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POMPE A CAVIT~S PROGRESSIVES
La présente invention porte sur des perfection-
nements apportés aux pompes volumêtriques du type à
cavités progressives, dites aussi pompe Moineau, et plus
spécifiquement elle porte sur une pompe volumétrique de
type à cavités progressives, perfectionnée, permettant de
pomper des mélanges ou effluents monophasiques ou
polyphasiques, ayant n'importe quelle viscositë, en
particulier des mélanges ou effluents polyphasiques
compressibles et des fluides visqueux à très visqueux.
Par « mélange ou effluent polyphasique compres-
Bible », on entend un effluent composé d'un mélange de .
(a) une phase gazeuse formée d'au moins un gaz libre ; et
(b) une phase liquide formée d'au moins un liquide et/ou
(c) une phase solide formée par des particules d'au moins
un solide en suspension dans (a) et, si la phase (b)
est présente, dans (a) et/ou (b).
Toutefois, comme indiqué ci-dessus, la pompe selon
la prêsente invention permet a fortiori de pomper une
seule phase ou une phase liquide chargée en particules
solides, avec des viscosités variables.
La pompe à cavités progressives - désignée
également ci-après par l'abréviation PCP - a été inventée
par René Moineau en 1930 et le fonctionnement en liquide
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des pompes industrielles utilisées actuellement correspond
aux principes de base.
La figure 1 du dessin annexé donne, en (A), une
représentation schématique partiellement en coupe longitu
dinale axiale d'une pompe PCP classique, avec également en
(B) une représentation de la distribution des pressions le
long de la pompe dans le cas du pompage d'un liquide
(courbe L) et dans le cas du pompage d'un mélange
polyphasique liquide-gaz (courbe P).
L'architecture de la pompe PCP 1 est constituée
d'un rotor métallique hélicoïdal 2 tournant à l'intérieur
d'un stator compressible 3, généralement en élastomère, de
forme intérieure hélicoïdale. Le contact entre le rotor 2
et le stator 3 se fait par la compression, plus ou moins
forte, du stator 3. Pour ce faire, le rotor 2 a un
diamètre D (figure 2(B)) supérieur au canal du stator 3
(figure 2 (C) ) , ce qui engendre un contact par compression
du stator 3 par le rotor 2 (serrage de contact), en
assurant une certaine étanchéité (figure 2(A)).
Comme visible aux figures 1(A) et 2(A), la
géométrie du rotor 2 et du stator 3 de la pompe PCP 1
conduit à un ensemble de cavités isolées 4, définies entre
le rotor 2 et le stator 3, également appelées alvéoles, de
volume constant, que le rotor 2 déplace de l'aspiration ou
entrée 5 (basse pression d'aspiration p A) vers le
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refoulement ou sortie 6 (haute pression de refoulement
p R). En ce sens, la pompe PCP est une pompe volumétrique.
Dans ce qui suit, on utilise parfois le terme
« étage » â la place du terme « cavité » ; on entend par
« étage » le volume entre le stator et le rotor
correspondant à une cavité à un moment donné. Ces deux
termes sont parfois utilisés indifféremment.
La figure 2 du dessin annexé représente une pompe
PCP connue 1 montrée en (A) à l'état assemblé et
présentant un rotor 2 à simple hélice montré seul en (B)
et un stator 3 à double hélice montré seul en (C) . L' axe
du stator est désigné par as et l'axe du rotor par ar.
Dans ces conditions .
- le pas (PS) du stator 3 est le double du pas (Pr) du
rotor 2 ; et
- la longueur L d'une cavité 4 est égale au pas (PS) du
stator 3, et par conséquent, elle est le double du pas
(Pr) du rotor 2.
La distribution des pressions (figure 1(B)) au
long de la pompe 1 du refoulement 6 vers l'aspiration 5,
et la lubrification du contact rotor 2/stator 3 sont dues
à l'écoulement des fuites entre le rotor 2 et le stator 3.
Une cavité 4 à haute pression débite vers la cavité 4
adjacente à une pression inférieure en raison des fuites
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car le contact rotor 2/stator 3 n'est pas entièrement
étanche, et les pertes de charge génèrent la pression
différentielle entre les cavités 4. Par conséquent, le
débit de fuite dëpend du serrage de contact entre le rotor
2 et le stator 3, des conditions dynamiques de leur
contact (vitesse de rotation, vibrations), de la viscosité
du fluide et de la différence des pressions locales. En
pratique, il est difficile de maîtriser l'écoulement de
fuite et la distribution des pressions qu'il engendre.
