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WO 99/42732 PCT/FR99/00279
CELLULE DE POMPAGE D'UN EFFLUENT POLYPHASIQUE ET POMPE
COMPORTANT AU MOINS UNE DE CES CELLULES.
La présente invention porte sur une cellule de
pompage d'un effluent polyphasique ainsi que sur une pompe
comportant une telle cellule ou plusieurs de ces cellules
montées en série. Par effluent polyphasique, on entend un
effluent composé d'un mélange d'au moins deux phases
choisies parmi (a) une phase liquide formée d'au moins un
liquide, (b) une phase gazeuse formée d'au moins un gaz
libre, et (c) une phase solide formée par des particules
d'au moins un solide en suspension dans (a) et/ou (b).
Le pompage polyphasique est une technologie
utilisée dans de nombreux secteurs industriels, tels que la
production de pétrole et de gaz (pompage d'un effluent
diphasique pétrolier composé d'un mélange d'huile et de
gaz), les industries chimiques, l'industrie nucléaire
(pompage d'un mélange d'eau et de vapeur d'eau) et les
engins spatiaux.
L'architecture de base des pompes industrielles
utilisées pour le pompage des effluents polyphasiques est
constituée par un impulseur - ou roue hydraulique - suivi
d'un stator - ou redresseur statique. L'impulseur a pour
rôle de communiquer l'énergie cinétique au mélange à pomper,
le redresseur statique assurant ensuite le transfert du
mélange sous pression, en particulier vers l'impulseur de la
cellule immédiatement en aval dans le cas d'une pompe
comportant plusieurs cellules de pompage.
Les études théoriques et les essais ont montré
qu'il y a une relation entre la hauteur de pompage
monophasique liquide (HL) et la hauteur de pompage d'un
effluent polyphasique (HPh) :
HPh = E x HL
où E est l'efficacité polyphasique, qui est essentiellement
fonction du taux de vide a et de la pression à l'entrée
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2
Q
{a = G QG et QL étant les débits volumétriques
QG + QL
respectivement du gaz G et du liquide L).
L'application de pompes classiques - centrifuges,
semi-axiales ou axiales - au pompage d'un mélange d'eau et=
de vapeur d'eau a été étudiée dans le domaine nucléaire sur
des pompes à un.étage - impulseur et stator -, dans
l'objectif de pouvoir faire face à un accident exceptionnel
dans un réacteur. Les essais qui ont été'conduits à cette
occasion ont montré que l'efficacité de pompage diphasique
E décline beaucoup dès que le taux de vide a dépasse 0,15-
0,20 et, par conséquent, la.hauteur de pompage polyphasique
(Hph) perd 80% de sa'valeur.monophasique liquide (HL), ce*
qui revient à une efficacité polyphasique E=. 0,2. La
principale cause est due à la séparation des phases : les
particules liquides sont centrifugées dans l'impulseur,
forinant un film mince liquide à la paroi externe. Ce=film
liquide se déplace le" long de la- paroi externe de
l'impulsèur et du stator, ce qui entraîne le déclin de
l'énergie cinétique dé l'effluent polyphasique et la
dégradation de la hauteur de pompage polyphasique (Hph).
Sur la base de cette expérience,- l' indùstrie du
pétrole et du gaz a étudié un impulseur hélico-.axial, dans
lequel l'effet de centrifugation est limité et, par
conséquent, une partie de-la phase liquide est maintenue
dispersée dans le gaz, assurant ainsi =une *meilleure
efficacité polyphasique E = 0,5 à 0,8, pour une pression à
l'entrée supérieure à 10 bars. Pour des faibles taux de
gaz, une combinaison d'une pompe étagée hélicoaxiale suivie
d'une pompe centrifuge = a été proposée pour le pompage au
fond de puits pétroliers, dans FR-A-2 748 533.
Cependant, ce résultât n'est que tout relatif, en
raison du fait que la hauteur de pompage liquide (HL) de
l'impulseur.hélico-axial est faible par rapport à cel=le des
pompes semi-axiales, d'où il résulte que, globalement,, la
hauteur de pompage polyphasique (HPh) obtenue par les deux
systèmes est comparable.- -
De plus, à basse pression (2-3 bars), l'efficacité
polyphasique (E)%des impulseurs industriels existants (aussi
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bien les pompes semi-axiales que les pompes hélico-axiales)
devient très faible (E étant égal à environ 0, 1) , pénalisant
ainsi leur utilisation pratique.
