Brevet FR2588323A1 — publié le 19870410

I 2588323 POMPE CENTRIFUGE A ENTRAINEMENT MAGNETIQUE La présente invention concerne une pompe centrifuge à entraî- nement magnétique destinée à envoyer un fluide sous pression par une tur- bine entraînée par un moteur d'entraînement par l'intermédiaire d'un ac- couplement magnétique, et plus particulièrement une pompe sans joint, facile à monter et à démonter en vue de son entretien et de son contr8le, et de qualité supérieure en matière de résistance à la corrosion chimique. Dans une pompe centrifuge à entraînement magnétique, un rotor de pompe et un moteur d'entraînement sont couplés magnétiquement par un accouplement magnétique en vue de transmettre des couples de rotation en- tre eux, de manière à ce qu'un liquide de travail ne fuie pas le long d'un arbre de pompe même sans utiliser de joints. Par conséquent, une telle pompe a été largement utilisée pour le transport de médicaments chimiques, de pétrole et de boissons. Dans ce cas, l'accouplement magné- tique est réalisé en disposant un aimant d'entraînement concentrique et extérieur par rapport à un aimant de turbine annulaire monté dans une turbine. La conception d'une telle pompe centrifuge à entraînement ma- gnétique est montrée à la figure 1. La pompe comporte principalement un arbre de pompe 1, une turbine 2 et un rotor 3 monté de manière rotative sur l'arbre de pompe 1 par l'intermédiaire de paliers 5. Une extrémité de l'arbre de pompe 1 est montée dans un moyeu 16 soutenu par des nervures 15 ménagées dans une arrivée de fluide 13 située à l'intérieur d'un bol- tier avant 11 d'un boîtier de pompe 10, l'autre extrémité étant montée au centre d'une paroi arrière d'un boîtier arrière 12 recevant le rotor 3. Un aimant de turbine 6, concentrique par rapport à l'arbre de pompe 1 est prévu sur une périphérie externe du rotor 3. Un aimant d'en- traînement 20, concentrique par rapport à l'aimant de turbine 6, est mé- nagé dans un support magnétique 21 approximativement sur une périphérie externe du boîtier arrière 12. Le support magnétique 21 est logé dans un carter d'aimant 31, et est relié à un moteur d'entraînement 30. Un joint torique 17 assure la jonction entre le boîtier avant 11 et le boîtier ar- rière 12. Le boîtier avant 11 est doté d'une sortie de fluide 14 disposée radialement par rapport aux aubes de la turbine 2. C'est ainsi qu'est constitué un carter de pompe. -2- Selon la conception de pompe de l'art antérieur, les paliers de l'arbre de pompe 1 se trouvent sur un axe de la turbine 2, de sorte que les vitesses circonférencielles des paliers sont relativement faibles Par conséquent, les avantages de cette conception sont que l'on peut em- ployer des paliers relativement petits, que leur durée de vie peut être allongée, et que la turbine 2 et le rotor 3 comportant l'aimant de turbi- ne 6 peuvent être formés d'une seule partie. Une telle pompe de l'art antérieur a cependant été utilisée uniquement pour des couples relativement faibles, par exemple, pour des fluides de poids volumique peu élevé ou à faible viscosité, étant donné le couple limité que peut transmettre l'entraînement magnétique. Afin de résoudre ce problème, on peut envisager de recourir à un gros aimant de turbine ou à un gros rotor. Cependant, un rotor plus volumineux tend à compliquer le montage et le démontage de la pompe, lors de sa fabrication, de son entretien et de son contr8le. Une telle diffi- culté provient du fait qu'un arbre de pompe destiné à soutenir le rotor est uniquement soutenu par une paroi arrière d'un bottier arrière lorsque la pompe est montée ou démontée, et que la paroi arrière du bottier ar- rière est soumise à un moment important. Particulièrement lors du démon- tage de la pompe, un moment important est dû au léger fléchissement de l'arbre de pompe quand on retire son extrémité avant du moyeu. Il en ré- sulte qu'un moment si important détériore souvent l'arbre de pompe ou le boîtier arrière. Lorsque l'arbre de pompe et le boîtier arrière sont en matériau céramique afin d'améliorer leur résistance à la corrosion chi- mique, dans ce cas particulier, les éléments sont susceptibles d'être dé- tériorés du fait de la friabilité de la céramique. Pour éviter cela, on peut envisager d'augmenter le