Brevet FR2482154A1 — publié le 19811113

La présente inventiin est relative à un récupérateur de pétrole à grand débit, à vortex forcé, o)ur la dénollution des eaux agitées, associé a une plate-forme flottante fluviale ou marine. Par exemple, la plate-forme flottante peut être un navire dépollueur auquel est intégré le récupérateur à vortex forcé dont l'agencement peut permettre simultanément la séparation eau-hydrocarbure, la récupération du produit polluant et la propulsion du navire sur la zone de prélèvement ainsi que sa manoeuvre. L'installation flottante peut être aussi une structure statique disposée à la base d'un barrage disoosé en épi de façon à intercepter et à guider le courant fluvial ou marin Porteur de la nappe polluante, ou bien une struc- ture placée dans la pointe-du V formé par un barrage marin remorqué. Toute une série de procédés ont été envisagés et même pour certains appliqués, dans le but "d'écrêmer" la surface de l'eau et de récupérer mécaniquement les hydrocarbures déversés accidentellement. Ces récupérateurs mécaniques de différents types - à déversoirs, à disques, à bandes, à barrières et récupérateurs intégrés, à vortex stati- que ou dynamique - sont utilisables sur l'eau calme, mais leur efficacité en tant que séparateurs eau/polluant et leur capacité de débit de récupéra- tion se dégradent très vite avec l'état de la mer. A la lumière des "marées noires" les plus récentes, il s'avère qu'aucun des matériels connus n'offre une réponse satisfaisante en cas de déversements catastrophiques d'hydro- carbures dans les fleuves, les ports ou à la mer. En mer, l'emploi des barrages qu'impliquent les équipements actuels est aléatoire, car en cas de mauvais temps on peut se trouver dans l'im- possibilité de les rentrer; les efforts auxquels ils seront soumis, même si on a pu rompre l'attelage et les garder simplement en remorque, ris- quent de les détériorer. D'un autre côté, si l'on rompt le dispositif à la moindre annonce de mauvais temps, la durée effective de la récupération sera souvent dérisoire. 2 4 8 2 1 5 4 On s! st Jr:ente er ':..r1o: de récuDérateurs dynamiques concus pour -tre itilisés sans l'aide ds- barrages et nortés par des navires ce haute mer ayant une importante capacité de stockage. Mais l'ensemble navire/récunérateur souffre de fragilité au niveau des dispositifs de fixa- trfon à la coque de rlus les effets de tangage et de roulis joints à ceux de la houle font que l'efficacité des récupérateurs peut être notablemenw dim'- nuée. En pra'ique, toute intervention est peu efficace, voire dangereuse pour le matériel actuel au-dessus de 2 mètres de creux. Dans ces conditions, d'aucuns proposent l'étude de navires dépollueurs de gros ou de très gros tonnage à récupérateur et système de traitemrent intégré. Cette tendance est fondée, en dernière analyse, sur l'inventaire actuellement exploré des phénomènes physiques utilisés pour assurer effi- cacement en mer agitée la séparation eau,'pétrole. A ce jour, les navires dépollueurs de grande capacité qui seraient étudiés pour mettre en oeuvre ces procédés connus nécessiteraient des budgets de développement et d'emoloi extrêmement importants et dont la rentabilité, en dehors des in- terventions, serait nulle. On se trouve finalement devant un mur technologique dont la percée par les moyens actuellement envisagés demanderait un temps et des investisse- ments qu'une commission interministérielle d'un pays pourtant sévèrement sinistré par deux catastroohes pétrolières récentes a jugés "prohibitifs au niveau national". De façon générale, la présente invention apporte à ces problèmes ma- jeurs des solutions techniques originales, étayées par des travaux expéri- mentaux de recherche que le demandeur à conduits avec le concours de l'Institut de Mécanique des Fluides de Lille (I. M. F. L.). Ces solutions ont été retenues comme étant les plus satisfaisantes, pour franchir le "mur technologique" actuellement identifié par les experts, du point de vue de l'efficacité et de I'économie des moyens - aussi bicn à la construction qu'à l'utilisation - des performances, de la sécurité et de la poly\-alence possible d'emploi du navire porteur. Il doit être bien enten- du que si l'invention protège