En d'autres termes, le fonctionnement hydraulique
de la pompe PCP est soumis à une régulation externe aux
cavités, due aux fuites entre le rotor 2 et le stator 3,
cette régulation n'étant pas maîtrisée.
Dans le cas où la pompe PCP 1 est utilisée pour le
pompage d'un mélange polyphasique comportant une phase
gazeuse, la cavité 4 se déplace de la basse pression de
l'aspiration 5 vers la haute pression de refoulement 6 et
la présence du gaz dans l'effluent pompé conduit à un
processus de compression du gaz avec développement de
température, car la cavité est de volume constant. La loi
thermodynamique du gaz montre que, si le volume dans
lequel on comprime le gaz reste constant, la température
monte considérablement. Ainsi, le débit de fuite par le
contact annulaire rotor 2/stator 3 remplit deux
fonctions . il compense partiellement le volume de gaz
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comprimé et il réalise la pression différentielle entre
les cavités 4. Cependant, le débit de fuite annulaire
entre le rotor 2 et le stator 3 de la pompe PCP 1 est
adapté au fonctionnement en liquide (fluide incompres-
5 sible), dans un but de lubrification avec des faibles
débits ; il n'est pas suffisant pour faire la compensation
de la compression du gaz. Comme le débit de fuite est
faible, on ne compense que partiellement les dernières
cavités 4 et la compression se produit sur les derniers
étages de la pompe, comme on peut le voir sur la figure
1(B), pA désignant, comme déjà indiqué, la pression à
l'aspiration et pR désignant la pression au refoulement.
Cette compression s'accompagne d'une forte température. La
concentration des pressions à la sortie de la pompe et la
forte augmentation de la température conduit au risque de
dommages mécaniques . dégradation du stator, dilatation
mécanique et vibrations.
Par conséquent, le concept de fuite par le contact
rotor/stator, propre â la pompe PCP, est inadapté au
pompage d'un mélange polyphasique compressible.
Pratiquement, en présence du gaz, la pompe PCP
réalise une pression de 4 MPa (40 bars) sur les quatre
derniers étages, avec un fort gradient de pression qui
développe des températures élevëes ; sur treize étages, il
n'y en a que quatre qui compriment le mélange.
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En général, la distribution irrégulière des
pressions au long de la pompe PCP conduit au développement
des températures excessives mettant en cause la fiabilité
de la pompe . dégradation de l'élastomère du stator,
instabilité dynamique du rotor, déformations et efforts
thermiques de la structure. Dans ces conditions, il faut
limiter la pression de refoulement et réduire la vitesse
de rotation de la pompe, ce qui conduit à une dégradation
des débits pompés.
"'~l
L'expérience montre aussi que le contact
rotor/stator quasi-étanche peut conduire au développement
de la cavitation quand la pompe PCP transporte du liquide
visqueux, notamment pour les grands débits de pompage ou
quand la pression à l'entrée est faible. L'apparition de
la cavitation est fort dommageable à la rêsistance du
stator en élastomère et du rotor, donc à la fiabilité du
système.
Plusieurs solutions techniques d'uniformisation
des pressions au long d'une pompe PCP ont été proposées .
~ I1 a ainsi étê proposé de réaliser un couple
rotor/stator dont le volume des cavités diminue de
l'aspiration vers le refoulement.
C'est ainsi que le document US 2 765 114 propose
un système rotor/stator tronconique, avec les diamètres
dêcroissants.
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Dans le même sens, on peut imaginer un rotor à pas
variable dont le volume des cavités est décroissant vers
le refoulement.
Ces solutions ne sont efficaces que pour un taux
de gaz fixe et elles pënalisent le fonctionnement en
liquide. Par ailleurs, cette solution ne peut pas éviter
l'apparition de la cavitation.
Aussi, la modification de l'architecture de la
pompe conduit à un processus de fabrication complexe sans
en assurer une bonne fiabilité.
~ Il a aussi été proposé de réaliser un contact
entre rotor et stator qui est variable au long de la
pompe.
