Brevet FR2601084A1 — publié le 19880108

I Pompe centrifuge pour le refoulement de fluides contenant des gaz La présente invention concerne une pompe centrifuge à un ou plusieurs étages, pour le refoulement de fluides contenant des gaz, munie d'un dispositif pour la séparation des gaz. Les pompes centrifuges ont habituellement des difficultés à refouler des liquides contenant des gaz. Lorsque la teneur en gaz du fluide à refouler est très élevée, les forces centrifuges importantes apparaissant pendant le refoulement peuvent engendrer à l'intérieur d'un rotor une séparation du fluide à refouler en liquide et en gaz. Afin de résoudre ce problème, on 10 connaît des séparateurs de gaz qui sont montées en amont de la pompe centrifuge, et n'amènent plus au rotor que du fluide à refouler déchargé des gaz. Une autre solution est connue par la demande de brevet allemand DE-23 61 328. Les bulles de gaz qui se séparent du fluide à refouler à l'intérieur du rotor sont ici évacuées par des ouvertures prévues dans la région du côté 15 d'aspiration des différentes pales de rotor. La paroi de carter côté refoulement qui se trouve derrière le rotor présente dans la région de l'arbre de pompe d'autres ouvertures, par lesquelles est aspiré le coussin de gaz quise trouve derrière le rotor. Une autre possibilité est proposée pour des rotors à double flux, selon laquelle les gaz aspirés hors du rotor sont évacués par 20 l'arbre de pompe. La présente invention a pour but de développer, pour des pompes centrifuges à un ou plusieurs étages, un séparateur de gaz qui assure une séparation fiable des gaz d'une manière peu coûteuse et sans pertes de flux importantes. Selon l'invention, ce but est atteint en ce que la pompe centrifuge comprend une chambre de séparation s'étendant dans le sens de l'arbre de pompe et montée à la suite d'un premier rotor de pompe centrifuge, chambre dont la longueur est au moins égale au double de la longueur d'un étage de la pompe, l'extrémité de la chambre de séparation qui est en vis-à-vis du rotor 30 de pompe centrifuge étant munie d'un collecteur de gaz entourant l'arbre de pompe, et en ce que des ouvertures de passage pour du fluide à refouler déchargé des gaz sont disposées entre le collecteur de gaz et la paroi intérieure de la chambre de séparation. La chambre de séparation, qui est disposée à la suite drun rotor de 35 pompe centrifuge et dont le diamètre est égal ou supérieur à celui du rotor, permet que, suite à la giration produite par ledit rotor, le liquide à refouler contenant des gaz soit mis en rotation tangentiellement à la surface de la paroi de la chambre de séparation. Suite aux différences de poids volumiques des gaz et des liquides, les gaz présents dans le liquide sont entraînés vers le milieu de la chambre de séparation, et se rassemblent dans la région de l'arbre de pompe. L'action d'une telle chambre de séparation est similaire à 5 celle d'un cyclone radial. La longueur de la chambre de séparation permet d'obtenir une séparation fiable des gaz, lesquels gaz sont recueillis par le collecteur de gaz disposé dans la région de l'arbre de pompe, en étant monté à l'extrémité de la chambre de séparation qui est en vis-à-vis dudit rotor. Le fluide à refouler déchargé des gaz s'écoule vers l'extérieur tout autour du 10 collecteur de gaz, et est transporté à sa destination. Une autre solution proposée par l'invention pour atteindre le but fixé prévoit qu'une chambre de séparation est montée en amont du premier étage de la pompe, chambre dont la longueur est au moins égale au double de la longueur d'un étage de la pompe, qu'un dispositif déflecteur entraînant le 15 fluide à refouler en un écoulement tangentiel à la surface de la paroi est disposé dans la région d'entrée de la chambre de séparation, qu'un collecteur de gaz se trouvant dans la région de l'arbre de pompe est disposé dans la région de sortie de la chambre de séparation, et que des ouvertures de passage pour du fluide à refouler déchargé des gaz sont disposées entre le 20 collecteur de gaz et la paroi intérieure de la chambre de séparation. Dans cette solution, la giration nécessaire pour la