Réponses à vos questions : Conception de puisard de turbine verticale

Jimmy Scroggins, expert en formation technique chez Grundfos Pumps Corp. à Lubbock, Texas, a répondu aux questions sans réponse du 21 octobre 2015, webémission "Vertical Turbine Sump Design".

Q : Quelle est votre expérience dans les tests d'analyse des vibrations pour les pompes à turbine verticale lorsque le moteur est monté sur le côté de l'ensemble de pompe verticale ?

Jimmy Scroggins : Au cours de mes plus de 20 ans d'expérience, je n'ai jamais vu un moteur monté sur le côté sur une pompe à turbine verticale. J'ai vu des applications horizontales où le moteur et la pompe sont horizontaux, et dans ce cas, les calculs de fréquence Reed étaient assez simples. Le meilleur pari serait d'utiliser une analyse par éléments finis (FEA) pour déterminer les fréquences de résonance naturelles de la combinaison moteur/pompe par rapport aux vitesses de travail. Je m'assurerais d'avoir de bons modèles 3D (formats IGS ou STP) de la pompe, des fondations, du moteur et de la tuyauterie attachée avec des supports à donner à l'ingénieur ou à l'entreprise réalisant la FEA (gain de temps et d'argent).

Q : Dans les calculs NPSH disponibles, quelles sont les valeurs typiques pour Ha, Hst et Hfs qui garantissent un NPSH optimal requis ?

Scroggins : ces valeurs varient considérablement en fonction d'un certain nombre de facteurs :

Q : Quelles étapes recommanderiez-vous lorsque vous installez une nouvelle pompe dans une installation existante où l'installation fonctionne depuis de nombreuses années et où les mêmes pompes ne sont plus disponibles ?

Scroggins : C'est une situation délicate. J'espère que vous pourrez obtenir une nomenclature, en particulier un schéma d'ensemble, et tout ce qui serait fourni dans un dossier de soumission typique. Veuillez noter que de nombreux fabricants de pompes fournissent des roues et des roulements en bronze rouge au plomb dans un passé pas trop lointain, mais peuvent ne plus proposer ces mêmes matériaux. Si vous ne disposez pas des données de soumission, vous souhaiterez peut-être traiter cela comme une nouvelle application et demander des données d'installation, telles que les dimensions du puisard, les données électriques, les informations de pompage (pour obtenir les matériaux de pompe corrects) et toute exigence de conception spéciale (fonctionnement en parallèle, VFD, points de conception secondaires et tertiaires, tête d'arrêt et limites de débit, etc.). Bonne chance.

Q : Grundfos dispose-t-il d'un logiciel d'analyse de la dynamique des fluides computationnelle (CFD) pour aider les ingénieurs à analyser la conception de la structure d'admission ?

Scroggins : Oui. Contactez votre vendeur ou distributeur.

Q : Dans quels cas doit-on utiliser une pompe bidon ?

Scroggins : Les pompes Can sont fantastiques pour les applications à faible NPSHA et à haute pression. Vous pouvez (jeu de mots) augmenter le NPSHA en allongeant simplement l'ensemble canette et colonne pour extraire plus de Hst de l'application lorsque vous êtes confronté à des applications à faible NPSH. De plus, la boîte sert de dispositif de pression secondaire, épargnant les bols de matériau et de géométrie spéciaux dans les applications à haute pression (la pression à l'intérieur de la boîte aide à compenser la pression produite par l'ensemble de bol).

Q : Pourquoi utilisons-nous toujours un suppresseur de vortex comme filtre sur les pompes à canettes ?

Scroggins : La quantité d'espace entre le fond de la boîte et la lèvre de la cloche est très limitée dans une application de type boîte. Une crépine à panier ordinaire est généralement très longue et conçue pour tenir dans un puisard ouvert. De plus, ANSI/HI et AWWA dictent la taille de la crépine à panier, ce qui les rend encombrants dans une application de type boîte. ANSI/HI permet d'utiliser une passoire à panier très courte dans les applications de boîtes, ce que vous avez correctement appelé un suppresseur de vortex. Les applications de canettes, sans ailettes de redressement, ont tendance à permettre au pompage de tourbillonner pendant le fonctionnement et alimentent le dispositif d'aspiration dans une zone, ce qui crée des problèmes hydrauliques pour la pompe avec des tourbillons souterrains et un pré-tourbillon. Le suppresseur de vortex brise le flux lorsqu'il entre dans l'aspiration de la pompe, réduisant ou éliminant les tourbillons et les tourbillons (moins de bruit, moins de mouvement inutile, meilleur débit, meilleure efficacité, moins de vibrations, etc.).

Q : Quelle est l'analyse préférée du puisard de pompe : modélisation à l'échelle physique ou CFD ?

