Roue de pompe : types ouverte, semi-ouverte et fermée

Quand on compare deux pompes, on parle de débit, de hauteur, de puissance ou de matériau. Mais la pièce qui décide réellement du comportement de la pompe — le rendement atteint, le NPSH requis, la capacité à accepter des solides ou au contraire à se boucher, la vitesse d’usure — est une seule et même pièce : la roue.

Choisir le bon type de roue de pompe est l’une des décisions de spécification les plus sous-estimées. Une roue fermée qui travaille sur un liquide chargé de cristaux se colmate ; une roue ouverte sur un transfert d’acide propre gaspille de l’énergie pendant des années. Et dans les pompes thermoplastiques pour fluides corrosifs s’ajoute une subtilité presque jamais expliquée : les jeux d’une roue en plastique ne se comportent pas comme ceux d’une roue métallique.

Dans ce guide, nous expliquons ce qu’est la roue et comment elle fonctionne, les vraies différences entre la roue ouverte, la roue semi-ouverte et la roue fermée, le rôle du jeu, et comment choisir la bonne géométrie en fonction du passage de solides nécessaire et du type de fluide.

La roue — parfois appelée impulseur ou, dans certains textes, turbine — est le cœur hydraulique de la pompe centrifuge. Montée sur l’arbre, elle tourne avec le moteur. Le liquide entre par son centre, l’œillard, et les aubes l’obligent à tourner et à se déplacer vers la périphérie. Sur ce trajet, le liquide gagne en vitesse et en pression sous l’effet de la force centrifuge.

À la sortie de la roue, le liquide entre dans la volute, l’enveloppe en spirale qui l’entoure, où une bonne partie de cette vitesse se transforme en pression avant d’atteindre la bride de refoulement. La répartition des rôles est claire : la roue fournit l’énergie et la volute l’organise. C’est pourquoi roue et corps de pompe sont conçus ensemble, et pourquoi le jeu entre les deux est si important.

Tout ce que la pompe est capable de faire — la hauteur qu’elle atteint à un débit donné, le rendement avec lequel elle le fait, la pression dont elle a besoin à l’aspiration pour ne pas caviter — dépend de la géométrie de la roue : son diamètre, le nombre et l’angle des aubes, la taille de l’œillard et la présence ou non de flasques.

Malgré la diversité des variantes, presque toutes les roues centrifuges partagent les mêmes éléments :

La présence ou l’absence de ces deux flasques donne la classification classique que nous détaillons plus bas : avec deux flasques, la roue est fermée ; avec un seul, semi-ouverte ; sans flasque, ouverte.

Le diamètre de la roue est la variable avec laquelle le constructeur adapte un même corps de pompe à différents points de fonctionnement. Réduire ce diamètre — ce que l’on appelle le rognage de roue — abaisse la courbe de façon prévisible, selon les lois de similitude. En première approximation, pour des rognages modérés :

Le rognage est un excellent outil pour adapter la pompe au point de fonctionnement réel de l’installation au lieu de dissiper de l’énergie dans une vanne de refoulement à moitié fermée, mais il a ses limites : chaque conception admet un rognage minimal, en dessous duquel le rendement chute et la recirculation et les vibrations augmentent.

La roue fixe aussi le NPSH requis. La géométrie de l’œillard et du bord d’attaque des aubes détermine la pression dont le liquide a besoin pour ne pas se vaporiser à l’entrée. Pour aller plus loin sur ce calcul, consultez notre guide NPSH expliqué : NPSH disponible vs NPSH requis et comment les calculer. Et lorsque la roue travaille loin de son point de conception, la recirculation et la cavitation apparaissent ; nous décrivons leurs dommages — piqûres sur les aubes, perte de profil au bord d’attaque — dans notre article sur la cavitation d’une pompe.

Dans une roue fermée, les aubes sont enfermées entre le flasque arrière et le flasque avant et forment des canaux fermés dans lesquels circule le liquide. Cette construction empêche le liquide de « fuir » par-dessus les aubes et donne le rendement hydraulique le plus élevé de tous les types de roue.

L’étanchéité entre la zone haute pression et l’aspiration n’est pas assurée par le contact des aubes avec le corps de pompe, mais par un faible jeu radial à l’entrée de la roue, généralement au moyen de bagues d’usure. Tant que ce jeu est maintenu, le rendement reste stable dans le temps ; lorsqu’il s’use, la recirculation interne augmente et la pompe perd de la capacité, mais la bague peut être remplacée sans changer la roue.