préférentiellement la combinaison et l'inté- gration des différents moyens qu'elle propose, elle ne doit pas être limi- 2 4 8 2 1 5 4 tée à cette combinaison, mais s'étend également aux moyens nouveaux et spécifiques qu'elle préconise et qui constituent par leur conjugaison une unité fonctionnelle. L'objet principal de l'invention est de réaliser un nouveau récupéra- teur marin d'hydrocarbures polluants à grand débit permettant l'écrêmage rapide d'un espace fluvial ou marin, la mer fut-elle agitée, pouvant équiper une installation de dépollution fixe ou mobile, quelle que soit la dimension de celle-ci, 10. susceptible d'être fonctionnellement intégrée aux oeuvres vives d'un navire et de fournir comme sous-produit la poussée nécessaire à sa pro- pulsion et à ses évolutions en manoeuvre sur zones d'intervention de dépol- lution, permettant la conception de navires dépollueurs dans une large gam- me de tonnage et capables de missions diverses (lutte contre l'incendie, sauvetage...) à l'échelle des besoins dépollution de sites portuaires, d'estuaires et en haute mer. L'invention se rapporte plus particulièrement, bien que non exclusive- ment, à un récupérateur constitué par une nouvelle turbomachine d'axe plus préférentiellement horizontal, dont la veine liquide traversant un rotor normalement à son axe de rotation'est guidée par un stator complète- ment immergé et aménagé dans la structure flottante qui le supporte, que celle-ci soit une plate-forme fixe ou un navire. Selon une première caractéristique de l'invention, le stator comporte une paroi cylindrique dont la directrice présente un point de rebrotusse- ment définissant le profil d'une crosse qui ménage un entre-fer réduit entre son extrémité et les aubes du rotor. Cette crosse sépare la veine d'entrée de la veine de sortie. Selon une autre caractéristique de l'invention, le rotor est constitué par un barillet cylindrique d'aubes dont la concavité est orientée dans le sens de la rotation. L'écoulement de la veine est caractérisé par la forma- tion d'un noyau tourbillonnaire ou vortex forcé non associé à l'écoulement dont l'intensité est fonction de la vitesse périphérique des aubes et dont 2 4 8 21 5 4 l'emplacement se situe au voisinage de la crosse de par' et d'autre de la grille d'aube. A la périphérie du vortex, les lignes de courant sortant du rotor forment avec celles qui retournent à l'intérieur de celui-ci un diffu- seur liquide variable avec le débit et le long duquel s'effectue un change- ment de pression sans pertes par frottement comme ce serait le cas au voisinage d'un diffuseur à paroi rigide. L'expérimentation d'une telle tur- bomachine montre que les vitesses moyennes associées aux lignes de cou- rant de sortie sont beaucoup plus élevées que la vitesse périphérique des aubes, ce qui explique les débits très importants pour une section de sortie l'O déterminée. Selon une autre caractéristique de l'invention avantageusement reliée aux précédentes, le vannage de la section de sortie modifie quelque peu l'emplacement du vortex et augmente ses dimensions. Selon une autre caractéristique de l'invention reliée aux précédentes, le vortex forcé créé par l'interaction hydrodynamique entre le rotor et le stator est le siège d'une accélération centrifuge intense qui peut atteindre un ordre de grandeur décuple de celui de la pesanteur (k x 10 g) . Lorsque la veine liquide d'entrée est composée d'eau et de pétrole, ce dernier moins dense que l'eau se concentre immédiatement dans le vortex, la dite accélération centrifuge assurant in-situ la séparation entre l'eau et le pé- trole. Selon une autre caractéristique de l'invention, la paroi aval - par ré- férence au sens de rotation du rotor - présente une forme convexe qui assure le guidage en immersion de la nappe polluante aspirée par le rotor jusqu'au voisinage de l'entrefer de la crosse et du rotor oh elle est happée par le vortex. La partie supérieure de la veine aspirée par le rotor et qui recèle la plus grande partie du polluant est confinée latéralement par deux joues Oui convergent vers le rotor de façon à embrasser le flux ma- ximarm et à provoquer l'accroissement de l'épaisseur de la couche pol- luante par resserrement de la section de passage qui lui est