La pompe à palettes comporte trois jeux fonctionnels, tous appelés « jeu », mais leurs rôles sont très différents : le jeu latéral entre la palette et la rainure du rotor détermine si la palette peut sortir librement et si elle risque de se bloquer dans la rainure ; le jeu au sommet entre l’extrémité de la palette et la paroi de la chambre de pompe, ainsi que le jeu axial entre la face d’extrémité du rotor et le couvercle, constituent les passages par lesquels le gaz fuit de la chambre haute pression vers la chambre basse pression. Sur site, attribuer systématiquement la « baisse de vitesse de pompage » au jeu n’est pas exact : en pré-vidage à 500 mbar, un jeu axial de 40 µm ne retire qu’un peu plus de un pour cent de la vitesse de pompage ; sous 1 mbar, le même jeu suffit à faire monter la pression limite d’un ordre de grandeur. Cet article distingue les trois jeux, utilise trois exemples de calcul pour montrer dans quelle plage de pression chacun intervient et pourquoi les problèmes de durée de vie finissent par se manifester par une « augmentation du jeu ».
I. Les trois jeux : position, ordre de grandeur et conséquences
| Jeu | Position | Ordre de grandeur de référence courant (à froid) | Conséquence principale |
|---|---|---|---|
| Jeu latéral | Deux faces latérales de la palette et parois de la rainure du rotor | 0.02–0.08 mm | Inclinaison de la palette, bruit de choc, fuite de pression au fond de la rainure ; s’il est trop grand, la palette oscille et son extrémité s’use de façon dissymétrique |
| Jeu au sommet | Tête de palette et paroi interne de la chambre de pompe | Plusieurs dizaines de micromètres | Retour de gaz par le jeu au sommet ; après usure, il se traduit directement par une élévation de la pression limite |
| Jeu axial | Faces d’extrémité du rotor et des palettes jusqu’au couvercle | 10–30 µm | Passage principal du retour de gaz par les faces d’extrémité ; dans une pompe lubrifiée à l’huile, le film d’huile assure l’étanchéité à cet endroit, tandis qu’une pompe sans huile ne peut compter que sur la précision géométrique |
Les ordres de grandeur du tableau sont des plages de référence pour des modèles courants ; ils ne représentent pas la valeur de plan d’une pompe donnée. Les valeurs réelles doivent être mesurées sur le modèle concerné, et la mesure doit être faite à chaud — la section IV en explique la raison.
II. Exemple de calcul 1 : le volume mort fixe le plafond de 90–100 mbar d’une pompe sans huile mono-étage
La plupart des pompes à palettes sans huile mono-étage ont un vide nominal de 90–150 mbar ; la DPL-V15L et la DPL-V25L sont à 90 mbar, la DPL-V8, la DPL-V10 et la DPL-V16 sont à 100 mbar. Ce chiffre est souvent interprété à tort comme un « jeu mal réalisé » ; en réalité, le terme dominant est le volume mort : à l’instant où le refoulement se termine, le gaz resté dans le volume mort est enfermé à 1 atmosphère ; lorsque le rotor continue de tourner, ce gaz se détend d’abord, et l’aspiration ne commence qu’une fois la pression descendue sous la pression d’entrée.
En supposant une détente isotherme, la relation entre pression limite et rapport de volume mort est :
p_u = p_exh × V_c / (V_c + V_cyc)
On prend p_exh = 1013 mbar, V_c est le volume mort et V_cyc le volume aspiré par tour. Calcul inverse du rapport de volume mort :
| Modèle | Vide nominal | Rapport de volume mort calculé V_c / V_cyc |
|---|---|---|
| DPL-V8 / V10 / V16 | 100 mbar | 100 ÷ (1013 − 100) = 11.0% |
| DPL-V15L / V25L | 90 mbar | 90 ÷ (1013 − 90) = 9.8% |
| DPL-V25 / V40 | 150 mbar (850 mbar en pression relative) | 150 ÷ (1013 − 150) = 17.4% |
Les trois valeurs calculées se situent entre 10% et 17%, ce qui correspond aux caractéristiques géométriques d’une pompe à palettes : le petit volume près de l’orifice de refoulement et du point mort est de cet ordre de grandeur. Cela montre aussi que, pour descendre plus bas avec une pompe sans huile mono-étage, il ne suffit pas de « réduire encore le jeu de 5 µm » : il faut réduire le volume mort ou passer à deux étages.
Appliqué à une pompe lubrifiée à l’huile mono-étage, le même modèle donne un résultat absurde : le vide limite de la V0040A à la V0100 est de 0.1 mbar (page produit V0025A–V0100), et le rapport de volume mort calculé n’est que de 0.01%, ce que la géométrie réelle ne permet pas d’atteindre. La raison est que, dans une pompe lubrifiée à l’huile, il existe un film d’huile dans le jeu, qu’une partie du gaz comprimé se dissout dans l’huile et que le volume mort des clapets de refoulement peut être rendu très petit. Le 0.1 mbar d’une pompe lubrifiée à l’huile n’est pas obtenu par la seule précision géométrique.