Ses avantages sont nets : meilleur rendement, hauteurs élevées, fonctionnement doux et poussée axiale réduite. Sa grande limite aussi : les canaux fermés offrent un passage libre réduit et se bouchent avec des solides volumineux, des fibres ou des boues. C’est la roue de référence pour transférer des acides, des bases, des saumures, de l’eau déminéralisée et, d’une manière générale, des liquides propres ou contenant des particules très fines en faible concentration.

La roue semi-ouverte conserve le flasque arrière mais supprime le flasque avant. Les aubes sont visibles côté aspiration et tournent très près de la paroi du corps ou d’une plaque d’usure. L’étanchéité est alors assurée par un très faible jeu axial entre l’arête des aubes et cette paroi.

Cette géométrie a deux conséquences. D’une part, le passage entre les aubes est plus accessible et la roue tolère beaucoup mieux les solides en suspension, les cristaux et les boues légères, avec moins de risque de bouchage. D’autre part, le rendement dépend directement du jeu axial : à mesure que l’usure l’agrandit, davantage de liquide recircule par-dessus les aubes et la pompe perd hauteur et rendement. De nombreuses pompes de process à roue semi-ouverte permettent de régler ce jeu de l’extérieur pour retrouver les performances.

La roue ouverte va encore plus loin : elle n’a aucun flasque, ou seulement un petit voile de renfort, et les aubes sont directement fixées au moyeu. C’est le type le plus tolérant aux solides, aux fibres et aux liquides chargés de gaz, et le plus facile à nettoyer et à inspecter. En contrepartie, c’est celui qui a le rendement le plus faible, qui est le plus sensible à l’usure des jeux et le moins robuste mécaniquement ; on le réserve donc aux petites pompes ou aux services où le bouchage est le risque principal.

Il existe une quatrième option pour les cas extrêmes : la roue vortex (ou roue en retrait), logée dans un dégagement du corps de pompe, hors de la veine liquide principale. La roue crée un tourbillon qui entraîne le fluide sans que la plupart des solides ne la touchent. Son passage libre est le plus grand possible, idéal pour les solides volumineux, fibreux ou fragiles, mais son rendement est nettement inférieur à celui des autres types.

Le tableau suivant résume les différences pratiques entre les quatre types de roue :

Le jeu mérite un commentaire à part. Dans les pompes de process métalliques à roue semi-ouverte, le jeu axial de fonctionnement est généralement de l’ordre de quelques dixièmes de millimètre, et chaque dixième gagné par l’usure se traduit par une perte de hauteur et de rendement. Dans les pompes thermoplastiques, un facteur supplémentaire entre en jeu : les plastiques se dilatent avec la température de 4 à 12 fois plus que l’acier inoxydable.

Valeurs indicatives : le coefficient exact dépend de la nuance du matériau et de la plage de température. Dans une pompe entièrement thermoplastique, la roue et le corps se dilatent de façon comparable, mais l’arbre et le support de palier sont métalliques et la dilatation axiale n’est pas la même. C’est pourquoi les jeux d’une pompe en plastique sont conçus en fonction de la température de service, et pourquoi il faut toujours indiquer la température maximale réelle lors d’une demande, et pas seulement la température nominale.

Le choix de la roue commence toujours par le fluide. On écarte d’abord ce qui ne fonctionnera pas, puis on optimise le rendement parmi les options restantes. Ce tableau sert de point de départ :

Trois critères complètent la décision. La taille maximale des solides fixe le passage libre minimal dont la roue doit disposer. La concentration et la dureté des particules déterminent la vitesse d’usure et, avec elle, le matériau : avec des solides abrasifs, ce n’est pas le plastique le plus inerte qui l’emporte, mais le plus tenace. Enfin, la vitesse de rotation : avec des fluides abrasifs, une pompe plus grande tournant plus lentement dure généralement beaucoup plus longtemps qu’une petite pompe à grande vitesse, car l’usure augmente très vite avec la vitesse périphérique de la roue.

Dans les pompes thermoplastiques, la roue doit en outre résister chimiquement au fluide et transmettre le couple sans se déformer. Dans la gamme de pompes plastiques Tecnium Pumps, le couple est transmis à la roue par clavette et par un noyau en acier de grande surface, et la chemise d’arbre est démontable et indépendante de la roue. Selon l’application :

Ces applications sont fréquentes dans l’industrie minière et en station d’épuration des eaux usées, où le fluide est rarement propre et où la géométrie de la roue conditionne la durée de vie de tout l’équipement.

Vous hésitez sur la roue dont votre application a besoin ? Envoyez à notre équipe technique le fluide et sa concentration, la température maximale, le débit et la hauteur, ainsi que les caractéristiques des solides : taille maximale, concentration et nature abrasive ou fibreuse. Avec ces informations, nous vous proposons la pompe, le matériau et la configuration hydraulique adaptés. Demandez votre devis gratuit.