Service de rappel

Comment pouvons-nous vous aider ? Nous vous rappellerons dès que possible - bien évidemment gratuitement !

Fuite interne

Qu'est-ce qu'une fuite interne ?


Comme indiqué dans l'aperçu des pompes à déplacement positif, le déplacement fixe, quelle que soit la pression de sortie, n'est que théorique. La flexion du matériau, les fuites internes (« coups »), l'usure et d'autres variables entraînent une dépendance variable de la pression. Nous examinerons ici les détails des fuites internes.

Fuite interne au niveau des pointes d'une pompe à engrenages

Les fuites internes résultent de l'ajustement imparfait entre les composants d'une pompe. Indépendamment de la façon dont les deux composants se conforment l'un à l'autre, il y aura des espaces microscopiques et des fluides se déplaceront à travers eux. Les fuites internes sont généralement liées linéairement à la viscosité dynamique d'un fluide et deviennent donc plus prononcées pour les fluides à faible viscosité.

Les fuites internes ne sont pas toujours indésirables. La lubrification des paliers de pompe à engrenages nécessite un débit des zones de haute pression à basse pression pour établir un palier hydrodynamique correct. Dans certaines pompes, des fuites internes sont utilisées pour limiter la pression maximale afin d'éviter une surpression du système.

Certains modèles de pompes éliminent les fuites internes grâce à l'utilisation de matériaux conformes avec ajustement serré (c.-à-d. joints). Ces stratégies peuvent éliminer presque toutes les fuites internes. Cependant, elles introduisent une usure par glissement, ce qui crée d'autres problèmes. Le présent article ne porte pas sur les joints coulissants.


Pompes rotatives à déplacement positif


Les deux sources courantes de fuites internes dans les pompes rotatives sont le jeu de l'embout et le jeu frontal. Toutes les pompes n'ont pas les deux types, par exemple, les pompes à palettes n'ont pas de jeu d'extrémité parce que les palettes glissent activement contre le mur. Les fuites internes des pompes volumétriques rotatives réduisent non seulement le débit, mais aussi la pression maximale et la capacité d'amorçage.


Jeu aux extrémités

Le jeu aux extrémités des engrenages, du rotor ou des lobes est une source importante de fuites internes. Sans pression, le fluide atteint la vitesse de pointe à la surface de l'extrémité et la vitesse zéro à la paroi de la cavité, avec une distribution linéaire entre les deux. Cependant, lorsque la pression à la sortie est suffisamment élevée, le milieu de la courbe peut s'inverser, ce qui entraîne un retour en arrière du fluide. À une pression d'écoulement bloquée (débit égal à zéro), le volume de fluide se déplaçant vers l'avant est égal au volume de fluide se déplaçant vers l'arrière (sans tenir compte des autres sources de fuite). 

Débit du fluide à l'extrémité des engrenages

Contrairement à d'autres formes de fuites internes, le jeu de l'embout est extrêmement compliqué à modéliser. Les données expérimentales et les modèles physiques suggèrent que le mécanisme de fuite est un hybride d'écoulement laminaire (dépendant de la viscosité) et d'inertie du fluide (dépendant de la densité). Les données suggèrent une dépendance des fuites internes entre h2 et h3, où h est le jeu radial, et linéaire à l'inverse de la longueur de la pointe.

Trois méthodes sont à la disposition des concepteurs de pompes à engrenages externes et internes, pompes gerotor et des pompes à lobes afin de réduire l'effet de fuite aux extrémités :

  1. Diminuer le jeu de la pointe. Pour ce faire, il faut une précision élevée et reproductible, un excellent contrôle de la qualité et l'utilisation de matériaux avec une distorsion minimale due à l'absorption de fluide, aux différences de température, aux contraintes résiduelles et au fluage. Ces considérations doivent être appliquées aux engrenages, au carter, aux roulements et aux arbres.
  2. Augmenter la longueur du jeu de la pointe. C'est un choix de conception parce que le compromis est une diminution du volume par tour. Cependant, les fuites internes sont proportionnelles  et peuvent atteindre 75 % dans de nombreux cas.

     
    Pointe optimisée pour le déplacement   Pointe optimisée pour une faible fuite interne


  3. Augmenter le nombre de dents sur les engrenages. Tout comme l'augmentation de la longueur de la pointe, le fait d'avoir plus de dents se traduit par moins de volume par tour. Plus il y a de dents à proximité de la cavité, plus il y a de « joints de pression », comme le montrent les résultats de pression ci-dessous d'une simulation de la dynamique des fluides. L'augmentation du nombre de dents peut avoir l'avantage d'un flux plus fluide et d'un bruit réduit.

Simulation numérique de la dynamique des fluides Simulation des fuites au niveau des extrémités des engrenages

Jeu des faces

Les fuites internes sur les faces frontales des éléments rotatifs contribuent le plus aux fuites internes de nombreuses pompes volumétriques rotatives. Le jeu dans cette direction est plus facile à contrôler que le jeu de pointe (moins de composants dans l'empilement des tolérances), mais la surface est plus grande et le débit est proportionnel au cube de l'espace (h3). L'écoulement sur les faces n'a pas non plus l'avantage d'avoir de nombreuses dents le long de la trajectoire de fuite et la vitesse d'avancement élevée à l'extrémité des dents des engrenages. La seule option pour réduire les fuites sur la face frontale est d'augmenter la précision et la qualité des composants afin de réduire le jeu.

