Brevet FR2560295A1 — publié le 19850830

La présente invention concerne les moteurs hydrauliques de fond entraînant un outil de forage, et a notamment pour objet une turbine hydraulique multi-étagée de turboforeuse, dans laquelle le rôle du fluide moteur est joué par le fluide de lavage, par exemple l'eau, la boue de forage, une boue à base d'huile. La turbine faisant l'objet de l'invention est constituée par une série de stators et de rotors alternés dans la direction axiale, respectivement solidaires du corps et de l'arbre de la turboforeuse. Un stator et un rotor placés en série dans la direction de l'axe d'écoulement du fluide constituent un étage de la turbine. Tous les étages de la turbine multiétagée ont les mêmes dimensions diamétrales intérieure et extérieure et la même dimension axiale. Dans chaque étage, le stator et le rotor ont chacun une couronne et une entretoise ou douille d'écartement. Chaque couronne a un canal d'écoulement et un moyen portant un aubage approprié, constitué par une pluralité d'aubes distribuées uniformément dans le canal d'écoulement, ainsi qu'une jante. Les douilles-entretoise assurent la fixation des couronnes respectives dans le corps et sur l'arbre de la turboforeuse, ainsi que l'alternance régulière des couronnes de stator et de rotor suivant toute la longueur de la turbine multiétagee. A l'heure actuelle, toutes les turbines hydrauliques connues, y compris les turbines multiétagées des turboforeuses, sont réalisées avec étanchéification des couronnes de stator et de rotor suivant les jeux entre les parties mobiles et fixes de la turbine, afin de supprimer au maximum les fuites du fluide moteur empruntant des voies autres que le canal d'écoulement dans lequel se trouve l'aubage. Pour cela, dans les turbines hydrauliques, les jeux, notamment les jeux radiaux, sont réalisés aussi petits que possible, leur valeur étant déterminée de façon seulement à ne pas gêner les opérations de montage. Les turbines existantes des turboforeuses ont un jeu radial se situant entre 0,5 et 1 mm. Ces turbines sont caractérisées par une vitesse élevée de rotation de l'arbre, ce qui nuit au bon fonctionnement des trépans à molettes. En outre, étant donné la commensurabilité des particules de phase solide se trouvant dans le fluide de forage et des jeux radiaux, dans les turbines connues, une partie notable du couple moteur se perd par suite du frottement dans le fluide, ce qui entraîne une usure accélérée des turbines et affecte leur performance énergétique. On connaît une turbine multiétagée de turboforeuse (cf., par exemple, brevet R.F.A. nO 2 942 782),dans laquelle, en vue d'accroître le couple moteur et le rendement, dans chaque paire de couronnes successives, le moyeu de la couronne amont (suivant le sens d'écoulement du fluide) recouvre partiellement le canal d'ecoulement de la couronne aval du côté de son jeu radial. Une telle turbine a une vitesse de rotation accrue, ce qui permet pas de l'utiliser efficacement pour entraîner les trépans a molettes. En outre, dans cette turbine, de 5 à 40 % (selon la concentration de la phase solide) du couple moteur se perdent par suite du frottement mécanique entre les rotors et les stators dans les jeux radiaux. On s'est donc proposé de créer une turbine de turboforeuse dont la conception assurerait une vitesse de rotation réduite pour améliorer le fonctionnement des trépans à molettes, et réduirait les pertes de couple moteur dues au frottement dans le fluide de forage, grâce à des moyens spécialement prévus pour établir une communication entre l'amont et l'aval de l'aubage des'couronnes. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'une turbine hydraulique multiétagée de turboforeuse, dont chaque étage comporte un stator et un rotor disposés coaxialement, chacun d'eux comprenant une douille-entretoise et une couronne pourvue d'un canal d'écoulement pour le passage du fluide moteur et d'un moyeu portant un aubage placé dans le canal d'écoulement et une jante, les aubes desdits aubages d'au moins une partie des couronnes étant réalisées avec un angle de courbure de la ligne médiane de leur profil plus grand que l'angle aigu formé par la tangente à cette ligne à la sortie de l'aubage et l'axe d'écoulement du fluide moteur, caractérisée, d'après l'invention, en ce que dans un étage comportant au moins un aubage présentant ladite courbure de la ligne médiane de son profil, la couronne comportant un-tel aubage est pourvue de canaux de dérivation disposés hydrauliquement en parallèle avec le canal d'écoulement de la couronne et mettant l'espace