La présente invention a pour but de proposer une
pompe comportant au moins une cellule de pompage
polyphasique capable de fournir une hauteur liquide (HL)
intéressante - ce qui est le cas actuellement des pompes
semi-axiales, mais non des pompes hélico-axiales - tout en
bénéficiant d'une bonne efficacité polyphasique (E) - ce qui
est le cas actuellement des pompes hélico-axiales, mais non
des pompes semi-axiales.
A cet effet, le présent inventeur a découvert que,
contrairement à l'idée qui vient naturellement à l'esprit de
chercher à ne pas séparer les phases et qui est mise en
application dans le cas des pompes hélico-axiales, on
pouvait accepter une séparation au moins partielle des
phases dans l'impulseur et tirer parti de la transmission de
l'énergie cinétique importante du film liquide à l'effluent
à pomper, à la condition de prévoir des moyens dynamiques -
et non pas statiques - assurant les mécanismes
d'homogénéisation des phases et de leurs niveaux
énergétiques, puis de récupération de la pression et enfin
de compression du gaz. Les systèmes existants, une fois
qu'ils ont transmis l'énergie cinétique aux phases - plus ou
moins séparées - ignorent ensuite la plupart de ces moyens,
car les stators utilisés dans les pompes existantes ne sont
pas adaptés pour assurer ces fonctions. En particulier, ces
stators classiques n'assurent pas du tout le processus
d'échange énergétique entre les phases, se limitant au
transfert des débits vers la sortie en configuration de
phases plus ou moins séparées, ce qui entraîne une forte
dégradation de l'efficacité polyphasique (E).
La présente invention a donc d'abord pour objet
une cellule de pompage d'un effluent polyphasique,
caractérisée par le fait qu'elle comporte deux parties
rotatives, la première étant constituée d'une roue
hydraulique configurée pour transmettre l'énergie cinétique
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à chacune des phases de l'effluent polyphasique entrant dans
la cellule, et la seconde, faisant suite à la première,
étant constituée d'un dispositif de transformation
énergétique, configuré pour assurer l'homogénéisation des
phases, le transfert de l'énergie cinétique entre les
phases, l'entraînement de la phase la plus légère, la
transformation de l'énergie cinéticue en pression et la
compression de l'effluent homogène avant la sortie de ladite
cellule, l'ensemble desdites parties rotatives étant monté
sur un méme arbre disposé axialement à l'intérieur d'un
carter fixe qui comporte une entrée et une sortie de
l'effluent polyphasique.
L'invention, telle que revendiquée, concerne plus particulièrement
une cellule de pompage d'un effluent polyphasique, caractérisée par le fait
qu'elle comporte deux parties rotatives, la première étant constituée d'une
roue
hydraulique configurée pour transmettre l'énergie cinétique à chacune des
phases de l'effluent polyphasique entrant dans la cellule, et la seconde,
faisant
suite à la première, étant constituée d'un dispositif de transformation
énergétique configuré pour assurer l'homogénéisation des phases, le transfert
de l'énergie cinétique entre les phases, l'entraînement de la phase la plus
légère, la transformation de l'énergie cinétique en pression et la compression
de
l'effluent homogène avant la sortie de ladite cellule, l'ensemble des parties
rotatives de ladite cellule étant monté sur un même arbre disposé axialement à
l'intérieur d'un carter fixe qui comporte une entrée et une sortie de
l'effluent
polyphasique, la roue hydraulique constituant la première partie rotative de
ladite cellule, est constituée par un moyeu monté sur l' arbre axial et
portant des
pales à profil hydrodynamique pour permettre la transmission de l'énergie
cinétique à l'effluent polyphasique, les pales formant, entre le carter et le
moyeu,
des canaux dont la longueur est suffisamment grande pour assurer le niveau
d'énergie cinétique nécessaire au transport de l'effluent polyphasique, le
dispositif de transformation énergétique constituant la seconde partie
rotative de
ladite cellule est constitué par au moins une hélice, continue ou discontinue,
portée par un deuxième moyeu qui est monté sur l'arbre axial et qui tourne
dans
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une chambre d'homogénéisation et de transfert d'énergie délimitée par le
carter
et ayant une section orthonormale à l'axe sensiblement plus grande que la
somme des sections orthornormales à l'axe des canaux de la roue hydraulique,
la longueur développée de ladite ou desdites hélices étant suffisamment grande
pour assurer l'efficacité d'homogénéisation et de transfert d'énergie
cinétique en
vue de la récupération de la pression, la cellule de pompage étant
caractérisée
par le fait que le rapport entre la section orthonormale à l'axe de la chambre
d'homogénéisation et de transfert d'énergie et la somme des sections
orthonormales à l'axe des canaux de la roue hydraulique est de 3 à 10.