séparation des gaz n'est pas produite par un rotor de pompe centrifuge en rotation, mais par un dispositif déflecteur. Ce dernier a pour action que, lors de l'écoulement du fluide à refouler contenant des gaz, le fluide sortant du dispositif déflecteur avec 25 giration s'écoule tangentiellement le long de la paroi de la chambre de séparation. Les gaz, séparés par suite de la force centrifuge et qui par suite de leur poids volumique inférieur se rassemblent dans la région de l'axe de rotation de l'arbre de pompe, sont évacués par l'intermédiaire du collecteur de gaz. Une configuration de l'invention prévoit que, dans le cas de pompes centrifuges à plusieurs étages, la chambre de séparation est disposée à la suite d'un premier rotor de chambre centrifuge et avant un étage de pompe constitué d'un rotor et d'un dispositif déflecteur. Cette chambre de séparation peut ainsi être par exemple également utilisée pour ce qu'on 35 appelle des moto-pompes à trous de mine ou encore pour des moto- pompes immergées. Comme le diamètre extérieur de la chambre de séparation n'a pas besoin d'être supérieur au diamètre extérieur d'un carter de pompe, ce dispositif de séparation des gaz convient particulièrement bien pour l'emploi dans des trous de mine. Le premier rotor de pompe centrifuge est utilisé pour produire à l'intérieur de la chambre de séparation une rotation du fluide à refouler contenant des gaz, rotation qui s'exerce dans une direction 5 tangentielle. La séparation des gaz qui est ainsi engendrée permet d'amener à l'étage ou aux étages de pompe proprement dit(s) un fluide déchargé des gaz. Les rotors des étages de pompe suivants peuvent ainsi fonctionner dans la plage de rendement optimal. Des configurations supplémentaires de l'invention prévoient que des 10 moyens de fixation assemblent le collecteur de gaz à la chambre de séparation, ou que le collecteur de gaz est lié en rotation à l'arbre de pompe. Des nervures, des montants ou des brides adéquatement configurées maintiennent par exemple ici le collecteur de gaz à sa position dans la région de l'arbre de pompe. On peut aussi donner aux moyens de fixation une forme 15 qui permet de transformer en cas de besoin un écoulement avec giration en un écoulement sans giration. Le collecteur de gaz, qui est par exemple configuré en forme de cloche, en forme de pot ou en une autre forme similaire, peut aussi être directement fixé, d'une manière correspondante, sur l'arbre de pompe. Une nouvelle configuration supplémentaire de l'invention prévoit que des conduites d'évacuation des gaz reliées avec l'espace intérieur du collecteur de gaz sont montées dans les moyens de fixation et/ou dans l'arbre de pompe. Au moyen de ces conduites, le volume de gaz recuilli est évacué hors du collecteur de gaz, et est par exemple amené par des tuyauteries à la surface 25 du liquide, ou fourni à l'aide d'un dispositif d'alimentation adéquat à la conduite de refoulement de la pompe centrifuge. Pour le cas dans lequel les gaz séparés sont amenés par un tuyau ou un flexible à la surface du liquide, on peut par exemple prévoir au début de cette conduite d'évacuation des gaz un clapet antiretour. Lors de l'arrêt de 30 la pompe, ce clapet empêche la pénétration du fluide à refouler dans la conduite d'évacuation des gaz. En fonctionnement, la pression de l'eau exercée sur le clapet antiretour diminue, et ce dernier s'ouvre automatiquement et permet l'évacuation des gaz. Une autre possibilité serait d'employer un dispositif de production de vide monté à l'extérieur du 35 séparateur. La séparation des gaz peut être effectuée, voire aussi accrue, à l'aide par exemple d'une pompe à jet incorporée, qui utilise une partie du flux de fluide à refouler. On n'a alors pas besoin de clapet antiretour. Un avantage essentiel du séparateur de gaz selon l'invention est à voir dans le fait qu'on utilise la giration produite par le premier rotor de pompe centrifuge ou selon le cas par le dispositif déflecteur. Les pertes de flux à l'intérieur du séparateur de gaz sont minimales, et dépendent uniquement du 5 frottement dans la région de la surface de la paroi. Par rapport