offerte. Selon une autre caractéristique de l'invention, le pétrole est aspiré au fur et à mesure de sa localisation dans le vortex à travers une prise pariétale aménagée dans le bec concave de la crosse, laquelle assure ainsi la séparation entre la veine d'entrée polluée et la veine de sortie de 2482 1 54 l'eau épurée. Grâce à la possibilité de faire varier indépendamment le régime du rotor et par conséquent l'intensité de l'accélération centrifuge dans le vortex - d'une part, et d'autre part, le vannage de la section de sortie - et par conséquent l'emplacement et les dimensions du vortex - par des moyens connus, cet agencement du récupérateur selon l'invention apporte une solution simple et avantageuse à un problème non encore résolu: celui de l'adaptation optimale du récupérateur aux caractéristiques physiques du polluant, à l'épaisseur de la nappe et à la vitesse d'avancement sur la surface de l'eau dans le cas d'un navire dépollueur. Enfin, selon une dernière caractéristique de l'invention, l'énergie communiquée à la veine aspirée par le récupérateur peut être utilisée pour assurer au cours des opérations de dépt llution la propulsion et la manoeu- vre du navire ainsi équipé. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation de l'intégration d'un propulseur/récupérateur de pétrole à un navire dépol- lueur, et en se référant aux dessins annexés et non limitatifs, dans les- quels: - la figure 1 illustre l'organisation de l'écoulement d'un liquide aspiré par le récupérateur selon l'invention - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne III de l'ensemble ro- tor/stato- de la figure 1 - la figure 3 représente la récupération du pétrole dans la veine polluée aspirée par le récupérateur selon l'invention - la figure 4 est une vue en élévation coupée selon la ligne IV de la figure 5 et représente un exemple de la réalisation & l'intégration d'un récupérateur de pétrole sur un navire déoollueur dont il assure également la propulsion - la figure 5 est une demie vue de dessous de la figure 4, l'autre demie vue non représentée étant symétrique - les figures 6, 6a, 6b sont des vues de dessous des tuyères propulsi- ves de sortie du récupérateur de pétrole selon l'invention utilisé comme 248 32154 rjrornulseur:ri:X(ir.a o.. ca-,oin Sur lus Iiur- s I et 2. on; renrésente sché -atiquement l'écoulement dont les caractérist!oues sont exploitées Dar l'inven:ion, dans lesquelles un rotor I muni d'aubes 2, 2a, 2D.. dont la concavité est dans le sens ce la rotation W et qui sont maintenues er. barillet cylindrique par des courDr.- nes 3, 3a, 3b. est sup)orté par les flasques 4a, 4b d'un stator dont la volute de refoulement 5 et la paroi amont 6 de la crosse 7 canalisent la veine de sortie. La veine d'entrée est délimitée à sa partie supérieure par la paroi aval 8 de la crosse et à sa partie inférieure par la bordure amcnt 9 de la volute. Un vortex forcé 10 s'installe de part et d'autre de la grille d'aubes du rotor, au contact du bec concave de la crosse 7. Ce vortex n'est Das associé à l'écoulement et son sens de rotation indiqué par les flèches placées sur la ligne de courant frontière est le même que celui du rotor. Sur la figure 3, on a reDrésenté le processus de concentration et de prélèvement du pétrole dont est chargée la partie supérieure de la veine aspirée. La configuration de la paroi aval 8 de la crosse permet d'achemi- ner la nappe composite de pétrole et d'eau 11 à proximité de l'entrefer crosse/rotor. Le pétrole moins dense se concentre dans le vortex 10 sous l'effet du champ des forces centrifuges et est aspiré au fur et à mesure à travers la prise pariétale 12 p.lis refoulé par des moyens connus vers le stockage prévu à cet effet. La f ment vers l'arrière de la veine de sortie oh elle sera éjectée, avec une quantité de mouvement importante dans le but d'assurer la propulsion de la coque supportant le récupérateur selon l'invention. Une grille d'aubes 13, 13a, assure la courbure de la veine en réduisant la perte de charge imposée de ce fait. Sur les figures 4 et 5, on a représenté un exemple d'intégration du récupérateur de pétrole selon l'invention sur un navire dépollueur 14 dont il assure la propulsion et dans lequel deux rotors I et Is (s pour