turbines de l'Antiquité au siècle, page 182, par Pierre-Louis Viollet, Presse des ponts, 2005.
Composants thumb|Figure 3: Pompe centrifugeLe « corps de pompe » est l’enveloppe extérieure de la machine. C’est la partie fixe de la machine ou stator. Il est constitué principalement de la « tubulure d’aspiration », de la « volute », et de la « tubulure de refoulement ». La volute canalise le fluide de l’orifice d'aspiration vers l’orifice de refoulement et transforme en pression une partie de la vitesse du fluide.
La partie mobile ou rotor est formée d'une roue à ailettes, l'impulseur, monté sur un arbre. Le rotor est entraîné par un moteur qui est le plus souvent un moteur électrique ou thermique mais peut être également une turbine. Il existe trois formes principales de roues : les roues fermées, semi-ouvertes ou ouvertes.
Les aubes sont les ailettes, grossièrement radiales, disposées sur ou à l’intérieur de la roue. Elles communiquent au liquide une partie de l’énergie cinétique transmise par l’arbre de transmission.
thumb|Figure 4: Vue en coupe d'une pompe centrifuge radiale. Comme l’arbre traverse le plus souvent la volute, il est nécessaire de réaliser à cet endroit un dispositif assurant l’étanchéité globale. Ceci est effectué à l’aide de deux types principaux d’accessoires : un presse-étoupe (garniture à tresses) ou une garniture mécanique. Les pompes à rotor noyé ou celles à entraînement magnétique ne nécessitent pas de garniture d'étanchéité.
On appelle « flasques » les parois de l’impulseur qui enserrent les aubes. (Les roues à deux flasques dites aussi impulseur fermé sont les plus fréquentes. Il existe également des roues sans flasque, et des roues à une seule flasque (impulseur ouvert ou semi-ouvert)).
Nomenclature de la Figure 4:
1a: Volute.
1b: Corps de volute contenant la roue.
2: Roue centrifuge (impulseur).
3: Flasque.
4: Dispositif d'étanchéité (garniture mécanique, garniture à tresse).
5: Palier supportant les roulements.
6: Arbre.
Principe de fonctionnement
Caractéristiques hydrauliques
Une pompe centrifuge accélère le fluide qui la traverse en lui communiquant un mouvement de rotation, donc une certaine puissance hydraulique.
Cette énergie hydraulique peut être vue comme la somme d’une énergie cinétique et d'une énergie potentielle de pression transmise au liquide
La puissance hydraulique fournie par la pompe est donnée par la relation :
Avec : Phydraulique exprimée en watt ρ: masse volumique du liquide (kg/m) g: accélération de pesanteur soit Qv: est le débit volumique du liquide exprimé en m/s h: est la hauteur manométrique de la pompe exprimée en mètres de colonne d'eau
Les performances d'une pompe centrifuge à une vitesse de rotation donnée sont usuellement représentées en traçant la courbe HMT/Débit.
La HMT (Hauteur Manométrique Totale) représente l'élévation en pression totale de liquide entre l'amont et l'aval de la pompe centrifuge, exprimée en mètre de colonne d'eau: vignette|254x254px|Figure 5: Courbe caractéristique HMT/débit pour une vitesse de rotation de la pompe.
Avec:
HMT: hauteur manométrique totale exprimée en m. z1: hauteur de la bride d'aspiration par rapport au plan de référence en m. z2: hauteur de la bride de refoulement par rapport au plan de référence en m. P1: pression statique à l'aspiration en Pascal. P2: pression statique au refoulement en Pascal. V1: vitesse moyenne de l'écoulement à l'aspiration en m/s. V2: vitesse moyenne de l'écoulement au refoulement en m/s. ρ: masse volumique de liquide en kg/m3. g: accélération de pesanteur soit .
La HMT de la pompe exprimée usuellement en mètres de colonne d'eau peut être convertie en Pascal (ou en bar par la suite) grâce à la formule ci-dessous:
Avec:
ΔP: variation de pression totale en Pascal. ρ: masse volumique de liquide en kg/m3. g: accélération de pesanteur soit .
vignette|271x271px|Figure 6: Point de fonctionnement entre la pompe et le réseau.
