Brevet FR2543227A1 — publié le 19840928

L'invention a pour objectif d'éliminer les limitations affectant les pistons utilisés dans des pompes (ou des compresseurs) à mode de fonctionnement volumétrique afin que l'on obtienne une pompe (ou un compresseur) présentant un rapport de pression optimal et que la section d'écoulement possible à travers un clapet de retenue simple fixé au piston soit maximale. Le piston permettant d'atteindre les objectifs de la présente invention est constitué d'un corps cylindrique qui est déplace dans un autre cylindre, d'une tige qui transmet un mouvement périodique et un obturateur pouvant entrer en contact avec le corps cylindrique au moyen d'un siège, dans une première direction, et pouvant transmettre, par tout autre procédé, le mouvement de la tige au corps cylindrique dans l'autre direction. Le piston faisant l'objet de l'invention, ainsi qu'un clapet de retenue fixé au cylindre dans lequel le piston se déplace, forment une pompe qui peut autre utilisée pour le pompage de fluides visqueux, contenant ou non des matières solides en suspension. Si un autre clapet de retenue est ainsi fixé au cylindre dans lequel le piston se déplace alors entre les deux clapets de retenue D la pompe (ou le compresseur) peut également pomper des fluides contenant une forte proportion de gaz dissous et/ou de vapeur d'eau. Une forme possible de réalisation du piston selon l'invention et son fonctionnement seront décrits plus en détail, dans une application à une pompe (ou un compresseur), en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est une coupe longitudinale partielle et schématique des éléments du piston selon l'invention. La figure unique représente une forme de réalisation possible du piston faisant l'objet de l'invention. Le piston est déplacé à l'intérieur d'un cylindre 1 et il est formé d'un corps cylindrique 2, d'une tige 3 et d'un obturateur simple 4 de retenue. L'obturateur 4 et la partie du corps cylindrique 2 contre laquelle porte l'obturateur constituent un clapet mobile 5 de retenue. Etant donné que le clapet mobile 5 est placé à l'extrémité d'aspiration du piston, le rapport de pression de la pompe est optimal. L'espace libre compris entre la tige 3 et la surface intérieure du corps cylindrique 2 constitue le seul facteur qui limite la section d'écoulement à travers le piston ; il est donc possible d'optimiser la section d'écoulement à travers le clapet mobile 5 en considérant, comme facteur limitatif, l'espace existant entre l'obturateur 4 et le cylindre 1. D'une manière simple, la meilleurs3 condition est obtenue lorsque la section d'écoulement comprise entre l'obturateur 4 et le cylindre 1 est egale à la section d'écoulement comprise entre la tige 3 et la surface intérieure du corps cylindrique 2 (si cela est nécessaire, ledit espace pouvant ensuite Autre réduit, par diminution du diamètre intérieur de la partie du corps cylindrique 2 contre laquelle s'applique l'obturateur, comme indiqué sur la figure unique). Au-delà du fonctionnement du piston, la présente invention est décrite dans son application à des pompes dans lesquelles la tige est déplacée dans une direction verticale, par exemple comme c1est le cas des pompes souterraines utilisées dans l'industrie du pétrole. La description du mode de fonctionnement s'applique à toutes les pompes (ou tous les compresseurs) fonctionnant en mode volumétrique. Si la tige est déplacée dans une direction autre que verticale, il faut considérer alors uniquement les composantes de gravité qui agissent dans la direction verticale. Pendant le fonctionnement de la pompe, lorsque la tige 3 commence à descendre de sa position d'élévation extrême, le clapet annulaire 6 de retenue (fixé au cylindre 1 sur le c8té refoulement du piston), qui est utilisé facultativement lorsque le fluide contient une forte proportion de gaz et/ou de vapeur d'eau dissous, est fermé au départ afin de supporter les effets de la contrepression et du poids de la colonne de fluide située au dessus du clapet ; entre temps, le piston descend sous l'action mécanique de la tige 3, cette action étant aidée par le poids de la colonne de fluide réduite située entre le clapet mobile 5 et le clapet annulaire 6, ou par toute colonne de fluide présente lorsque le clapet annulaire 6 n'est pas utilisé, jusqu'à ce que l'accroissement de la pression régnant entre le clapet 5 de retenue et le- clapet fixe 7 (fixé au cylindre 1, sur le côté aspiration du piston) et principalement le frottement existant entre le corps cylindrique 2 du piston et le cylindre 1, arrêtent le mouvement dudit corps cylindrique 2.Lorsque ce dernier est arrêté, l'obturateur 4, qui est fixé à la tige 3, se sépare de son siège ménagé dans le corps cylindrique 2 et continue de descendre jusqu'à ce que cet obturateur 4 ou tout autre moyen établisse de nouveau un contact avec le corps