En effet, si l'on réalise un contact entre rotor
et stator tel que l'écoulement de fuite annulaire (entre
le rotor et le stator) soit plus fort vers le refoulement
et plus faible du côté de l'aspiration, la compensation du
volume de gaz comprimé se fait dans des conditions plus
favorables et la distribution des pressions s'améliore.
C'est ainsi que le document US 5 722 820 propose
un contact rotor/stator variable décroissant du
refoulement vers l'aspiration.
Pour réaliser ce système, plusieurs moyens sont
proposés . une variation faiblement tronconique du rotor,
ou un stator tronconique, ou une combinaison des deux.
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ô
Dans ces conditions, l'écoulement de fuite entre
le rotor et le stator transporte le débit nécessaire à la
compensation en pression et volume des cavités se trouvant
à l'aval de la pompe. C'est un débit de fuite global ; il
compense d'abord la dernière cavité, pour passer à la
suivante et ainsi de suite.
Pour alimenter plusieurs cavités, dont le taux de
compression est grand, il faut un grand débit de fuite, ce
qui demande un très faible contact entre le rotor et le
~1
stator. Cependant, le fonctionnement mécanique et
hydraulique de la pompe PCP requiert un contact entre
rotor et stator pour assurer la stabilité dynamique et le
rendement hydraulique.
Cette solution ne peut donc être qu'un compromis
entre le fonctionnement en liquide, comme PCP, et le
transport du gaz ; c'est pour cette raison que
l'utilisation pratique est limitée aux faibles débits de
gaz.
Par ailleurs, le serrage du contact entre le rotor
et le stator n'est valable que pour un taux de gaz fixe et
pénalise le rendement en liquide.
En fluide visqueux, la pompe ne peut pas éviter
l'apparition de la cavitation.
Aussi, cette solution modifie l'architecture de la
pompe et complique le processus de fabrication.
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Par conséquent, cette solution ne peut avoir
qu'une utilisation limitée et elle fait appel à une
architecture complexe sans assurer une bonne fiabilité.
La présente invention a pour objectif de proposer
une pompe perfectionnée de manière à écarter les
inconvénients précités de l'état antérieur de la
technique.
A ces fins, une pompe â cavités progressives
comportant un rotor hélicoïdal tournant à l'intérieur d'un
,.-,
stator hélicoïdal, ledit stator et ledit rotor étant
disposés de telle sorte que les cavités formëes entre
ledit rotor et ledit stator se déplacent de l'aspiration
vers le refoulement, est caractérisée, étant agencée
conformément â l' invention, par le fait que des moyens de
I5 régulation hydraulique sont prévus pour assurer une
recirculation interne du fluide pompé entre au moins deux
desdites cavités dans des conditions capables d'assurer au
moins une fonction parmi la distribution des pressions
recherchée le long de la pompe, la stabilisation des
températures, le contrôle des débits de fuite, et la
compensation des volumes de gaz comprimê.
Par recirculation interne, on entend la
recirculation entre deux cavités d'un volume de mélange
pompé par opposition à une recirculation externe aux
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cavités qui se fait par le contact annulaire entre le
rotor et Ie stator et qui génêre un débit de fuite.
La distribution des pressions s'obtient par un
rééquilibrage des pressions locales dû au débit de
5 recirculation des régulateurs hydrauliques.
Les débits de fuite entre le stator et le rotor
sont fonction du gradient de pression. La maîtrise des
pressions conduit au contrôle des débits de fuite.
La compensation des volumes comprimés est assurée
-.-.,
10 par le débit de recirculation des régulateurs
hydrauliques.
Le rôle des moyens de régulation hydraulique est
donc de contrôler le comportement de la pompe, en fonction
des caractéristiques de production.
Le contrôle des pressions et la compensation du
volume de gaz comprimé stabilisent les températures, en
pompage polyphasique (liquide, gaz, particules solides).
Par le contrôle des pressions, on évite
l~apparition de la cavitation, source de dommages
mécaniques (élastomère du stator, métal du rotor) ~ et
l'équilibrage des pressions et le contrôle du débit de
fuite conduisent à la maîtrise du contact entre le stator
et rotor.
En effet, Ia régulation interne de la pression par
le système de régulation hydraulique de la présente
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invention conduit à la stabilisation du régime thermique
et hydraulique au long de la pompe, et permet d'améliorer
ainsi le comportement mécanique et la fiabilité
d'ensemble.
