La présente invention porte sur une architecture de pompe axiale duale, permettant l'augmentation significative de la fiabilité et des performances hydrauliques.

Le pompage industriel transporte souvent des mélanges de plusieurs phases : les liquides de viscosité variable, les gaz et des particules solides. Dans ces conditions, les performances hydrauliques ( la pressions, les débits ) et la fiabilité ( l'érosion, la corrosion ) ainsi que la durée opérationnelle, dépendent de la composition du mélange fluide pompé .

Par exemple , pour le pompage des produits complexes , l'industrie du pétrole utilise les pompes centrifuges ( PC ) avec la variante hélico- axiale ( HA ) , et les pompes volumétriques du type à cavités progressives ( PCP ) . Les pompes hélico- axiales (HA) sont utilisées pour la production multiphasique ( liquides et gaz) par l'industrie du pétrole (IFP, Sulzer, Schlumberger ) .

Afin de décrire l'architecture de la pompe axiale duale, selon la présente invention, on commence par montrer le fonctionnement des pompes traditionnelles soulignant les processus qui conditionnent la fiabilité et les performances hydrauliques : pompage des liquides plus ou moins visqueux , pompage des mélanges liquides avec gaz et particules solides

Les pompes centrifuges ( PC ) .

En général, pour le pompage des liquides (de viscosité moyenne) , sans autre phase ( gaz ou particules solides) , les PC ont des performances supérieures aux pompes volumétriques (PCP) . En effet, les PC ont une configuration entièrement métallique leur permettant de réaliser des grandes vitesses de rotation (par exemple 3000 tours / minute), . Dans ces conditions les PC produisent des grands débits ayèc une bonne fiabilité opérationnelle. En pompage multiphasique (liquides et gaz), compte tenu du champ de forces centrifuges, les PC séparent les phases du mélange fluide pompé ; dans ces conditions, le gaz se concentre au milieu et le liquide est dirigé à la paroi extérieure. Les poches de gaz bloquent l'écoulement et les performances des PC déclinent significativement ; un taux de gaz d'environ 30% est la limite d'utilisation des PC.

C'est la raison pour laquelle, on utilise les pompes hélico- axiales (HA), capables d'assurer un écoulement axial monotone gardant le gaz mélangé aux liquides pompés .Ainsi, les HA réduisent l'effet de séparation des phases ; les HA peuvent pomper des mélanges liquides avec un taux de gaz d'environ 60% .

Malgré cette amélioration, l'écoulement monotone sur les longues pales hélico-axiales (HA) limite fortement l'élévation de la pression. Les HA réalisent des faibles pressions .

En général, le pompage des mélanges fluides contenant des particules solides (sable, par exemple) conduit à la dégradation de la fiabilité des pompes PCP, PC et HA.

Dans le cas des PC, le champ centrifuge accélère la séparation des phases et lés particules solides se concentrent à la paroi extérieure entraînant une forte dégradation des pales du rotor tournant par rapport au carter fixe.

L'écoulement essentiellement axial des pompes HA n'exclut pas la centrifugation des particule solides (par contraste des densités entre les particules et les fluides pompés) ce qui engendre le processus d'érosion, au contact des pales avec le carter, réduisant ainsi la fiabilité et la durée opérationnelle .

Le pompage des fluides fortement visqueux par des systèmes PC est limité ;la capacité du champ d'accélérations centrifuges d'entraîner les fluides visqueux est réduite.

En fait, le pompage des fluides fortement visqueux est favorable aux pompes à écoulement axial du type PCP ou HA . Les pompes à cavités progressives ( PCP ) .

Les PCP comportent un stator en élastomère en contact serré avec le rotor métallique, ce qui limite la vitesse de rotation (par exemple, 300 tous/minute ). Ainsi, les débits liquides de la pompe et la fiabilité du stator en élastomère sont limités.

Cependant, les pompes PCP ont un écoulement axial volumétrique capable de réaliser des pressions élevées, même en pompage multiphasique ( liquide et gaz ) .

