Brevet FR2478224A1 — publié le 19810918

La présente invention concerne les pompes centrifuges. On sait que, dans les pompes centrifuges, la ré- sistance hydraulique entre le rotor impulseur de la pompe et les parties adjacentes du carter de pompe fixe environ- nant est approximativement proportionnelle au carré de la vitesse du rotor impulseur par rapport au carters Il a da été propose', par exemple, comme décrit dans les "Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers" (Compte-rendu des travaux de 1 @ Institut des Ingénieurs Mécaniciens) Vol. 174, N 11 (1960), page 443, de réduire cette résistance hydraulique en disposant un élément monté a rotation libre, constitué par une enveloppe entre les faces dirigées axialement du rot or impulseur et les faces adjacentes du carter de pompe. L'élément monté à rotation libre précité n'a pratiquement aucun effet sur le fluide qui quitte la périphérie du rotor impulseur. Les effets d'une telle enveloppe en ce qui concerne la réduction de la résistance hydraulique sont, par conséquent, limités à la résistance hydraulique appelée "résistance hydraulique du disque" qui se produit entre les faces dirigées axialement du rotor impulseur et le carter.Cependant, les pertes es des à la résistance hydraulique entre la périphé- rie du rotor et la périphérie du carter environnant appelées "résistance hydraulique en bout d'aubes" repré sentent la plus grande partie des pertes par résistance hydraulique. L'un des buts de la présente invention est de réaliser une pompe centrifuge dans laquelle les effets de la résistance hydraulique dynamique et notamment de la résistance hydraulique en bout d'aubes sont considérablement réduits. Il est également déjà connu de réaliser des pompes centrifuges dans lesquelles les configurations des aubes du rotor sont telles qu'au moins les parties des aubes adjacentes à la périphérie du rotor s'étendent approximativement radialement par rapport à l'axe du rotor et dans lesquelles le canal de sortie de la pompe n1 est pas formé par une volute mais est constitué par un passage s'étendant tangentiellement à partir de la périphérie d'une chambre dans laquelle le rotor est monté. Une caractéristique de ces pompes réside en ce qu'environ la moitié de l'énergie emmagasinée dans le fluide pompé est constituée par une pression dynamique et, habituellement, on récupère la plus grande partie possible de cette pression dynamique à l'aide d'un diffuseur divergent qui fait partie du canal de sortie de la pompe. Un tel agencement récupère typiquement moins de 40 % de la pression dynamique. Un autre but de la présente invention est de réaliser une pompe centrifuge dans laquelle la récupération de la pression dynamique est améliorée. Conformément à l'invention, il est prévu une pompe centrifuge ayant un premier rotor impulseur muni d'aubes, un second rotor entourant le premier rotor et ayant une périphérie intérieure qui est disposée étrcite- ment adjacente à la périphérie extérieure du premier rotor, le second rotor comportant des moyens pour coopérer avec pratiquement la totalité d'un fluide pompé quittant le premier rotor. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le second rotor comporte des ouvertures qui s'étendent entre sa périphérie intérieure et sa périphérie extérieure, ces ouvertures s'étendant tangentiellement à partir de cette périphérie intérieure dans les sens de rotation, en service, des rotors et les inclinaisons des ouvertures sur leur direction tangentielle respective s'accroissant à mesure que ces ouvertures s'approchent de la périphérie extérieure du second rotor. Dans un mode de réalisation préféré, le nombre des ouvertures est égal au nombre des aubes du premier rotor. On décrira maintenant uniquement à titre d'exemple non limitatif, des modes de réalisation de llinven- tion en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une pompe centrifuge - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe partielle, correspondant à la vue de la figure 2, d'un autre mode de réalisation ; et - la figure 4 est un graphique qui représente les valeurs escomptées de l'élévation de la pression entre l'entrée et la sortie de la pompe et de la puissance introduite par rapport au volume de fluide débité pour diverses configurations de pompe. Comme représenté sur les figures 1 et 2, une pompe centrifuge comporte un corps ou carter 10 qui déli- mite une chambre de pompage Il de section circulaire ayant un orifice d'entrée 12 et un orifice de sortie divergent 13 qui s'étend approximativement tangentiellement par rapport à la partie radialement