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CA 02857349 2014-07-18
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Rotor hélicoïdal, pompe à cavités progressives et dispositif de pompage
L'invention concerne un rotor pour pompe à cavités progressives, une pompe à
cavités progressives comportant un tel rotor ainsi qu'un dispositif de pompage
comportant une telle pompe à cavités progressives.
Une pompe à cavités progressives comprend généralement une armature
cylindrique, un stator aménagé dans l'armature et présentant une forme
intérieure
hélicoïdale, un rotor hélicoïdal agencé dans ledit stator. Des cavités, aussi
appelées
alvéoles sont délimitées entre le rotor et le stator. En fonctionnement, le
rotor est entrainé
en rotation. La rotation du rotor entraîne le déplacement ou pompage d'un
fluide d'une
cavité à sa cavité adjacente, d'une extrémité de la pompe, appelée aspiration,
à
l'extrémité opposée, appelée refoulement.
Lors du pompage d'un fluide multiphasique comportant une phase gazeuse, un
volume de gaz aspiré à l'entrée de la pompe, se comprime progressivement de
l'aspiration vers le refoulement. Cette compression entraîne une augmentation
importante
de la température à l'intérieur de la pompe qui endommage la tenue mécanique
du rotor
et du stator, par exemple par brulure de l'élastomère constituant le stator et
qui diminue
la durée de vie d'une pompe à cavités progressives.
Pour pallier à cet inconvénient, la demande de brevet EP 1 559 913 propose une
pompe à cavités progressives comportant un rotor muni de canaux reliant deux
ou
plusieurs cavités. Au cours du pompage, le fluide pompé circule d'une cavité à
l'autre
par l'intermédiaire de ces canaux assurant ainsi l'équilibrage des pressions
entre les
cavités reliées entre elles et diminuant ainsi l'augmentation de la
température à l'intérieur
du stator.
Le but de la présente invention est de proposer un rotor et une pompe à
cavités
progressives réduisant de manière plus significative la compression des gaz et
l'augmentation de la température en résultant.
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A cet effet, l'invention a pour objet un rotor hélicoïdal destiné à être
agencé dans
une pompe à cavités progressives ; ladite pompe à cavités progressives étant
propre à
pomper un fluide polyphasique dans une réserve de fluide ; le rotor hélicoïdal
comprenant au moins un mélangeur propre à homogénéiser le fluide polyphasique
situé
dans ladite réserve de fluide, ledit rotor hélicoïdal comportant :
- une première face externe d'extrémité destinée à être accouplée à un arbre
d' entrainement,
- une seconde face externe d'extrémité libre et opposée à la première face
externe
d'extrémité, et
- une face externe hélicoïdale reliant la première face externe d'extrémité à
la
seconde face externe d'extrémité,
et dans lequel ledit mélangeur comporte un canal interne ayant au moins une
sortie
d'éjection du fluide située sur la seconde face externe d'extrémité ; le canal
interne étant
propre à éjecter une partie dudit fluide polyphasique pompé dans ladite
réserve de fluide,
pour homogénéiser le fluide polyphasique situé dans ladite réserve de fluide,
caractérisé
en ce que ledit canal interne a au moins une entrée de fluide située sur
ladite face externe
hélicoïdale, et en ce que ladite sortie de fluide est équipée d'une
restriction propre à
accélérer la vitesse d'éjection de ladite partie du fluide éjectée.
Le document US 2,512,764 décrit une pompe comprenant un stator et un rotor
métallique. Le rotor métallique est muni d'un trou central et d'un membre à
rotule vissé
dans un taraudage du trou central. Le membre à rotule comprend des orifices
radiaux et
axiaux en communication avec le trou central.
Le document DE 23 16 127 décrit une pompe à cavités progressives comprenant un
rotor muni d'orifices radiaux dans lesquels un liquide de fluidification, par
exemple de
l'huile, est injecté pour lubrifier les surfaces situées entre le rotor et le
stator afin de limiter
l'usure du stator.