Dans ces conditions, le contrôle du comportement
hydro-thermo-mécanique assure une meilleure performance
hydraulique (dêbit pompé, pression de refoulement) et
économique (maintenance, durée de vie).
La maîtrise du contact entre rotor et stator
,.-,
i
signifie qu'on peut avoir un contact superficiel sans une
forte compression entre stator et rotor, tout en gardant
un faible débit de fuite. I1 s'agit d'un mode de
fonctionnement nouveau par rapport à la pompe PCP
traditionnelle.
Dans ces conditions .
- la fiabilitê du système est améliorée ;
- on peut utiliser des matériaux plus rigides (plus
résistants) pour le stator afin d'augmenter la vitesse
de rotation et le débit de la pompe.
Ainsi le principe de fonctionnement de la pompe
selon la présente invention est nouveau et très différent
par rapport aux systèmes existants .
- la pompe PCP avec un contact rotor/stator tronconique
utilisée actuellement est un système global de
régulation externe, dont le débit de fuite limité ne
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compense que les cavitës situées près du refoulement
de la pompe ;
- la pompe selon la présente invention comporte des
moyens de régulation hydraulique interne assurant un
écoulement local de recirculation, entre deux cavités,
pour compenser la pression différentielle locale, le
débit de fuite et la compression du gaz contenu dans
la cavité ;
- le débit de recirculation est auto-régulé par le taux
de gaz et la pression différentielle.
Les moyens de régulation hydraulique sont
avantageusement agencés pour assurer une recirculation
interne du fluide pompé entre au moins deux cavités
adjacentes. En particulier, ces moyens peuvent avantageu-
serrent être agencés pour assurer une recirculation interne
du fluide pompé entre au moins deux cavités situées dans
la région de la pompe voisine du refoulement. Ces moyens
peuvent également être agencés pour assurer une
recirculation interne du fluide pompé entre toutes les
cavités de la pompe.
Les moyens de régulation hydraulique peuvent être
accueillis au moins en partie par le rotor et/ou au moins
en partie par le stator.
A cet effet, on installe avantageusement à
l'intérieur de la pompe un ensemble de régulateurs
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hydrauliques dont le dimensionnement et la densité au long
de la pompe assurent d'une façon uniforme la régulation
hydraulique consistant en le contrôle des pressions,' des
débits de fuite et des températures, et la compensation de
volumes comprimés. La rotation du rotor déplace les
cavités au long de la pompe avec une vitesse dépendant de
la vitesse de rotation et du pas du rotor ; chaque fois
qu'une cavité passe devant un régulateur hydraulique, le
débit de recirculation compense le volume comprimé,
,....,
rééquilibre les pressions et stabilise les températures.
Par conséquent, la densité des régulateurs
hydrauliques assure la continuité du processus de
régulation au long de la pompe ; cette densité est
fonction des performances de la pompe (débit, distribution
des pressions).
En même temps, le dimensionnement des régulateurs
hydrauliques correspond au débit de recirculation
nécessaire à la cavité pour la compensation du volume
comprimé et le rééquilibrage des pressions.
Dans ces conditions, le fonctionnement des
régulateurs hydrauliques est auto-régulé ; le débit de
recirculation dépend de la pression et réciproquement.
Conformément à un premier mode de réalisation
particulier, les moyens de régulation hydraulique,
assurant la recirculation interne du fluide pompé entre
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deux cavités, comportent au moins un canal pratiqué dans
le rotor reliant ces deux cavités, la rêgulation
hydraulique étant effectuée mécaniquement à l'aide d'un
régulateur disposê à l'intérieur dudit canal et/ou par
perte de charge.
Conformément à un second mode de réalisation
particulier, les moyens de régulation hydraulique,
assurant la recirculation interne du fluide pompé entre
deux cavités, comportent au moins un canal périphérique
accueilli par le rotor et agencé pour assurer la liaison
entre ces deux cavités avec régulation par perte de
charge.
Conformément à un troisième mode de réalisation
particulier, les moyens de régulation hydraulique,
assurant la recirculation interne du fluide pompé entre
deux cavités, comportent au moins un canal hydraulique
intérieur accueilli par le stator et agencé pour assurer
la liaison entre ces deux cavités avec régulation par
perte de charge.
Les trois modes de réalisation particuliers
peuvent être utilisés simultanément sur la même pompe.