Fuites internes à travers les surfaces des engrenages

Certaines pompes ont des joints en PTFE entre les pièces du corps. Ces joints forment un joint d'étanchéité contre les fuites externes. L'épaisseur de ces joints d'étanchéité, cependant, influe directement sur le jeu frontal. Avec le temps et/ou la température, l'épaisseur de ces joints peut changer, ce qui peut modifier les performances de la pompe.


Pompes alternatives à déplacement positif


Les pompes volumétriques à mouvement alternatif sont idéales pour doser ou distribuer des quantités précises de liquides. Comme on pouvait s'y attendre, ces pompes sont celles qui présentent le moins de fuites internes des deux catégories de pompes volumétriques. Cependant, la précision requise pour de nombreuses applications fait encore de l'étanchéité interne un aspect important de la conception et de la production des pompes.


Clapets anti-retour

La source de fuite interne commune à presque toutes les pompes à piston est le clapet anti-retour intégré à l'entrée et à la sortie. La plupart des clapets anti-retour des pompes sont soit des clapets anti-retour à membrane (1), soit des clapets anti-retour à bille (à ne pas confondre avec les clapets à bille) (2). Des fuites à l'entrée peuvent entraîner une pression positive involontaire sur l'admission. Une fuite à la sortie peut entraîner le liquide légèrement vers l'arrière à partir de l'orifice de refoulement. Dans les deux cas, le volume de distribution effectif sera réduit.

Exemples de clapets anti-retour dans une pompe à membrane

Les clapets anti-retour à membrane utilisent un caoutchouc flexible qui est positionné sur un trou et qui est fermé à l'état stable. L'étanchéité repose sur la forme non sollicitée de la membrane associée à une contre-pression pour éviter les fuites dorsales. Les différentes formes de clapets anti-retour à diaphragme comprennent les clapets à flotteur libre, les clapets élastomères flexibles, les clapets à bec de canard et les clapets parapluie. Des fuites dorsales peuvent se produire lorsque la membrane fléchit avec le temps, que des débris interfèrent avec la surface d'étanchéité ou que des particules abrasives dans le fluide usent les surfaces du joint ou du siège.

Les robinets à tournant sphérique à ressort assurent l'étanchéité en créant un ajustement serré entre la bille et le siège. Souvent, le siège est conique, guidant la bille dans le siège pour une étanchéité de qualité. La construction est généralement faite de matériaux durs pour maximiser la durée de vie. Cependant, les matériaux rigides n'ont pas la compliance nécessaire pour se conformer l'un à l'autre, ce qui entraîne des voies microscopiques par lesquelles le fluide peut s'écouler.

De nombreuses entreprises se spécialisent dans la conception et la production de clapets anti-retour de qualité. Les matériaux, les conceptions et les méthodes de fabrication sont bien développés. Toutefois, les caractéristiques inhérentes décrites ci-dessus ne peuvent être évitées. Les pompes à piston sans clapet offrent une conception sans clapet anti-retour, bien qu'elles aient une source supplémentaire de fuite interne.


Jeux des pistons

Les pompes à piston et les pompes à piston sans soupape ont un piston qui glisse à l'intérieur d'un cylindre. Les écarts de rectitude, de taille, de circularité et de cylindricité entraînent des espaces dans lesquels le fluide peut s'écouler. La quantité de fuite dépend linéairement de la pression de sortie et sera soustraite du volume distribué.

Fuite interne dans une pompe à piston

La fuite, en fonction de la pression, entre un piston et un cylindre est , où :

P = pression de sortie
µ = viscosité dynamique
D = diamètre du piston
h = jeu radial
L = longueur

Généralement, la seule variable disponible pour les concepteurs de pompes est le dégagement. Le débit est proportionnel à h3, c'est pourquoi une pompe à piston haute performance nécessite un jeu très serré. Pour illustrer cela, une application de pompe commune avec de l'eau est montrée ci-dessous avec un jeu variant de 0 à 20 µm. Pour des applications de précision, la fuite doit être nettement inférieure à 1 % de la cylindrée souhaitée.

Fuite interne de la pompe à piston en fonction du jeu

Il n'est pas simple d'obtenir des jeux de micromètres à un chiffre (microns). Des variables telles que la forme, la taille, la finition de surface, la dilatation thermique et les techniques d'usinage doivent être évaluées avec soin. Les matériaux céramiques ont des caractéristiques qui se prêtent parfaitement à cette application :

  • Faible dilatation thermique
  • Capacité d'être meulé avec précision
  • Faible granulométrie
  • Aucun changement dimensionnel avec une large gamme de fluides

Le choix du bon matériau n'est que le début de la solution. Ensuite, il faut mettre en œuvre des pratiques d'usinage de précision et de contrôle de la qualité hautement contrôlées. Cela va au-delà des pratiques typiques d'ISO 9001 et exige des connaissances et une expérience approfondies pour fournir une qualité élevée à l'échelle microscopique.


Résumé


Les fuites internes sont une réalité qui ne peut être ignorée pour les pompes volumétriques à moins que l'utilisateur n'accepte des pièces d'usure à durée de vie limitée utilisées comme joints coulissants. La clé d'une conception hydraulique efficace et reproductible est l'utilisation de matériaux appropriés, un usinage de haute précision, des essais à 100 % des pompes et un processus d'assurance qualité rigoureux. Si une application exige précision, répétabilité et fiabilité, la communication d'ingénieur à ingénieur est cruciale pour éviter les surprises pendant une bonne partie du cycle de développement ou de production.