extérieure de la chambre 11. Un premier rotor 14 est monté rotatif à l'intérieur d'un second rotor 15, le rotor 15 étant à son tour monté rota tif dans le carter 10. Un arbre central 16 comporte des cannelures ex terne 17 qui sont accouplées à des cannelures internes com;plémentaires formées sur le rotor 14 et il comporte d'autres cannelures externes 18 susceptibles autre accou- plées à un dispositif d'entraînement approprié (non représenté). Arbre 16 comporte une collerette 19 sur les faces opposées de laquelle sont en appui des joints d'étanchéité de face annulaire à ressort 20 et, respectivement, 21 portés respectivement par le rotor 15 et par un arbre d'entratnement creux 22.L'arbre d'entratnement creux 22 comporte des cannelures 23 accouplées au rotor 15 et d'autres cannelures 24 qui sont susceptibles d'être accouplées au dispositif d'entrainement précité. L'arbre 22 comporte une partie de collerette 25 sur les faces opposées de laquelle sont en appui des Joints d'étanchéité de face annulaire à ressort 26, 27 portés par le carter 10. Le rotor 14 comporte un moyeu central 30 de forme générale conique et une enveloppe annulaire ou virole 31, une extrémité de la virole 31 étant alignée avec l'orifice d'entrée 12 et l'autre extrémité de la virole coopérant avec le moyeu 30 pour délimiter une partie de sortie périphérique du rotor 14. Entre les moyeu et la virole sont disposées quatre aubes 32 dont les parties adjacentes à la périphérie extérieure du rotor 14 sont situées dans des plans qui s'étendent à la fois axialement et radialement par rapport à l'axe du rotor, chacune des aubes 32 étant tordue autour de son axe médian 33. Le rotor 15 a une périphérie intérieure qui est disposée étroitement adjacent à la périphérie extérieure du rotor 14 et il comporte également, comme plus clairement représenté sur la figure 2, quatre ouvertures 34 qui s'étendent à travers le rotor 15, de sa périphérie intérieure jusqu'à sa périphérie extérieure. Les ouvertures 34 s'étendent initialement tangentiellement en éloignement de la périphérie intérieure du rotor 15 dans le sens de rotation R des rotors 14, 15. Les inclinaisons des ouvertures 34 sur leur direction tangentielle respective par rapport à la périphérie intérieure du rotor 15 s'accroissent à mesure que ces ouvertures s'approchent de la périphérie extérieure du rotor 15, les parties radiale ment extérieures des ouvertures 34 étant dirigées approximativement radialement par rapport à l'axe du rotor 14. La configuration du rotor 15 est telle que la quasi-tota- lité du fluide qui quitte le rotor 14 est contrainte de réagir avec le rotor 15. Dans un procédé d'exploitation de la pompe, des dispositifs d'entraînement externes sont accouplés aux arbres 16, 22 de façon à faire tourner le rotor 15 à une vitesse égale à la moitié de celle du rotor 14. Les vitesses de rotation relatives entre les rotors 14, 15 et entre le rotor 15 et le carter 10 sont ainsi égales à la moitié de la vitesse relative entre le rotor 14 et le carter 10. Les pertes par résistance hydraulique, aussi bien que celles par résistance du disque et celles par résistance en bout d'aubes, sont ainsi approximativement égales au quart des pertes correspondantes que l'on devrait prévoir si le rotor 15 n'était pas présent.En outre, la pression dynamique du fluide qui quitte le rotor est presqu'entièrement due à la vitesse tangentielle de ce fluide et cette pression dynamique est convertie en grande partie à l'intérieur du rotor 15 en une pression statique pour être délivrée à l'orifice de sortie 13. La figure 4 représente les courbes, des valeurs escomptées de l'élévation de la pression (en kilopascals) entre l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie de la pompe et de la puissance introduite (en kilowatt$) par rapport au volume de fluide débité pour plusieurs configurations de pompe. Les courbes 1A, 1B représentent les valeurs respectivement de l'élévation de la pression et de la puissance introduite pour une pompe qui ne comporte pas un second rotor 15.Les courbes 2A, 2B représentent les valeurs de l'élévation de pression et de la puissance introduite pour une pompe, telle que celle décrite en se référant aux figures 1 et dans laquelle les rotors 14 et 15 sont entraînées respectivement à 30.000 tr/mn et à 15.000 tr/mn. On peut constater que, pour une puissance introduite comparable, il y a une élévation importante de la pression de sortie tandis qu'aux débits de fluide plus élevés, il y a également une baisse importante de la puissance requise. Les courbes 3A, 3B représentent les valeurs de