Les deux composants de la cellule de pompage selon
la présente invention sont donc rotatifs contrairement aux
systèmes industriels existants, le second composant assurant
de manière nouvelle et originale, en combinaison, plusieurs
fonctions de rééquilibrage par rapport aux effets dus à une
séparation partielle des phases, autorisée également de
manière nouvelle et originale par le premier composant.
La roue hydraulique constituant la première partie
rotative d'une cellule de pompage selon la présente
invention est, d'une manière générale, constituée par un
moyeu monté sur l'arbre axial et portant des pales à profil
hydrodynamique pour permettre la transmission de l'énergie
cinétique à l'effluent polyphasique, les pales formant,
entre le carter et le moyeu, des canaux dont la longueur est
suffisamment grande pour assurer le niveau d'ènergie
cinétique nécessaire au transport de l'effluent
polyphasique.
Quant au dispositif de transformation énergétique
constituant la seconde partie rotative d'une cellule de
pompage selon l'invention, il est, conformément à un mode de
réalisation particuliérement intéressant, constitué par au
moins une hélice, continue ou discontinue, portée par un
moyeu qui est monté sur l'arbre axial et qui tourne dans une
chambre d'homogénéisation et de transfert d'énergie
délimitée par le carter et ayant une section orthonormale à
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l'axe sensiblement plus grande que la somme des sections
orthornormales à l' axe des canaux de la roue hydraulique, la
longueur développée de ladite hélice ou desdites hélices
étant suffisamment grande pour assurer l'efficacité
5 d'homogénéisation et de transfert d'énergie cinétique en vue
de la récupération de la pression.
Le dispositif de transformation énergétique doit
tout d'abord homogénéiser les phases ; dans le cas d'un
mélange gaz-liquide, ceci signifie qu'il doit faire en sorte
que les particules liquides entraînent le gaz, lui
transmettant de l'énergie cinétique. Pour ce faire, il faut
assurer une longueur de mélange suffisante : c'est le rôle
de la ou des hélices, mélangeur dynamique, capable
d'homogénéiser les phases. Une fois le mélange homogénéisé,
la transformation de l'énergie cinétique en pression est
réalisée par une forte diminution de la vitesse due à
l'augmentation de la section de la chambre. Enfin, le
système chambre-hélice(s) est tel qu'il réalise en même
temps la compression de l'effluent homogène, essentiellement
de sa phase gazeuse, avant la sortie de la cellule, cet
effet pouvant encore être renforcé si l'on fait varier
l'angle de l'hélice ou des hélices en l'augmentant en
direction de la sortie de la cellule.
Toutes les fonctions essentielles à la
récupération énergétique de la pression dans l'effluent
polyphasique sont propres à la présente invention. Le
stator classique des systèmes industriels existants n'assure
pas du tout le processus d'échange entre les phases, se
limitant à transférer les débits vers la sortie en
configuration de phases plus ou moins séparées, ce qui
entraîne la dégradation de l'efficacité polyphasique E.
Après avoir ainsi exprimé les caractéristiques
fondamentales préférées des deux parties rotatives
constituant la cellule de pompage selon l'invention, on
décrira des modes de réalisation particuliers, non
limitatifs, de la géométrie des ces deux parties
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- Le rapport entre la section orthonormale à l'axe de la
chambre d'homogénéisation et de transfert d'énergie du
dispositif de transformation énergétique et la somme
des sections orthonormales à l'axe des canaux de la
roue hydraulique est notamment de 3 à 10.
- La ou chaque hélice, continue ou discontinue, du
dispositif de transformation énergétique s'étend sur un
angle d'au moins 270 , faisant avantageusement un tour
complet.
- Deux ou trois hélices, continues ou discontinues,
peuvent être aussi prévues pour le dispositif de
transformation énergétique, lesquelles sont alors
avantageusement décalées axialement de façon régulière
et décalées angulairement l'une de l'autre de
respectivement 180 et 1200.
- L'angle d'inclinaison d'une ou de chaque hélice du
dispositif de transformation énergétique par rapport à
un plan perpendiculaire à l'arbre dans la direction de
la sortie de la cellule de pompage est avantageusement
de l'ordre de 10 , pouvant croître vers la sortie où il
peut être de 20 .
- La roue hydraulique peut avoir un diamètre constant ou
variable, le rapport entre le diamètre extérieur (Ds)
de ladite roue à la sortie et son diamètre extérieur à
l'entrée (De) étant notamment de 1 à 3. Contrairement
aux impulseurs hélico-axiaux connus, le diamètre
extérieur de la roue hydraulique de la cellule de
pompage selon la présente invention peut augmenter en
direction de la sortie, afin d'accentuer le transfert
d'énergie cinétique aux phases.
