POMPE CRYOGENIQUE TRES HAUTE PRESSION

VERY HIGH PRESSURE CRYOGENIC PUMP

French Abstract

Dans cette pompe, chaque segment d'étanchéité (14)
du piston (2) est constitué de deux segments élémentaires
(19A, 19B) accolés dont les coupes sont droites ou biaises
et sont décalées, au montage, de 180° l'une par rapport à
l'autre, et d'un expandeur commun (21), et les segments
élémentaires sont constitués d'un matériau composite qui
contient plus de 50% de bronze, environ 5% de bisulfure
de molybdène et le reste de PTFE.
Application au pompage en service continu et à
charge variable d'azote liquide sous des pressions de 850
bars ou plus.

Claims

5
REVENDICATIONS
1 - Pompe cryogénique très haute pression, du type
comprenant une chemise (3) dans laquelle est reçu un piston
coulissant (4), ce piston étant équipé au voisinage de
chaque extrémité d'un segment de guidage (18) et, entre les
segments de guidage, d'une pluralité de segments
d'étanchéité (19), caractérisée en ce que chaque segment
d'étanchéité est constitué de deux segments élémentaires
(19A, 19B) accolés dont les coupes (20A, 20B) sont droites
ou biaises et sont décalées au montage de 180° l'une par
rapport à l'autre, et d'un expandeur commun (21), et en ce
que les segments élémentaires sont constitués d'un matériau
composite qui contient plus de 50% de bronze, environ 5% de
bisulfure de molybdène et le reste de PTFE.
2 - Pompe cryogénique suivant la revendication 1,
caractérisée en ce que le matériau composite contient
environ 65% de bronze, environ 5% de bisulfure de molybdène
et environ 30% de PTFE.
3 - Pompe cryogénique suivant la revendication 1,
caractérisée en ce que le matériau composite est fritté.
4 - Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'expandeur
(21) possède une fente (22), notamment une fente droite,
décalée, au montage, de 90° par rapport aux coupes (20A,
20B) des deux segments élémentaires (19A, 19B).
- Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la longueur (1)
de chaque segment d'étanchéité (19) est inférieure à celle
(L) de chaque segment de guidage (18).
6 - Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 5, caractérisée en ce que, à l'état
monté, le jeu circonférentiel de chaque segment élémentaire
(19A, 19B) à l'emplacement de sa coupe (20A, 20B) est
inférieur à 0,1 mm.

6
7 - Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les segments
d'étanchéité (19) sont régulièrement répartis entre les deux
segments de guidage (18).
8 - Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le piston (4)
comporte cinq à douze segments d'étanchéité.
9 - Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le piston (4)
comporte huit segments d'étanchéité (19) pour une haute
pression de refoulement comprise entre environ 600 et
environ 900 bars.
- Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la vitesse
linéaire moyenne du piston (4) varie, en fonction de la
charge de la pompe, dans une gamme dont la borne supérieure
est inférieure à 1 m/s.
11 - Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'au moins un
segment de guidage (18) comporte sur sa surface extérieure
des rainures longitudinales d'équilibrage.
12 - Pompe cryogénique suivant la revendication 11,
caractérisée en ce que chaque segment de guidage (18)
comporte sur sa surface extérieure des rainures
longitudinales d'équilibrage.
13 - Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la chemise (3)
est entourée d'un espace annulaire (9) dans lequel, en
service, du liquide cryogénique circule.
14 - Piston pour une pompe cryogénique suivant l'une
quelconque des revendications 1 à 13.

Description

CA 02335490 2001-02-09
1
Pompe cryogenique tres haute~pression
La présente invention est relative à une pompe
cryogénique très haute pression du type comprenant une
chemise dans laquelle est reçu un piston coulissant, ce
piston étant. équipé au voisinage de chaque extrémité d'un
segment de guidage et, entre les segments de guidage, d'une
pluralité de segments d'étanchéité.
Les pompes cryogéniques à piston sont des pompes
volumétriques utilisées pour amener un liquide cryogénique,
en particulier de l'azote liquide, à une haute pression de
refoulement de la pompe supérieure à la limite supérieure
des pompes centrifuges, qui est généralement de l'ordre de
40 bars. Ces pompes sont souvent alimentêes par un
booster » qui fournit le débit et la hauteur hydrostatique
(NPSH ou Net Positive Suction Head) nécessaire pour éviter
les phênomênes de cavitation grâce à un sous-refroidissement
suffisant du liquide. Dans certains cas, ces phénomènes
peuvent être évités par la simple pressurisation du
réservoir d'alimentation.
Des pompes cryogéniques à piston actuellement
utilisées sont équipées d'une pluralité de segments
d'étanchéité simples constitués d'un matériau à base de PTFE
(polytétrafluoroéthylêne) chargé de bronze et munis d'un
expandeur intérieur. La coupe de chaque segment peut être
droite ou biaise.
L'expérience montre que le comportement mécanique de
tels segments, leur positionnement autour du piston et leur
fiabilité sont aléatoires dans le domaine des très hautes
pressions, typiquement comprises entre 200 et 1 400 bars,
lorsque les conditions de fonctionnement sont sévères .
longue durée de fonctionnement continu, charge fortement
__ . variable, par exemple de 30 â 100 du débit nominal.
L'invention a pour but de permettre d'assurer un_
service continu et à charge variable de la pompe pendant de
longues durées, dans le domaine des très hautes pressions,

