Soufflantes Roots: lobes, engrenages de synchronisation et maintenance couvre la soufflante à lobes rotatifs à déplacement positif, dans laquelle deux rotors à lobes s'engrènent et, maintenus en phase par une paire d'engrenages de synchronisation, emprisonnent et transportent le gaz de l'admission au refoulement sans compression interne.
Cela rend la machine simple, robuste et sans huile dans le circuit gaz, mais cela fixe aussi les modes de défaillance que les équipes doivent surveiller: augmentation des jeux, usure des engrenages de synchronisation, dégradation des roulements et fuites des joints.
Une soufflante Roots comporte deux rotors, chacun avec deux ou trois lobes, tournant dans un carter très ajusté. Les lobes ne se touchent jamais entre eux ni le carter.
À la place, des engrenages de synchronisation de précision sur l'arbre moteur et l'arbre mené maintiennent les deux rotors exactement en phase afin que leurs profils roulent l'un contre l'autre avec un petit jeu contrôlé.
Parce que les engrenages supportent la charge de calage, le gaz process reste propre: pas d'huile, pas de segment et pas de contact glissant à l'intérieur de la chambre de travail. Un seul arbre est entraîné; les engrenages de synchronisation transmettent le mouvement et maintiennent la relation angulaire avec le second rotor.
Les jeux qui rendent cela possible sont faibles, typiquement une fraction de millimètre entre les pointes des lobes, entre les lobes et aux faces d'extrémité des rotors. Quand ces jeux s'élargissent par usure, déformation thermique ou frottement, les performances chutent et les vibrations augmentent.
Contrairement à une machine à vis ou alternative, une soufflante Roots ne réduit pas le volume du gaz piégé lors de son déplacement. Chaque poche de gaz entre un lobe et le carter est transportée à la pression d'admission jusqu'à ce qu'elle atteigne l'orifice de refoulement.
À cet instant, le gaz à pression plus élevée dans la conduite de refoulement reflue dans la poche et s'équilibre. La pression augmente donc en aval, au refoulement, et non à l'intérieur de la machine.
La machine est en pratique à volume constant: le débit est déterminé principalement par la vitesse, et la pression différentielle qu'elle peut soutenir est limitée par les fuites et par la capacité de l'entraînement et du carter.
Les machines à un seul étage typiques fonctionnent jusqu'à environ 1 bar (100 kPa) de pression différentielle en service, et sont aussi largement utilisées comme surpresseurs de vide.
Le slip est la fuite interne arrière de gaz à travers les jeux de fonctionnement, du refoulement vers l'admission. C'est l'écart entre le volume théorique balayé et le débit réellement livré. Le slip augmente avec la pression différentielle, avec la température du gaz, et surtout avec l'augmentation des jeux.
Une soufflante neuve aux jeux serrés présente un slip modéré; à mesure que les pointes s'usent, que les joints se détendent ou qu'un frottement agrandit un jeu, le slip augmente, le débit livré diminue au même rythme, et la machine chauffe davantage parce que le gaz est brassé plutôt que déplacé.
Surveiller le débit livré en fonction de la vitesse et de la pression différentielle est le meilleur indicateur précoce que les jeux s'élargissent.
Parce que le gaz est livré en poches distinctes et s'équilibre brusquement au refoulement, une soufflante Roots génère de fortes pulsations de pression à la fréquence de passage des lobes et à ses harmoniques.
Si elles ne sont pas traitées, cela se traduit par du bruit aérien et par des sollicitations dynamiques sur la tuyauterie de refoulement, pouvant fatiguer les supports, les soudures et les raccords flexibles.
Des silencieux de refoulement absorbants ou réactifs, un dimensionnement correct des tuyaux et des amortisseurs de pulsation limitent à la fois le bruit et les contraintes sur la tuyauterie. Des rotors à trois lobes et des profils de lobe torsadés (hélicoïdaux) réduisent les pulsations par rapport aux conceptions droites à deux lobes.
Les engrenages de synchronisation et les roulements d'arbre nécessitent de l'huile, mais le circuit gaz doit rester sec.