Le pompage des mélanges fluides contenant des particules solides (sable, par exemple) conduit à la dégradation de la fiabilité des pompes PCP, notamment en présence de processus chimiques et thermo-dynamiques.

En effet, compte tenu de la configuration des PCP, les particules solides se concentrent au contact du rotor métallique tournant avec le stator fixe en élastomère ; le processus d'érosion conduit à la dégradation de la fiabilité du stator et à la réduction notable de la durée opérationnelle.

En résumé, pour le pompage des mélanges fluides (liquides plus ou moins visqueux , gaz et particules solides) le fonctionnement des pompes centrifuges (PC et HA ) et volumétriques à cavités progressives ( PCP ) pénalise fortement les performances : fiabilité et durée opérationnelle réduites , ainsi que la dégradation des performances hydrauliques .

La présente invention a pour objectif une nouvelle architecture de pompe axiale duale permettant d'augmenter notablement la fiabilité et la durée opérationnelle ainsi que les performances hydrauliques de la pompe .

En général, la pompe axiale duale proposée se caractérise par des dispositifs nouveaux, dont le caractère dual est inédit : - la pompe axiale duale comporte au moins un étage de pompage, comprenant un dispositif de pompage constitué d'un rotor avec des pales axiales et un cylindre solidaire extérieur, l'ensemble formant ainsi des canaux fermés tournants ; le dispositif de pompage fermé, métallique ( sans élastomère) , assure le transport fluide avec une fiabilité mécanique élevée

- le dispositif de pompage comporte une première partie à grand diamètre, conçue pour augmenter la pression des fluides pompés, suivie d'un dispositif de diamètre réduit capable de réorganiser la cinématique de l'écoulement et de transférer le débit vers la sortie de l'étage de pompage

- les pales axiales du dispositif de pompage ont une double courbure, longitudinale et radiale, afin d'organiser la cinématique de l'écoulement dans les canaux, pour assurer le maintien quasi- homogène du mélange fluide pompé ( liquides plus ou moins visqueux , gaz , particules solides) .

Ainsi, cette nouvelle pompe axiale duale est dédiée au transport des mélanges fluides, accompagnés de processus chimiques et thermo -dynamiques :: les liquides plus ou moins visqueux, les gaz et les particules solides.

Divers domaines industriels sont concernés par l'utilisation de cette pompe axiale duale : l'industrie du pétrole et du gaz, la chimie, l'alimentaire, le traitement des eaux usées.

A ces fins, la présente invention propose une pompe axiale duale comportant au moins un étage de pompage 1, ayant une entrée et une, sortie, ledit étage de pompage 1 étant pourvu d'un dispositif de pompage 2 tournant à l'intérieur d'un carter fixe 12, a ledit dispositif de pompage 2 comportant :

- un rotor 3 comprenant un système de pales axiales 5,6 dont le diamètre, la géométrie et le nombre de pales varient entre l'entrée et la sortie, et

- un cylindre extérieur 4 de diamètre variable décroissant entre l'entrée et la sortie ; ledit cylindre extérieur 4 étant solidaire dudit rotor 3 par l'intermédiaire dudit système de pales axiales 5, 6

n ledit dispositif de pompage 2, formant ainsi des canaux fermés 8 entre ledit cylindre extérieur 4, lesdites pales axiales 5,6 et ledit rotor 3 ; ledit dispositif de pompage 2 étant propre à tourner afin de transmettre l'énergie au débit de mélange fluide pompé ;

a ledit dispositif de pompage 2 comportant une partie à grand diamètre 2a propre à augmenter la pression du fluide pompé , suivi d'un dispositif de diamètre réduit 2b propre à réorganiser la cinématique de l'écoulement et de transmettre le débit vers la sortie

n ledit dispositif de pompage 2 étant disposé à l'intérieur d'un carter fixe 12 par l'intermédiaire d'un système d'étanchéité 9 placé entre ledit cylindre extérieur 4 tournant et ledit carter fixe 12 ;

n ledit dispositif de pompage 2 étant configuré pour améliorer significativement la fiabilité mécanique de l'ensemble et pour assurer l'écoulement du mélange fluide par l'élévation de la pression, l'augmentation du débit et le transfert vers la sortie dudit étage de pompage 1.

