Brevet FR2385915A1 — publié le 19781027

La présente invention concerne une pompe volumétrique utilisable notamment pour pomper l'eau de puits ou de forages profonds. Les pompes volumétriques utilisées pour le pompage d'eaux profondes comportent généralement un mécanisme de surface transmettant un mouvement alternatif à un mécanisme de fond comportant une capacité de volume variable. La transmission peut ètre assurée mécaniquement,par une tringlerie combinée éventuellement avec un cable ou une sangle. Cette transmission peut ètre assurée hydrauliquement,par le déplacement alternatif d'un liquide.Lerendement de la commande hydraulique est diminué par les frottements du liquide,par les pertes par hystérésis liées aux déformations alternatives et aux vibrations dans les conduites et dans les capacités déformables.Le fonctionnement est parfois rendu irrégulier et défectueux par la présence d'air ou par un défaut d'étanchéité ou d'alimentation du circuit de commande. Le dispositif de commande hydraulique faisant l'objet de 1' invention apporte une amélioration du rendement par la possibilité de réduction du volume de liquide déplacé alternativement pour la commande du mécanisme de fond;il améliore la qualité et la sécurité du fonctionnement par la totale évacuation de l'air et par la réalimentation automatique en liquide.Le fonctionnement régulier de la pompe est assuré malgré de petits défauts internes d'étanchéité qui pourraient résulter de l'usure ou du vieillissement des garnitures. Le dispositif,objet de l'invention,comporte un mécanisme de surface et un mécanisme de fond.Ces mécanismes seront décrits en prenant l'exemple de leur application au pompage de l'eau profond ou d'un forage prof ond,et l'on appellera "eau motrice" l'eau assurant par son déplacement alternatif la commande du mécanisme de fond et provoquant ainsi l'ascension de liteau pompée" Cette eau pompée est déplacée d'un mouvement discontinu vers la surface et éventuellement vers un réservoir surélevé. Une caractéristique du mécanisme de surface est l'existence d' un réservoir rempli d1eau,qui surmonte la partie haute du cylindre moteur,ou de la capacité déformable contenant l'eau motrice.Ce réservoir reçoit l'eau pompée,et l'orifice d'écou lement de cette eau est situé à une hauteur suffisante pour qu'il reste toujours une certaine hauteur d'eau au dessus de la capacité contenant eau motrice.A chaque fin de course motrice cette capacité est mise en communication avec le réservoir. Par cette mise en communication l'air qui pourrait ètre contenu dans l'eau motrice s'élève vers le réservoir;éventuellement il se produit une réalimentation en eau,et le cylindre moteur,rempli d'eau purgée d'air,peut agir efficacement pour sa course motrice. Le mécanisme de fond comporte un piston récepteur actionné par la poussée de l'eau motrice.Ce piston ,par son déplacement,fait varier le volume de la capacité contenant l'eau pompée.Le déplacement comprime un ressort,et c'est la détente de ce ressort qui provoque la montée de l'eau pompée,ou l'écoulement de l'eau pompée contenue dans le réservoir.Ce ressort assure une fonction analogue à celle de la tringle ou des cables de traction des pompes à commande mécanique.La poussée comprimant le ressort est exercée par un piston logé dans le mécanisme de fond et actionné par l'eau motrice.Dans l'une des dispositions décrites le piston recevant la poussée de l'eau motrice est de diamètre inférieur à celui du piston de pompage du mécanisme de fond.Par cette disposition le volume d'eau motrice déplacée pour un cycle de pompage est moindre que le volume de l'eau pompée durant ce cycle; les pertes dténergie liées au mouvement alternatif de l'eau pompée sont réduites.Ceci est avantageux pour les grandes profondeurs qui correspondent au cas de pertes de charge importantesgpar suite de la longueur des conduites. Bleffort nécessaire pour achever la compression du ressort est plus grand que l'effort du début de compression;l'un des dispositifs de l'invention assure une relation non linéaire entre le déplacement angulaire du levier de commande et le déplacement de compression du ressort,ceci réduit l'effort à exercer sur le levier de manoeuvre pour'achever la compression du ressort. Dans les coupes schématiques annexées:la figure 1 et la figure 2 présentent deux exemples de mécanismes de surface;la figure 3 et la figure 4 présentent des exemples de mécanismes de fond. Chacun des mécanismes de surface Fig.1 ou Fig.2 peut actionner 1' un ou l'autre des mécanismes de