Pompes centrifuges pour eaux résiduaires quelle roue choisir ?

Conférence présentée à l’ASSOCIATION INTERNATIONALE POUR LA RECHERCHE HYDRAULIQUE, par la SOCIÉTÉ KLEIN – SCHANZLIN et BECKER (K.S.B.) de FRANKENTHAL – R.F.A. et communiquée par M. Gilbert COQUELET, Ing. A. et M., Service Eaux, BREGUET – K.S.B.

LE SERVICE DES POMPES CENTRIFUGES

Dans les stations d’épuration d’eaux usées, urbaines ou industrielles, le transfert des liquides à véhiculer pose toujours de sérieux problèmes quant au choix du type de canalisation et surtout des pompes centrifuges en service sur les différents circuits.

En effet, qu’il s’agisse de l’élévation des eaux d’égout brutes ou prédégrillées, ou de boues plus ou moins épaissies se formant aux différents stades du traitement, les pompes centrifuges sont toujours soumises à un dur service.

En conséquence, elles doivent donc être de conception et d’exécution spéciales, adaptées aux particularités de ce service sur les eaux résiduaires et les boues fluides dont les caractéristiques sont toutes contraignantes et notamment :

— la teneur en matières solides de différentes natures, entraînant des risques d’engorgement ;

— la présence de gaz de putréfaction ou d’air vicié impliquant des risques de désamorçage et de corrosion ;

— la viscosité variable, en général élevée, des fluides véhiculés entraînant des efforts importants et discontinus pendant la rotation ;

— la présence de sable ou de fines matières solides en suspension ayant pour conséquence l’augmentation de l’abrasion et de l’usure ;

— enfin, il faut ajouter à cela que l’élévation par une pompe centrifuge d’une eau résiduaire traitée par exemple par un polyélectrolyte au stade de son épaississement en boue ne doit pas conduire à la rupture du floc, particulièrement lorsqu’il s’agit de boues activées.

On sait qu'une pompe centrifuge, quel que soit son domaine d'emploi, peut être considérée comme étant grossièrement constituée de trois sous-ensembles (schéma ci-contre) :

— le (ou les) palier(s) élément mécanique (partie A) ; — le système annexe au passage de l'arbre (presse-étoupe ou garniture mécanique) qui constitue quand il existe l'élément d'étanchéité (partie B) ; — la partie hydraulique dont l'élément actif en mouvement et que l'on retrouve dans toutes les machines est la roue (partie C).

Les conditions de service particulièrement contraignantes, énumérées ci-avant, ont conduit dans le domaine des eaux usées à une étude approfondie des différentes formes de roues adaptées aux problèmes à résoudre. Un certain nombre d’aspects de cette étude sont développés ci-après ; entre autres, en dehors de leurs formes géométriques, des comparaisons entre les différents types de roues seront faites en tenant compte des courbes caractéristiques (Q-H, P abs, NPSH).

De plus, des résultats d'essais permettront de juger le comportement de chaque type de roue sur des fluides plus ou moins gazéifiés.

Enfin, un comparatif sur les dégâts causés dans le transport de corps solides est fait entre la roue fermée à une aube et la roue type « vortex ».

FACTEURS DÉTERMINANTS POUR LA CONSTRUCTION ET LA CONCEPTION

Le concept de base est constitué par les pompes centrifuges réputées « imbouchables » avec roues et corps spécialement adaptés.

Coupe et nomenclature

722   321   322   163   230   210   183

Leurs particularités sont :

— un large passage à l'intérieur de la roue et du corps pour éviter l'engorgement ; — une roue comportant un faible nombre de canaux et/ou d'aubes (1-2 voire 3) ; — des bords d'attaque, dans roue et corps de pompe, bien arrondis afin d'éviter que des matières textiles ou autres matières fibreuses ne soient retenues.

Les séries modernes de telles pompes sont conçues de façon à ce que plusieurs types de roues puissent être indifféremment montés dans le même corps. Ainsi un même type de machine peut être utilisable pour des conditions de service et des opérations de pompage très différentes les unes des autres.

Parfois, pour une seule et même application, on peut envisager l'utilisation de plusieurs variantes de construction. Le choix définitif est effectué en fonction de l'étude des conditions spécifiques, par exemple :

— hauteur manométrique totale à atteindre (HMT) ; — nombre et tailles des différentes conceptions de pompes à utiliser en tenant compte d'une certaine uniformisation pour réduire le stock des pièces de rechange ; — rapport entre l'installation et la taille des pompes où des considérations financières peuvent être décisives.