Selon un mode de réalisation nullement limitatif de la pompe axiale duale, ledit cylindre extérieur 4 peut comporter sur la face interne d'autres pales axiales partielles 7, complémentaires auxdites pales axiales 5,6 dudit rotor 3.

Ainsi, ledit étage de pompage 1 de la pompe axiale duale est caractérisé par le fait qu'à l'intérieur dudit dispositif de pompage 2, lesdites pales axiales 5,6 dudit rotor 3 et ledit cylindre extérieur 4 forment des canaux fermés 8 étanches par rapport audit carter 12, lesdits canaux fermés 8 étant configurés pour permettre :

- de réduire significativement la séparation des phases contenues dans les fluides pompés (différents liquides, particules solides, poches de gaz)

- l'élévation de la pression et l'augmentation du débit des fluides pompés, compte tenu de l'écoulement axial, réputé à faible composante radiale

- l'équilibrage du couple débit - pression et le transfert du mélange des fluides pompés vers la sortie

- l'amélioration de la fiabilité mécanique, par le maintien des particules solides ou /et des fluides visqueux dans l'écoulement confiné à l'intérieur desdits canaux 8 tournants, sans accès entre ledit cylindre extérieur 4 en rotation et ledit carter fixe 12.

Selon un mode de réalisation nullement limitatif de la pompe axiale duale , lesdites pales axiales 5 dudit rotor 3 ont une double courbure, longitudinale 10 et radiale 11, propre à assurer :

- l'écoulement régulier dans lesdits canaux fermés 8

- la limitation de la dissipation de l'énergie radiale, au contact desdites pales axiales 5 avec ledit cylindre extérieur 4

- le maintien des liquides, des poches de gaz et des particules solides dans l'écoulement, limitant ainsi la séparation des phases.

Selon un mode de réalisation de la pompe axiale duale , ladite courbure longitudinale 10 desdites pales axiales 5 est décrite par une fonction linéaire des angles d'entrée (a ) et de sortie ( β ) desdites pales

axiales 5. Aussi, la courbure radiale 11 desdites pales axiales 5 est décrite par une pente d'environ 10% à 20%. La pompe axiale duale comporte au moins un dudit étage de pompage 1. Dans ces conditions , pour assurer le transfert des fluides entre deux étages de pompage 1 successifs, ledit étage de pompage 1 est suivi de redresseurs fixes propre à guider l'écoulement à l'entrée dudit étage de pompage 1 suivant .

L'invention concerne l'application de la pompe axiale duale telle que mentionnée ci-dessus au pompage des mélanges fluides, lesdits fluides étant des liquides plus ou moins visqueux, des poches de gaz et une proportion de particules solides dans l'écoulement.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitative, en se référant aux dessins :

- La figure 1 est une section axiale de l'étage de pompage 1, selon un mode de réalisation de la présente invention. La section A représente la vue par l'entrée tandis que la section B montre la vue de la sortie de l'étage de pompage 1. Cette figure 1 montre aussi le dispositif de pompage 2 et la partie dédiée à l'augmentation de la pression 2a ainsi que la partie du transfert de l'écoulement 2b vers la sortie de l'étage de pompage 1. Le dispositif d' étanchéité 9 protège le contact de la partie tournante (le dispositif de pompage 2) et le carter fixe 12...

- La figure 2 est une vue du dispositif de pompage 2 montrant le montage solidaire du cylindre extérieur 4 sur le rotor 3 par l'intermédiaire des pales axiales 5,6 .