fond Fig.3 ou Fig.4. Le fonctionnement de l'association Fig.1 et Fig.3 est le suivant: la poussée sur le piston 1 comprime l'eau motrice dans le cylindre 2;cette eau motrice est déplacée vers le cylindre 3 et pousse le piston 4.Ce piston 4 est lié au piston de pompage 5 dont le diamètre est plus grand que celui du piston 4. Durant la descente du piston 4 et du piston 5 le clapet de pied 6 est fermé,et le clapet de refoulement 7 est ouvert. La descente du piston 4 diminue le volume disponible pour l'eau dans les capacités 8 et 9,et une certaine quantité d'eau est transférée de ces capacités 8 et 9 vers le réservoir 10;il nly a cependant pas d'écoulement par le bec de pompe 11 car le volume disponible dans le réservoir 10 est augmenté par la descente du piston 1. Aprés la-fin de la descente des pistons 1 ,4 et 5,le ressort 12 est en fin de course de compression.La manoeuvre du piston 1 vers le haut est facilitée par la poussée du liquide comprimé par le cylindre 4 dans la capacité 3.Avant que le piston 1 arrive au sommet de sa course,le piston 4 vient lui même en butée,et l'action du ressort 12 ne peut agir pour propulser le liquide vers le haut.La continuation de la course du piston 1,provoquée par traction sur la tige de manoeuvre 13,permet à des canaux 14, ménagés dans la partie inférieure de ce piston 1 de faire communiquer le réservoir 10 et le cylindre 2;;l'air éventuellement contenu dans le cylindre 2 peut s'évacuer,et éventuellement de 1' eau provenant du réservoir 3 peut compléter le remplissage du cylindre 2.Cette évacuation d'air et le complément de remplissage peuvent se renouveler à chaque cycle,et si l'évacuation ou le remplissage ne sont pas réalisés complètement en une course ces opérations peuvent se poursuivre et s'achever dans les cycles suivants Cette possibilité peut ètre avantageuse aprés immobilisation prolongée de la pompe,ou en cas de pompage d'eau chargée d'air ou de gaz.Des canaux ou des cavités peuventégalement ètre ménagés en 15,à la partie supérieure du piston, 1.Les canaux peuvent ètre constitués par des rainures,méplats,ou conduites,de section constante ou variable,assurant,quand le piston 1 est proche de sa fin de course de descente,la communication pendant une faible partie de la course entre le cylindre 2 et le réservoir 10.Par le terme"cavités" sont désignés des trous borgnes ou autres cavités n'assurant pas de communication entre le cylindre 2 et le réservoir 10,mais capables de loger un petit volume d'air ou de gaz et de transporter cet air ou ce gaz du cylindre 2 vers le réservoir 10. La détente du ressort effectuée aprés la fin de la descente des pistons 1, 4 et 5 provoque la remontée de ces pistons 3, 4 et 5; durant cette montée le clapet de pied 6 est ouvert,et le clapet de refoulement 7 est fermé.Le volume dteau engendré par la différence des sections du cylindre 5 et du cylindre 4 est remonté du cylindre 9 vers le réservoir 40. Mais la remontée du cylindre 1 diminue le volute disponible dans le réservoir îC et fait s'écouler par le bec Il de la pompe un volume d'eau correspondant au volume que le cylindre 4 introduit dans ce réservoir 10.Finalement le volume total fourni nar la pompe au bec d'écoulement 41 est égal au volume engendré par la section du piston 5 durant sa course de montée. te mécanisme décrit précédemment résulte de l'association du mécanisme de surface Fig.1 et du mécanisne de fond Fig.3. Le mécanisme de surface Fig.2 peut également être associé au mécanisme de fond Fig,3,La particularité du mécanisme Fig.2 est le mode de commande du piston 1 par mouvement oscillant dtune manivelle 16.Le calage de cette manivelle lui donne,en fin de course de descente du piston 1,dans une position proche de l'alignement ou de l'arc-boutement avec la bielle de commande 17,1a possibilité d'exercer,pour un meme effort tangentiel sur le levier de commande 18,une poussée sur la bielle beaucoup plus grande que celle qu'elle exerce au début de la course de descente.Ceci permet d'atténuer les effets de l'augmentation de la force antagoniste exercée par le ressort 12 durant sa compression. Le piston 1 de la Fig.2 n'est pas du type plongeur comme celui de la Fig.1,mais il peut ètre remplacé par un piston plongeur analogue à celui de la Fig.1 sans changer la possibilité de commande par la manivelle 16 et la particularité résultant du calage de cette manivelle.Le mécanisme de surface Fig.1 ou le mécanisme de surface Fig.2 peuvent ètre associés au mécanisme de fond Fig.4 dans lequel le piston 5 est remplacé par