Conformément â une caractéristique intéressante de
la présente invention, le contact entre le rotor et le
stator peut ètre desserré par rapport à une pompe à
cavités progressives ne comportant pas les moyens de
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régulation hydraulique tels que définis ci-dessus. Dans
ces conditions, on peut augmenter la vitesse de rotation
et le débit pompé sans endommager le stator.
La présente invention porte également sur
5 l'application de la pompe telle que définie ci-dessus au
pompage de mélanges polyphasiques compressibles et au
pompage de fluides visqueux.
Les applications industrielles de la pompe selon
la présente invention couvrent un domaine plus large que
10 celui des pompes PCP existantes.
En dehors des applications du transport des
mélanges polyphasiques précités qui sont du domaine de la
chimie et du pétrole, on peut citer le pompage à grands
débits (domaine du pëtrole par exemple...) et le pompage
15 avec une faible pression à l'entrée (puits pétroliers
horizontaux).
Pour mieux illustrer l'objet de la présente
invention, on va en décrire ci-après plusieurs modes de
réalisation particuliers donnés uniquement à titre
d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins
annexés sur lesquels .
- la figure 1 représente une pompe PCP
traditionnelle, comme cela a été décrit ci-dessus, avec
une représentation des distributions des pressions en
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pompage du liquide et du mélange polyphasique liquide-
gaz ;
- la figure 2 représente la composition d'une
pompe PCP avec un rotor à simple hélice et un stator à
double hélice ;
- la figure 3 est une vue analogue à la figure 1,
donnant en (A) une représentation d'une pompe à cavités
progressives selon la présente invention, avec représenta-
fion schématique des rêgulateurs hydrauliques (RH), et
donnant en (B) une représentation de la distribution des
pressions en pompage polyphasique uniforme le long de la
pompe ;
- la figure 4 est, à plus grande échelle, une vue
analogue à la figure 3, donnant en (A) une représentation
d'une section de la pompe de l'invention, permettant de
dêcrire le mécanisme de recirculation locale pour la
compensation des volumes comprimés et le rééquilibrage des
pressions locales, dans trois cavités successives de la
pompe respectivement l, m et n, et donnant en (B) une
représentation de la distribution des pressions le long de
la pompe ;
- la figure 5A est, encore à plus grande échelle,
une vue analogue à la figure 4, d'une section de pompe de
l'invention, montrant le régulateur hydraulique (RH)
comportant un canal pratiquë dans le rotor pour assurer la
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recirculation du fluide pompé entre deux cavités
adjacentes l, m, avec régulation mécanique ;
- la figure 5B est une coupe selon la ligne A-A de
la figure 5A ;
- la figure 6 montre, encore à plus grande
échelle, le régulateur mécanique de la figure 5 ;
- la figure 7A est une vue analogue à la figure 5,
mais avec régulation hydraulique par perte de charge ;
- la figure 7B est une coupe selon Ia ligne A-A de
la figure 7A ;
- la figure 8A est une vue d'une section de pompe
de l'invention, montrant le régulateur hydraulique (RH)
comportant deux canaux parallèles pratiqués dans le rotor
pour assurer la recirculation du fluide pompë entre deux
cavités adjacentes, 1, m, avec régulation mécanique ;
- les figures 8B et 8C sont des vues en coupe
respectivement selon les lignes A-A et B-B de la figure
8A ;
- la figure 9A est une vue analogue à la figure 8,
mais avec régulation par perte de charge ;
- les figures 9B et 9C sont des vues en coupe
respectivement selon les lignes A-A et B-B de la figure
9A ;
- la figure l0A est la vue d'une section de pompe
de l'invention, montrant le régulateur hydraulique (RH)
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comportant un canal hydraulique périphérique au rotor pour
assurer la recirculation du fluide pompé entre deux
cavités adjacentes, 1, m ;
- la figure lOH est une vue en coupe selon la
ligne A-A de la figure l0A ;
- la figure 11A est une vue d'une section de pompe
de l'invention, montrant le régulateur hydraulique (RH)
comportant deux canaux périphériques au rotor, décalés de
180° et d'un 1/2 de pas du rotor, pour assurer la
recirculation du fluide pompé entre deux cavités
adjacentes, l, m ;
- les figures 11B et 11C sont des vues en coupe
respectivement selon les lignes A-A et B-B de la figure
11A ;
- la figure 12A est la vue d'une section de pompe
de l'invention montrant le régulateur hydraulique (RH)
comportant un canal hydraulique périphérique à l'intérieur
du stator, permettant d'assurer la recirculation du fluide
pompé entre les deux cavités adjacentes, l, m ; et
- la figure 12B est une vue en coupe selon la
ligne A-A de la figure 12A.