- La figure 3 est une section axiale de la première partie du dispositif de pompage 2a montrant les canaux fermés

8 et le profil de pales axiales 5 à double courbure, longitudinale 10 et radiale 11. La section C montre les canaux fermés 8 et la courbure radiale 11 des pales axiales 5 . Le profil D de la pale axiale 5( suivant le trajet extérieur abc ) , montre les angles ( , β ) et la courbure longitudinale 10 de la pale axiale 5. - La figure 4 est une vue de l'agencement des pales axiales complémentaires 7, attachées à l'intérieur du cylindre extérieur 4. La section F montre le couplage des pales axiales 5 avec les pales complémentaires 7 dans les canaux fermés 8. La section E est une vue de l'entrée de l'étage de pompage 1, sur laquelle sont représentées les pales axiales 5 et les pales complémentaires 7.

La pompe axiale duale, selon un mode de réalisation de la présente invention, comporte au moins un étage de pompage 1.

Comme la figure 1 le montre, l'étage de pompage 1 comporte un dispositif de pompage 2 propre à tourner dans un carter fixe 12, le mélange fluide étant pompé entre l'entrée et la sortie de l'étage de pompage 1.

Ainsi, le dispositif de pompage 2 comporte un rotor 3 pourvu d'un ensemble de pales axiales 5,6 et un cylindre extérieur 4, solidaire du rotor 3 par l'intermédiaire du système de pales axiales 5,6.

Par conséquent, à l'intérieur du dispositif de pompage 2 , l' agencement solidaire du rotor 3 avec les pales axiales 5,6 et le cylindre extérieur 4 forme des canaux fermés 8 tournants , étanches par rapport au carter fixe 12 .

La section A est la vue par l'entrée tandis que la section B est la vue par la sortie de l'étage de pompage 1.

La figure 2 représente le mode d'agencement du dispositif de pompage 2. Une fois réalisé le rotor 3 avec les pales axiales 5, 6 on installe le cylindre extérieur 4 le rendant solidaire du rotor 3 par l'intermédiaire des pales axiales 5,6. L'ensemble du dispositif de pompage 2 est tournant : les canaux fermés 8 constitués par l'agencement solidaire du rotor 3, des pales axiales 5 et du cylindre extérieur 4.

Suivant la figure 3, entre le rotor 3 et le cylindre extérieur 4, les pales axiales 5 forment des canaux fermés 8 tournants, dans lesquels le mélange pompé est confiné ; les composants abrasifs du mélange fluide pompé sont contenu dans l'écoulement confiné, sans avoir accès aux contacts entre les parties tournantes et celles fixes.

Afin de limiter complètement l'accès des composantes abrasives du mélange fluide pompé (particules solides), par la sortie de l'étage de pompage 1, un système d' étanchéité 9 est installé entre le dispositif de pompage 2 tournant et le casing fixe 12 ( Figure 1 ) .

Par conséquent, le mélange fluide pompé est confiné dans les canaux fermés 8 du dispositif de pompage 2 tournant, ce qui évite un contact abrasif du mélange pompé entre les parties tournantes du dispositif de pompage 2 et le carter fixe 12. Dans ces conditions, le confinement de l'écoulement du mélange fluide pompé dans les canaux fermés 8 du dispositif de pompage 2 assure une bonne fiabilité mécanique, par la protection du contact entre le dispositif de pompage 2 tournant et le casing fixe 12.

Toutes les parties de l'étage de pompage 1 sont métalliques, sans aucun composant en élastomère ; ainsi la fiabilité est significativement améliorée.

En conséquence, la pompe axiale duale bénéficie d'une significative amélioration de la fiabilité mécanique, ce qui lui assure une durée opérationnelle efficace.

Le dispositif de pompage 2 comporte une première partie à grand diamètre 2a, conçue pour assurer la pression du mélange fluide pompé, suivie d'un dispositif de diamètre réduit 2b conçu pour réorganiser la cinématique de l'écoulement et transférer le débit vers la sortie de l'étage de pompage 1 ( figure 1 ) .