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en limitant d'une part les arrêts de la pompe liés à la
dégradation des pièces mécaniques provoquée par l'usure
(segmentation, piston, chemise en particulier), et d'autre
part les pertes de liquide liées à une conception
inappropriée et à une dégradation mêcanique rapide.
A cet effet, l'invention a pour objet une pompe
cryogénique du type précité, caractérisée en ce que chaque
segment d'étanchéité est constitué de deux segments
élémentaires accolés dont les coupes sont droites ou biaises
et sont décalées au montage de 180° l'une par rapport à
l'autre, et d'un expandeur commun, et en ce que les segments
êlémentaires sont constitués d'un matériau composite qui
contient plus de 50% de bronze, environ 5~ de bisulfure
de molybdène et le reste de PTFE.
L'invention a également pour objet un piston pour
une pompe cryogénique telle que définie ci-dessus.
Un exemple de réalisation de l'invention va
maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur
lequel .
- la Figure 1 est une vue schématique partielle en
coupe longitudinale d'une pompe cryogênique suivant
l'invention ;
- la Figure 2 est une vue analogue à plus grande
échelle du piston de cette pompe ;
- la Figure 3 est une vue en bout d'un segment
d'étanchéité de cette pompe; et
- la Figure 4 est une vue de côté du même segment
d'étanchéitê, avec son expandeur décalé axialement pour la
clarté du dessin.
La pompe cryogénique 1 représentée schématiquement
,_ sur~la Figure 1 comprend un corps de. pompe 2 dans lequel est..
fixée une chemise 3. Dans cette chemise, un piston 4
coulisse en va-et-vient sous l'action d'un système
d'entraînement schématisé par une double flèche F.

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3
A l'exception des segments du piston, qui seront
décrits plus loin, la structure de la pompe est classique.
En service, le liquide cryogénique est introduit sous une
basse pression suffisante, via un raccord d'entrée 5 muni
d'un clapet d'entrée, dans une chambre annulaire 6. Lorsque
le piston recule (vers la gauche de la Figure 1), le liquide
passe de la chambre 6, via des conduits obliques 7, dans la
chemise 3. Lorsque le piston avance, le liquide est refoulé
sous la haute pression à travers un conduit de refoulement
l0 8, via un clapet de sortie.
Un excès de liquide sous la basse pression est en
permanence évacué via un espace annulaire 9 du corps 2 qui
entoure la chemise 3, et de là via un raccord 10. La chemise
est centrée dans le corps 2 par une plage 11 située à gauche
de l'espace 9, et une chambre annulaire de fuite 12 est
ménagée à gauche de la plage 11. Le liquide de fuite
recueilli dans la chambre 12 est évacué via un raccord 13.
La chemise 1 comporte un alésage central à section
circulaire, et son axe X-X est supposé horizontal ou
légèrement incliné dans le sens ascendant vers la sortie 8.
Le piston 4 comprend un corps 14 extérieurement
cylindrique, de rayon légèrement infêrieur au rayon
intérieur de la chemise 3. Ce corps est pourvu
extérieurement de deux types de gorges circulaires , au
voisinage de chaque extrémité, une gorge 15 de longueur L
- relativement importante, et entre les deux gorges 15, une
plurâlité de gorges 16 de longueur_1 plus faible. L'ensemble
des gorges 16 définit une région d'étanchéité 17 du piston.
Dans chaque gorge 15 est reçu un segment de guidage
18 ayant sensiblement la longueur L. Ce segment est un
- - -- - anneau à coupe droite ou biaise et comporte sur sa surface
extérieure des rainures longitudinales d'équilibrage.
Dans chaque gorge 10 est reçu un segment
d'êtanchéitê 19 représenté sur les Figures 2 et 3 à l'état

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de repos. Ce segment est constitué de deux segments .
élémentaires 19A, 19B identiques, à coupe 20A, 20B droite
comme représenté. Chaque segment élémentaire a une longueur
sensiblement égale à 1/2. Les deux segments élémentaires
sont accolés, et leurs coupes sont décalées angulairement de
180° l'une par rapport à l'autre. Dans chaque paire de
segments 19A, 19B est disposé un expandeur intérieur 21
annulaire fendu à coupe droite en acier inoxydable
austênitique ou en un autre matériau équivalent, de longueur
sensiblement égale à 1. La fente 22 de cet expandeur,
orientée axialement, est décalée au montage de 90° par
rapport à celles des deux segments élémentaires 19A et 19B.
Les segments élémentaires sont constitués d'un
matériau fritté sous pression à chaud et composé d'environ
30~ de PTFE, d'environ 65% de bronze et d'environ 5~ de
bisulfure de molybdène MoS2. Les segments 18 sont constitués
du même matériau.
A l'état monté, le jeu circonférentiel de chaque
segment élémentaire 19A, 19B est inférieur à 0,1 mm à
l'emplacement de sa coupe, et il en est de même pour chaque
segment de guidage 18.
La pompe décrite ci-dessus, avec huit segments
d'étanchéité 19 réguliërement répartis sur la longueur de la
région 17, qui est d'environ 15 cm pour une longueur de
piston d'environ 20 cm, s'est révélée convenir pour un
fonctionnement continu sans maintenance d'au moins 500
heures par périodes de cinq jours sans arrêt, avec une
pression de refoulement inférieure ou égale à 850 bars et
une charge variant de 30 à 100. Cette variation de charge
correspond dans cet exemple à une vitesse linéaire moyenne
_-. _.du fiston variant de 0,15 à 0,7 m/s environ. Une telle gamme
de vitesses moyennes, inférieures à 1 m/s, conduit à une
relativement faible usure des pièces.

Representative Drawing