aux séparateurs de gaz connus jusqu'alors, montés en amont des pompes centrifuges et présentant des trajets d'écoulement de configuration complexe, on est ici en présence d'une réalisation particulièrement favorable en matière d'écoulement. Par rapport à une pompe à plusieurs étages normale, le coût de construction supplémentaire se limite à l'emploi d'un arbre de pompe plus long, ainsi que de la chambre de séparation, qui peut être réalisée d'une manière extrêmement simple. Il est aussi tout-à-fait possible d'équiper à posteriori des pompes à trous de mine existantes d'un tel séparateur de gaz. 15 Pour cette transformation, on a seulement besoin d'un nouvel arbre de pompe, prévu adéquatement plus long. En cas de besoin, on peut aussi prévoir un palier d'arbre de pompe supplémentaire dans la ration du collecteur de gaz et/ou dans la région du dispositif déflecteur. Un exemple de réalisation de cette pompe est décrit ci-après en 20 référence à la figure unique du dessin annexé. L'invention est ici présentée dans le cas d'une moto-pompe immergée. Cette dernière comprend un moteur d'entraînement 1 -non représenté iciqui se trouve en dessous de la pompe, et une partie de pompage 2 reliée au moteur par l'intermédiaire d'un dispositif d'accouplement 3, partie qui, dans 25 la configuration représentée, est raccordée à une conduite de refoulement -non représentée- par l'intermédiaire d'un clapet anti- retour 4. Un tel équipement est fréquemment descendu dans des trous de forage, des cavernes ou similaires, o il aspire directement le fluide ambiant. L'ouverture d'aspiration 5 nécessaire à cet effet se trouve ici dans la région du dispositif 30 d'accouplement 3. Le fluide aspiré s'écoule vers le premier rotor de pompe centrifuge 6, qui le refoule directement dans une chambre de séparation 7 prévue de forme cylindrique. Cette dernière présente une longueur qui est au moins égale au double de la longueur d'un étage de pompe. Par suite de la giration produite par le rotor de pompe centrifuge 6, le fluide à refouler est 35 mis en rotation contre la surface de la paroi de la chambre de séparation 7, dans une direction tangentielle, de forme spirale. Ce faisant, les gaz qui se trouvent dans le fluide à refouler sont séparés et, par suite de la différence de poids volumique, se rassemblent dans la région de l'arbre de pompe 8. Selon la teneur en gaz du fluide à refouler, on peut employer un rotor d'aspiration présentant une région d'admission de taille particulièrement importante. On empêche ainsi l'engorgement de la région d'admission par une 5 accumulation de bulles de gaz, tout en continuant à assurer le refoulement du mélange de gaz et de liquide. Le premier rotor de pompe centrifuge 6 peut présenter une quelconque forme qui soit apte à produire à l'intérieur de la chambre de séparation 7 une giration séparant les gaz. Le rotor de pompe centrifuge employé doit être choisi en fonction du débit total de la pompe. Il 10 ne doit donc pas engendrer d'effet d'étranglement, ou encore il ne doit pas correspondre par ses dimensions à un débit total inférieur. La chambre de séparation 7 représentée ici présente une bride 9 de forme annulaire, qui correspond dans ses dimensions à la bride d'un carter d'étage 10 habituel. Sur cette bride 9 est soudé un élément tubulaire 11 dont 15 l'extrémité est elle-même reliée par l'intermédiaire d'un raccord de forme conique 12 à une deuxième bride de raccordement 13. Cette bride de raccordement correspond elle-aussi dans ses dimensions à la bride correspondante d'un carter d'étage 10. Le collecteur de gaz 14, qui est ici configuré sous la forme d'un court élément tubulaire entourant l'arbre de 20 pompe, est ici soudé sur un moyen de fixation 15 en forme de disque, qui est lui-même disposé à l'extrémité de la chambre de séparation cylindrique 7 qui se trouve à l'opposé du premier rotor de pompe centrifuge 6. Entre la paroi de l'élément tubulaire 11 et le collecteur de gaz 14 sont pratiquées dans le moyen de fixation 15 des ouvertures de passage 16 configurées de manière à 25 favoriser l'écoulement, ouvertures qui assurent un passage du flux sensiblement sans