Les figures 3 et 4 illustrent le fonctionnement du
dispositif de régulation hydraulique (RH) de l'invention
installés à l'intérieur de la pompe.
On note .
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Q = QL + Q~ . le débit total du mélange de liquide (L) et
de gaz (G) ;
Q . débit de recirculation entre les cavités ;
par exemple, qm est le débit du dispositif
de régulation hydraulique de la cavité m
vers la cavité 1 ;
P . pression locale, dans Ies cavités (1, m,
n) ;
coefficient de perte de charge du dispositif
de régulation hydraulique
S . section d'écoulement du dispositif de
régulation hydraulique ;
'y . coefficient de transformation adiabatique.
Le débit total Q accède dans la cavité I et le
volume de gaz est comprimê à la pression p~. A cause de la
différence des pressions (pm - pl), le débit qm du système
de régulation hydraulique compense le volume comprimé dans
la cavité 1 et rééquilibre les pressions p m et pi.
Le débit total (Q + qm), comprimé à la pression pl,
passe dans la cavité m ;
- le dëbit de recirculation qm revient dans le circuit
de régulation hydraulique vers la cavité 1 ;
- le débit Q avance dans la cavité m, poussé par le
rotor ;
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- à cause de la pression pm, supêrieure à la pression
précédente pl, le volume de gaz est comprimé ;
- la différence de pression (pn - pm) génère un débit qn
dans le système de rëgulation hydraulique, de la
5 cavité n vers la cavité m, pour compenser le volume
comprimê dans la cavité m et rééquilibrer les
pressions pn et pm ;
- le débit total (Q + qn) avance dans la cavité n ; le
débit de recirculation qn revient dans la régulation
10 hydraulique (RH) vers la cavité m ;
- le débit Q de la pompe est comprimé, le système de
régulation hydraulique débite pour compenser la
compression et rééquilibrer les pressions.
Le processus se répète pour chaque cavité, vers le
15 refoulement.
Par conséquent, la recirculation locale par le
système de régulation hydraulique (RH) assure une
régulation interne, entre les cavités .
- réêquilibre localement les pressions entre deux
20 cavités, ce qui conduit à la rëgularisation de la
distribution des pressions au long de la pompe ;
- compense les volumes comprimés, ce qui évite la
remontée de la température ;
- le débit pompé Q se conserve ; la recirculation selon
l'invention se fait sans perte de débit ;
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- par le rééquilibrage des pressions on maîtrise les
débits de fuite et le contact entre rotor et stator.
Le fonctionnement local du système de régulation
hydraulique de l'invention est à l'opposë des systèmes
utilisés actuellement par l'industrie . c'est une
régulation interne maîtrisée, par contraste avec la
régulation externe non maîtrisée des systèmes actuels.
La maîtrise des performances se fait par
l'architecture du systême de régulation hydraulique .
dimensions, fonction de transfert, dispositions au long de
la pompe.
Compte tenu du fonctionnement local, le
dimensionnement du système de régulation hydraulique se
fait suivant les méthodes de la mêcanique des fluides
compressibles et de la thermodynamique.
Ainsi les dimensions et le débit de recirculation
sont fonction du débit de gaz et de liquide, de la
pression différentielle, et des caractéristiques
hydrauliques du RH (pertes de charge, fonction de
transfert) .
qn = f{QG.QL. (pm~Pn)1/r~ pn. Pm. S.S ~ ~1~
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Du point de vue thermodynamique, les pressions
locales et le débit de recirculation (q) sont reliés par
la relation (2]
[pn~Pm] 1/Y ; 1 + qn~QG [2]
Par conséquent, l'évolution de la pression locale
[2] dépend du débit de recirculation et réciproquement
[1], le débit de recirculation dêpend des pressions
w
locales.
A l'équilibre, la distribution de la pression
locale résulte des pertes de charge du système de
régulation hydraulique, qui détermine les dimensions du
système de régulation hydraulique [1].