diamètre de l'arbre de pompe ou l'épaisseur de la paroi arrière du boîtier arrière. Cependant, une telle augmentation de la taille des éléments ne contribue pas à améliorer les performances de la pompe; elle ne la rend que plus volumineuse. Le but de la présente invention est de proposer une pompe cen- trifuge à entraînement magnétique perfectionnée aux performances élevées. La présente invention se propose comme autre but de réaliser une pompe permettant un montage, un démontage et un contrale aisés. -3- La présente invention se propose en outre comme but de réali- ser une pompe dont la résistance à la corrosion chimique soit supérieure. Pour atteindre ces buts dans une pompe centrifuge à entraîne- ment magnétique comprenant un moteur d'entraînement, un moyen de pompage pourvu d'un rotor et d'un accouplement magnétique comportant un aimant d'entraînement disposé sur un support magnétique relié audit moteur d'en- traînement, et un aimant de turbine disposé dans ledit rotor afin d'être accouplé magnétiquement audit aimant d'entraînement, selon la présente invention, ledit moyen de pompage comportent un arbre de pompe, une tur- bine, ledit rotor et un manchon ayant un diamètre extérieur inférieur au diamètre extérieur du rotor, et reliant ladite turbine et ledit manchon monté de manière rotative sur l'arbre de pompe; un boîtier de pompe com- portant un boîtier avant englobant ladite turbine, et un boîtier arrière englobant une surface arrière de la turbine et dudit rotor; ledit boîtier arrière ayant, en un emplacement opposé au dit manchon, un diamètre inté- rieur permettant à la circonférence extérieure dudit rotor de coulisser, et en un emplacement opposé au dit rotor un diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur du rotor; et une extrémité dudit arbre de pompe étant montée dans un moyeu comportant des nervures ménagées dans une arrivée dudit boîtier avant, et l'autre extrémité dudit arbre de pompe étant montée dans une paroi arrière dudit boîtier arrière. Le support d'aimant comporte de préférence des moyens de ré- glage de positon afin de déplacer le rotor vers le boîtier avant. Le boîtier arrière est de préférence fait en céramique, en particulier en céramique de zircone. Afin de mieux comprendre l'invention, des modes de réalisation préférés vont à présent être décrits en détail à titre nullement limita- tif, en référence aux dessins annexes, dans lesquels: La figure 1 représente une vue en coupe d'une pompe centrifuge à entraînement magnétique selon l'art antérieur; La figure 2 représente une vue en coupe d'un mode de réalisa- tion de la pompe centrifuge à entraînement magnétique selon l'invention; La figure 3 représente une vue en coupe le long d'une ligne III-III de la figure 2; -4- La figure 4 représente une vue en coupe d'une partie principa- le d'une pompe selon un autre mode de réalisation de la présente inven- tion; La figure 5 représente une vue en coupe d'une partie principa- le d'une pompe selon un autre mode de réalisation de la présente invention, et La figure 6 représente une vue en coupe de la pompe de la fig. 2 destinée à expliquer le démontage de la pompe. En référence à la figure 2 illustrant un mode de réalisation de la présente invention, sont prévus sur un socle 40: un moteur d'en- trainement 30, un carter d'aimant 31 et un bottier de pompe 10. Un adap- tateur 32, relié à un arbre d'entratnement 22 du support d'aimant 21 par l'intermédiaire d'un accouplement flexible, est prévu entre le moteur d'entraînement 30 et un support d'aimant 21 disposé au centre du carter d'aimant 31. Bien que le moteur 30 soit un moteur électrique dans ce mode de réalisation, ceci n'est qu'un simple exemple, puisqu'il est possible d'utiliser ici, entre autres, un moteur à combustion interne. Le support d'aimant 21, logé dans le carter d'aimant 31 com- prend à son extrémité un aimant d'entraînement 20 concentrique par rap- port à l'arbre d'entraînement 22 et est fixé sur l'arbre d'entratnement 22 au moyen d'une clavette 23 et d'un anneau de retenue 24. L'arbre d'en- trainement 22 est monté avec des paliers à billes 25 et 26 sur les côtés respectifs du suppport d'aimant 21 et de l'adaptateur 32. Le palier à billes 25 se trouve entre le carter d'aimant 31 et l'arbre d'entraînement 