entre cette couronne et la couronne amont de celle-ci (suivant le sens d'écoulement du fluide) en communication avec l'espace entre celle-ci et la couronne en aval, afin de dériver une partie du fluide moteur du canal d'écoulement de la couronne. Le fait que les canaux de dérivation soient disposés hydrauliquement en parallèle avec les canaux d'écoulement dans lesquels se trouvent les aubes présentant ladite courbure de la ligne médiane de leur profil, assure la régulation automatique du débit de fluide moteur à travers la turbine en fonction de son régime de marche. Compte tenu du fait que la résistance hydraulique de l'aubage présentant ladite courbure des aubes augmente lors du passage du régime de freinage au régime de fonctionnement à vide, au fur et à mesure de la mise en vitesse de la turbine, le débit du fluide moteur entrant dans l'aubage diminue constamment par suite de la dérivation d'une partie du liquide par les canaux de dérivation, ce quise traduit par un abaissement de la vitesse de rotation de la turbine. Le plus avantageux est de réaliser lesdits canaux de dérivation sous forme d'un espace annulaire entre la douille-entretoise du rotor et la couronne du stator, le rapport de la dimension radiale de l'espace annulaire à la dimension axiale de la couronne se situant de préférence dans la plage 0,2 à 1,0. Le choix-de la limite inférieure de cette plage, égale à 0,2,est dû au fait que, suivant les données expérimentales, elle correspond au début d'une régulation intense assurant un abaissement marqué de la vitesse de rotation. Le choix de la limite supérieure, égale à 1,0, est dicté par les dimensions diamètrales réelles des turbines de la turboforeuse. Dans ce cas, outre la diminution de la vitesse de rotation de la turbine, on obtient une réduction des pertes de couple moteur dues à la rotation dans un fluide de forage contenant une phase solide, et l'usure radiale de la turbine se trouve pratiquement supprimée. Pour cette même raison, il est avantageux que les canaux de dérivation soient réalisés sous forme d'un espace annulaire entre la douille-entretoise et la couronne du rotor, le rapport de la dimension radiale de l'es- pace annulaire à la dimension axiale de la couronne se situant de préférence dans la plage de 0,14 à 0,5. La limite inférieure, égale à 0,14, a été choisieen prévi sion d'une dimension des particules de la phase solide allant jusqu'à 1,5 mm, la plus fréquente dans les boues de forage. Le choix de la limite supérieure, égale à 0,5, s'explique par le fait que des valeurs plus élevées de cette limite et l'abaissement correspondant de la vitesse de rotation résultant de la régulation du débit de fluide ne compensent pas l'accroissement de la vitesse de rotation du à la dimension du diamètre moyen du canal d'écoulement du rotor. Pour une utilisation rationnelle des dimensions diamitrales de la turbine, ainsi qu'en vue d'intensifier la régulation du débit, il est avantageux de réaliser les canaux de dérivation dans la masse des moyeux du stator et du rator. Afin d'exclure les fuites de fluide par des voies autres que le canal d'écoulement en régime de freinage, il est avantageux que la génératrice de la surface du moyeu, formant, du côté du canal de dérivation situé en aval (suivant le sens d'écoulement du fluide moteur) le canal d'écoulement de la couronne située en amont de la couronne comportant les canaux de dérivation, soit inclinée de haut en bas vers l'axe de l'écoulement. Dans le même but, il est souhaitable que le moyeu de la couronne située en amont (suivant le sens d'écoulement du fluide moteur) de la couronne comportant des canaux de dérivation, recouvre partiellement son canal d'écoulement du côté du canal de dérivation. Dans le cas où le canal de dérivation est réalisé dans la masse du moyeu, il est souhaitable, afin d'exclure la fuite du fluide par une voie autre que le canal d'écoulement en régime de freinage, que la jante de la couronne située en amont (suivant le sens d'écoulement du fluide moteur) de la couronne comportant les canaux de dérivation recouvre partiellement son canal d'écoulement du côté du canal de dérivation. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description detaillée qui va suivre de différente modes de réalisation donnés uniquement a titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - les figures la et lb représentent une vue d'ensemble d'une turboforeuse à turbine hydraulique multiétagée conforme à l'invention, avec son trépan, dans le puits - la figure 2 représente en perspective un étage de la turbine conforme l'invention - la figure 3 représente une variante de la turbine conforme a l'invention, avec un canal de dérivation sous forme d'un espace annulaire entre la couronne du stator et la douille-entretoise du rotor - la figure 4 représente,en coupe suivant IV-IV l'aubage de la turbine de la figure 3 (vue développée dans un plan) - la figure 5 représente une variante de la turbine conforme a l'invention, avec,des canaux de dérivation dans la masse des moyeux du stator et du rotor - la figure 6 représente une variante de la turbine conforme à l'invention, dans laquelle la génératrice de la surface du moyeu du stator, formant son canal d'écoulement du côté de l'un des canaux de dérivation du rotor situé en aval, est inclinée de haut en bas vers l'axe de l'écoulement, et dans laquelle la jante du stator recouvre partiellement le canal d'écoulement du rotor du côté de l'autre canal de dérivation - la figure 7 représente une variante de la turbine conforme à l'invention, avec des canaux de dérivation sous forme d'espaces annulaires entre les couronnes du stator et la douille-entretoise du rotor et la couronne du rotor et la douilleentretoise du stator. La turbine hydraulique multiétagée est l'organe moteur de la turboforeuse (figures la et lb), a l'arbre 1 de laquelle est fixé l'outil 3 de forage, et au corps 2 de laquelle est assemblée la tige 4 de forage. L'arbre 1 est centré dans le corps-2 par des roulements d'appui 5, ce qui assure la rotation coaxiale de l'arbre 1 par rapport à l'axe A de la turbine. Chaque étage de la turbine se compose d'un stator 6, et d'un rotor 7 (figure 2). Dans la turboforeuse, le système de stators 6 (figures 1 a et lb) est immobilisé en rotation par rapport au corps 2, et le systeme de rotors 7 l'est par rapport à l'arbre 1. Dans chaque étage, le stator 6 (figure 3) et le rotor 7 sont respectivement cons titués par des couronnes 8 et 9, ainsi que par des douilles-entretoises 10 et 11. La couronne 8 du stator 6 et la couronne 9 du rotor 7 ont respectivement des canaux 12, 13 d'écoulement , ainsi que des moyeux 14, 15 portant des aubages 16, 17 avec leurs jantes 18, 19. La droite S parallèle à l'axe de rotation A et passant à l'intérieur des canaux 12, 13 d'écoulement peut être appelée "axe de l'écoulement". La flèche sur l'axe S de l'écoulement indique le sens de circulation du fluide moteur. Parmi les deux couronnes 8 et 9 (voir par exemple la figure 5), la couronne 8 est la couronne précédente" ou "amont" par rapport à la couronne 9, tandis que par rapport à la couronne 8, la couronne 9 est la couronne "suivante" ou "aval". La rotation des rotors 7 par rapport aux stators 6 pendant la marche de la turbine est rendue possible par les jeux axiaux et radiaux 20, 21, respectivement. Les aubages 16, 17 du stator et du rotor 7 (figure 4) sont constitués par une pluralité d'aubes 22, 23 distribués. uniformeeent dans les canaux d'écoulement 12 (figure 3) et 13 (figure 3). il est convenu de caractériser le profil des aubes 22, 23 (figure 4) d'une turbine par la ligne médiane 24 du profil, les tangentes 25 et 26 à la ligne médiane 24 du profil, respectivement à l'entrée et à la sortie de l'aubage, l'angle de courbure de la ligne médiane 24 et l'angle entre la tangente 25 et l'axe S de l'écoulement. La configuration des canaux 12, 13 (figure 6) d'écoulement est déterminée par la configuration des génératrices respectives 27, 28, 29, 30 des surfaces des moyeux 14, 15 et des jantes 18, 19 formant lesdits canaux 12, 13 d'écoulement (les éléments homologues sont affectés des mêmes repères). La turbine peut être réalisée suivant diverses variantes. Toutefois, independamment de la solution constructive concrète adoptée, toutes les turbines conformes à l'invention sont réalisées de telle sorte que, dans l'étage comportant au moins un aubage 16 (figures 3, 4) dont les aubes 23 ont un angle Oc de courbure-de la ligne médiane 24 plus grand que l'angle aigu entre la tangente 25 et la ligne médiane 24 à la sortie de l'aubage 16 et l'axe S d'écoulement du fluide, la couronne comportant un tel aubage ait des canaux de dérivation 33 disposés hydrauliquement en parallèle-au canal d'écoulement 12 de la couronne 8 et mettant l'espace entre la couronne 8 et la couronne 9 précédente située en amont, en communication avec l'espace entre la couronne 8 et la couronne suivante, située en aval, pour dériver une partie du fluide moteur du canal d'écoulement 12 de la couronne 8. L'aubage 16 est caractérisé par une résistance hydraulique qui varie en fonction du régime de marche de la turbine (de sa vitesse de rotation), cette