Du point de vue pratique, on se donne le gradient
de pression au long de la pompe â atteindre en conditions
polyphasiques, ensuite on détermine le débit de recircu
lation [2] et les dimensions du systême de régulation
hydraulique [1] qui correspond à la distribution des
pressions demandée.
En pompage liquide, le système de régulation
hydraulique régule par l'intérieur la distribution des
pressions et le débit de fuite, ce qui correspond â la
maîtrise du fonctionnement hydraulique de la pompe, visant
à .
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- êviter l'apparition de la cavitation, avec les
dommages qu'elle engendre sur le stator et le rotor ;
- contrôler le contact entre rotor et stator . débit de
fuite, lubrification du contact rotor/stator ;
- obtenir une meilleure fiabilitê et augmentation du
rendement hydraulique . débit, pression de refoule-
ment, durée de vie, maintenance.
C'est à l'opposé de la pompe PCP actuelle . le
fonctionnement hydraulique par la régulation externe des
pressions et fuites n'est pas maîtrisé.
Dans ces conditions, les systèmes de rëgulation
hydraulique sont installés à l'intërieur de la pompe par
l'adaptation du rotor et/ou du stator, sans changer
complètement l'architecture initiale d'ensemble de la
pompe PCP et sa fabrication. Le maintien de la configu-
ration initiale de la pompe PCP signifie qu'on ne modifie
pas l'architecture globale (le rotor et le stator), le
transport du mélange par le déplacement des cavitês, la
motorisation.
Les résultats obtenus sur une pompe de l'invention
en conditions de production diphasique (gaz et liquide)
démontrent l'efficacité du systëme ; le contrôle de la
distribution des pressions au long de la pompe (distri-
bution uniformisée) et du régime thermique (stabilisé). En
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liquide, le contrôle du fonctionnement hydraulique sans
cavitation est confirmé.
Les figures 5 à 12 montrent des réalisations
particulières de la pompe selon l'invention.
Aux figures 5A et 5B, le systême de régulation
hydraulique RH 7 est constitué par un canal hydraulique 8
qui est pratiqué à l'intërieur du rotor 2 entre deux
cavités 4 et dans lequel est installé un dispositif de
régulation 9 du dëbit de recirculation.
Un mode de réalisation pratique du dispositif 9
est représenté schématiquement sur la figure 6, où l'on
peut voir que ce dispositif est basé sur une soupape
s'ouvrant graduellement à une pression différentielle
donnée, ce qui conduit à la régulation du débit de
recirculation q (figure 4(A)).
Aux figures 7A et 7B, le système de régulation
hydraulique RH 7 est constitué d'un canal hydraulique 8
pratiqué à l'intérieur du rotor 2 entre deux cavitës 4.
Les pertes de charges à l'entrée, le long et à la
sortie du canal 8 rêgulent le dêbit et la pression
différentielle.
Aux figures 8A-8C et 9A-9C, le systême de
régulation hydraulique RH 7 est constitué de deux canaux
hydrauliques 10, l'un étant pratiqué entre les cavités 1
et m, et l'autre à l'intérieur de la cavité 1. Ces deux
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canaux en tandem, disposés de façon décalée, représentent
la structure la plus simple. Le fait qu'on rêalise
plusieurs canaux diminue leur diamètre et le décalage
assure une meilleure circulation, notamment au passage de
5 l'ouverture du canal au contact avec le stator.
Les figures 8A-8C présentent une variante dans
laquelle un dispositif de régulation du débit 9, tel que
celui représenté sur la figure 6, est installé dans chacun
des canaux 10 du tandem, et les figures 9A-9C une variante
10 suivant laquelle, dans chaque canal 10 du tandem, la
rëgulation hydraulique s'effectue par la perte de charge,
comme illustré aux figures 7A, 7H.
Aux figures 10A, lOB et 11A-11C, le système de
régulation hydraulique RH 7 est réalisé par un canal
15 hydraulique périphérique au rotor 2, entre deux cavités 4.
Ainsi, il assure la recirculation entre les deux cavités 4
et la pression différentielle est donnée par la perte de
charge de l'êcoulement. Ses dimensions correspondent au
débit de recirculation nécessaire.
20 Les figures 10A, lOB présentent une variante
comportant un circuit à un seul canal hydraulique
périphérique 11, et les figures 11A-11C une variante
comportant deux circuits 12 en tandem dëcalë.