l'élévation de la pression et de la puissance introduite lorsque les rotors 14 et 15 sont respectivement entratnés à 30.000 tr/mn et à 12.000 tr/mn6 Qn peut constater que, pour une pression de refoulement comparable, il y a une diminution importante de la puissance introduite nécessai re Les courbes 4A, 4B représentent les valeurs de lélé vation de la pression et de la puissance introduite lorsque les rotors 14, 15 sont respectivement entratnés à 30.000 tr/mn et à 8.000 tr/mn.Les courbes fA. et 5B représentent les valeurs de l'élévation de la pression et de la puissance introduite lorsque le rotor 14 est en tramé à 30.000 tr/mn et que le rotor 15 est monté à roue libre. On peut voir que, dans ce dernier cas, pour les débits les plus élevés, la pression de refoulement est approximativement égale à celle atteinte par la courbe 1A mais que la puissance introduite est nettement inférieure à celle requise dans le cas d'une forme de pompe non modifiée. La figure 3 représente une autre forme d'ouverture 40 pour le rotor 15. Chaque ouverture 40 comporte une partie 41 approximativement tangentielle qui débouche dans la périphérie intérieure du rotor 15 mais elle s'incurve ensuite en se repliant sur elle-même de façon à être dirigée, à la périphérie extérieure du rotor 15, approximativement en sens inverse du sens de rotation. Dans cette configuration, le rotor 15 peut fonctionner en turbine et la pression dynamique peut être récupérée sous forme d'un travail utile sur l'arbre creux 22. Comme précédemment décrit en se référant à la figure 2, la quasi-totalité du volume de fluide expulsé par le rotor 14 réagit avec les parois des ouvertures 34. De la même manière, dans la variante représentée sur la figure 3, la quasi-totalité du volume de fluide pompé réagit avec les parois des ouvertures 40 pour effectuer un travail sur le rotor 15. Comme représenté sur la figure 19 des moyens appropriés tels que, par exemples des passages 36, 37, 38 sont prévus pour permettre au liquide qui peut pénétrer dans les espaces délimités par les joints d'étanchéité 19, 20, 26, 27 entre les arbres 18, 22 et le carter 10 d'autre retourné à une zone de basse pression adjacente à l'orifice d'entrée 12 de la pompe. REVENDICATIONS 1. Une pompe centrifuge comportant un carter (10), un premier rotor impulseur (14) muni d'aubes et un second rotor (15) disposé entre le premier rotor (14) et le carter (10), caractérisée en ce que le second rotor (15) a une périphérie intérieure qui est disposée étroitement adjacente à la périphérie extérieure du premier rotor (14) et en ce que le second rotor (15) comporte des parties qui coopèrent pratiquement avec la totalité du volume de fluide qui quitte la périphérie extérieure du premier rotor (t4). 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites parties du second rotor (15) sont formées par des ouvertures (34, 40) qui s'étendent entre ladite périphérie intérieure et la périphérie extérieure du second rotor (15), ces ouvertures (34, 40) s'étendant tangentiellement à partir de ladite périphérie intérieure dans les sens de rotation, en service, des rotors (14, 15) et les inclinaisons des ouvertures (34, 40) sur leur direction tangentielle respective s'accroissant à mesure que les ouvertures (34, 40) s'approchent de la périphérie extérieure du second rotor (15). 3. Pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que les parties des ouvertures (34) adjacentes à la périphérie extérieure du second rotor (15) sont dirigées approximativement radialement par rapport à l'axe de ce rotor. 4. Pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que les parties des ouvertures (40) adjacentes à la périphérie extérieure du second rotor sont dirigees approximativement en sens opposé auxdits sens de rotation. 5. Pompe selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le nombre des ouvertures (34, 40) est égal au nombre des aubes du premier rotor (14). 6. Pompe selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte des premier et second arbres d'entraînement (16, 22) accouplés respectivement au premier rotor (14) et au second rotor (15). 7. Procédé d'utilisation d'une pompe selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer une force d'entraînement externe pour faire tourner le second rotor (15) à une vitesse égale à environ la moitié de la vitesse du premier rotor (14). 8. Procédé d'utilisation d'une pompe selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer une force d'entraînement externe pour faire tourner le prenier rotor (14) et à récupérer du travail à partir du second rotor (15).