Toutefois, ladite sortie de fluide des pompes décrites dans les documents US
2,512,764 et DE 23 16 127 n'est pas équipée d'une restriction propre à
accélérer la
vitesse d'éjection de ladite partie du fluide éjectée. De plus, les entrées de
fluide de ces
pompes ne sont pas situées sur une face externe hélicoïdale du rotor mais sur
une face
externe du membre à rotule 26 qui est fixé au stator. Enfin, la fonction des
orifices radiaux
n'est pas d'homogénéiser le fluide situé dans la réserve. En effet, la
fonction des orifices
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radiaux et du trou central de la pompe du document US 2,512,764 est de
réinjecter l'eau
pompée pour faciliter l'amorçage de la pompe au début du pompage. Et, la
fonction des
orifices radiaux du document DE 23 16 127 est de lubrifier l'espace entre le
rotor et le
stator.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le rotor comporte l'une ou
plusieurs
des caractéristiques suivantes :
- dans lequel ladite restriction présente une forme générale tronconique.
- dans lequel ladite restriction comporte une grille.
- dans lequel ladite restriction comporte une pale fixe.
- dans lequel ladite restriction comporte une pale mobile.
- dans lequel ladite restriction présente une forme en nid d'abeilles.
- dans lequel ledit rotor hélicoïdal est un tube creux.
- dans lequel ladite au moins une entrée de fluide présente la forme d'un
diffuseur
ayant une ouverture de plus grand diamètre débouchant sur la face externe
hélicoïdale du
rotor hélicoïdal.
- dans lequel ladite au moins une entrée de fluide présente une forme
elliptique.
- dans lequel un lamage droit est réalisé autour de ladite au moins une
entrée de
fluide sur ladite face externe hélicoïdale.
- dans lequel un lamage conique est réalisé autour de ladite au moins une
entrée de
fluide sur ladite face externe hélicoïdale.
L'invention a également pour objet une pompe à cavités progressives
comprenant une armature, un stator aménagé dans ladite armature, ledit stator
présentant
une forme intérieure hélicoïdale, un rotor hélicoïdal agencé dans ledit
stator, caractérisée
en ce que ledit rotor hélicoïdal présente les caractéristiques mentionnées ci-
dessus.
Préférentiellement, le mélangeur comporte une portion qui s'étend en saillie
par
rapport au stator.
Enfin, l'invention a pour objet un dispositif de pompage comprenant une pompe
à
cavités progressives ayant une entrée et une sortie, une réserve de fluide
fixée à l'entrée
de la pompe à cavités progressives, et une conduite de refoulement fixée à la
sortie de la
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pompe à cavité progressives, caractérisé en ce que la pompe à cavités
progressives
présente les caractéristiques mentionnées ci-dessus et en ce que une grille
est disposée au
travers de la réserve de fluide ; ladite grille présentant en son centre une
ouverture
oblongue ayant une dimension permettant le passage du rotor hélicoïdal.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre,
donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures sur
lesquelles :
- la figure 1 est une vue de côté d'un rotor hélicoïdal selon un premier
mode de
réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe du rotor illustré sur la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue en coupe d'une entrée de fluide du rotor
hélicoïdal
illustré sur la figure 1 ;
- la figure 4 est une vue en coupe d'une variante de réalisation de
l'entrée de
fluide illustrée sur la figure 3 ;
- la figure 5 est une vue en coupe d'une variante de réalisation de l'entrée
de
fluide illustrée sur la figure 3 ;
- la figure 6 est une vue en coupe d'un rotor selon un deuxième mode de
réalisation de l'invention ;
- la figure 7 est une vue en coupe d'un dispositif de pompage selon
l'invention ; et
- la figure 8 est une vue de face d'une grille agencée dans le dispositif de
pompage illustré sur la figure 7.
