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WO 2019/076670
PCT/EP2018/077337
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POMPE A BARILLET ROTATIF AVEC MOYENS DE GUIDAGE ET DE CENTRAGE DU
BARILLET DISTINCTS
La présente invention concerne le domaine des pompes, en particulier pour le
pompage haute pression, notamment pour des opérations de forage.
De nos jours, les pompes à vilebrequins sont les plus répandues dans
l'ensemble des
secteurs de l'industrie : les biens d'équipement, les industries pétrolière,
gazière et
agroalimentaire, le secteur automobile, le bâtiment (chauffage, puits,
climatisation, pompes à
eau, etc.) et plus spécifiquement pour le traitement de l'eau et des déchets
(réseau d'eau et
d'assainissement). Néanmoins, elles sont encore construites à partir de
concepts datant des
années 1930, et ne font l'objet que de très peu d'études de recherche et
développement
pour améliorer leurs performances, réduire leur coût de revient, minimiser les
frais de
maintenance ou diminuer leur empreinte environnementale. Ces pompes présentent
des
limites en termes de puissance, de couple pression / débit (c'est-à-dire des
limites qui se
traduisent par des phénomènes apparentés aux coups de bélier générés par
la réponse
sinusoïdale de la pression produite par le vilebrequin), de poids, de
rendement et de durée
de vie. De plus, elles ne permettent pas d'avoir une cylindrée variable et
manquent donc de
flexibilité d'utilisation.
En outre, dans le domaine de la production d'hydrocarbures, on observe
actuellement
que les forages doivent atteindre des profondeurs de plus en plus importantes,
ce qui
implique de travailler avec des pressions d'injection toujours plus élevées.
Les compagnies
pétrolières ont donc besoin de pompes à très haute pression pour atteindre les
profondeurs
requises pour l'injection, par exemple, de boues de forage. Ces dernières
doivent également
être fiables, économiques, flexibles et compactes, afin de répondre aux
demandes toujours
plus exigeantes du secteur de l'énergie.
Une autre technologie de pompe volumétrique est la pompe à barillet.
Majoritairement
destinées au pompage à plus faible pression et débit (elles sont
principalement utilisées
dans le pompage des huiles hydrauliques), elles offrent de nombreux avantages
:
= Excellent rapport poids / puissance
= Très bon rapport qualité / prix
= Rendements mécaniques et volumétriques intéressants
= Possibilité de cylindrée variable en réglant l'inclinaison du plateau
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Les pompes conçues avec un barillet fonctionnent à l'aide d'un système de
plateau
tournant qui actionne les différents pistons les uns à la suite des autres.
Lorsqu'un piston est
en phase d'admission, le piston opposé est en mode refoulement, ce qui offre
un flux
constant en amont et aval de la pompe. La répartition des positions des
pistons avec un
.. guidage par le barillet assure une distribution des efforts progressive
lors de la rotation de
l'arbre entrainé par le moteur.
Il existe trois grandes architectures de pompe à barillet :
= Les pompes à barillet fixe (figure 1) : dans cette configuration de pompe
1, où le
barillet est fixe, c'est le plateau incliné 2 qui tourne (entraîné par l'arbre
5) afin de générer le
.. mouvement des pistons 3 dans leurs chemises 4 (chambre de compression). La
liaison entre
les pistons 3 et le plateau 2 est alors assuré par des patins rotulés qui
frottent sur le plateau
2. L'avantage ici est d'avoir une très faible inertie des pièces en rotation.
Toutefois, cette
configuration rend difficile la mise en place de cylindrée variable. De plus,
dans le cas de
pressions et débits importants, les efforts de frottement entre le plateau et
les patins ne sont
pas négligeables, et rendent complexe voire impossible la réalisation de la
pompe.
= Les pompes à barillet avec plateau oscillant : le barillet est fixe dans
cette
architecture et l'on a deux plateaux, un premier plateau incliné est en
rotation et transfère au
second plateau uniquement le mouvement d'oscillation. Ainsi, on peut lier les
pistons au
second plateau oscillant sans la nécessité d'éléments frottants, par exemple
avec une bielle
liée au piston et au plateau par des liaisons rotules. Cette architecture est
adaptée au
pompage haute pression du fait de l'absence d'éléments frottant (on en trouve
d'ailleurs
quelques-unes sur le marché de la géothermie). Elle offre également un
excellent rendement
mécanique. Cette configuration rend possible la réalisation d'une cylindrée
variable, elle
reste néanmoins difficile à intégrer et à concevoir.