La géométrie de la première partie 2a, caractérisée par le diamètre d' écoulement ainsi que le nombre et la forme des pales axiales 5, conditionne le débit et la pression de pompage .

La formulation théorique ( I ) confirmée par les résultats expérimentaux, détermine les paramètres géométriques du dispositif de pompage 2 en fonction des performances hydrauliques requises : la pression ( P ) ou la hauteur de pompage ( H ) et le débit ( Q ) .

Ainsi, on obtient le diamètre D et les la géométrie des pales axiales 5, caractérisée par les angles du profil ( , β ), compte tenu du débit Q et de la hauteur de pompage H ( ou la pression P ) :

V = Q/S P = p.g.H U = Q.R=aD/2 tga= V/U tg β = V.U /(U ² -g,H) (I)

H . g = K . U ² . [ 1 - V . ctg β / U ]

U ... vitesse de rotation de la pale axiale

a ... angle d' entrée des pales axiales par rapport à U

β ... angle de sortie de la pale axiale par rapport à U

V ... vitesse relative du fluide pompé

H ... la hauteur de pompage

P ... la pression de pompage

D ... diamètre ; R le rayon

Ω ... vitesse de rotation ( cycles / s )

Q ... débit densité des fluides

p ... densité des fluides

S ... surface de la section d' écoulement

K ... coefficient de pertes de charge ,

notamment la viscosité du mélange pompé ainsi que les pertes hydrauliques locales et par frottement

Par conséquent, la première partie du dispositif de pompage 2a, dédiée à la pression de pompage ( P ou H ) , comporte un grand diamètre D et des pales axiales 5 dont les angles ( α , β ) sont adaptés aux performances requises : la hauteur de pompage H ( ou la pression P ) et le débit Q. En effet, les vitesses de rotation U des pales axiales 5 transmettent au fluide l'énergie cinétique, qui génère la pression et le débit .

Ainsi, le diamètre D et le profil des pales axiales 5 exercent un rôle important dans la génération de la pression et le transport des forts débits par les canaux fermés 8.

Cependant, on observe que les vitesses d'écoulement dans les canaux fermés 8 , proportionnelles à la vitesse de rotation U (formule I) , varient dans le sens radial du dispositif de pompage 2 .

En conséquence, la seconde partie du dispositif de pompage 2b comporte une forme de convergent à diamètre réduit, propre à réorganiser la cinématique de l'écoulement (vitesses uniformes) et à transmettre le débit vers la sortie de l'étage de pompage 1.

Cette forme convergente assure un écoulement potentiel dont la cinématique est régulière ; ainsi les pales axiales 6 de la seconde partie 2b ont des profils réguliers dont l'angle est égal à celui de la sortie ( β ) des pales axiales 5. L'objectif de la pompe axiale duale de la présente invention, est de pomper des mélanges fluides composés de liquides plus ou moins visqueux , de gaz et une proportion de particules solides . Dans ces conditions il est important de maintenir uniforme le mélange fluide et d' éviter la séparation des phases dans les canaux fermés 8.

Aussi, les canaux fermés 8 améliorent significativement l'homogénéité de l'écoulement, car la paroi extérieure des canaux 8 est en rotation solidaire avec l'ensemble ; la couche limite turbulente améliore les performances hydrauliques .

La géométrie des pales 5 et leur nombre assument le transport du mélange fluide : la réalisation de la pression et du débit de pompage, ainsi que le maintien de l'écoulement homogène à l'intérieur des canaux fermés 8.

Comme la figure 3 le montre, les pales axiales du dispositif de pompage 5 ont une double courbure ; longitudinale 10 et radiale 11. Les angles d'entrée et de sortie du profil axial ( α , β ) définissent la courbure longitudinale 10 capable d'assurer la pression des pales axiales 5. Selon un mode de réalisation, la courbure longitudinale 10 des pales axiales 5 est une fonction linéaire des angles d'entrée ( a ) et sortie ( β ) .