Pour pouvoir prédire le point de fonctionnement de la pompe, et donc connaitre le débit ainsi que l'élévation de pression totale générée par la pompe au sein du réseau, il faut connaitre la courbe caractéristique de perte de charge du réseau situé en aval de la pompe. Cette courbe dépend des équipements hydrauliques placés en aval (vannes, clapets, embranchements) ainsi que de la longueur et du diamètre de la tuyauterie. Cette courbe a une forme quadratique car les pertes de charge du réseau varient par rapport au carré du débit (voir Figure 6). C'est donc à l'intersection entre la courbe caractéristique du réseau (courbe noire) et la courbe de pompe (courbe rouge) que se trouve le point de fonctionnement de la pompe. En pratique, lors du dimensionnement d'un réseau hydraulique, tout l’enjeu consiste à bien choisir la pompe de façon que celle-ci possède sont point de meilleur rendement le plus prêt possible du point de fonctionnement. Cela permet d'optimiser la consommation d'énergie de cette dernière.thumb|Figure 7: Faisceaux typiques de courbes représentatives du fonctionnement d'une même machine équipée de roues de diamètres différents.|273x273px
La pression obtenue lorsque la pompe fonctionne à débit nul (avec par exemple une vanne fermée en aval de la pompe) est la pression maximale à laquelle le circuit aval puisse être soumis et constitue un paramètre de dimensionnement important pour l'installation hydraulique située en aval.
La courbe caractéristique d'une pompe dépend, pour un corps de pompe donné, de la dimension du diamètre extérieur de la roue. Les fournisseurs proposent en général des abaques définis dans le plan (Q, h), qui présentent les diverses courbes obtenues pour des diamètres variables de la roue, ainsi que le rendement de la machine en ces points, et, parfois la puissance à l'arbre (voir schéma en Figure 7).
Caractéristiques mécaniques La puissance mécanique à fournir à la machine est toujours supérieure à la puissance hydraulique fournie au liquide. Le coefficient de rendement η de la pompe fait le lien entre ces deux paramètres.
On appelle puissance à l’arbre la puissance mécanique requise pour faire fonctionner la pompe. On a donc la relation :
Le rendement varie en fonction du point de fonctionnement, et dépend également de la machine. Pour les machines usuelles, les catalogues de constructeurs indiquent qu'il se situe le plus souvent entre 70 % et 90 % de la plage de débit.
La courbe caractéristique d'une pompe est le plus souvent décroissante : la pression diminue quand le débit augmente, et affecte une forme grossièrement paraboliqueLe circuit de refoulement présente également une certaine courbe caractéristique dans le plan Q-h. Mais certains constructeurs proposent des courbes Q - H dites "en cloche".
Cette caractéristique est dans les cas simples fréquents assimilable à une parabole dont la hauteur à débit nul correspond au différentiel de hauteur géométrique que définit le circuit, et dont l’allure dépend de la perte de charge du liquide, perte qui est grossièrement proportionnelle au carré du débit dans les écoulements turbulents au travers de tubes. L’intersection des deux courbes définit le point de fonctionnement du système complet pompe + tuyauterie (amont + aval)..
La courbe caractéristique d'une pompe dépend, pour un corps de pompe donné, de la dimension du diamètre extérieur de la roue. Les fournisseurs proposent en général des abaques définis dans le plan (Q, h), qui présentent les diverses courbes obtenues pour des diamètres variables de la roue, ainsi que le rendement de la machine en ces points, et, parfois la puissance à l'arbre.
Une bonne connaissance de la puissance hydraulique nécessaire permet de correctement choisir le moteur adéquat pour la pompe. Généralement, les pompes sont livrées pré-assemblées avec le moteur, sous la forme d'un groupe moto-pompe.
La machine parfaite - théorie d’Euler La théorie simplifiée du fonctionnement des pompes centrifuges est due à Leonhard Euler. thumb|Figure 8: Schéma des vitesses sur une roue vue de face
Pour la comprendre, il faut se représenter le bilan énergétique entre une particule de fluide à l’entrée de la roue, et cette même particule à la sortie. Dans la mesure où toute l’énergie du mouvement de rotation de l’impulseur est transférée au liquide, le couple appliqué sur les aubes sera égal au produit du débit du liquide par la variation de sa quantité de mouvement entre son entrée et sa sortie de la roue.