= Les pompes à barillet rotatif (figure 2) : au sein de la pompe 1, c'est le
plateau 2 qui
est fixe et le barillet 6 portant les pistons 3 est en rotation, assurant
ainsi le mouvement des
pistons 3 dans leurs chemises 4 (chambre de compression). La liaison piston 3
¨ plateau 2
est assurée de la même manière que pour la première configuration. L'avantage
de cette
architecture est que l'on peut aisément rendre le plateau réglable en
inclinaison et ainsi avoir
la possibilité de cylindrée variable. En revanche, l'inertie des pièces en
rotation augmente de
façon non négligeable puisque le barillet et l'ensemble des pistons sont mis
en rotation. De
plus, pour cette configuration, la maintenance de la pompe est rendue
difficile : il est
nécessaire de démonter l'ensemble du barillet, y compris la partie mécanique
de guidage
des pistons pour accéder aux conduites d'admission et de refoulement.
Généralement, pour
cette réalisation, le barillet est réalisé en deux pièces, rendant difficile
le montage, car une
bonne colinéarité des axes de guidage et de la chambre est nécessaire.
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Pour pallier ces inconvénients, la présente invention concerne une pompe à
barillet
rotatif, pour lequel la liaison pivot entre le barillet et le carter est
réalisée par les moyens de
guidage et de centrage distincts. Cette conception permet de différencier les
fonctions
guidage et étanchéité, ce qui facilite la maintenance et l'entretien de la
pompe.
Le dispositif selon l'invention
L'invention concerne une pompe à barillet comprenant un carter, et comprenant
au
sein dudit carter :
- un arbre d'entraînement,
- un bloc cylindre comportant au moins deux chambres de compression réparties
circonférentiellement, ledit bloc cylindre étant entraîné par ledit arbre
d'entraînement,
- un plateau dont l'inclinaison est réglable,
- au moins deux pistons en translation respectivement dans lesdites chambres
de
compression dudit bloc cylindre, lesdits pistons étant entraînés par ledit
plateau au
moyen de bielles.
Ledit bloc cylindre est en liaison pivot par rapport au carter par des moyens
de
guidage et des moyens de centrage séparés.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit bloc cylindre est une pièce
monobloc,
qui comprend une première partie pour le guidage desdits pistons, et une
deuxième partie
comprenant lesdites chambres de compression.
Avantageusement, les espaces intérieurs desdites première et deuxième parties
dudit
bloc cylindre ne communiquent pas ensemble.
De préférence, lesdites première et deuxième parties dudit bloc cylindre sont
reliées
par une troisième partie, dont le diamètre est inférieur aux diamètres
desdites première et
deuxième parties dudit bloc cylindre.
Selon un aspect, lesdits moyens de guidage comportent deux roulements à
rouleaux à
contact oblique montés en X sur ladite première partie dudit bloc cylindre.
Conformément à une caractéristique, lesdits moyens de centrage comportent un
roulement à billes monté sur ladite deuxième partie dudit bloc cylindre.
Selon une mise en oeuvre de l'invention, ledit bloc cylindre est entraîné par
ledit arbre
d'entraînement au moyen de cannelures prévues sur ledit arbre d'entraînement.
De manière avantageuse, lesdites cannelures sont agencées à l'extrémité dudit
arbre
d'entraînement.
Conformément à un mode de réalisation, lesdits pistons sont en liaison pivot
glissant
dans ledit bloc cylindre.
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Selon un aspect, ledit bloc cylindre comprend des moyens d'étanchéité avec les
conduites d'admission et de refoulement de ladite pompe.
Conformément à une mise en oeuvre, ladite pompe à barillet comporte un moyen
de
commande de l'inclinaison dudit plateau.
De préférence, ledit moyen de commande de l'inclinaison comporte un système
roue et
vis sans fin.
En outre l'invention concerne une utilisation de ladite pompe à barillet selon
l'une des
caractéristiques précédentes pour une opération de forage, en particulier pour
l'injection de
boues de forage dans un puits de forage.
Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention,
apparaîtront à la
lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations,
en se référant aux
figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1, déjà décrite, illustre une pompe à barillet fixe selon l'art
antérieur.
La figure 2, déjà décrite, illustre une pompe à barillet rotatif selon l'art
antérieur.
La figure 3 illustre une pompe à barillet selon un mode de réalisation de
l'invention.
La figure 4 illustre le montage relatif des deux barillets selon un mode de
réalisation de
l'invention.
Description détaillée de l'invention
La présente invention concerne une pompe à barillet rotatif. La pompe à
barillet a pour
but de pomper un fluide (par exemple : eau, huile, gaz, boues de forage, etc.)
au moyen d'un
.. déplacement linéaire de plusieurs pistons. Ce type de pompe présente
l'avantage d'être
compacte, d'avoir des rendements mécaniques et volumétriques intéressants, un
excellent
rapport poids/puissance. De plus, les pompes à barillet rotatif sont adaptées
au pompage
haute pression.
La pompe à barillet selon l'invention comporte un carter et comporte au sein
du carter :
- un arbre d'entraînement : celui-ci est entraîné en rotation, par rapport au
carter
par une source d'énergie extérieure, notamment une machine motrice (par
exemple thermique ou électrique), en particulier au moyen d'une transmission
(par exemple une boîte de vitesses),
- un plateau incliné par rapport à l'arbre d'entraînement, cette inclinaison
peut être
réglable,
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- un bloc cylindre (appelé barillet), comportant au moins deux chambres de
compression (appelés également chemises) réparties circonférentiellement (en
d'autres termes les chambres de compression sont réparties selon un cercle),
le
bloc cylindre est rotatif par rapport au carter, et entraîné par l'arbre
5 d'entraînement, et
- au moins deux pistons en translation respectivement dans les chambres de
compression, les pistons sont entraînés par le bloc cylindre, et des bielles
relient,
au moyen de liaisons rotules, le plateau mobile et les pistons de manière à
transformer le mouvement du bloc cylindre en mouvement de translation des
pistons, et la translation des pistons au sein des chambres de compression
réalisent le pompage du fluide.
Le réglage de l'inclinaison plateau permet une cylindrée variable de la pompe,
en
modifiant la course des pistons.
Selon l'invention, la liaison pivot entre le bloc cylindre et le carter est
formée par des
moyens de guidage et des moyens de centrage séparés.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le bloc cylindre peut être une
pièce
monobloc (c'est-à-dire réalisé en une seule pièce). L'avantage de la fusion
des deux
pièces du bloc cylindre (que l'on peut trouver dans l'art antérieur) est
d'assurer une bonne
colinéarité des axes de guidage et de la chambre, étant donné que cela permet
d'usiner
l'ensemble des moyens de guidage et d'étanchéité en une fois. De plus, cette
conception,
présente une masse réduite, car les fonctions d'assemblage entre deux
éventuelles pièces
du bloc cylindre sont supprimées (donc plus de vis, rondelles, écrous, ...).
En outre, la
réalisation en une seule pièce simplifie le montage du barillet de la pompe et
la maintenance
de la pompe en service. En effet, pour la maintenance, grâce à la séparation
des moyens de
guidage et des moyens de centrage, il est possible de démonter uniquement les
moyens de
centrage, ou uniquement les moyens de guidage.
Conformément à une mise en oeuvre de l'invention, le bloc cylindre peut
comprendre
une première partie pour le guidage des pistons et une deuxième partie
destinée à
l'étanchéité, la deuxième partie comprenant les chambres de compression du
bloc cylindre.
Ainsi, la deuxième partie est destinée à l'admission et au refoulement du
fluide pompé. Une
fois la pompe montée, les espaces intérieurs des deux parties du bloc cylindre
ne sont pas
en communication. En d'autres termes, une fois la pompe montée, un fluide
contenu dans la
première partie ne peut se retrouver dans la deuxième partie, et inversement.
Cette
conception permet de séparer le côté mécanique de la pompe (première partie
avec les
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pièces en mouvement) de son côté hydraulique (deuxième partie avec l'admission
et le
roulement). La maintenance de la pompe s'en retrouve facilitée. Selon un
exemple de
réalisation, la dissociation des espaces intérieurs peut être réalisée au
moyen d'un couvercle
interne.