pertes vers l'étage de pompage suivant. L'espace intérieur du collecteur de gaz est relié par des perçages 17 pratiqués dans le moyen de fixation 15 à une rainure annulaire 18 prévue sur la périphérie. On peut ainsi pratiquer d'une manière extrêmement simple, sur le diamètre extérieur de la 30 chambre de séparation 7, un perçage qui relie la rainure annulaire 18 à une conduite d'évacuation des gaz 19. Il est tout-à-fait possible de lier en rotation le collecteur de gaz 14 et l'arbre de pompe 8, et d'évacuer les gaz qui se rassemblent directement par l'arbre de pompe. Au lieu du moyen de fixation 15 en forme de disque qui est 35 représenté ici, on peut aussi employer des nervures, montants ou autres éléments similaires adéquatement configurés. Le collecteur de gaz lui-même peut être réalisé sous la forme d'un élément cylindrique, en cloche, en entonnoir ou similaire, et peut être fabriqué en une seule pièce façonnée en tôle. D'une manière avantageuse, la longueur totale du séparateur de gaz est choisie de telle sorte qu'elle correspond à un multiple de la longueur d'un étage de pompage. On peut ainsi adapter, à un coût minimum, une pompe à 5 plusieurs étages aux conditions d'exploitation à chaque fois rencontrées. Pour les cas dans lesquels le collecteur de gaz est lié en rotation à l'arbre, le ou les moyens de fixation peuvent présenter une forme qui compense la giration supplémentaire produite par la rotation du collecteur de gaz. A l'inverse, on peut à l'aide des moyens de fixation donner au fluide à 10 refouler, déchargé des gaz, une giration qui permette à ce fluide d'arriver avec giration dans l'étage de pompage suivant. REVENDICATIONS 1. Pompe centrifuge à un ou plusieurs étages, pour le refoulement de fluides contenant des gaz, munie d'un dispositif pour la séparation des gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre de séparation (7) s'étendant 5 dans le sens de l'arbre de pompe et montée à la suite d'un premier rotor de pompe centrifuge (6), chambre dont la longueur est au moins égale au double de la longueur d'un étage de la pompe, l'extrémité de la chambre de séparation (7) qui est en vis-à-vis du rotor de pompe centrifuge (6) étant munie d'un collecteur de gaz (14) entourant l'arbre de pompe (8), et en ce 10 que des ouvertures de passage (16) pour du fluide à refouler déchargé des gaz sont disposées entre le collecteur de gaz (14) et la paroi intérieure de la chambre de séparation (7). 2. Pompe centrifuge selon le préambule de la revendication 1, caractérisée en ce qu'une chambre de séparation (7) est montée en amont du 15 premier étage de la pompe, chambre dont la longueur est au moins égale au double de la longueur d'un étage de la pompe, en ce qu'un dispositif déflecteur entraînant le fluide à refouler en un écoulement tangentiel à la surface de la paroi est disposé dans la région d'entrée de la chambre de séparation (7), en ce qu'un collecteur de gaz (14) se trouvant dans la région 20 de l'arbre de pompe (8) est disposé dans la région de sortie de la chambre de séparation (7), et en ce que des ouvertures de passage (16) pour du fluide à refouler déchargé des gaz sont disposées entre le collecteur de gaz (14) et la paroi intérieure de la chambre de séparation (7). 3. Pompe centrifuge selon la revendication 1, caractérisée en ce que, 25 dans le cas de pompes centrifuges à plusieurs étages, la chambre de séparation (7) est disposée à la suite d'un premier rotor de chambre centrifuge et avant un étage de pompe (20) constitué d'un rotor et d'un dispositif déflecteur. 4. Pompe centrifuge selon une quelconque des revendications I à 3, 30 caractérisée en ce que des moyens de fixation (15) assemblent le collecteur de gaz (14) à la chambre de séparation (7). 5. Pompe centrifuge selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le collecteur de gaz (14) est lié en rotation à l'arbre de pompe (8). 6. Pompe centrifuge selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que des conduites d'évacuation des gaz (19) reliées avec l'espace intérieur du collecteur de gaz (14) sont montées dans les moyens de f xation (15) et/ou dans l'arbre de pompe (8).