Par ailleurs, par rapport aux impulseurs semi-axiaux
connus, on peut indiquer que les canaux de la roue
hydraulique de la cellule selon la présente invention
sont d'une longueur suffisante pour que les phénomènes
énergétiques se stabilisent, ce qui veut dire que l'on
accepte une séparation partielle des phases. Dans ces
conditions, dans le cas d'un effluent gaz-liquide, les
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particules liquides, dont l'énergie cinétique est
grande, se concentrent vers la paroi externe, et, à la
sortie de la roue hydraulique, à l'intérieur d'un
canal, il y a du gaz, suivi d'un mélange gaz-liquide et
d'une couche de liquide à l'extérieur.
Quant aux canaux, ils sont avantageusement identiques,
leur nombre pouvant par exemple être compris entre
4 et 10. Leur longueur est notamment égale à
De + Ds
k x , où k est compris entre 0,5 et 1,5.
2
- De façon particulièrement préférée, on prévoit un
dispositif redresseur de l'écoulement, statique ou
dynamique, assurant une bonne répartition et une
continuité de l'écoulement à la sortie de la roue
hydraulique d'une cellule de pompage sur toute la
section de la chambre d'homogénéisation et de transfert
d'énergie du dispositif de transformation énergétique
associé ; un tel dispositif peut être avantageusement
constitué par une grille à profils hydrodynamiques
portée par le carter et montée dans ladite chambre,
entre l'intérieur du carter et la ou les hélices.
La présente invention a également pour objet une
pompe comportant une cellule de pompage polyphasique telle
que définie ci-dessus, ou plusieurs de ces cellules montées
en série, l'arbre portant les parties rotatives étant commun
à toutes les cellules. Le nombre de ces cellules de pompage
est choisi de façon à assurer la hauteur de pompage
polyphasique requise dans l'application considérée.
On indique également que la pompe selon
l'invention peut sans difficulté s'adapter sur des
structures mécaniques de pompage déjà existantes, les
parties rotatives, respectivement impulseur spécifique et
dispositif de transformation énergétique rotatif, d'une ou
de chaque cellule selon l'invention venant remplacer
respectivement l'impulseur et le redresseur statique d'une
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cellule existante, avec maintien de la structure existante
des éléments de carter, de l'arbre et des paliers.
Pour mieux illustrer l'objet de la présente
invention, on va en décrire ci-après, à titre indicatif et
non limitatif, deux modes de réalisation particuliers, avec
référence aux dessins annexés.
Sur ces dessins, les Figures 1 et 2 sont des vues
schématiques, partiellement en coupe axiale, partiellement
en élévation, de deux cellules de pompage montées en série
d'une pompe conforme respectivement à un premier et à un
second mode de réalisation de l'invention.
Si l'on se réfère à la Figure 1, on peut voir que
l'on a représenté les deux cellules de pompage identiques 1a
et lb, montées en série, d'une pompe 1 réalisée conformément
à l'invention.
Les cellules la et 1b sont délimitées par un
carter 2 de forme générale cylindrique, suivant l'axe duquel
est disposé un arbre tournant 3 entraîné par un moteur.
Dans l'exemple représenté, l'effluent polyphasique à pomper
pénètre d'abord dans la cellule la et ressort par la
cellule ib. Les prolongements du carter 2 pour délimiter
l'entrée de l'effluent polyphasique dans la pompe 1 et sa
sortie n'ont pas été représentés, de même que les paliers
qui supportent l'arbre tournant 3.
La partie de carter 2 associée à une cellule se
compose de deux éléments de forme générale annulaire, de
même diamètre extérieur, superposés selon des plans
diamétraux : un élément 2a, à l'entrée de la cellule,
présentant une paroi intérieure tronconique s'évasant vers
l'intérieur, et un élément 2b, à la sortie de la cellule,
présentant une paroi concave se raccordant sans rupture aux
éléments 2a voisins. La partie 2b du carter comporte un
dispositif redresseur d'écoulement composé d'un ensemble de
profils hydrodynamiques 12 fixés à l'intérieur du carter.
A l'intérieur de chacune des cellules 1a et Ib, de
l'entrée vers la sortie de chacune d'entre elles, l'arbre 3
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porte successivement une roue hydraulique 4 et un dispositif
de transformation énergétique 5.
