Brevet FR2640328A1 — publié le 19900615

ROTOR A PALES POUR POMPE DU TYPE CENTRIFUGE, POMPE ET MELANGEUR EN FAISANT APPLICATION La présente invention est relative à La construction des rotors à pales de pompes centrifuges utilisables dans de nombreux domaines d'application et elle vise, plus particulièrement, les rotors de pompes réservées au transfert de mélange à base de produits liquides et de produits pulvérulents et/ou granuleux et/ou à base de fragments solides, que ces produits soient hétérogènes ou homogènes dans leur composition, ainsi que dans la granulométrie générale de leurs composants. Les pompes du type centrifuge sont composées d'un carter ou d'une enveloppe délimitant une tubulure d'aspiration généralement axiale et une tubulure de refoulement à direction radiale ou tangentielle faisant suite à une volute de centrifugation. Le carter ou enveloppe porte un arbre tournant lié, extérieurement au carter, à un organe moteur approprié Bt, intérieurement au carter, à un rotor à pales d'aspirationrefoulement à effet centrifuge disposé dans la volute pour que son axe de rotation soit sensiblement aligné avec la tubulure d'aspiration. De telles pompes sont connues pour faire naître trois types de problèmes. Le premier est la cavitation qui se produit lorsque, par suite du mouvement imprimé par le rotor au mélange aspiré et refoulé, la pression, dans ledit fluide, devient inférieure à sa tension de vapeur. Il se produit alors des cavités remplies de vapeurs ou de gaz qui sont responsables de perte de rendement, voire de destruction partielle du rotor. Le second est celui découlant de la présence d'un cyclone d'air occupant la zone centrale de basse pression correspondant à l'oeil de la veine d'aspiration entre la tubulure et le rOtor. La formation de ce cyclone résulte de la concentration de bulles gazeuses incluses dans le mélange transféré ou encore de la présence de fuites aux différents plans de joints. En raison d'un régime de transfert peu satisfaisant entre la tubulure d'aspiration et celle de refoulement, les bulles gazeuses se concentrent sous la forme d'un cône centré sur l'axe de rotation du rOtor. L'augmentation du diamètre de la grande base de ce cône d'air réduit le débit ou le rendement de la pompe. Le troisième problème découle, en partie, du précédent et correspond à un désamorçage de la pompe lorsque le diamètre de la zone basse pression ou oeil situé dans le plan de changement de trajectoire entre la buse d'aspiration et le rotor croit au-delà du diamètre de ce dernier. Ce phénomène de désamorçage est préjudiciable au fonctionnement de la pompe elle-même, à sa longévité, ainsi qu a l'alimentation des différents organes qui sont disposés en aval. Les phénomènes ci-dessus résultent d'une inadaptation structurelle du rotor aux fonctions d'aspiration et de transfert s'établissant selon des directions d'écoulement différentes qui doivent être imposées aux produits aspirés et refoulés entre la tubulure d'aspiration et la tubulure de refoulement. Ces phénomènes découlent, également, de l'inadaptation structurelle des rotors connus à la réalité de la circulation complexe imposée au produit aspiré et refoulé, à partir du moment ou ce produit pénètre dans le carter ou enveloppe pour être pris en charge par le rotor. La présente invention a, justement, pour objet de remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant une nouvelle structure de rotor à pales, particulièrement conçue pour abaisser le seuil de cavitation, éliminer la formation d'un cyclone d'air, même en présence de bulles gazeuses incluses ou-de fuites, et éviter, dans la zone d'aspiration, la présence d'un oeil basse pression dont le diamètre peut croitre au point d'atteindre celui du rotor. Pour atteindre les objectifs ci-dessus, le rotor à pales conforme à l'invention est caractérisé en ce que chaque pale est conformée pour présenter : - un bord inférieur de forme conjuguée au fond auquel il est racordé et qui présente perpendiculairement à l'axe de rotation du rotor une courbure continue dont la convexité est tournée dans le sens de rotation, - une partie dite centrale par rapport au moyeu et conformée pour assumer une fonction de succion, - une partie médiane sensiblement plane assumant une fonction de recirculation, - une partie dite de périphérie conformée pour assumer une fonction de centrifugation. L'invention a, également, pour objet une pompe du type centrifuge équipée