Aux figures 12A, 12B, le système de régulation
25 hydraulique RH 7 comporte un canal hydraulique 13
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périphérique intérieur au stator 3, pratiqué entre deux
cavités 4.
Comme dans le cas précédent, il assure la
recirculation entre deux cavités, la pression
différentielle est donnée par la perte de charge, et ses
dimensions correspondent au débit de recirculation.
Les exemples suivants illustrent des résultats
obtenus avec la pompe selon l'invention sans toutefois
limiter la portée de cette dernière.
Exemple 1
Cet essai porte sur un prototype de pompe PCP
traditionnelle transportant un mélange polyphasique (eau
et air) .
Une pompe PCP comportant treize étages (cavités)
transporte un mélange polyphasique dont les débits sont de
50% eau et 50% air, avec une pression d'aspiration de
0,1 MPa (1 bar) et une pression dans le conduit de
refoulement de 4 MPa (40 bars), ce qui revient à un taux
de compression du gaz de 40 /1. En raison du fort taux de
compression et du fait que le débit de fuite (entre le
rotor et stator) est incapable de compenser le volume de
gaz comprimê, la pression de refoulement est réalisée sur
les quatre derniers étages (cavités), ce qui revient â un
fort gain de pression de 1 MPa (10 bars)/étage. Tout le
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travail de la pompe est réalisé par les quatre derniers
étages, les neuf étages restants de la pompe ne
contribuant pas â la compression du mélange. Cette forte
compression localisée sur les derniers étages est
accompagnée d'une forte remontée de la température . la
température d'entrée est multipliée par deux.
La forte température et la concentration des
pressions â la sortie de la pompe sont dommageables pour
la tenue mécanique de l'ensemble, notamment l'élastomère
du stator et le rotor.
Exemple 2
Cet essai porte sur un prototype de pompe PCP
perfectionnëe avec les Régulateurs Hydrauliques (RH),
transportant un mélange polyphasique (eau et air).
La pompe selon la présente invention a un
comportement tout à fait différent ; grâce aux régulateurs
hydrauliques RH installés dans le rotor, la distribution
des pressions est uniformisée et la température, stabi-
lisée. Sur les quatre derniers étages, la densité des
régulateurs hydrauliques RH est de deux régulateurs
hydrauliques par étage et par conséquent le gain de
pression est très faible (environ 0,1 MPa/étage). Sur les
neuf étages restants de la pompe, les régulateurs
hydrauliques RH sont distribués à raison d'un régulateur
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RH par étage. Dans ces conditions, la distribution des
pressions est uniformisée, ce qui revient à un gain de
pression d'environ 0,3 MPa (3 bars)/étage.
Par conséquent, l'uniformisation de la distri
bution des pressions au long de la pompe conduit à un
faible gain de pression de chaque étage et à la
stabilisation des températures au long de la pompe.
La variation de densité des régulateurs
hydrauliques RH contribue au rééquilibrage hydro-thermo
mécanique de la pompe ; tous les étages contribuent à la
compression du mélange.
Exemple 3
Cet essai porte sur un prototype de pompe PCP
traditionnelle transportant un liquide (eau).
La même pompe PCP transporte de l'eau avec une
faible pression à l'entrée (0,1 MPa (1 bar)) et une
pression d'environ 0,5 MPa dans le conduit de refoulement.
A cause du comportement dynamique du contact entre le
rotor et le stator, la pompe développe des pressions très
faibles sur les étages 7-11 avec risque de cavitation.
Par consêquent, l'apparition de la cavitation
conduit aux dommages des matériaux, notamment l'élastomère
du stator et le mêtal du rotor.
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Exemple 4
Cet essai porte sur un prototype de pompe PCP
perfectionnée avec les Régulateurs Hydrauliques (RH)
transportant un liquide (eau?.
Grâce aux régulateurs hydrauliques RH, la pompe
selon la présente invention contrôle la distribution des
pressions et, par conséquent, les pressions sont positives
et uniformément distribuées, sans risque de cavitation. Du
refoulement â 0,5 MPa (5 bars), les pressions varient
uniformément jusqu'à la pression d~aspiration 0,1 Mpa
(1 bar), sans jamais atteindre localement des faibles
pressions de cavitation.
