Choisir la bonne pompe à roue flexible pour le refroidissement des moteurs marins

Il y a plusieurs éléments à prendre en compte en ce qui concerne les systèmes de refroidissement des moteurs marins, notamment les types de pompes et de systèmes les mieux adaptés à votre application. Nous allons passer en revue les éléments suivants :

• Les avantages des pompes à roue flexible (FIP).
• Les systèmes de refroidissement les plus utilisés pour les moteurs de propulsion marine.
• Marges de sécurité.
• Conseils sur les systèmes d'aspiration.
• Types de pompes et éléments à prendre en compte.
• Les différents entraînements de pompe disponibles.

IMPORTANT : Les informations contenues dans cet article concernant les systèmes de refroidissement du moteur et le choix des pompes sont données à titre indicatif. Elles ne concernent pas les moteurs à hautes performances. Il convient de toujours consulter le fabricant du moteur ou le marinier.

Les pompes et les systèmes de refroidissement des moteurs Jabsco doivent être adaptés lors de la conception des installations du moteur du bateau. Une fois installés, les marges de sécurité doivent être préservées et l'accent doit être mis sur la maintenance préventive et non corrective.

Les avantages des pompes à roue flexible

Les pompes à roue flexible sont polyvalentes. Elles combinent la fonction d'amorçage des pompes volumétriques avec la capacité de transfert général des pompes centrifuges. Les pompes à impulsions flexibles pompent des liquides fins ou visqueux et peuvent traiter plus de solides en suspension que les pompes rotatives. Elles fonctionnent à des vitesses faibles ou élevées, peuvent être montées à n'importe quel angle et pompent dans les deux sens avec la même efficacité. En outre, les pompes à impulsions flexibles sont :

• Auto-amorçage. Les FIP pompent instantanément en cas d'aspiration à sec et s'élèvent jusqu'à 3 m (10 pi) ou 8 m (25 pi) lorsqu'ils sont mouillés, ce qui permet des installations plus propres et plus sûres. Aucun clapet de pied n'est nécessaire.
• Simple. Les FIP n'ont qu'une seule pièce mobile - une roue souple, résistante à l'usure, robuste et durable, lubrifiée par le liquide pompé. L'absence d'action de pompage métal contre métal signifie qu'aucun engrenage ne se bloque, ne se colmate ou ne devient bruyant.
• Capacité de traitement plus importante. Les FIP sont généralement moins encombrantes que les autres types de pompes car elles offrent un débit plus important pour leur poids, leur taille et leur prix.

Plages de pression

Les roues standard conviennent pour un fonctionnement continu dans les limites suivantes :

• Orifices de 1/4 po, 3/8 po et 1/2 po jusqu'à une hauteur de chute de 12 m (40 pi), 1,2 bar (17,3 psi)
• Taille des orifices de 1 à 2 pouces jusqu'à une hauteur de 70 pieds (20 m), 30,3 psi (2 bar)

Des roues spéciales haute pression sont disponibles pour certains modèles. Un fonctionnement dans la partie inférieure de la plage de pression recommandée prolongera la durée de vie de la roue.

Plage de température

La plage de température est de 7°C à 80°C (45°F à 180°F). Pour les fluides inférieurs à 7°C (45°F), veuillez consulter Xylem.

Vitesses de fonctionnement

Vous trouverez ci-dessous les vitesses de fonctionnement des pompes à roulements à billes en fonction de leur taille :

• Orifices de 1/4 ou 1/2 pouce : 3600 tr/min maximum
• Orifices de 3/4 ou 1 pouce : 3000 tr/min maximum
• Orifices 1-1/4in : 2200 tr/min maximum
• Orifices de 2 pouces : 2200 tr/min maximum

Types de systèmes de refroidissement des moteurs de propulsion marine

Refroidissement de l'échangeur de chaleur

Il s'agit également d'un système fermé car le circuit de refroidissement primaire est isolé de l'atmosphère environnante.