un poussoir 19 ne jouant aucun role de séparation étanche entre les capacités 8 et 9.Ce poussoir,sur lequel stexerce la poussée du ressort 12 circule librement,avec un jeu important,dans le cylindre 8.Le role du clapet de refoulement 7 est joué par le clapet de retenue ou de non retour 20.Le piston 4 joue à la fois le role de piston actionné par l'eau motrice refoulée par le piston 1,et le role de piston de pompage 5.Durant un cycle le volume de l'eau motrice mise en mouvement pour l'élevation de l'eau pompée est égal au volume de l'eau pompée durant ce cycle,etles pertes de charge totales dues aux différents déplacements de liquides sont plus grandes,à débit égal,que celles qui résulteraient de l'associat- ion des mécanismes Fig.1 et Eig.3,mais ceci présente peu d'inconvénients pour les commandes à main et pour les faibles profondeurs. Le dispositif objet de l'invention peut ètre utilisé pour le pompage d'eaux profondes ou pour le relevage d'autres liquides. La commande hydraulique apporte une facilité de montage et de réglage et une facilité de démontage pour l'entretien et les réparations. La possibilité d'assurer la commande par le déplacement d'une quantité d'eau réduite,à haute pression,permet,dans le cas d'une commande par moteur,de réaliser une fréquence plus élevée que celle que permettent les pompes profondes à commande mécanique soumises à des effets d'inertie plus importants. La pompe objet de l'invention offre les avantages d'un montage et d'un entretien plus faciles pour les pompes profondes à commande à bras.Pour les pompes plus puissantes et de débit plus élevé,à commande par moteur elle offre sur les pompes alternatives à commande mécanique l'avantage d'une capacité plus grande pour le meme encombrement et d'un entretien plus facile.Sur les pompes rotatives,à turbines,à commande par arbre long,ou à moteur immergé,elle présente les avantages d'une plus grande simplicité et d'un rendement meilleur. REYENDICATIQNS. 1.Pompe volumétrique å commande hydraulique pour l'veau ou autres liquides,comportant un mécanisme de surface ou mécanisme moteur et un mécanisme de fond ou mécanisme de pompee;ces mécanismes sont reliés par une conduite de liquide pompé et par une conduite de liquide moteur.Cette pompe est caractérisée par la position verticale des axes des cylindres moteurs et de pompe et de la conduite de liquide moteur et par le feit que le liquide moteur et le liquide pompé sont mis en brève romunication, vers la fin de la course de montée du piston moteur,sans inQer-Fc- sition de clapet ou de valve.Cette disposition évite la stagnation d'air ou de gaz dans le circuit d'eau motrice et en facilite la réalimentation en liouide. 2.Dispositif suivant 1,caractérisé par le fait que le mécanisme moteur comporte un piston séparant le bas du réservoir contenant le liquide pompé du sommet de la capacité du cylindre moteur. Quand ce piston est au voisinage du sommet de sa course il est réalisé une communication entre le réservoir et le sommet de la capacité du cylindre moteur et la purge des gaz contenus dan.s le liquide moteur peut se produire,permettant éventuellement une réalimentation de liquide moteur. 3.Pompe suivant les revendications 1 et 2,caractérisée par le fait que le remplissage du réservoir du mécanisme de surface, réalisée en plaçant le piston moteur en position haute,et éventuellement en le surélevant au dessus de sa position haute normale afin d'augmenter la la section de passage du liquide du réservoir vers le cylindre moteur,permet,sans manoeuvre complé mentaire,n utilisation de clapetjde valve ou de robinet,le remplissage du mécanisme moteur,nuis l'utilisation de la pondre lors d'une première mise en place ou aprés démontage pour controle ou réparation. 4.Pompe suivant les revendications 1 à 3,caractérisée rar le fait que le bec de déversement à l'air libre du liquide sortant du, réservoir est situé au dessus du niveau de raccordemert du tuyau d'alimentation du réservoir en liquide provenant du mécanisme de - fond,et que le niveau de raccordement de ce tuyau d'alimentation est lui même plus élevé que le plus haut niveau de séparation entre le liquide moteur et le réservoir situé au dessus du cylindre moteur. Cette disposition maintient le remplissage du circuit moteur en cas de fuite dans le circuit de liquide pompé et permet le réamorçage. 