cylindrique 2, transmettant ainsi le mouvement de descente au piston. L'ouverture du clapet mobile 5 est forcée et elle n'est pas due d une différence de pression. Par consdquent, les fluides pouvant être présents dans le cylindre 5, entre le clapet mobile 5-et le clapet fixe 7, n'ont pas à être comprimés. Lorsque le piston descend, les fluides s'écoulent à travers le clapet mobile 5 et le corps cylindrique 2. Une fois que le piston atteint sa position de descente extrême et que la tige 3 commence à s'élever, l'obturateur 4 ferme le clapet mobile 5 dès qu'il entre en contact avec le siège du corps cylindrique 2 et il communique le mouvement de montée au piston ; toutes ces opérations se produisent alors que la vitesse relative du fluide sur les deux côtés du clapet est nulle. Lorsque le piston s'elève, une chute de pression apparaît à l'intérieur du cylindre 1 entre le clapet mobile 5 et le clapet fixe 7, jusqu'à ce que cette pression soit inférieure à la pression propre du réservoir (tout conteneur ou tout emplacement dans lequel se trouvent des fluides), puis ce dernier clapet s'ouvre, permettant aux fluides de s'écouler du réservoir vers l'intérieur du cylindre 1. Entre temps, si un clapet annulaire est utilisé lorsque la proportion de gaz et/ou de vapeur d'eau en vaut la peine, le fluide présent à l'intérieur du cylindre, entre le clapet mobile 5 et le clapet annulaire 6, est soumis à une compression jusqu'à ce que la pression régnant dans cette zone soit supérieure aux effets de la contre-pression et du poids de la colonne de fluide qui agit sur le clapet annulaire 6, auquel cas le clapet s'ouvre et permet au fluide de s'écouler. Enfin, lorsque le piston atteint sa position d'élévation maximale et qu'il commence à descendre, le clapet fixe 7 se ferme et le cycle de pompage se répète. Les avantages de la présente invention sont 1. Avant le commencement du temps d'aspiration du piston, la tige 3 applique à ce dernier le mouvement de l'obturateur 4 qui est déplacé vers son siègesitué dans le corps cylindrique 2., et cet obturateur commence à fermer l'ouverture du clapet de retenue ; toutes ces opérations ont lieu alors que la vitesse relative du fluide, sur les deux côtés du clapet de retenue,est nulle ; par conséquent, les effets d'érosion du fluide sur les éléments du piston sont-pratiquement éliminés. .2 Etant donné que le clapet mobile de retenue, disposé dans le piston, se ferme avant le commencement du temps d'aspiration du piston, le volume pompé est pratiquement égal au volume.maximal. 3. Si. le fluide pompé contient une proportion importante de gaz et/ou de vapeur d'eau, le fait que le clapet mobile de retenue s'ouvre de manière forcée (mécaniquement), et non par différence de pression, élimine, dans une seule course du piston, le risque de blocage par des gaz et/ou de la vapeur d'eau. 4. Si la pompe est disposée de manière que la tige soit déplacée dans une direction autre que l'horizontale, il existe le risque d'un dépôt, sur le clapet mobile de retenue, de matières solides en suspension dans le fluide ; la position de l'obturateur 4 dans le piston est tel que l'écoulement de fluide permet de libérer le clapet. 5. La forme de l'obturateur peut être déterminée de manière que le clapet mobile présente la:section maximale d'écoulement qu'il est possible d'obtenir avec un obturateur de retenue simple, et offre des caractéristiques optimales en ce qui concerne la dynamique des fluides. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent etre apportées au piston décrit et représente sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Piston, caractérisé en ce qu'il comporte un clapet mobile (5) de retenue dont l'ouverture et la fermeture sont commandées mécaniquement, ce clapet étant disposé dans l'extrémité du piston la plus proche d'un clapet fixe (6) de retenue, fixé dans le cylindre (1) dans lequel le piston se déplace, un obturateur simple (4) de retenue étant fixé à une tige (3) qui lui communique un mouvement périodique, l'obturateur simple de retenue, après être entré en contact avec un corps cylindrique (2) transmettant ce mouvement périodique au piston. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que le clapet mobile de retenue occupe une position permettant l'établissement de la pression optimale lorsque le pompage ou la compression a lieu. 3. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section d'écoulement possible à travers le clapet mobile de retenue, constitué d'un obturateur simple de retenue,. est maximisée. 4 Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que le risque de blocage de l'écoulement du fluide, dû à un dépôt de matières solides en suspension dans le fluide ,est réduit. 5. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que tout risque de blocage par un gaz et/ou de la vapeur d'eau est supprimé dans une course seulement du piston.