Une pompe centrifuge fait circuler de l'eau fraîche et traitée dans les passages du bloc-cylindres et autour de la pile de tubes d'un échangeur de chaleur. La pompe à eau brute Jabsco aspire l'eau brute (de la mer ou du lac) par l'entrée de la coque du navire et la pompe à travers les tubes de l'échangeur de chaleur, éliminant la chaleur transmise par le circuit primaire avant de la rejeter à la mer.

L'échangeur de chaleur, qui peut être à passage unique ou à deux passages, doit traiter environ 10 % de plus que le taux maximum de rejet de chaleur du moteur et peut être installé séparément ou comme partie intégrante du réservoir d'expansion/de tête. Ce réservoir permet l'évacuation de l'air ou des gaz de combustion absorbés par l'eau de refroidissement pendant le fonctionnement du moteur et fournit une pression positive à l'entrée de la pompe à eau douce. Cette pompe, installée dans la partie la plus froide du circuit primaire, a la capacité de maintenir un différentiel de température de l'eau d'environ 8°C (45°F) à travers le bloc-cylindres à pleine charge.

La plupart des moteurs sont équipés d'un thermostat marin qui régule la température de fonctionnement du moteur à environ 85°C (185°F). Afin d'assurer une marge de sécurité suffisante pour les moteurs diesel commerciaux, qui devraient fonctionner plus de 2500-3000 heures par an, la taille et le régime de la pompe à eau brute Jabsco doivent être choisis de manière à obtenir un débit d'environ 15gpm (57lpm) pour chaque 100hp de charge et de régime maximum du moteur.

Le débit de la pompe à eau brute devrait être supérieur de 10 à 15 % si un collecteur d'échappement est installé dans le circuit d'eau brute ou d'eau douce.

 

Des refroidisseurs supplémentaires, tels que des refroidisseurs d'huile ou des refroidisseurs d'air de suralimentation, doivent être montés après la pompe, mais en faisant un compromis entre la fiabilité, la taille et le poids, et le débit de la pompe. La hauteur de refoulement doit être d'environ 10-13 psi d'eau au régime maximum.

Les marges de sécurité dans les systèmes d'entrée des pompes sont extrêmement critiques, de sorte que toute restriction ou tout coude, autre que les robinets et les crépines d'entrée, doit être évité à tout prix.

L'eau brute provenant du collecteur d'échappement est souvent injectée dans le tuyau d'échappement (après un coude d'échappement pour empêcher le retour de l'eau brute dans les cylindres), qui peut ensuite être acheminé dans des zones où un tuyau chaud constituerait un danger. C'est ce qu'on appelle un système "d'échappement humide". En outre, le mélange de l'eau avec les gaz d'échappement réduit le bruit des gaz d'échappement. Toutefois, sur les petits moteurs, le débit d'eau brute ne doit pas être inférieur à 9,5-15 litres par minute (2,5-4 GPM) pour que le bruit soit suffisant.

Refroidissement de la quille

Il s'agit d'un système similaire à un échangeur de chaleur, mais le circuit d'eau brute et l'échangeur de chaleur ont été remplacés par des tuyaux fixés à l'extérieur de la quille du navire.

L'alésage et la surface des tuyaux doivent être suffisants pour permettre une dissipation efficace de la chaleur du circuit primaire vers l'eau de mer ou de rivière. Dans certaines installations, lorsque la capacité de débit de la pompe de circulation centrifuge est insuffisante en raison des pertes de pression du système à travers les tuyaux de quille, le bloc-cylindres et le collecteur d'échappement, une pompe Jabsco peut être utilisée - capacité de débit d'environ 30 gpm (113lpm) pour chaque 100hp à la charge et au régime maximum du moteur.

Une autre solution consiste à utiliser une coque en acier comme surface de refroidissement, où la chaleur est transmise directement à l'eau de mer ou de rivière environnante à partir d'un réservoir soudé à l'intérieur du fond.

L'échappement sec peut être transformé en échappement humide au moyen d'une pompe à eau brute séparée.

Le réservoir d'expansion peut être installé séparément. Dans ce cas, il doit être raccordé directement à l'entrée de la pompe de circulation et le circuit primaire doit être correctement ventilé dans le réservoir.