22, et peut tourner avec le bottier d'aimant 31. Par ailleurs, le palier à billes 26 est logé dans un bottier de palier 27 fixé de manière à cou- lisser dans le carter d'aimant 31. Le bottier de palier 27 est pourvu, à sa périphérie, de bou- lons 33 et 34 destinés à régler l'aimant d'entraînement 20. Le boulon 33 sert à dépacer le support d'aimant 21 ou l'arbre d'entraînement 22 vers- le bottier de pompe 10 tandis que le boulon 34 est fixé ou appuie sur une surface extrême du carter 31 afin de supporter le bottier de palier 27. Le carter d'aimant 31 est doté d'un tenon ménagé à la périphé- rie externe d'un c8té supérieur ou à l'opposé du socle 40 en vue de faci- liter le montage et le démontage de la pompe. -5- Un arbre de pompe 1, un rotor 3, une turbine 2 et un manchon 4 reliant le rotor et la turbine 2 sont prévus dans le boîtier de pompe 10. Un aimant de turbine 6, concentrique par rapport à l'arbre de pompe 1 de manière à coupler l'aimant d'entraînement 20 magnétiquement est prévu sur une périphérie extérieure du rotor 3. Ces aimants 20 et 6 sont faits avec un métal ou un ferrite ayant une force coercitive et une densité de flux résiduel importantes. Dans ce mode de réalisation, l'aimant de tur- bine 6 est intégré dans le rotor 3. L'aimant de turbine 6 peut cependant être recouvert par un matériau distinct du matériau du rotor 3, comme le polytétrafluoroéthylène. Un diamètre externe du manchon 4 est inférieur au diamètre ex- terne du rotor 3. Il est préférable de rendre la turbine 2, le rotor 3 et le manchon 4 solidaires en un seul bloc au moyen d'une céramique supéri- eure par sa résistance à la corrosion chimique et par sa résistance méca- nique, telle que l'alumine, le zircone, la mullite, le carbure de sili- cium, et le nitrure de silicium. La turbine 2 et le rotor 3 sont montés de manière rotative sur l'arbre de pompe 1 au moyen de paliers 5. Les paliers 5 sont constitués de rainures hélicoïdales sur leur surface de roulement interne afin de permettre à un fluide de lubrification de circuler entre l'arbre de pompe 1 et les paliers 5. En ce qui concerne la lubrification, les paliers 5 peuvent être en graphite, en carbure de silicium, ou en téflon. L'arbre de pompe 1 est fixé, à une extrémité, dans un moyeu 16 ménagé dans une partie aspirante 13 du boîtier avant 11, et à l'autre ex- trémité, dans une paroi arrière d'un boîtier arrière 12 grâce aux disques de butée respectifs 8. Le moyeu 16 est soutenu par des nervures 15 ména- gées dans une arrivée 13, comme le montre la fig.3. Le boîtier avant 11 constitue une chambre de pompe 7 renfer- mant la turbine 2, et forme en outre une sortie 14 et l'entrée 13 commu- niquant avec la chambre de pompe 7. Le boîtier avant 11 est en matériau céramique résistant à la corrosion du type alumine résistant à l'acidité, dans la mesure o il n'est pas indispensable d'avoir un matériau à résis- tance mécanique élevée comme pour le rotor 3 et le boftier arrière 12. Le boîtier arrière 12 comporte une partie formant bride 18 entourant la turbine 2, une paroi latérale 19 entourant le rotor 3 etune -6- paroi arrière. La paroi latérale 19 sert de cloison entre l'aimant d'en- traînement 20 et l'aimant de turbine 6, et est plus fine que la partie formant bride 18 afin de faciliter la formation d'un champ magnétique en- tre les aimants d'entraînement et de turbine 20 et 6. La partie formant bride 18 est relativement épaisse afin d'as- surer la résistance du boîtier arrière 12 dans son ensemble et d'augmen- ter la zone de support du rotor 3 comme cela est expliqué ultérieurement. Le diamètre interne de la paroi latérale 19 est supérieur au diamètre ex- terne du rotor 3, de sorte que le rotor 3 peut tourner dans le bottier arrière 12 du fait de l'action d'accouplement magnétique des aimants 20 et 6. La partie formant bride 18 entoure la turbine 2 ainsi qu'une péri- phérie externe du manchon 4. Un diamètre interne de la partie formant bride 18 est supérieur ou égal au diamètre externe du rotor 3 de manière à lui permettre 3 de coulisser et d'être inséré dans la partie formant bride 18. Un espace ménagé entre la partie formant bride 18 et le manchon 4 permet au fluide de lubrification provenant de la chambre de pompe 7 de retourner dans les paliers 5. Un