Par exemple, on doit choisir entre l'utilisation de pompes avec un passage rétréci, à relativement haut rendement, mais allant de pair avec l'installation alors nécessaire d'un dégrillage et, à l'inverse, l'utilisation de pompes à passage intégral, à plus bas rendement, mais pouvant opérer sur des eaux non dégrillées.

LES DIFFÉRENTS CONCEPTS DE ROUES

Les principales formes de roues utilisées dans le pompage des eaux résiduaires sont représentées sur les fig. 1a à 1e.

Exception faite de la roue standard fermée à plusieurs aubes que l'on trouve habituellement pour les liquides clairs, les roues utilisées pour les eaux résiduaires sont plutôt d'origine empirique et ne procèdent pas, pour leur calcul et leur tracé, d'une application simple des méthodes connues. Le plus surprenant reste le niveau technique atteint par ces hydrauliques avec lesquelles, en dépit des distances prises par rapport au tracé théorique le plus favorable, d’excellents rendements continuent d’être atteints.

Ce fait prend de plus en plus d’importance depuis l’augmentation constante des débits d’eaux résiduaires à évacuer et pour lesquels, à l’heure actuelle, les pompes d’un diamètre nominal de 600 mm avec des puissances absorbées sur l’arbre d’environ 1 000 kW sont mises en service.

Il est probable que la plus importante qualité demandée à une pompe pour eaux résiduaires est sa capacité à transporter sans bouchage les corps solides en suspension qui, par définition, peuvent être de types, de tailles et de composition les plus variés.

Les conceptions hydrauliques et technologiques furent principalement axées sur ce problème. Les solutions trouvées sont en particulier utilisées pour l’élévation d’eaux brutes non traitées, contenant des matières solides et fibreuses susceptibles, soit de former des tresses, soit de s’agglomérer, ou pour véhiculer des boues primaires ou digérées.

Le « passage libre » de ces pompes est dimensionné pour que des corps solides d’une taille égale au diamètre nominal d’entrée puissent transiter sans engorger la pompe (passage intégral). De telles pompes sont équipées soit de roue à sabot à une aube (Fig. 1c), soit d’une roue type « vortex » (Fig. 1d).

D’autres types de roues, avec lesquelles le « passage libre » se trouve réduit par rapport au diamètre nominal de l’entrée de la pompe, ne sont pas utilisables pour ce travail. Elles sont, par contre, utilisées sur des eaux résiduaires dégrillées, traitées ou sur les boues activées.

Pour le pompage des eaux dégrillées, s’assurer que la distance entre les barres est en rapport avec le « passage libre » dans la pompe, c’est-à-dire, en gros, pour un dégrillage fin, une distance maxi de 40 mm entre barres et, pour un dégrillage grossier (installations plus importantes), une distance de 400 mm entre barres. Sur de telles utilisations, prévoir des roues « imbouchables » avec deux, maximum trois canaux (Fig. 1b).

Liée à la taille de la pompe, il est à noter que, sur de telles hydrauliques, le « passage libre » est approximativement égal à 50 % du diamètre nominal de l’aspiration sur les petites pompes et de seulement 30 % sur les grosses machines de diamètre de raccordement supérieur à 600 mm.

Cependant, et par opposition à ce qui se passe dans une roue à sabot à une seule aube, l’écoulement dans les roues du type « imbouchable » est symétrique. De ce fait, les matières fibreuses auraient dans cette roue tendance à former des tresses ou à s’agglomérer. D’où la fonction essentielle d’un dégrillage sur ce type de machines.

Enfin, les considérations d’ordre financier interviennent dans le choix du type de roue. Ainsi l’énergie économisée par une pompe à haut rendement doit être rapprochée de la dépense qu’elle implique, à savoir l’installation et la maintenance d’un système de dégrillage.

La classique roue fermée à plusieurs aubes est uniquement utilisée pour les eaux traitées et, éventuellement, lorsqu’il s’agit de grosses pompes, pour les boues activées.

Outre les « roues fermées » (Fig. 1a et 1c), on connaît maintenant les roues semi-ouvertes, principalement utilisées au relèvement de fluides ou de boues contenant des gaz. Le jeu étroit et nécessaire, avec un tel type de roue, entre la face frontale des aubes de la roue et le corps de pompe ou la plaque d’usure peut facilement être la cause d’un blocage du mobile par des tissus ou des fibres longues.