Refroidissement direct

L'eau brute est pompée directement à travers le bloc moteur. Cependant, comme l'eau entrant dans le bloc est à température ambiante, la température de sortie doit être beaucoup plus basse que dans un moteur à refroidissement indirect pour réduire la formation de dépôts de tartre et de sel et les contraintes thermiques dans le bloc-cylindres.

Une température de fonctionnement plus basse signifie que les performances du moteur seront considérablement moins efficaces, et les systèmes de refroidissement direct ne devraient pas être utilisés sur les moteurs des bateaux commerciaux.

Pour les moteurs des bateaux de plaisance qui ne fonctionnent pas plus de 50 à 100 heures par an, les marges de fiabilité seront probablement maintenues pendant plusieurs années jusqu'à ce que les dépôts dans les passages de refroidissement du moteur commencent à affecter le transfert de chaleur vers l'eau de refroidissement.

La température de fonctionnement du moteur est mieux contrôlée par un thermostat marin que par une soupape à commande manuelle.

Lors d'un démarrage à froid, le thermostat est fermé et la majeure partie de l'eau de refroidissement (environ 38 litres par 100 ch à pleine charge et à plein régime) contourne le moteur par une soupape de contre-pression à ressort et s'écoule dans le collecteur d'échappement. Un petit trou de purge dans le thermostat assurera une circulation lente de l'eau de refroidissement dans le bloc-cylindres afin d'éviter les points chauds lorsque le moteur chauffe.

Marges de sécurité

Les débits d'eau brute indiqués précédemment sont destinés aux systèmes de refroidissement des moteurs diesel et comprennent une marge de sécurité d'environ 30 % pour garantir un refroidissement adéquat du moteur dans des conditions de fonctionnement défavorables.

Les moteurs à essence (par rapport aux moteurs diesel) ont un taux de rejet de chaleur élevé au ralenti, de sorte qu'il est recommandé d'augmenter le débit de la pompe d'environ 10 % au régime maximal.

Si les capacités de débit peuvent être affectées par des dépôts de sel ou de calcaire dans les conduites en raison d'une exploitation dans des régions tropicales, de la pollution de l'eau de mer, de l'âge et de l'usure des pompes et des systèmes en général, il s'agit généralement d'un processus graduel avec un avertissement suffisant que la maintenance préventive peut contrer.

Une réduction du débit d'eau de refroidissement due à des conditions défavorables causées par un système inadéquat est beaucoup plus grave.

Lorsque la végétation marine, telle que les algues, se coince dans les crépines d'entrée d'eau de mer dont les mailles ou les trous sont trop petits, l'alimentation en eau de refroidissement de la pompe peut être considérablement réduite.

D'autre part, aucune capacité de débit de la pompe ne permet de se prémunir contre un blocage soudain mais total - par exemple, un sac en plastique recouvrant l'entrée de la coque. La marge de sécurité du système peut être considérablement augmentée en prévoyant deux entrées de coque séparées, généralement de part et d'autre de la quille, qui rejoignent le tuyau d'entrée de la pompe en dessous de la ligne de flottaison. Dans la pratique, la probabilité que les deux entrées soient couvertes simultanément est insignifiante.

Étant donné que les recommandations des fabricants d'échangeurs de chaleur et de refroidisseurs pour un moteur donné et le débit correspondant de la pompe comprennent des marges de sécurité appropriées pour les débits minimum et maximum, il convient de garder à l'esprit que les vitesses excessives de l'eau dans les tuyaux de l'échangeur de chaleur dues à une "surenchère", telle que l'installation de pompes de refroidissement surdimensionnées, peuvent entraîner l'érosion des tuyaux et l'usure accélérée de la pompe en raison des pressions de fonctionnement excessives de la pompe.

D'autre part, une faible vitesse de l'eau dans les tubes de l'échangeur de chaleur peut entraîner la formation de boues. Par conséquent, une pompe trop petite (marges de sécurité insuffisantes) peut entraîner un fonctionnement inefficace des échangeurs de chaleur et des refroidisseurs pendant une longue période.

Système d'aspiration

Une pompe de refroidissement à eau brute doit fonctionner dans un système de refroidissement correctement conçu pour fournir des performances fiables dans des conditions de navigation. Il est donc essentiel que l'eau de refroidissement atteigne la pompe sans avoir à surmonter des résistances ou des restrictions indésirables.