III. Exemple de calcul 2 : un même jeu a un poids très différent en pré-vidage et en régime de vide limite
En considérant le jeu axial comme une fente étroite, la conductance en écoulement visqueux est estimée par la formule de la fente rectangulaire :
C = b · h³ / (12 η L) Q = C · (p₂² − p₁²) / 2 ΔS = Q / p₁
b est la largeur de la surface d’étanchéité (prise à 45 mm), L la longueur d’étanchéité dans le sens de rotation (prise à 45 mm), h le jeu axial, η la viscosité de l’air à 20 ℃, soit 1.85×10⁻⁵ Pa·s, et p₂ est prise à 1013 mbar. Une pompe comporte deux palettes, chacune avec deux faces d’extrémité, soit 4 chemins en parallèle.
Considérons d’abord la plage de travail à 500 mbar (p₁ = 50 000 Pa) : pour h = 40 µm, le retour de gaz ramené à l’entrée par un seul chemin est d’environ 0.08 m³/h ; pour les 4 chemins, le total est d’environ 0.32 m³/h, soit 1.3% de la vitesse de pompage de 25 m³/h de la V25L. Pour h = 10 µm, cette proportion est de 0.02%, donc non mesurable.
Considérons ensuite le régime de vide limite (p₁ tend vers 0, p₂ reste à 1 atmosphère) : le débit pV de retour ne varie presque plus avec p₁ ; divisé par la vitesse de pompage de la pompe, il donne la pression limite plancher admissible compte tenu du jeu :
| Jeu axial h | Débit de retour Q par chemin | Équivalent pour une pompe de 25 m³/h (4 chemins) | Équivalent pour une pompe de 100 m³/h (4 chemins) |
|---|---|---|---|
| 10 µm | 0.023 Pa·m³/s | 0.13 mbar | 0.03 mbar |
| 20 µm | 0.19 Pa·m³/s | 1.1 mbar | 0.27 mbar |
| 40 µm | 1.5 Pa·m³/s | 8.5 mbar | 2.1 mbar |
| 60 µm | 5.0 Pa·m³/s | 29 mbar | 7.2 mbar |
Ce tableau explique une panne courante : une pompe lubrifiée à l’huile mono-étage donnée pour 0.1 mbar dans la fiche technique, après quelques années d’utilisation, voit son vide limite se stabiliser à 1–2 mbar sans pouvoir descendre plus bas, alors que la tuyauterie d’aspiration et l’huile ont été remplacées. Lorsque le jeu axial est usé jusqu’à 40 µm, le calcul ne permet arithmétiquement que cet ordre de grandeur. Noter que h intervient au cube : de 10 µm à 20 µm, la conductance est multipliée par 8 ; en passant à 40 µm, elle est encore multipliée par 8.
Il faut aussi préciser le domaine de validité : à 500 mbar, le libre parcours moyen du gaz est d’environ 0.13 µm ; comparé à un jeu axial de 10 µm, le nombre de Knudsen est d’environ 0.013, proche de la limite basse de l’écoulement visqueux, et la formule ci-dessus reste utilisable. Lorsque la pression descend sous quelques mbar, on entre dans l’écoulement de transition puis moléculaire ; la conductance ne varie plus avec la pression et le débit pV de retour tend vers une constante. Cela explique précisément un autre phénomène : après usure du jeu, la pression limite se dégrade d’abord, tandis qu’en pré-vidage la vitesse de pompage ne semble presque pas changer.
IV. Exemple de calcul 3 : la dilatation thermique redistribue les jeux définis à froid
Le jeu d’assemblage à froid n’est pas égal au jeu de fonctionnement. Prenons l’exemple d’un rotor de 100 mm de long (fonte, α = 11.5×10⁻⁶/K, élévation de température 50 K) et d’un couvercle de même longueur que le corps de pompe (aluminium moulé, α = 23.5×10⁻⁶/K, élévation de température 35 K) :
- Allongement du rotor : 100 mm × 11.5×10⁻⁶ × 50 = 57.5 µm
- Allongement du corps de pompe : 100 mm × 23.5×10⁻⁶ × 35 = 82.3 µm
- Variation du jeu axial : 82.3 − 57.5 = +24.8 µm
La pièce en aluminium se dilate davantage que celle en fonte ; le jeu axial à chaud est supérieur d’environ 25 µm à celui à froid. Comme la fuite varie en h³, le retour de gaz à chaud est égal à 3 fois celui à froid. Le jeu au sommet évolue aussi : pour un alésage de 80 mm en fonte avec une élévation de température de 40 K, le diamètre intérieur augmente de 36.8 µm, tandis qu’une palette en graphite ou en résine (α d’environ 4×10⁻⁶/K) avec une élévation de température de 60 K ne s’allonge que de 19.2 µm ; le jeu au sommet par côté augmente donc encore de 8.8 µm, et un jeu au sommet de 20 µm à froid devient 28.8 µm à chaud.