5.Pompe suivant les revendications 1 à 3 ou 1 à 4,caractérisée par le fait que,quand le piton moteur,d'axe vertical,arrive en position haute,la communication entre la partie supérieure du cylindre moteur et le réservoir dans lequel il est immergé est assurée par des canaux ou des rainures,ou des méplats,ou des lumières,ménagés à la partie inférieure du piston moteur,ou par des trous,fentes ou canaux ou lumières ménagés dans la paroi du cylindre moteur,Le choix du ou des conduits de communication sera fait afin d'éviter un accrochage ou une érosion des garnitures ou segments et de permettre une purge d'air et une réalimentation de liquide suffisantes avec le minimum d'augmentation de course et de perte de rendement. 6.Pompe suivant la revendication 1,et suivant une ou plusieurs des revendications 2 à 5,caractérisée par une possibilité de transfert de faibles quantités d'eau ou d'air entre le réservoir d'eau pompée et le circuit d'eau motrice.Ce transfert est réalisé par des cavités trous trous borgnestménagés à la partie supérieure du piston moteur ou dans la paroi du cylindre moteur.Ces cavités peuvent loger un volume déterminé d'airtdo gaz,ou de liquide;elles ne permettent pas une communication en cas d' i d'immobilisation du piston dans le cylindresmais permettent un transport ou transfert de trés faibles volumes par l'effet du déplacement du piston. 7 .Pompe suivant la revendication 1, et suivant une ou plusieurs des revendications 1 à 6,dans laquelle le déplacement du piston ou des pistons du mécanisme de fond comprime un ressort dont la détente provoque la remontée des pistons de fond et de surtacetet caractOr- isée par le fait que le mécanisme de surface est disposé pour attE- nuer les effets de la variation de la poussée du ressort durant sa détente.Pour atténuer les effets de cette variation le calage de la manivelle sur l'axe actionné par le levier de commande donne à cette manivelle une position proche de la verticale lorsque le ressort est comprimé au maximum et que la poussée correspondante est la plus grande.Le moment correspondant à la poussée à exercer sur le ressort subit ainsi une faible variation entre la position de plus grande compression,dans laquelle le levier est proche de lVDPtt cale,et la position de passage à l'horizontale de ce levier,corres- pondant à une compression qui peut être 2 ou 3 fois moins élevée. 8.Pompe suivant les revendications 1 et 2,et suivant une ou plusieurs des revendications 3 à 7,caractérisée par le fait que le ressort de compression logé à l'intérieur du mécanisme de pompage repousse un équipage de deux pistons.Cet équipage est composé du piston actionné par le liquide moteur et du piston assurant le pompage du *liquide pompé". 9.Pompe suivant la revendication 8,caractérisée par le fait que le piston recevant directement la poussée du liquide moteur est de diamètre moindre que le piston de pompage;pour un meme débit le volume du liquide moteur en mouvement alternatif est ainsi moins grand que si les diamètres étaient égaux. 10.Pompe suivant une ou plusieurs des revendications 1 à 9, dans laquelle les canalisations d'eau motrice et d'eau pompee,canalisations métalliques ou non, sont prévues pour faciliter la manoeuvre et augmenter le rendement,et caractérisées par une élasticité trés faibl.,ou plus exactement par une faible déformation élastique, de la conduite de liquide moteur::l'auzmentation de capacité résultant 4e cette déformation devant seulement ètre suffisante pour absorber un excédent de quelques centièmes du volume engendré par le piston supérieur sur le volume reçu par le cylindre moteur du mécanisme de fond,et caractérisée par une élasticité de la conduite de liquide pompé suffisante pour absorber au moins le quart du volume pompé par coup de piston.Cette dernière disposition régularise le débit du liquide pompé et diminue les pertes de charge. 11.Pompe suivant une ou plusieurs des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait que le levier oscillant de commande alternative est remplacé par un volant commandé,en rotation continue, à bras ou au moteur, et caractérisée par le fait que la vitesse de rotation et le débit peuvent ètre 3 ou 4 fois plus grands lors de la commande par moteur:par exemple 40 tours par minute à bras et 150 tours au moteur.Cette accélération est rendue possible,en particulier,par la réduction du volume du liquide moteur en mouvement. La présente disposition est caractérisée également par le fait que le volant doit présenter une inertie suffisante pour emmagasiner à 40 tours minute une énergie cinétique suffisante pour produire le travail nécessaire à la compression complète du ressort par I' intermédiaire du circuit d'eau motrice.