joint torique ménagé sur une périphérie externe de la partie formant bride 18 sert d'étanchéité entre le bottier arrière 12 et le boîtier avant 11. La partie formant bride 18 et le car- ter d'aimant 31 sont fixés ensemble par des boulons 36, le boîtier avant 11 et le carter d'aimant 31 étant fixés ensemble par des boulons 37. Une partie centrale de la paroi arrière du boîtier arrière 12 est plus épaisse afin de soutenir l'arbre de pompe 1 et la partie restan- te du bottier arrière 12 est plus épaisse que la paroi latérale 19 afin de garantir la résistance du boîtier arrière 12. Le boîtier arrière 12 peut être fait en matériau céramique résistant à la corrosion chimique, comme le zircone d'alumine, le carbure de silicium,le nitrure de silicium le sialon, etc. En particulier, une céramique de zircone partiellement stabilisée (ci-dessous dénommée "PSZ") est préférable pour le boîtier ar- rière 12 étant donné sa haute résistance mécanique et sa haute résistance aux chocs thermiques. Lorsque le boîtier arrière 12 est en céramique non- magnétique et isolée électriquement, la paroi latérale 19 séparant l'accouplement magnétique est également en céramique, le résultat étant que l'accouplement magnétique entre les aimants d'entraînement et de tur- bine 20 et 6 s'améliore. Si on utilise du PSZ, la paroi latérale peut -7être amincie pour permettre des couples plus importants, ce qui permet d'augmenter la pression de la pompe. Par exemple, lorsque l'épaisseur d'une paroi latérale faite en PSZ est de 5mm, la pression de la pompe peut être de 180 kg/cm2. Comme le montre la figure 4, la partie formant bride 18 du boîtier arrière 12 peut consister en une bride 18A formée intégralement avec la paroi latérale 19 et en une bride 18B entourant la turbine 2. Dans cet agencement, la bride 18A est en PSZ alors que la bride 18B, vo- lumineuse et compliquée, est en céramique, matériau facile à fabriquer, comme par exemple un matériau céramique résistant à l'acidité du type à alumine. Bien que le bottier de pompe 10, la turbine 2 et le rotor 3 soient de préférence, comme cela a été expliqué, en matériau céramique étant donné leur résistance mécanique et à l'acidité, l'invention n'est pas limitée à ces matériaux et des métaux, ou des métaux dotés d'un revê- tement en matière plastique peuvent être utilisés en fonction des fluides employés. La turbine 2 et le rotor 3 sont aptes à tourner par rapport à l'arbre de pompe 1 dans le mode de réalisation présenté à la figure 2. Cependant, la turbine 2 et le rotor 3 peuvent être fixés à l'arbre de pompe 1, lequel est apte à tourner par rapport au boîtier de pompe 10 comme le montre le figure 5. A cet effet, le rotor 3 est fixé à l'arbre de pompe 1 par une clavette 9 et l'arbre de pompe 1 est fixé par des pa- liers 5 disposés dans un moyeu 16 et dans une paroi arrière d'un bottier arrière 12. Le démontage de la pompe centrifuge à entraînement magnétique en vue de son entretien et de son contrôle va être à présent expliqué en référence aux fig. 2 et 6. Tout d'abord, l'adaptateur 32 est retiré du moteur d'entralne- ment 30 et de l'arbre d'entraînement 22. Le boulon 34 est ensuite déserré dans le sens de démontage du boîtier de palier 27, le boulon 33 étant alors serré afin de déplacer l'arbre d'entraînement 22 en direction du boîtier arrière 12.Indépendammentdu démontage de l'arbre d'entraînement 8- 22, les boulons de fixation 37 du carter d'aimant 31 au boîtier de pompe sont enlevés afin de permettre une certaine mobilité au carter d'ai- mant 31. Le carter d'aimant 31 est ensuite déplacé vers le moteur d'en- tra nement 30 de manière à retirer l'arbre de pompe 1 du moyeu 16, l'ar- bre de pompe 1 restant toujours engagé dans le moyeu 16. Le mouvement de l'arbre d'entraînement 22 a pour effet un mou- vement de l'aimant d'entraînement 20 de sorte que l'on fait glisser le rotor 3 pourvu de l'aimant de turbine 6, magnétiquement accouplé avec l'aimant d'entraînement 20 sur l'arbre de pompe 1 en direction du bottier avant 11 de manière à ce que la circonférence externe du rotor 3 soit à l'opposé de la partie formant bride 18 du boîtier arrière 12. Ensuite, le carter d'aimant 31 comportant le rotor 3 est dé- placé vers le moteur d'entraînement 30 afin de retirer l'arbre de pompe 