Deux conclusions pratiques en découlent : un jeu à froid ne doit pas être aussi petit que possible ; s’il est trop petit, le couple de démarrage et le risque de frottement à sec augmentent. Pour décider si une pompe doit être révisée, il faut utiliser le jeu mesuré à chaud après 2 heures de fonctionnement ainsi que la pression limite à ce moment-là, et non la valeur à froid indiquée sur la fiche d’assemblage. La pression limite d’une pompe chaude est légèrement moins favorable que celle d’une pompe froide ; c’est là qu’en est l’origine.
V. Durée de vie : comment l’augmentation du jeu se traduit par une baisse de vitesse de pompage
L’usure elle-même est progressive ; sur site, on peut mesurer trois étapes d’évolution : la première est l’élévation de la pression limite (le retour de gaz par le jeu au sommet et le jeu axial prend plus de poids dans la plage de basse pression), la deuxième est la baisse de vitesse de pompage dans la plage de vide moyen, et la troisième seulement est la dégradation du bruit et des vibrations. D’après le tableau de la section III, lorsque le jeu axial passe de 10 µm à 40 µm, la pression limite passe de l’ordre de 0.03 mbar à l’ordre de 2.1 mbar ; la même usure ne fait perdre que quelques points de pourcentage de vitesse de pompage en vide moyen. Une « vitesse de pompage encore acceptable » ne signifie donc pas que « le jeu est correct ».
Pour décider si les palettes doivent être remplacées, les cinq signaux mesurables (proportion de baisse de vitesse de pompage, pression limite, voyant d’huile, spectre de bruit, largeur de la bande d’usure sur la face d’extrémité) sont décrits dans Comment déterminer l’usure des palettes ; l’ordre de recherche consistant à mesurer d’abord la vitesse de pompage effective avant de démonter la pompe est donné dans Ordre de recherche d’une baisse de vitesse de pompage. Ajoutons ici un point : en ambiance poussiéreuse, l’usure du jeu au sommet s’accélère ; si la filtration à l’admission est correctement dimensionnée, l’écart de durée de vie des palettes est plus grand que l’écart de période de vidange d’huile.
VI. Avec huile et sans huile : dans quelle mesure le film d’huile compense le jeu
Dans une pompe lubrifiée à l’huile, le jeu axial est confié au film d’huile : celui-ci remplit les interstices micrométriques et abaisse la conductance visqueuse de plusieurs ordres de grandeur ; c’est pourquoi une pompe lubrifiée à l’huile mono-étage peut atteindre 0.1 mbar, et une pompe bi-étage DPL-2V18 peut atteindre 1×10⁻³ mbar. Une pompe sans huile n’a pas ce film d’huile ; le jeu axial et le jeu au sommet reposent entièrement sur la précision géométrique et sur la capacité d’autolubrification du matériau des palettes. Le vide limite reste donc dans la plage de 90–150 mbar, et la pompe est plus sensible à la poussière et au frottement à sec. Les tolérances de jeu des deux types de pompes ne sont pas interchangeables : si l’on applique à une pompe sans huile le jeu axial admis par une pompe lubrifiée à l’huile, le retour de gaz consomme directement tout le régime de vide limite ; si l’on transpose à une pompe lubrifiée à l’huile les tolérances d’une pompe sans huile, le film d’huile n’a plus assez de portance et les faces d’extrémité risquent le grippage.
VII. Trois consignes pour le terrain
- Après une révision, relever d’abord les valeurs à froid des trois jeux, faire tourner la pompe pendant 2 heures complètes, puis remesurer les valeurs à chaud ; la décision doit se fonder sur les valeurs à chaud.
- Ne pas chercher à « compenser » l’usure du jeu axial avec des cales plus épaisses : les cales modifient à la fois le volume mort et la course de sortie des palettes ; la vitesse de pompage et la pression limite évoluent ensemble. La méthode correcte consiste à réajuster par rectification les faces d’extrémité selon la dilatation thermique.
- En cas de baisse de vitesse de pompage, commencer par vérifier la vitesse de pompage effective avant de démonter la pompe ; avant le démontage, écarter d’abord les causes liées à la filtration à l’admission et à la conductance de la tuyauterie.
Pour une exportation vers une région alimentée en 60 Hz, une vérification spécifique est nécessaire : lorsque la vitesse augmente, la température à chaud est plus élevée ; les valeurs à chaud du jeu axial et du jeu au sommet diffèrent de celles à 50 Hz, et la température d’huile d’une pompe lubrifiée à l’huile est également plus élevée. La fiche technique indique que certains modèles ne conviennent pas aux régions en 60 Hz ; il faut confirmer la configuration correspondante auprès de l’usine avant de commander.
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