En dépit de leur capacité à véhiculer des liquides contenant proportionnellement de grandes quantités de gaz, l’importance de ce type de roue dans le pompage des eaux résiduaires est de moins en moins grande.

Coefficient de pente « C » de la courbe H = f(Q)

Ho = HMT pour Q = 0 – Hopt = HMT pour n maxi

n max. roue X / n max. roue à Q = const. – NPSH roue X / NPSH roue à Q = const. (concent. gaz = 0,5 %)

Roue fermée à une aube

Pour eaux décantées et traitées.

Pour liquides chargés exempts de matières fibreuses susceptibles de s’agglomérer ou de former des tresses. Pour eaux résiduaires dégrillées, pour boues activées et liquides ne contenant qu’une faible concentration en gaz. Peut être utilisé si nécessaire pour le transport sans endommagement de particules solides.

Roue fermée à 2 ou 3 canaux

Pour liquides non dégrillés contenant des particules solides et des fibres susceptibles de former des tresses.

Roue fermée à une aube

Diamètre maxi des corps solides égal au diamètre nominal de l’entrée (passage libre intégral).

Roue vortex

À utiliser pour le transport sans dommage de particules solides.

Pour tous liquides à forte concentration en air et gaz. Peut être utilisé pour le transport sans dommage des particules solides.

FIG. 2 – Comparaison des caractéristiques des différentes roues pour eaux résiduaires.

COMPARAISON HYDRAULIQUE

Il faut généralement tenir compte du fait que dans le domaine du relevage d’eaux résiduaires et de boues, le choix des pompes avec des diamètres d'entrée allant jusqu’à 150 mm est beaucoup plus fait en fonction de la section de passage libre que basé sur des considérations hydrauliques. Pour cette raison, ces pompes fonctionnent plus ou moins en charge partielle, fait dont il ne faut pas oublier de tenir compte lors de la comparaison des rendements. Dans cette optique on pourra aussi se référer aux recommandations du ATV (1), à savoir qu'un « passage libre » d'une pompe pour eaux résiduaires s’entend pour une valeur mini de 100 mm.

Fonction de la taille des machines, les vitesses de rotation usuelles des pompes pour eaux résiduaires varient entre 500 et 1500 tr/mn. Particulièrement, en ce qui concerne la roue à une seule aube, il est nécessaire de limiter la vitesse de rotation (et par la même, la hauteur manométrique totale) et ce, à cause du balourd hydraulique dû à l'écoulement asymétrique qui ne peut être évité. Fort de ce qui précède, il est conseillé avec ce type de roue de limiter la H.M.T. à 40 m. Pour atteindre des H.M.T. supérieures, il est préférable, en fonction de la taille de la machine et du type de liquide véhiculé (boues ou eaux résiduaires) d'utiliser des roues vortex (Fig. 1d) ou des roues « imbouchables » (Fig. 1b). La roue vortex offre une alternative à la roue à une seule aube, particulièrement dans les cas où de fortes H.M.T. sont nécessaires. En effet, une des conséquences de la position de cette roue en retrait dans le corps de pompe fait que les forces radiales agissant sur la roue vortex sont très faibles.

La figure 2 illustre la comparaison des caractéristiques hydrauliques de différentes roues de diamètre extérieur 250 mm montées dans une pompe de diamètre d’aspiration 100 mm. De la même manière, cette comparaison pourrait être faite pour d'autres tailles de machines. La courbe H = f (Q) se révèle être la plus raide pour la roue à aube unique. Si le nombre d'aubes augmente, on constate un aplatissement de la courbe H = f (Q) pour finalement atteindre avec la roue vortex la courbe la moins pentue. Il est à noter que, plus la courbe H = f (Q) est plate, plus le danger de fonctionnement en surcharge est grand. En effet, pour un tel type de caractéristique, un petit glissement ou une faible fluctuation de la H.M.T. se traduit en général par un accroissement important du débit.

Le rendement de la roue classique fermée à plusieurs aubes qui, sur le plan hydraulique, reste le plus favorable, atteint en fonction des tailles de pompes des valeurs entre 80 et 90 %. Ce niveau est inégalé par les pompes sur eaux résiduaires.