Les règles générales suivantes sont données à titre indicatif :

L'alésage du tuyau d'aspiration ne doit pas être plus petit que le raccord d'entrée de la pompe, mais si la longueur totale du tuyau d'aspiration dépasse 3 m, l'alésage doit être plus grand d'une taille, en particulier si la pompe fonctionne à des vitesses élevées. Évitez les agrandissements ou les rétrécissements soudains de l'alésage du tuyau et utilisez la même taille partout. Si une modification de la taille de l'alésage est nécessaire, utilisez de longues sections coniques pour y parvenir.

• La conduite d'aspiration doit être aussi droite que possible et éviter les coudes inutiles. Ne pas utiliser de coudes carrés ou standard, mais plutôt des coudes à long rayon.
• Ne pas installer de refroidisseurs d'huile de boîte de vitesses ou de moteur dans le système d'aspiration de la pompe. Toujours les installer après la pompe.
• Les robinets de la même taille nominale que la tuyauterie d'aspiration doivent être du type à bille ou à bouchon, avec un passage complet en position ouverte. La position de la poignée doit indiquer si les robinets sont ouverts ou fermés.
• Les crépines d'entrée d'eau de mer doivent avoir un trou ou une maille d'au moins 3 mm de diamètre et jusqu'à 5 mm pour les pompes plus grosses, mais plus petit que l'alésage du tube de l'échangeur de chaleur.
• Vérifiez fréquemment que le filtre d'entrée n'est pas obstrué. En cas de doute, nettoyez-le soigneusement.
• Les bateaux rapides (plus de 12-15 nœuds) doivent être équipés d'écopes d'entrée dans une zone mouillée en permanence de la coque du bateau afin de créer une pression d'entrée suffisante aux vitesses élevées du bateau. Les raccords d'entrée affleurants ne conviennent pas aux bateaux rapides.

Sélection de la pompe

La plupart des moteurs marins propriétaires sont déjà équipés de pompes de refroidissement Jabsco spécialement adaptées et montées sur bride, entraînées par des engrenages ou des accouplements de différentes natures.

Un entraînement par courroie à partir de la poulie du vilebrequin permet de choisir presque n'importe quelle pompe Jabsco standard en bronze montée sur pied, à condition que le débit de refroidissement requis soit obtenu sans que la pompe ne fonctionne à des vitesses excessives.

Les besoins globaux en eau de refroidissement pour chaque 100 ch à la charge et au régime maximum du moteur sont les suivants :

Moteurs diesel

Refroidissement de l'échangeur de chaleur - 18gpm (68lpm) - eau brute

Refroidissement de la quille 36gpm (136lpm) - eau douce

Refroidissement direct 12gpm (45lpm) - eau brute

Moteurs à essence

Utilisez les chiffres du tableau des moteurs diesel ci-dessus et augmentez-les d'environ 10 %.

Si les collecteurs d'échappement sont refroidis à l'eau, il faut augmenter la capacité de la pompe de 10 à 15 % supplémentaires.

Types de pompes

Le choix peut dépendre de la vitesse de la pompe, de l'espace disponible et du type d'entraînement.

Pompes à roulement à billes

Les pompes à roulement à billes doivent être utilisées pour des vitesses de pompage supérieures à 2500 tr/min. En fonction de la taille et de l'utilisation, des vitesses allant jusqu'à 5 000 tr/min sont possibles, mais une attention particulière aux conditions du système d'aspiration est nécessaire (consulter Jabsco).

Les pompes à roulement à billes sont disponibles en version lourde et compacte.

Pompes à haut rendement

Cette gamme est conçue avec deux roulements espacés et des joints mécaniques à face rotative pour répondre à des critères de haute fiabilité dans des conditions de fonctionnement défavorables, telles qu'une tension excessive des courroies, une pression de fonctionnement élevée, des conditions abrasives rencontrées dans les eaux peu profondes ou dans le cadre d'un fonctionnement in-shore. Les corps de pompe sont soit boulonnés à un corps de palier, soit le corps et le corps de palier sont moulés d'un seul tenant. Ces pompes sont souvent uniques pour l'application, mais certains types de pompes peuvent avoir des paliers communs.