Quant à la courbure radiale 11, elle compense la composante radiale de l'écoulement afin de limiter la séparation des phases et la dissipation de l'énergie. Du point de vue pratique, une pente radiale 11 du profil de la pale axiale 5, d'environ 10% à 20% assure la consistance du mélange fluide. La formule ( I ) montre le rôle de l'angle de sortie ( β ) des pales axiales 5 dans l'obtention de la hauteur de pompage ( H ) .

En général, les vitesses relatives V de l'écoulement dépendent des pertes de charge ; le coefficient K est une fonction de la viscosité du mélange fluide et des pertes hydrauliques locales et par frottement .

Afin d'éviter la cavitation, il faut limiter l'angle d'entrée (a) ; ainsi, l'expérience montre qu'un angle d'environ 20°- 30° assure un bon écoulement d'entrée .

Quant à l'angle de sortie (β), il dépend de la hauteur de pompage H ; l'expérience conduit souvent à des valeurs d'environ 40°.

Pour le pompage des fluides très visqueux, on adapte la vitesse de rotation ( U, Ω ) afin de garder des bonnes conditions de fonctionnement des pales axiales (formules I) . Par exemple, une forte viscosité réduit significativement les vitesses d'écoulement V, ce qui implique la réduction de la vitesse de rotation U; ainsi on peut garder les mêmes pales axiales pour pomper les fluides visqueux.

En général, pour le pompage des mélanges visqueux ou avec du gaz, l'utilisation d'un ensemble de pales axiales distribuées est nécessaire pour assurer une bonne transmission de l'énergie aux mélanges pompés. Pour ce faire, le concept de la pompe axiale duale prévoit la possibilité d'introduire des pales complémentaires 7 attachées à l'intérieur du cylindre extérieur solidaire 4. Selon un mode de réalisation, la figure 4 montre un exemple d'agencement utilisant les pales axiales complémentaires 7. Pour des mélanges avec du gaz, le maintien de l'écoulement quasi-homogène est très important ; dans ces conditions un bon taux de turbulence limite la séparation des phases, ce qui requiert une distribution spécifique de pales axiales. Les canaux fermés 8 facilitent la disposition des pales axiales 5 sur le rotor 3 avec un agencement des pales complémentaires 7 sur le cylindre extérieur 4 ( Figure 4 ) .

Ainsi, la pompe axiale duale bénéficie de plusieurs possibilités d'utilisation de pales axiales 5 et 7 sur le rotor 3 et sur le cylindre extérieur 4, réalisant ainsi des canaux fermés 8 adaptés au pompage des mélanges fluides complexes : les liquides plus ou moins visqueux , un fort taux de gaz et les particules solides .

Dans les conditions de pompage des liquides ( par exemple l'eau ou pétrole ) , la pompe axiale duale réalise des performances hydrauliques ( hauteur de pompage et débit ) équivalentes aux pompes centrifuges ( semi-axiales ) :

D= 100 mm , N= 3500 tours / min

a = 20° ; β = 40° ; H = 8 m ; Q = 200 m3 / jour

Selon la présente invention ,1a pompe axiale duale comporte au moins un étage de pompage 1 . Dans le cas de l'architecture à plusieurs étages de pompage 1, on installe des redresseurs fixes propres à guider l'écoulement à l'entrée de l'étage de pompage 1 suivant.

La présente invention porte sur l'architecture de la pompe axiale duale dont la fiabilité et les performances hydrauliques constituent des avancées significatives par rapport aux autres systèmes de pompage existants : - la fiabilité et la durée opérationnelle sont significativement améliorées , par le confinement des particules solides et des fluides visqueux dans les canaux fermés , ce qui évite le contact abrasif entre les parties tournantes et fixes

- le transport du mélange fluide est axial, ce qui réduit la séparation des phases ( liquides, gaz , particules solides )

- le pompage des mélanges fluides complexes ( liquides plus ou moins visqueux , gaz et particules solides ) se fait avec des bonnes performances hydrauliques : pression et débit