résistance hydraulique étant plus petite en régime de freinage et allant en croissant au fur et a mesure de la mise en vitesse de la turbine. La réalisation des canaux de dérivation sous forme d'espaces annulaires 32 et 33 (figure 7) assure un accroissement supplémentaire de l'efficacité de marche de la turbine résultant d'une réduction notable des pertes de couple moteur par frottement dans le fluide moteur contenant une phase solide, et d'une réduction correspondante de l í usure de la turbine. La variante de turbine représentée sur la figure 7, outre les canaux de dérivation réalisés sous forme d'espaces annulaires 32 et 33, est aussi caractérisée par la réalisation des recouvrements partiels t du canal 13 d'écoulement par le moyeu 14 du côté du canal de dérivation 32, ainsi que du canal d'écoulement 12 par le moyeu 15 du côté du canal de dérivation 33. Les recherches expérimentales qui ont été effectuées ont permis d'établir qu'un rapport de la dimension radiale 0 de l'espace annulaire 33 entre la douille-entretoise 11 du rotor 7 et la couronne 8 du stator 6 à la dimension axiale hg. de la couronne 8, situé de préférence dans la plage de 0,2 à 1,0, crée des conditions favorables à la régulation du débit de fluide dans le stator 6 (figure 2). En ce qui concerne le rotor 7, de telles conditions sont obtenues pour un rapport de la dimension radiale i qde l'espace annulaire 32 a la dimension axiale h2 de la couronne 9 situé de préférence dans la plage de 0,14 à 0,5. Les valeurs absolues de tit et dans les turbines réelles conformes à l'invention sont notamment de 2,2 à 10 mm et de 1,6 à 5 mm, respectivement, valeurs qu-i sont bien plus grandes que celles des jeux radiaux dans les turbines connues. Afin d'utiliser rationnellement l'encombrement diamétral de la turbine, ce qui est particulièrement important pour les turbines de petits diamètres, ainsi qu'afin d'accroître l'intensité de la régulation, il est avantageux de réaliser les canaux de dérivation 34 et 31 (figure 5) dans la masse du moyeu 14 du stator 6 et dans la masse du moyeu 15 du rotor 7. il est souhaitable que la génératrice, par exemple 27 (figure 6), de la surface du moyeu 14, formant du côté du canal de dérivation aval 32, le canal d'écoulement 12 dans la couronne 8 située en amont de la couronne 9 ayant des canaux de dérivation 31 et 32, soit inclinée de haut en bas vers l'axe S de l'écoulement. La réalisation des canaux d'écoulement 12, 13 des couronnes 8, 9 avec une telle inclinaison des génératrices 27, 28, 29, 30 de leur surface, permet de réduire à un minimum les fuites du fluide moteur par des voies autres que les canaux d'écoulement 13, 12 en régime de freinage, fuites qui déterminent la reprise de la turbine de turboforeuse en charge. A cette même fin, il est avantageux que le moyeu 14 et/ou 15 (figures 6,7) et la jante 18, 19 de la couronne 8, 9, respectivement, située en amont de la couronne 9, 8, munie des canaux de dérivation 32,33,31,34/recouvre partiellement son canal d'écoulement 13,12 du côté du canal de dérivation 32,33,31,34, respectivement. La turbine hydraulique multiétagée conforme à llin- vention fonctionne de la façon suivante. Les pompes de forage se trouvant à la surface débitent le fluide moteur, qui est transmis à la turboforeuse par les tiges 4 (figures la et lob). Au régime de freinage, tout le fluide moteur débité par la pompe sort du canal d'écoulement 13 du rotor 7 (figure 3) avec une déviation prédéterminée résultant de l'interaction avec l'aubage 17. Ensuite, le fluide entre le canal d'écoulement 12 du stator 6. Etant donné qu'à ce régime la résistance hydraulique dans l'aubage 16 est minimale, tout le fluide moteur passe par le canal d'écoulement 12 du stator 6, où il est dévié d'une valeur prédéterminée. Comme tout le fluide moteur interagit avec les aubages 17 et 16, le couple moteur produit par la turbine est maximal. Au fur et à mesure de la mise en vitesse de la turbine, la résistance hydraulique croît dans l'aubage 16, ce qui provoque la dérivation d'une partie du fluide moteur (jusqu'à 30 % en régime de marche à vide) sortant du canal d'écoulement 13 vers le canal 33 en évitant ainsi l'aubage 16. La partie restante du fluide moteur, ayant passé par l'aubage 16, a une vitesse plus faible, ce qui assure un abaissement correspondant de la vitesse de rotation de la turbine. De la sorte, on obtient à l'intérieur de la turbine elle-même une régulation du débit de fluide moteur passant à travers l'aubage, assurant l'abaissement nécessaire de la vitesse de rotation tout en maintenant la valeur du couple