De préférence, et afin de réaliser la liaison pivot entre le bloc cylindre et
le carter, les
première et deuxième parties peuvent avoir une forme sensiblement cylindrique.
Selon un aspect de cette mise en oeuvre de l'invention, les première et
deuxième
parties peuvent être reliées par une troisième partie. Avantageusement, cette
troisième
partie peut être sensiblement cylindrique et peut avoir un diamètre inférieur
aux diamètres
des première et deuxième parties.
Selon un aspect de ce mode de réalisation, les moyens de guidage et de
centrage
peuvent comporter deux roulements à rouleaux à contact oblique montés en X
(les centres
de poussée des roulements sont situés entre les deux roulements). Cette
configuration
permet un guidage et est adaptée pour des vitesses de rotation élevées avec
des
chargements importants. Selon un exemple de réalisation, les deux roulements à
rouleaux à
contact oblique peuvent être montés sur la première partie du bloc cylindre.
De plus, un roulement à billes peut être prévu pour permettre de limiter le
porte-à-faux
de la pièce et pour assurer son centrage sur toute la longueur. Le choix d'un
roulement à
billes présente l'avantage d'être adapté aux vitesses de rotation élevées. Les
charges sur ce
roulement étant limitées, ce choix permet d'être compact et léger. Selon un
exemple de
réalisation, le roulement à billes peut être monté sur la deuxième partie du
bloc cylindre.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le bloc cylindre peut être
entraîné par
l'arbre d'entraînement au moyen de cannelures prévues sur l'arbre
d'entraînement. En
d'autres termes, l'arbre d'entraînement peut comprendre des cannelures mâles,
et le barillet
peut comprendre des cannelures femelles coopérant avec les cannelures mâles de
l'arbre
d'entraînement. Les cannelures permettent de transmettre un couple important.
Selon un
exemple de réalisation, les cannelures femelles peuvent être agencées dans la
deuxième
partie du bloc cylindre, et éventuellement dans la troisième partie du bloc
cylindre.
Alternativement, les cannelures femelles peuvent être agencées sur la première
partie du
bloc cylindre.
En variante, le bloc cylindre peut être entraîné au moyen d'une clavette
prévue dans
l'arbre d'entraînement.
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De manière avantageuse, les pistons peuvent être en liaison pivot glissant
dans le
barillet, en particulier dans la première partie du bloc cylindre, notamment
au moyen d'une
bague. Ainsi, les pistons sont guidés pour leur mouvement de va-et-vient.
Le plateau peut avoir sensiblement la forme de disque. Toutefois, le plateau
peut avoir
n'importe quelle forme. Seules les chambres de compression (et les pistons)
sont réparties
sur un cercle.
Avantageusement, la pompe selon l'invention peut comporter un nombre de
pistons
compris entre trois et quinze, de préférence entre cinq et onze. Ainsi, un
nombre élevé de
pistons offre un flux continu en amont et en aval de la pompe.
De manière classique, la pompe comporte en outre une entrée (admission) et une
sortie (refoulement) du fluide à pomper. Le fluide passe par l'entrée de la
pompe, entre dans
une chambre de compression, est comprimé, puis refoulé de la pompe par la
sortie au
moyen du piston.
En outre, le barillet, en particulier la deuxième partie du bloc cylindre,
peut comprendre
des moyens d'étanchéité avec les conduites d'admission et de refoulement de la
pompe.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'angle d'inclinaison du plateau
à
inclinaison variable par rapport à la direction axiale de l'arbre
d'entraînement peut être
compris entre 70 et 90 . En d'autres termes, le plateau à inclinaison
variable (et a fortiori le
plateau rotatif) peut être incliné d'un angle compris entre 0 et 200 par
rapport à une direction
radiale de l'arbre d'entraînement.