1 du moyeu 16 du boîtier avant 11. Par les opérations successives susmentionnées, le boîtier avant 11 est retiré du rotor 3 et du bottier arrière 12. Lors de cette opération, le rotor 3 est soutenu par la partie formant bride 18, de sor- te que le rotor 3 n'applique aucune contrainte de fléchissement sur l'arbre de pompe 1 et sur les surfaces internes du boîtier arrière 12. Afin de séparer le rotor 3 du bottier arrière 12, on fait glisser le rotor 3 sur la surface circonférencielle externe de la partie formant bride 18 du bottier arrière 12 afin d'extraire le rotor 3 du bot- tier arrière 12 ainsi que la turbine 2. Après avoir démonté de la sorte la pompe centrifuge à entrat- nement magnétique, on nettoie les différentes parties en vue de leur en- tretien, et on contrôle par exemple l'usure des paliers et les détériora- tions de la turbine. Le montage de la pompe ne sera pas décrit puisqu'il correspond au processus inverse de l'opération de démontage décrite ci-dessus. Il apparaît de la description susmentionnée que la pompe cen- trifuge à entratnement magnétique est facile à démonter et à monter et qu'elle peut utiliser un gros rotor de pompe pour en améliorer les per- formances sans inconvénients, même si le poids du rotor est augmenté, - de sorte que la pompe est utilisable avec des fluides de poids volumique -9-- et de viscosité élevés. L'homme de l'art comprendra en outre que la description ci-dessus correspond aux modes de réalisation préférés des pompes décrites et qu'il est possible d'apporter à l'invention différentes modifications sans sortir de son esprit. - -10- Revendications: 1. Pompe centrifuge à entraînement magnétique comprenant un moteur d'entraînement(30), un moyen de pompage avec un rotor(3) et un accouplement magnétique consistant en un aimant d'entra nement(20) situé sur un support d'aimant (21) relié au dit moteur d'entraînement, et un aimant de turbine (6) situé dans ledit rotor afin qu'il soit accouplé magnétiquement audit aimant d'entraînement, caractérisé en ce que ledit moyen de pompage comprend: un arbre de pompe(1); une turbine(2), ledit rotor, et un manchon(4) dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre extérieur du rotor et reliant ladite turbine et ledit rotor, ladite turbine, ledit rotor et ledit manchon étant montés de manière rotative sur ledit arbre de pompe; un bottier de pompe(10) comportant un bottier avant (11) entourant ladite turbine, et un bottier arrière(12) entourant une surface arrière de la turbine et dudit rotor; ledit boîtier arrière ayant en un emplacement opposé au dit manchon un diamètre intérieur permettant à une circonférence extérieure dudit rotor de coulisser, et ayant en un emplacement opposé au dit rotor un diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur du rotor, et une extrémité dudit arbre de pompe étant fixée dans un moyeu (16) doté de nervures(15) ménagées dans une arrivée (13) dudit boîtier avant, l'autre extrémité dudit arbre de pompe étant fixée dans une paroi arrière dudit boîtier arrière. 2. Pompe centrifuge à entraînement magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support d'aimant (21) comporte des moyens de réglage de position pour déplacer ledit rotor vers ledit bottier avant. 3. Pompe centrifuge à entraînement magnétique selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de réglage de position comportent un boîtier de palier(27) monté par l'intermédiaire d'un palier (5) sur un arbre d'entraînement (22) d'un support d'aimant- (21), et un boulon de réglage de position ménagé entre ledit bottier de palier et le carter d'aimant(31) logeant ledit support d'aimant. 4. Pompe centrifuge à entraînement magnétique selon la -11- revendication 1, caractérisée en ce que ledit boîtier arrière est en matériau céramique. 5. Pompe centrifuge à entraînement magnétique selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit matériau céramique est une céramique de zircone. 6. Pompe centrifuge à entraînement magnétique selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce qu une épaisseur dudit bottier arrière située entre les aimants d'entrainement(20) et de turbine (6) est plus fine que la partie dudit bottier arrière entourant ladite surface arrière de la turbine et dudit manchon.