moteur. Grâce à la diminution de la vitesse de rotation (dans le variante optimale cet abaissement va jusqu'à 140 à 200 tr/min), la turbine conforme à l'invention permet, comparativement aux turbines connues, d'accroitre la tenue des trépans de 1,5 à 4,0 fois et, en conséquence d'augmenter de 1,3 à 3,0 fois le métrage foré par trépan. Des chiffres plus élevés sont obtenus en cas d'utilisation de trépans à paliers garnis d'huile. La variante de réalisation de la turbine conforme à l'invention, représentée sur la figure 7, assure elle aussi un abaissement notable des pertes nuisibles de couple moteur,dues au frottement du rotor 7 dans un fluide moteur contenant une phase solide, et, en conséquence, un accroissement de la longévité de la turbine. REVENDICATIONS 1. Turbine hydraulique multiétagée de turboforeuse, dans laquelle chaque étage est constitué par un stator (6) et un rotor (7) disposés coaxialement et comprenant chacun une douille-entretoise (10,11) et une couronne (8, 9) avec un canal d'écoulement (12, 13) pour le passage du fluide moteur et un moyeu (14, 15) portant un aubage (16, 17) placé dans le canal d'écoulement, (12, 13) et une jante (18, 19), les aubes (22, 23) desdits aubages d'au moins une partie des couronnes (8, 9) étant réalisées de maniere que l'angle (o() de courbure de la ligne médiane (24) de leur profil soit plus grand que l'angle aigu (ss ) formé entre la tangente (25) à cette ligne à la sortie de l'aubage (16, 17) et l'axe (SI d'écoulement de fluide moteur, caractérisée en ce que, dans un étage comportant au moins un aubage (16, 17)présentant ladite courbure de la ligne médiané (24) de son profil, la couronne (8, 9) comportant cet aubage (16, 17) est pourvue de canaux de dérivation (33, 34 31, 32) disposés hydrauliquement en parallèle avec le canal d'écoulement (12, 13) de la couronne (8, 9) et mettant l'espace entre cette couronne (8, 9) et la couronne (9, 8) précédente, c'est-à-dire située en amont suivant le sens d'écoulement du fluide moteur, en communication avec l'espace formé entre cette même couronne (8, 9) et la couronne (8, 9) suivante, c'est-a-dire située en aval, afin de dériver une partie du fluide moteur du canal d'écoulement (12, 13) de la couronne (8, 9). 2. Turbine hydraulique multiétagée de turboforeuse, selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux de dérivation (33) sont réalisés sous la forme d'un espace annulaire entre la douille-entretoise (11) du rotor (7) et la couronne (8) du stator (6), le rapport de la dimension radiale de cet espace annulaire à la dimension axiale de la couronne (8) se situant de préférence dans la plage de 0,2 à 1,0. 3. Turbine hydraulique multiétagée de turboforeuse, selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les canaux de dérivation (32) sont réalisés sous forme d'un espace annulaire entre la douilleentretoise (10) du stator (6) et la couronne (9) du rotor (7), le rapport de la dimension radiale de cet espace annulaire à la dimension axiale de la couronne (9) se situant de préférence dans la plage de 0,14 à 0,5. 4. Turbine hydraulique multiétagée de turboforeuse, selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les canaux de dérivation (34) sont réalisés dans la masse du moyeu (14) du stator (6). 5. Turbine hydraulique multiétagée de turboforeuse, selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisée en ce que les canaux de dérivation (31) sont réalisés dans la masse du moyeu (15) du rotor (7). 6. Turbine hydraulique multiétagée de turboforeuse, selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la génératrice (27, 28, 29;, 30) de la surface du moyeu, formant, du côté des canaux de dérivation situés en aval (32, 31, 33, 34), le canal d'écoulement (12, 13) de la couronne (8, 9) située en amont de la couronne (9, 8) comportant ces canaux de dérivation (32, 31, 33, 34), est inclinée de haut en bas vers l'axe (S) d'écoulement. 7. Turbine hydraulique multiétagée de turboforeuse, selon l'une des revendications 1, 2, 3 et 6, caractérisée en ce que le moyeu (14, 15) de la couronne (8, 9), située en amont de la couronne (9, 8) comportant les canaux de dérivation (32, 33), recouvre partiellement son canal d'écoulement (13, 12) du côté du canal de dérivation (32, 33). 8. Turbine hydraulique multiétagée de turboforeuse, selon l'une des revendications 1, 4, 5 et 6, caractérisée en ce que la jante (18, 19) de la couronne (8, 9) située en amont de la couronne (9, 8) comportant les canaux de dérivation (31, 34) recouvre partiellement son canal d'écoulement (13, 12) du côté du canal de dérivation (31, 34).