Conformément à une mise en oeuvre de l'invention, la pompe à barillet peut
comporter
un moyen de commande de l'inclinaison du plateau à inclinaison variable. Par
exemple, ce
moyen de commande peut comporter un système roue et vis sans fin.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la pompe peut comporter un
deuxième
plateau (plateau rotatif). Le deuxième plateau peut être en liaison pivot par
rapport au
plateau à inclinaison variable et peut être entraîné par l'arbre
d'entraînement. L'entraînement
du deuxième plateau peut être réalisé au moyen d'une rotule à doigt. Cette
conception de la
pompe permet d'avoir un plateau qui tourne de manière synchronisée avec le
bloc cylindre,
permettant ainsi d'utiliser des liaisons rotules (entre bielles et plateau)
sans patins frottants,
ce qui permet un meilleur rendement de la pompe à barillet.
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La figure 3 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un schéma
cinématique d'une pompe à barillet rotatif selon un mode de réalisation de
l'invention. La
pompe à barillet rotatif 1 comporte un arbre d'entraînement 5. La rotation de
l'arbre
d'entraînement 5 est réalisée par une source extérieure non représentée, par
exemple une
machine électrique et une boîte de vitesses. L'arbre d'entraînement 5 est en
rotation par
rapport au carter 15. De plus, l'arbre d'entraînement 5 entraîne en rotation
le bloc cylindre 6
qui comporte des chambres de compression 4. La pompe 1 comporte en outre un
plateau à
inclinaison variable 2, qui, mis à part son réglage de l'inclinaison, est fixe
par rapport au
carter 15. Le moyen de réglage de l'inclinaison du plateau à inclinaison
variable 2 n'est pas
représenté.
La pompe 1 comporte un piston 3 animé d'un mouvement de translation (mouvement
de va et vient) au sein d'une chambre de compression 4.
Le mouvement de va et vient du piston 3 est réalisé au moyen d'une bielle 8
qui relie le
plateau mobile 2 et le piston 3 au moyen de liaisons rotules. Ce mouvement de
va et vient du
piston 3 au sein de la chambre de compression 4 permet de pomper le fluide.
La figure 4 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une vue en
coupe du
barillet selon un mode de réalisation de l'invention. Il s'agit d'une vue en
coupe selon un plan
comprenant l'axe de l'arbre d'entraînement 5. Le bloc cylindre 6 comprend une
première
partie 16 destinée au guidage des pistons 3, et une deuxième partie 18
comprenant les
chambres de compression 4. De plus, le bloc cylindre 6 comprend une troisième
partie 17
reliant la première partie 16 à la deuxième partie 18. Les première et
deuxième parties 16 et
18 ont une forme sensiblement cylindrique. La troisième partie 17 est
également cylindrique
et possède un diamètre inférieur aux diamètres des première et deuxième
parties 16 et 18.
Un couvercle 9 est prévu à l'extrémité de l'arbre d'entraînement 5 de manière
à
dissocier les espaces internes des première et deuxième parties 16 et 18.
Le bloc cylindre 6 est monté en rotation dans le carter 15, grâce à des moyens
de
centrage et des moyens de guidage.
Les moyens de centrage comportent un roulement à billes 13 monté entre la
deuxième
partie 18 du barillet 6 et le carter 15.
Les moyens de guidage comportent deux roulements à rouleaux à contact oblique
11
et 12 montés entre la première partie 16 du barillet 6 et le carter 15. Les
roulements à
rouleaux à contact oblique 11 et 12 sont montés en X.
Pour le guidage de chaque piston 3, la première partie 16 du barillet 6
comporte une
bague 14 autorisant une liaison pivot glissant entre le piston 3 et le
barillet 6.
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Pour l'entraînement du bloc cylindre, l'arbre d'entraînement 5 comporte à son
extrémité
des cannelures 19, qui coopèrent avec des cannelures femelles (non
représentées) prévues
dans les deuxième et troisième parties 18 et 17 du bloc cylindre 6.
L'invention concerne également l'utilisation de la pompe selon l'invention
pour une
opération de forage, en particulier pour l'injection de boues de forage dans
un puits de
forage. En effet, la pompe selon l'invention est bien adaptée à cette
utilisation, par sa
flexibilité, sa compacité, et sa résistance aux hautes pressions.
Par exemple la pompe selon l'invention peut être dimensionnée pour fonctionner
jusqu'à des pressions de l'ordre de 1500 bars, c'est-à-dire 150 MPa. En outre,
la pompe
selon l'invention peut être dimensionnée pour fonctionner à des débits variant
de 30 à 600
m3/h.