Le rotor hélicoïdal 2 selon la présente invention est destiné à être agencé
dans une
pompe à cavités progressives propre à pomper un fluide polyphasique dans une
réserve
de fluide.
En référence aux figures 1 à 3, le rotor hélicoïdal 2 selon le premier mode de
réalisation de l'invention est constitué par un tube creux qui comprend un
canal interne 3.
Il est, par exemple, réalisé par martelage et/ou ceintrage d'un tube
métallique ou
composite.
Le rotor hélicoïdal 2 comprend en outre une première face externe d'extrémité
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destinée à être accouplée à un arbre d'entrainement, une seconde face externe
d'extrémité
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8 opposée à la première face externe d'extrémité 4, et une face externe
hélicoïdale 10
reliant la première face d'extrémité 4 à la seconde face d'extrémité 8.
La face externe hélicoïdale 10 comporte plusieurs orifices traversants,
appelés ci-
après entrées de fluide 12 communiquant avec le canal interne 3. La seconde
face
5
d'extrémité 8 comporte un orifice traversant, appelé sortie d'éjection de
fluide 14
communicant également avec le canal interne 3 et avec les entrées de fluide
12.
Le canal 3, les entrées de fluide 12 et la sortie d'éjection de fluide 14 du
canal
forment un mélangeur selon la présente invention. Ce mélangeur permet de créer
un jet
de fluide qui est dirigé vers l'entrée de la pompe à cavités progressives,
comme explicité
ultérieurement en liaison avec les figures 6 à 8. Ce jet homogénéïse le fluide
polyphasique situé dans une réserve de fluide à l'entrée de la pompe à cavités
progressives en cassant les bulles de gaz et les agrégats de terre ou de sable
contenus
dans celui-ci.
Ainsi, ce jet de fluide désagrège les agrégats de terre et de sable, dissout
les poches
de gaz dans le liquide et mélange les solides, les liquides et les gaz. Selon
les inventeurs
si le mélange à l'entrée de la pompe à cavités progressives est plus homogène,
les
brûlures ou décrochages localisés de l'élastomère du stator sont diminués. En
effet, le
mélange étant plus homogène, il est comprimé partout avec le même niveau de
compression.
Les entrées de fluide 12 ont une forme circulaire, comme visible sur la figure
3.
En variante, les entrées de fluide 12 présentent la forme d'un diffuseur,
c'est-à-dire
la forme d'un tronc de cône, comme illustré sur la figure 4. Dans ce cas,
l'ouverture 16
de plus grand diamètre dudit tronc de cône est située sur la face externe
hélicoïdale 10 du
rotor.
En variante, les entrées de fluide 12 présentent une forme elliptique.
En variante, un lamage droit 18 est réalisé sur ladite face externe
hélicoïdale 10
autour des entrées de fluide 12.
En variante, un lamage conique 18 est réalisé sur ladite face externe
hélicoïdale 10
autour des entrées de fluide 12.
Avantageusement, cette forme en tronc de cône ainsi que le lamage permettent
d'augmenter la vitesse de pénétration du fluide à l'intérieur du canal interne
3.
Selon le premier mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, la
sortie
d'éjection de fluide 14 comporte une restriction 15 qui va accélérer la
vitesse d'éjection
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=
du fluide polyphasique sortant par la sortie d'éjection de fluide 14. Cette
restriction 15
présente la forme d'un tronc de cône dont l'ouverture 20 de plus petit
diamètre est située
sur la seconde face d'extrémité 8.
Selon une première variante illustrée sur la figure 6, cette restriction 15
est
constituée par une grille 22. Selon une deuxième variante non représentée,
cette
restriction 15 est constituée par une pale fixe propre à modifier le régime de
l'écoulement. Selon une troisième variante non représentée, cette restriction
15 est
constituée par une pale mobile. La vitesse du fluide à l'aspiration permet
d'entraîner la
pale et de modifier le régime d'écoulement.