La roue hydraulique 4 d'une cellule est disposée
dans l'espace délimité par l'élément 2a de carter associé et
tourne avec un très léger jeu dans ledit espace. Elle se
compose d'un moyeu 6, solidaire en rotation de l'axe 3 et
portant six pales 7, régulièrement réparties, à sa
périphérie. Le moyeu 6 présente une paroi extérieure
tronconique s'évasant vers l'intérieur de la cellule
associée, avec sensiblement la même inclinaison que la paroi
intérieure tronconique de l'élément 2a en regard du carter
2, et il présente des parois d'extrémité à l'entrée et à la
sortie qui se trouvent dans le même plan diamétral que les
parois d'extrémité respectivement à l'entrée et à la sortie
dudit élément 2a. Dans l'exemple représenté, chaque pale 7
s'étend, en projection sur un plan diamétral, sur plus de
60 , et est inclinée d'un angle variant de 15 (à l'entrée)
à 35 (à la sortie) en direction de la sortie par rapport au
plan moyen du moyeu 6. Le rapport Ds/De de la roue
hydraulique 4 (Ds et De étant tels que définis précédemment)
est ici de 1,4.
Se trouvent ainsi constitués six canaux
périphériques 8 d'entrée de l'effluent polyphasique dans une
cellule, canaux dont la longueur est telle qu'une énergie
cinétique importante peut être communiquée audit effluent
par ladite roue 4.
Le dispositif de transformation énergétique 5 se
compose d'un moyeu 9 qui a un plus petit diamètre que le
moyeu 6 de la roue 4, qui est solidaire en rotation de
l'arbre 3 et qui porte une hélice 10 inclinée en direction
de la sortie d'un angle de l'ordre de 10 par rapport au
plan diamétral et s'étendant sur un angle de l'ordre de
270 . Le moyeu 9 se raccorde au moyeu 6 de la roue
hydraulique 4 de la cellule suivante - ou se termine, dans
le cas de la cellule de sortie ib - par une partie
évasée 9a. L'hélice tournante 10 évolue ainsi dans une
chambre 11 délimitée par la partie 2b du carter 2, munie de
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redresseurs à profil hydrodynamique 12, et le moyeu 9 - 9a,
et assure la transformation énergétique définie ci-dessus
jusqu'à la sortie de la cellule. La chambre 11 a donc une
section orthonormale à l'arbre 3 qui, à partir de l'entrée,
5 augmente par rapport à la section de sortie de la roue 4,
puis vers la sortie se réduit pour constituer avec la partie
9a du moyeu 9 une sortie annulaire alimentant directement
l'entrée des canaux 8 dans le cas de la cellule 1a.
L'hélice 10 est configurée pour tourner avec un jeu dans un
10 volume correspondant à celui de la chambre 11. Compte tenu
du rôle d'homogénéisateur d'énergie de l'hélice, ce jeu n'a
pas besoin d'être aussi faible que celui des pales 7.
Dans cet exemple, le rapport entre la section
orthonormale de la chambre 11 à son entrée à la somme des
sections des canaux 8 est de l'ordre de 6.
Les essais préliminaires effectués avec la pompe
de la Figure 1 ont confirmé l'amélioration significative des
performances polyphasiques, y compris à basse pression à
l'entrée.
Si l'on se réfère maintenant à la Figure 2, on
peut voir que l'on a représenté une pompe 101 réalisée
conformément à une variante de la pompe 1. Les éléments de
la pompe 101 ont été désignés par des chiffres de référence
supérieurs de 100 aux éléments analogues de la pompe 1. On
ne décrira ici que les modifications apportées par rapport
à la pompe 1.
La pompe 101 comporte deux cellules de pompage
identiques 101a, lOib, la partie de carter 102 associée à la
cellule lOla se composant d'un premier élément 102a
comportant une entrée cylindrique qui s'évase pour se
raccorder suivant un plan diamétral à la partie 102b,
laquelle se rétrécit progressivement jusqu'à son
raccordement suivant un plan diamétral avec la partie 102a
de la cellule lOlb. La partie d'extrémité 102b de cette
dernière délimite la sortie de l'effluent polyphasique. La
partie 102b du carter, munie de redresseurs à profil
hydrodynamique 112, constitue l'enveloppe extérieure de la
chambre d'homogénéisation 111.
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La roue hydraulique 104 est ici une roue semi-
axiale et le dispositif de transformation énergétique 105
comporte ici deux hélices tournantes 110a et 110b qui sont
décalées axialement d'un demi-pas et décalées angulairement
de 180 .
Il est bien entendu que les modes de réalisation
ci-dessus décrits ne sont aucunement limitatifs et pourront
donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir
pour cela du cadre de l'invention.