Pompes compactes

Cette gamme de pompes est équipée de roulements à billes à double rangée, ce qui constitue un compromis peu coûteux entre la longueur totale de la pompe et une capacité limitée de service intensif.

Les roulements sont blindés, ce qui assure une lubrification permanente par la graisse spéciale.

Défaillance de l'entraînement de la pompe

Les systèmes de pompage mal conçus sont à l'origine de la plupart des pannes. Des systèmes d'entraînement insatisfaisants sont des causes secondaires de problèmes de pompe.

Entraînements de pompe

Entraînements directs

Un mauvais alignement entre la pompe et l'arbre d'entraînement est une cause fréquente de défaillance de la pompe.

Un accouplement flexible n'est "flexible" que dans les limites spécifiées par le fabricant. Un désalignement excessif, en particulier à des vitesses de pompe élevées, peut provoquer des bruits, des cliquetis, des vibrations et une défaillance prématurée des roulements, qui est généralement suivie d'une fuite de la pompe.

Entraînements par courroie

La vitesse de la pompe est déterminée par le diamètre de la poulie du moteur et la nécessité de maintenir la poulie de la pompe à une taille maximale pratique. Certaines poulies de vilebrequin intègrent des membranes d'amortissement des vibrations, ce qui se traduit par des diamètres importants au niveau de la gorge en V. Pour réduire la vitesse de la pompe par rapport à celle du moteur, il est nécessaire d'utiliser sur la pompe une poulie plus grande que la poulie d'entraînement. Les régimes élevés peuvent donc nécessiter des poulies de pompe surdimensionnées, ce qui rend impossible l'utilisation d'une transmission par courroie. Pour calculer la taille appropriée de la poulie de la pompe, il faut.. :

1. Diviser le diamètre de la poulie d'entraînement par le diamètre de la poulie de la pompe
2. Multiplier le résultat par le régime du moteur pour obtenir la vitesse de la pompe.

Une tension excessive de la courroie d'entraînement entraîne une usure rapide de la courroie et peut provoquer une défaillance prématurée des roulements. L'application d'une pression du doigt doit permettre de faire dévier une courroie correctement tendue entre les poulies d'environ 13 à 19 mm.

Si une tension excessive de la courroie peut être due à un serrage excessif par inadvertance, il faut toujours vérifier qu'elle ne résulte pas d'un défaut inhérent à l'installation. Par exemple, si le débit de la pompe est insuffisant en raison d'un glissement de la courroie dû à une surface de contact insuffisante entre la courroie et la poulie, aucun serrage ne résoudra le problème de façon permanente. La surface de contact doit idéalement être d'environ 120°, mais pas inférieure à 90°.

Si le moteur est installé sur des supports flexibles, une pompe à courroie doit être montée sur le moteur et jamais boulonnée à la structure du navire. Cela permet d'éviter de tendre ou de détendre la courroie d'entraînement en raison des mouvements relatifs du moteur.

Entraînements par engrenages

Les pignons d'entraînement montés sur les pompes robustes à bride sont supportés par les roulements à billes de la pompe et entraînés par l'un des engrenages du moteur.

Entraînement monté sur poulie de vilebrequin

Plusieurs pompes Jabsco spécialement conçues pour fonctionner à grande vitesse sur des moteurs à essence et diesel sont équipées d'un boîtier de roulement multipositionnel boulonné directement à la poulie du vilebrequin, ce qui élimine les supports de montage, les courroies et les poulies.

Le corps de la pompe n'étant supporté que par le roulement à billes, il doit être empêché de tourner au moyen d'un bras de couple conçu et installé de manière à éviter toute charge latérale sur le roulement. Les tuyaux d'entrée et de sortie doivent être flexibles et d'une longueur suffisante (au moins 10 fois le diamètre du tuyau) pour que la pompe puisse être tournée librement sur quelques degrés par la seule pression des doigts.

Reproduit avec les remerciements de Xylem white paper : Pompes à roue flexible utilisées dans les applications de refroidissement des moteurs marins