Dans le cas où le rotor est utilisé dans une installation de pompage
d'hydrocarbure,
d'eau ou de gaz, la pale remplace la butée de positionnement généralement
appelée
Tag Bar en anglais.
Selon une quatrième variante non représentée, cette restriction 15 présente
une
forme en nid d'abeilles.
Alternativement, cette restriction 15 peut comprendre l'une ou plusieurs des
variantes mentionnées ci-dessus. Par exemple, cette restriction 15 peut
comprendre à la
fois une forme en tronc de cône ainsi qu'une pale ou une grille.
Alternativement, la sortie d'éjection de fluide 14 ne comporte pas de
restriction.
Dans ce cas, le jet de fluide polyphasique sortant de la sortie de fluide 14
n'est pas
accéléré, mais ce jet permet tout de même d'homogénéiser le fluide
polyphasique
contenu dans la réserve de fluide.
En référence à la figure 6, le rotor hélicoïdal 24 selon le second mode de
réalisation
de l'invention est constitué d'un seul bloc dans un matériau métallique ou
dans un
matériau composite. Le canal interne 3 est percé à l'intérieur de celui-ci.
Les entrées de
fluide 12 communiquent avec le canal interne 3. Seule une portion supérieure
des entrées
de fluide 12 présentent une forme de tronc de cône. Dans le mode de
réalisation
représenté, la grille 22 est fixée au niveau de la sortie d'éjection de fluide
14 pour
accélérer la vitesse d'éjection du fluide polyphasique pompé.
La présente invention concerne également un dispositif de pompage 26 illustré
sur la figure 7. Ce dispositif de pompage 26 comprend une conduite, appelée
réserve de
fluide 28, une pompe à cavités progressives 30 ayant une entrée 32 fixée à la
réserve de
fluide 28 et une conduite, appelée conduite de refoulement 34, fixée à une
sortie 36 de la
pompe à cavités progressives 30.
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=
La réserve de fluide 28 contient un fluide polyphasique 38 à pomper du type
comportant du liquide et des gaz, ou du liquide et des solides ou encore du
liquide, des
gaz et des solides. Il est, par exemple, constitué par du pétrole, des poches
de gaz et des
agrégats de sable.
Une grille 40 est fixée à l'intérieur de la réserve de fluide 28, par exemple,
par
soudage ou rivetage ou vissage. Cette grille 40 est disposée au travers de la
section de
passage du fluide polyphasique. Cette grille 40 constitue selon la présente
invention un
mélangeur supplémentaire qui permet d'améliorer l'action du rotor hélicoïdal 2
en
réalisant un premier travail de dissolution des poches de gaz et des agrégats
de sable.
Comme visible sur la figure 8, cette grille 40 comporte, en son centre, une
ouverture
oblongue 42 permettant le passage du rotor hélicoïdal 2 lors du montage du
rotor
hélicoïdal dans la pompe à cavités progressives 30. Cette grille 40 est, par
exemple, fixée
à quelques dizaines de centimètres de l'entrée 32 de la pompe à cavités
progressives 30.
La pompe à cavités progressives 30 comprend une armature 44 de forme
cylindrique creuse, un stator 46 aménagé dans l'armature 44 et présentant une
forme
intérieure hélicoïdale, un rotor hélicoïdal 2 agencé dans ledit stator 46 de
manière à ce
que des cavités, généralement appelées alvéoles 48, soient définies entre le
rotor
hélicoïdal 2 et le stator 46.
L'armature 44 peut être réalisée en matériau métallique, polymère ou
composite.
Le stator 46 est réalisé en élastomère. Selon une variante de réalisation non
représentée, le stator 46 est formé par un cylindre creux de forme
hélicoïdale. Dans ce
cas, il est réalisé dans un métal ayant des propriétés élastiques, ou dans un
matériau
composite ayant des propriétés élastiques.