On y parvient en plaçant les engrenages et les roulements dans des carters d'extrémité remplis d'huile, séparés de la chambre de travail par des joints d'arbre, généralement une combinaison de joints labyrinthes et de joints à lèvre ou de segments-piston, souvent avec un espace tampon ventilé entre eux.
La ventilation permet à toute fuite de joint de s'échapper vers l'atmosphère plutôt que dans le gaz ou dans l'huile. La présence d'huile dans le gaz de refoulement indique donc un joint intérieur défaillant, un carter surrempli ou une ventilation bouchée.
Une analyse régulière de l'huile détecte les métaux d'usure des engrenages et des roulements avant qu'ils ne causent des pannes.
| Élément de maintenance | Symptôme typique | Action |
|---|---|---|
| Jeux des lobes du rotor et aux faces d'extrémité | Débit en baisse, augmentation du slip, claquement au contact | Mesurer avec des cales d'épaisseur, réajuster les cales (shims), vérifier la déformation du rotor et du carter |
| Jeu (backlash) des engrenages de synchronisation | Cliquetis à faible charge, métaux d'usure dans l'huile | Mesurer le jeu, remplacer les engrenages usés, resynchroniser les rotors |
| Roulements d'arbre | Augmentation des vibrations et de la température des roulements | Surveiller la vitesse vibratoire selon l'ISO 20816, remplacer dès l'apparition de fréquences de défaut |
| Joints d'arbre et ventilation tampon | Huile dans le gaz de procédé, consommation d'huile élevée | Remplacer les joints, déboucher la ventilation tampon, corriger le niveau d'huile |
| Huile de lubrification | Température élevée du carter, présence de métaux d'usure | Analyse d'huile, changement selon planning, vérifier la qualité et la quantité |
| Silencieux de refoulement et tuyauterie | Bruit excessif, vibrations de la tuyauterie, fissures | Inspecter le média du silencieux, entretenir l'amortisseur de pulsation, vérifier les supports |
| Soupape de décharge | Arrêts pour surpression, surcharge du moteur | Tester le point de tarage et l'étanchéité du siège ; ne jamais étrangler le refoulement en dessous du réglage de la soupape |
Une soufflante Roots bénéficie d'une surveillance simple et rigoureuse: le débit livré par rapport à la vitesse et à la pression différentielle pour contrôler les jeux et le slip, la vibration et la température des roulements pour l'état mécanique, et l'analyse d'huile pour les engrenages.
La vibration globale se juge au mieux par rapport aux bandes de gravité de vibration ISO 10816-3 , tandis que l'analyse spectrale à la fréquence de denture met en évidence tôt l'usure des engrenages de synchronisation.
Sur des entraînements par courroie ou par accouplement, un mauvais alignement d'accouplement augmente les charges sur l'arbre et les roulements et peut être confondu avec une usure du souffleur, donc éliminez-le en premier lieu.
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Les rotors transportent le gaz à la pression d'admission sans réduire son volume. La compression n'a lieu que lorsque chaque poche s'ouvre au refoulement et que du gaz à pression plus élevée reflue pour l'équilibrer. La pression s'élève donc dans le système aval, pas à l'intérieur de la machine.
Le slip est la fuite arrière à travers les jeux de fonctionnement. Il augmente lorsque les pointes des lobes s'usent, que les joints se détendent ou qu'un frottement agrandit un jeu, et il augmente également avec une pression différentielle et une température de gaz plus élevées. Une baisse de débit à vitesse inchangée en est le signe classique.
L'huile doit rester dans les carters étanches des engrenages et des roulements. Elle n'atteint le gaz que par un joint d'arbre intérieur défaillant, un carter surrempli ou une ventilation tampon bouchée. Trouver de l'huile au refoulement signifie qu'il faut inspecter les joints et la voie de ventilation.
Vérifiez le jeu lors des révisions programmées et chaque fois que l'analyse d'huile montre une augmentation des métaux d'usure ou que le souffleur émet un cliquetis à faible charge. Un jeu excessif permet aux rotors de dériver hors phase et risque un contact lobe contre lobe.
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