Scroggins : Si l'argent n'est pas un problème et qu'il y a beaucoup de temps pour un modèle à l'échelle physique, c'est le meilleur. Sinon, l'analyse CFD fonctionne très bien avec des liquides clairs comme l'eau sans solides en suspension. Un CFD n'est pas bon marché (généralement de 5 $ à 15 000 $), mais il est beaucoup moins cher qu'un modèle réduit. J'espère que cela aide.

Q : Quels sont les problèmes les plus courants avec les puisards de turbine verticaux d'un point de vue opérationnel ?

Scroggins : Il y a quelques inconvénients avec les turbines verticales (ça me fait mal de le dire). Mais un VTP nécessite une marge élevée et peut être difficile à installer ou à supprimer. De plus, respecter le niveau de liquide minimum pour l'amorçage, le NPSH et l'immersion peut parfois être intéressant. De plus, comme elles sont généralement longues et fines, les pompes verticales sont sensibles aux fortes vibrations. Mais à mon avis, les avantages des turbines verticales l'emportent largement sur leurs inconvénients.

Q : Pour une pompe à turbine verticale dans un puits d'eau, peut-on considérer le tubage du puits comme un puisard ?

Scroggins : Pas exactement. Pour les pompes de puits, le débit vient généralement du bas vers le haut. Les pompes de puisard aspirent l'eau dans des plans horizontaux. C'est une différence très subtile, mais c'est énorme hydrauliquement lorsqu'il s'agit de tourbillons, d'écoulement uniforme, de zones stagnantes, etc.

Q : L'admission de la pompe ne doit-elle pas être à moins de 5 diamètres de la pompe du tamis du puits ?

Scroggins : En fait, ANSI/HI 9.8-2012 : Pompes rotodynamiques pour la conception d'admission de pompe définit un tamis à quatre diamètres de cloche d'aspiration à partir de l'axe central de la cloche d'aspiration pour des admissions rectangulaires de liquide clair.

Q : Si vous pensez qu'il y a de la cavitation, y a-t-il des signes qui peuvent être observés à proximité du moteur ?

Scroggins : C'est une bonne question. Je vais vérifier avec l'un de nos représentants du service sur le terrain et fournir un suivi. En règle générale, la cavitation augmente les vibrations et les fluctuations de charge, qui devraient se manifester dans le conducteur. Cela revient au même symptôme pour de nombreuses maladies différentes.

Q : Pouvez-vous utiliser des moteurs à vitesse variable sur des pompes à turbine verticale ?

Scroggins : Oui, tout à fait sur des séries courtes, comme dans un puisard vertical. Mais sur les ensembles profonds ou partout où il y a une forte élévation, la pompe doit surmonter, je ne recommanderais pas d'utiliser un variateur de fréquence (VFD).

Q : Quels sont les avantages d'une pompe à turbine verticale par rapport à un puisard submersible ou à un autre type de pompe ?

Scroggins : les avantages d'une pompe à turbine verticale sont : un encombrement réduit, aucun problème d'amorçage, des turbines à faible NPSHr sont disponibles, les problèmes d'immersion et de NPSHA sont éliminés en allongeant simplement la pompe, la flexibilité de la pression en ajoutant ou en supprimant des étages, la réduction du bruit et les turbines verticales se prêtent facilement à la personnalisation pour répondre aux besoins du système existant. Les inconvénients ou ce que j'aime appeler les opportunités sont peu nombreux. Mais une turbine verticale nécessite une hauteur libre inhabituellement élevée : elle peut être un peu difficile lors de l'installation et du retrait ; ils doivent respecter un niveau de liquide minimum pour l'amorçage, le NPSH et la submersion ; et ils sont sensibles aux fortes vibrations.

Q : Comment tenez-vous compte de la perte de charge causée par les brise-jets ? Existe-t-il des données disponibles pour inclure cette chute de pression dans le calcul NPSHA ?

Scroggins : À ce stade, vous devez exécuter une analyse CFD pour déterminer la chute de pression. Et je ne sais pas si une entreprise de pompes a abordé ce problème, ni ANSI/HI ou AWWA. Mais tu poses une question intéressante.

Q : Dans les applications où le NPSHA est très proche du NPSHr, les redresseurs de flux peuvent-ils être contre-productifs ?

Scroggins : C'est possible, mais je pense qu'une analyse CFD pourrait montrer un avantage net légèrement en faveur des redresseurs de flux. C'est pourtant un très bon point.

Commentaire : D'autres considérations lors de l'ajout d'étages incluent la puissance supplémentaire requise et la force de l'arbre requise pour l'augmentation de la puissance et de la poussée vers le bas.

Scroggins : C'est vrai. Et lors de la conception pour l'état futur, ces paramètres doivent absolument être pris en compte.

Q : Nous participons à la conception de grandes centrales électriques dans lesquelles des pompes à eau de circulation de 130 000 gpm ou plus sont utilisées. La même démarche de dimensionnement des puisards s'appliquera-t-elle à ces installations ?