Naturellement, les roues à deux ou trois aubes n’atteignent pas de tels rendements, car la prise en considération de leurs conditions spécifiques de fonctionnement ne permet pas une conception très favorable sur le plan de l’hydraulique pure. Leurs rendements maxi peuvent être de 8 points inférieurs à ceux d'une roue fermée à plusieurs aubes.

Le rendement d'une roue à une aube peut atteindre jusqu’à 14 points de moins que ceux des roues imbouchables à deux ou trois aubes.

Les roues vortex viennent encore après avec des rendements maximaux de 50 %, soit de 10 à 25 points plus bas que la précédente. De telles différences de rendement se ressentent évidemment sur le plan économique, surtout pour des pompes pour lesquelles la puissance absorbée est grande. De ce fait, on peut considérer que sous cet angle, il y a là une limite à l'emploi de la roue vortex.

(1) ATV Abwassertechnische Vereinigung, Communication technique, page 5 de mai 1975, « Gestaltung von Klein-Abwasserpumpwerken ».

Comparé aux autres types de roues, le NPSH requis de la roue fermée à plusieurs aubes est plus faible. Les roues « imbouchables » à deux et trois aubes, ainsi que les roues à une seule aube doivent aux bords d'attaque considérablement arrondis qui les caractérisent, d'avoir des NPSH requis quelque peu supérieurs aux précédents. La roue vortex est encore moins compétitive dans ce domaine. Cependant, elle est capable de véhiculer des fluides ayant une forte teneur en gaz ou de fournir des H.M.T. nettement supérieures à celles que donnent les roues fermées à une, deux et trois aubes.

Nomenclature

CRITÈRES POUR LE POMPAGE DE LIQUIDES CONTENANT DU GAZ

Dans les différentes installations de traitement, les boues, spécialement les boues primaires et les boues digérées, produisent, principalement pendant la phase de digestion, une quantité de gaz considérable.

Les pompes travaillant sur ces fluides doivent, et ce particulièrement à cause du phénomène physique décrit ci-après, s’adapter parfaitement aux besoins.

En effet, d'une manière générale, le flot liquide dans une conduite d'aspiration de pompe est le siège, au fur et à mesure de son cheminement, d'une baisse de pression qui aboutit, aux environs des entrées d'aubes, à une zone de pression mini. Cette réduction de la pression entraîne non seulement une augmentation considérable du volume des gaz présents dans le liquide, mais également un dégazage continu de la partie dissoute. Les bulles de gaz obstruent l'entrée de la roue provoquant un laminage du côté aspiration qui, en fonction de la teneur en gaz et du type de roue, pourrait entraîner une chute de débit ou même un désamorçage complet.

De même, étant donné qu'une recirculation interne du liquide dans la roue a pour conséquence une accumulation de gaz en avant de l’oxillard, il va de soi que le fonctionnement à charge partielle implique une grande sensibilité aux gaz. Pour cette raison, dans le cas de transport de liquide à haute teneur en gaz, il y a lieu de s'assurer que la pompe n'est pas surdimensionnée.

Par ailleurs, afin d’éviter une pression trop faible à l'entrée de la roue, de telles pompes ne doivent travailler qu'en charge (niveau fluide à l'aspiration à une cote supérieure de celle de l’oxillard de la roue). Dans le même ordre d'idée, les conduites d'aspiration seront conçues pour créer le minimum de pertes de charge et seront sans point haut relatif.

Il faudra donc dans le choix d'un type de roue s’assurer de son insensibilité aux gaz et aux engorgements.

La Fig. 3a regroupe les résultats d'essais sur la sensibilité au gaz de différents types de roues d'une pompe de taille très représentative (DN 100 – diamètre extérieur de la roue : 250 mm). Ces résultats sont qualitativement valables pour d'autres tailles de pompes avec des vitesses spécifiques différentes.

Les essais furent faits avec de l'eau. L'air fut artificiellement injecté dans la tuyauterie d'aspiration en étant, par un dispositif approprié, réparti d'une manière uniforme sur toute la section transverse à la tuyauterie. Le pourcentage en gaz figurant en abscisse correspond à des mesures faites à l'entrée de la pompe.

Les résultats de ces essais transcrits Fig. 3b montrent que, exceptionnellement pour la roue fermée à plusieurs aubes, le fonctionnement en charge partielle est à éviter. La Figure 3 met également en évidence la supériorité de la roue vortex, comparaison établie au point de meilleur rendement.