syrrétri- que, non représenté) sont entraînés simultanément à la vitesse réglable WV par au moins un moteur 15 et une transmission de puissance 16. Dans la 2 4 8 2 1 54 proue du navire 14 sont ménagés deux canaux 17 et 17 s, chacun d'eux étant iordé latéralement par les joues convergentes 18 et i8a se raccordant aux flaQlques 19 et 19a de chacun des stators. La partie supérieure de ces ca- naux est constituée par les parois 8 et 8s qui matérialisent les parois aval des crosses 7 et 7s. La séparation eau/pétrole s'effectue comme il a été exposé plus haut. Le pétrole est aspiré par les pompes 20 et 20s au fur et à mesure de sa localisation dans les vortex 10 et lOs. L'eau épurée est refoulée dans les conduits diffuseurs, 21 et 21s, puis est éjectée à travers les grilles d'aubes orientables 22 et 22s dont la commande en azimuth est assurée par les arbres 23 et 23s contrôlés à partir de la timonerie par des moyens connus. Sur les figures 6, 6a et 6b, on a représenté trois combinaisons des poussées T et Ts de chacun des deux jets qui offrent un intérêt évident pour assurer la manoeuvrabilité du navire 14, notamment au cours d'opérations de dépollution. Sur la fig. 6, les deux poussées T et Ts sont parallèles, de même sens et propulsent le navire à la vitesse V Sur la fig. 6a, les deux poussées T et Ts forment un couple permettant l'évitage du navire Sur la fig. 6b, les deux poussées T et Ts donnent une résultante nulle et permettent au récupérateur de fonctionner en maintenant le navire à vites- se nulle. L'installation décrite ci-dessus n'est qu'un exemple de réalisation de l'invention. Le récupérateur marin de pétrole selon l'invention peut être installé de diverses façons, selon que son emploi est limité au prélèvement du pétrole polluant à partir d'une installation fixe ou bien selon que l'éner- gie dépensée pour actionner sa partie tournante peut être mise à profit pour assurer la propulsion et la manoeuvre d'un navire destiné à "mois- sonner" une nappe polluante. Le récupérateur marin de pétrole de grand débit à vortex forcé s'ap- plique particulièrement à la réalisation d'unités nàvigantes-de tonnage croissant selon que leur emploi est prévu en site portuaire, en estuaire ou en-haute mer. 24821 54 REVENDICATIONS I - Récupérateur de pétrole à grand débit sur eaux agitées comportant au moins un stator et un rotor cylindrique qui aspire le mélange eau/pétro- le perpendiculairement à son axe de rotation, caractérisé en ce que l'en- semble stator-rotor est complètement immergé, le dit rotor étant sensi- blement horizontal et constitué à sa périphérie d'une grille d'aubes dispo- sées en barrillet parallèlement à son axe de rotation, et en ce que la confi- guration du dit stator impose au mélange liquide aspiré la formation et l'en- tretien d'un vortex forcé localisé non associé à l'écoulement dans lequel se concentre immédiatement le pétrole moins dense sous l'effet de l'accéléra- tion centrifuge intense dont le dit vortex est le siège, et en ce que le. dit pétrole est aspiré par des moyens de pompage au travers de la paroi du stator. 2 - Récupérateur de pétrole selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aspiration du pétrole dans le vortex forcé o il se concentre est assu- rée au moyen d'une prise pariétale ménagée dans l'élément de paroi du sta- tor qui est affine de la ligne de courant du liquide délimitant le dit vortex forcé, la dite prise pariétale étant en communication avec l'aspiration d'une pompe dont le débit est réglable en fonction de la saturation du vortex par le pétrole. 3 - Récupérateur de pétrole selon l'une des revendications 1 ou 2 ins- tallé à l'avant des oeuvres vives d'un navire dépollueur, caracîérisé en ce que l'eau épurée à la sortie du rotor est refaulée-dans un conduit diffuseur vers l'arrière du navire et est éjectée au travers d'une grille d'aubes dis- Dosée sous la coque du navire et assurant l'orientation du jet pour propulser le navire. 4 - Récupérateur de pétrole selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il refoule l'eau épurée dans au moins deux grilles d'aubes orientables sur 360' dont la commande en azimuth permet de composer les poussées des jets et confère au navire dépollueur une grande manoeuvrabilité.