Scroggins : Oui. En fait, ANSI/HI 9.8 offre des directives jusqu'à 300 000 gpm. Mais les projets de cette ampleur, à moins de dupliquer une autre application de tour de refroidissement, seraient un excellent candidat pour l'analyse CFD, et éventuellement un modèle à l'échelle. Je suggérerais au moins une analyse CFD, et si les résultats sont marginaux, utilisez soit un modèle à l'échelle, soit un changement de conception. Bonne chance.

Q : Quels sont les codes et normes utiles pour la conception des puisards ?

Scroggins : Il existe très peu de normes et de codes. Même notre Sump Design Group au Danemark utilise ANSI/HI 9.8. Mais d'autres que je recommande incluent:

Je considère que c'est un très bon début. Un bon logiciel CFD peut contenir des informations supplémentaires, comme un livre sur la modélisation des fluides ANSYS.

Q : Pourriez-vous proposer des considérations pour un puits humide autonettoyant de style tranchée ?

Scroggins : Il existe une procédure de nettoyage pour les puits humides de type tranchée dans ANSI/HI 9.8 (Section 9.8.3.2.3.5, pour être précis) pour les applications de fluides contenant des solides. Je ne suis pas en mesure d'offrir des informations utiles sur cette procédure car je n'ai pas travaillé avec ce type de puisard utilisant des fluides contenant des solides. Tout ce que je peux proposer, c'est de répéter ce qui est mentionné dans la norme ANSI/HI.

Q : Pouvez-vous brièvement discuter des exigences de dégagement pour les pompes à turbine noyée afin d'éviter la cavitation ?

Scroggins : Il serait impossible d'être bref pour ce sujet particulier, alors veuillez m'excuser. J'interpréterai les exigences de dégagement comme un dimensionnement pour les pompes de type bidon. Pour les débits supérieurs à 5 000 gpm, une analyse CFD serait recommandée et pour les débits supérieurs à 10 000 gpm, un modèle à l'échelle physique est recommandé. Pour les débits inférieurs à 5 000 gpm, il y a peu de choses à considérer. Tout d'abord, quelques termes et définitions :

Un bidon ordinaire (tête en T ou buse d'aspiration située dans la tête de refoulement) :

Notez que dans une pompe à bidon, les pertes d'aspiration de bidon ne sont PAS négligeables et doivent être soustraites du NPSHA (obtenu auprès du fabricant de la pompe).

Aspiration dans la boîte (tête montée sur ANSI ou buse d'aspiration située dans la boîte) :

Remarques:

*Le diamètre intérieur de l'aube de redressement doit être aussi proche que possible du plus grand diamètre extérieur de la boîte. Je suggère d'utiliser SVid = 1,08 × Dx, ou tout au plus 1 po entre l'aube et la lèvre de la cloche d'aspiration, les bols ou la bride de la colonne.

**En raison du volume limité d'un bidon partiellement rempli, une augmentation du niveau de liquide peut poser problème. La tuyauterie d'admission doit être suffisamment grande pour limiter le rabattement en dessous du niveau de liquide minimum pendant 3 secondes au maximum au démarrage.

Q : Les pompes à turbine verticales utilisées dans les systèmes de protection contre les incendies sont généralement installées dans de petits puisards intégrés dans des réservoirs préfabriqués. Sur la base de pompes de 2 500 gpm, quelle devrait être la taille d'un tel puisard ?

Scroggins : Je n'ai pas assez d'informations pour répondre correctement à cette question. Cela dépend de la durée minimale × 150 % du débit de conception (3 750 gpm) arrondi à la taille supérieure du réservoir. Je vérifierais NFPA 22: Standard for Water Tanks for Private Fire Protection ou l'autorité compétente.

Q : La roue du premier étage d'une pompe multicellulaire est-elle la roue du haut ou du bas ?

Scroggins : Il est toujours situé en bas. Notez que le NPSH est une fonction de la turbine du premier étage uniquement.

Q : La submersion est-elle nécessaire pour éviter l'entrée d'air afin d'empêcher le vortex dans le puisard mesuré au-dessus de l'œil d'entrée de la turbine ou au-dessus du niveau du bas de la cloche d'admission ?

Scroggins : C'est un peu déroutant, je suis d'accord. Sur la première diapositive pour la submersion, j'espère que vous avez remarqué que la ligne de cote commençait au niveau du bec en cloche. C'est parce que la submersion de suppression de vortex (évitement de l'entrée d'air) est mesurée à partir de l'entrée de la cloche d'aspiration. L'entrée de la cloche d'aspiration est l'endroit où l'action vortex commence. La ligne de cote pour NPSH ne tombait pas sur le bec en cloche, mais juste au-dessus. C'est parce que la submersion NPSH est mesurée à partir des bords d'attaque dans l'œil de la roue du premier étage (où la ligne de cote a été placée). Le NPSH requis est basé sur la vitesse de pompage à travers l'œil de la turbine du premier étage. Et dans le calcul NPSHA, la charge statique (HST) est la submersion NPSH mesurée depuis l'œil de la roue du premier étage jusqu'au niveau du fluide.

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