On constate aussi qu'avec une roue classique fermée à plusieurs aubes, un désamorçage serait constaté à partir d'un pourcentage de gaz d'environ 5 %. Ainsi que l'on s'y attendait, la roue semi-ouverte, qui a donné de bons résultats, reste, pour certaines conditions de fonctionnement en charge partielle, inégalée.

Cependant, ainsi que nous l'avons précédemment mentionné, la roue semi-ouverte est de moins en moins utilisée dans le domaine des eaux résiduaires, et ce à cause de sa sensibilité à l'usure prématurée ainsi que sa prédisposition au blocage par des matières textiles et des fibres synthétiques.

INFLUENCE DE LA VISCOSITÉ

D’une manière générale, les boues présentes dans les unités de traitement sont des liquides non-Newtonien. Le poids de matière sèche de ces boues va jusqu’à 5 %. Pour de telles conditions, les roues spéciales pour eaux résiduaires décrites ci-avant sont particulièrement adaptées.

Dans la mesure où les pompes sont installées correctement avec une courte tuyauterie d'aspiration et avec un niveau d’eau dans la bâche d'aspiration au-dessus de la bride d'aspiration, ces roues sont même capables de véhiculer des boues avec une concentration en matière sèche allant jusqu'à 10 %. Lors des déterminations des caractéristiques il y a lieu de, particulièrement, tenir compte de : l’augmentation des pertes de charge, de la baisse relative de la H.M.T. en fonction de la teneur en gaz et de la viscosité.

POMPAGE DE CORPS SOLIDES SANS ENDOMMAGEMENT

Dans les installations de traitement d’eaux résiduaires, il est nécessaire de véhiculer des solides sans leur causer de dommages ; il s’agit plus particulièrement de boues activées dont le floc ne doit pas être détruit. Différents essais furent réalisés pour le pompage de denrées alimentaires fragiles, telles que fruits, légumes, poissons et moules. D’autres essais furent effectués pour le pompage de charbon actif dans l’industrie chimique. Ces essais, ainsi que ceux équivalents réalisés dans des installations de traitement d’eaux résiduaires, ont mis en évidence la supériorité de la roue à aube unique, et éventuellement des roues de type « imbouchable » à deux ou trois aubes, dans la mesure où le passage libre de cette dernière apparaît suffisant.

Il apparaît (Fig. 4a) que, lors d’essais effectués avec des granulés de charbon, dès le premier passage des particules, des dommages comparativement importants furent enregistrés lors de l’utilisation de la roue vortex. Ainsi, après dix passages, 7 % seulement des particules de charbon étaient endommagées dans le cas d’une roue à une aube, alors que ce taux atteignait 47 % avec une roue vortex.

La Figure 4b présente des résultats encore plus éloquents : pour le transport d’un mélange pommes de terre/eau dans la proportion 1/6, toutes les pommes de terre étaient endommagées après 12 passages dans le cas d’une roue vortex, alors qu’elles restaient sans dommage après 180 passages avec une roue à une aube.

La Figure 4 résume les résultats d’essais de pompage de corps solides sans dommage avec une roue à aube unique.

Conclusion : pour le pompage de corps solides sans détérioration, choisir la roue fermée à une seule aube de préférence à la roue vortex.

CONCLUSION

L’utilisation des pompes centrifuges dans les installations de traitement d’eaux résiduaires requiert des conceptions spéciales variant essentiellement par les types de roues.

Le type de roue doit être sélectionné sur la base de critères préalablement fixés, dans le but d’assurer un fonctionnement sûr pour la pompe à la place où elle est installée dans la chaîne de process. Si, pour certaines fonctions, par exemple l’élévation d’eaux brutes, la sélection de la roue répond à des critères particuliers, pour d’autres tâches une gamme de possibilités plus large reste disponible.

Ainsi, pour des eaux traitées, des aspects économiques tels que rendement, puissance absorbée, standardisation des tailles et types de pompes, disponibilité des pièces de rechange, peuvent être déterminants dans le choix final.

Les recommandations fournies dans le présent document sur le choix des pompes centrifuges destinées à être utilisées dans les installations de traitement des eaux résiduaires sont essentiellement basées sur notre expérience et/ou nos recherches.

Pour communication conforme :G. COQUELET