Le rotor hélicoïdal 2 de cette pompe à cavités progressives est identique au
rotor
hélicoïdal de la présente invention illustré sur les figures 1 à 3. Il ne sera
pas décrit une
seconde fois. Sa seconde face d'extrémité 8 est accouplée, par un élément
d'accouplement 52, à un arbre de transmission 54 entrainé en rotation par un
moteur non
représenté.
Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 7, le rotor hélicoïdal 2
présente
une longueur dimensionnée de manière à ce que lorsque le rotor hélicoïdal est
agencé
dans la pompe à cavités progressives et est fixé à l'arbre de transmission 54,
une portion
56 du rotor hélicoïdal s'étend à l'extérieur du stator 46. Cette portion 56
constitue selon
la présente invention un mélangeur supplémentaire. Lorsque le rotor hélicoïdal
2 est
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=
entraîné en rotation, cette portion 56 saillante tourne dans le fluide
polyphasique 38, le
mélange et permet ainsi d'homogénéiser le fluide polyphasique 38 contenu dans
la
réserve de fluide 28.
En fonctionnement, lorsque le rotor hélicoïdal 2 est entraînée en rotation, la
pompe
à cavités progressives 30 pompe le fluide polyphasique 38 de l'entrée 32 vers
la sortie 36
selon une direction de pompage P. Le fluide polyphasique pompé pénètre dans le
canal 3,
par les entrées de fluide 12. Il circule dans le sens CC, à contre-courant de
la direction de
pompage P. Il est éjecté par la sortie de fluide 14 du côté de l'entrée 32 de
la pompe à
cavités progressives dans la réserve de fluide 28.
Avantageusement, l'allongement de la longueur du rotor hélicoïdal 2 selon la
présente invention permet de mélanger le fluide polyphasique dans la réserve
de fluide et
le rejet de fluide polyphasique pompé casse les bulles de gaz et les agrégats
de terre ou de
sable contenus dans le fluide polyphasique situé dans la réserve de fluide. En
conséquence, le fluide polyphasique pompé par la pompe à cavités progressives
devient
plus homogène.
Avantageusement, si la réserve de fluide 28 n'est pas étanche, le canal
interne 3
éjecte une partie des gaz aspirés par la pompe à cavités progressives 30 dans
la réserve de
fluide 28.
Selon une autre variante non représentée, le rotor hélicoïdal 2 ne s'étend pas
à
l'extérieur du stator 46, l'action d'homogénéisation du fluide polyphasique
contenu dans
la réserve de fluide étant uniquement réalisée par l'éjection d'un jet de
fluide provenant
du canal interne 3.
Lorsque le rotor hélicoïdal 2 ne s'étend pas à l'extérieur du stator 46, le
rotor
hélicoïdale 2 peut comporter un mélangeur additionnel. Par exemple, la seconde
face
d'extrémité 8 du rotor hélicoïdale 2 peut être pourvue d'un logement dans
lequel une tige
escamotable, un élément de commande d'escamotage de la tige et un élément de
commande de la libération de la tige sont agencés. Selon cette variante,
lorsque le rotor
hélicoïdal 2 est entrainé en rotation, la tige est étendue à l'extérieur du
stator 46. La tige
est entraînée en rotation par le rotor hélicoïdal 2 et mélange le fluide
polyphasique 38.
Lors de l'installation ou du démontage de la pompe à cavités progressives. La
tige est
escamotée dans son logement.
Selon le mode de réalisation, représenté les entrées de fluide 12 sont
positionnées
tout le long du rotor hélicoïdal 2. En variante, le rotor hélicoïdal comporte
un nombre
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plus important d'entrées de fluide 12 positionnées entre le milieu de la
longueur du rotor
et la sortie 36 du rotor qu'entre le milieu de la longueur du rotor et
l'entrée 32.
La première 4 et la seconde 8 faces externes d'extrémité sont perpendiculaires
à
l'axe longitudinal du rotor hélicoïdal. La première 4 et la seconde 8 faces
externes
d'extrémité sont généralement planes.