d'un rotor à pales du type ci-dessus. L'invention a, encore, pour objet un mélangeur de produit liquide etlou pulvérulent et/ou granuleux et/ou à base de fragments solides comportant un premier rotor d'aspiration du produit pulvérulent, granuleux ou solide et-un second rotor à pales responsable de l'aspiration du produit liquide auquel le ou les produits pulvérulents, granuleux et/ou solides doivent être incorporés en proportion déterminée. Diverses autres caractéristiques ressortent des la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une coupe-élévation axiale d'une pompe du type centrifuge équipée d'un rotor à pales conforme à l'invention. La fig. 2 est une coupe transversale prise sensiblement selon la ligne brisée II-II de la fig. 1. La fig. 3 est une perspective illustrant, plus précisément, la conformation structurelle des pales du rotor selon l'invention. Les fig. 4 et 5 sont des vues transversales prises respectivement selon les lignes IV-IV et V-V de la fig. 2. Les fig. 6 à 9 sont des coupes de niveau prises, à échelle différente, respectivement selon les lignes VI-VI à IX-IX de la fig. 1. La fig. 10 est une coupe-élévation représentant, de façon schématique, un mélangeur faisant application d'un rotor conforme à l'invention. Les fig. 1 et 2 montrent, à titre d'exemple d'application, une pompe 1 du type centrifuge comportant un carter 2 représenté schématiquement sous la forme d'une pièce monobloc. Il doit, bien entendu, être considéré que ce carter 2 peut être réalisé de plusieurs façons différentes à partir de pièces assemblées selon les techniques connues ne faisant pas partie directement de l'invention. Le carter 2 comporte, principalement, deux parois 3 et 4 qui sont réunies par une volute périphérique 5 aboutissant à une tubulure de refoulement 6 pourvue d'une bride de raccordement. La paroi 3 délimite une ouSe 7 d'aspiration qui est bordée par une tubulure de raccordement 8. L'ouie 7 est, de préférence, ménagée coaxialement à un palier 9 présenté par la paroi 4 pour supporter, de façon étanche, un arbre tournant 10. La partie terminale de l'arbre 10 extérieure à la paroi 4 est liée axialement et mécaniquement à un organe moteur non représenté. La partie terminale de l'arbre 10, située à l'intérieur du carter 2, porte un rotor à pales Il disposé dans l'axe et en regard de l'ouste 7 et à distance d de la paroi 3.La distance d est déterminée en fonction, soit de la granulométrie des corps solides devant être ou pouvant être aspirés et refoulés, soit encore de la taille de corps étrangers susceptibles d'être incorporés au mélange à transférer. Selon l'invention, le rotor à pales est constitué par un plateau 12 possédant une face plane 13 perpendiculaire à l'axe de rotation x-x' et disposé en relation de proximité avec la face interne de la paroi 4. Le plateau 12 comporte, à l'opposé de la face 13, une seconde face 14 en forme dénommée "fond" dans ce qui suit. La face 14 se développe sensiblement sous une forme partielle toroidale entre un bossage central 15, sensiblement tronconique correspondant au moyeu 16 du rotor, et un bord périphérique 17 situé dans le plan P1 du sommet du bossage 15, un tel plan étant parallèle à la face 13. Selon l'invention, le fond 14 présente donc la forme d'une gorge annulaire ouverte dans le plan P1 et dont la section radiale est caractérisée par une forme en ellipse ou encore en segment de spirale logarithmique. La gorge annulaire délimitée par le fond 14 est occupée par un nombre n de pales 18 équidistantes angulairement, solidaires du fond 14 et s'étendant de façon sensiblement radiale. Le nombre n, qui peut être indifféremment pair ou impair, est préférentiellement égal à six. Chaque pale 18 est conformée pour comporter un bord inférieur 19, de forme conjuguée à la section radiale de la gorge annulaire ouverte que définit le fond 14, de manière à pouvoir y être emboîté. Chaque pale 18 est, par ailleurs, conformée pour que te bord inférieur 19 présente une courbure continue de rayon R, dont la convexité est tournée dans le sens de rotation du rotor 11 schématisé par la flèche f1. Comme cela ressort plus particulièrement des fig. 2 à 5, chaque pale 18 est, en outre, conformée pour comporter un bord supérieur 21 régulier, de préférence, plan. La hauteur maximale H de chaque pale 18 est choisie de préférence pour que le bord supérieur 21 s'inscrive dans le plan P1. En d'autres termes, la hauteur H de chaque pale 18 correspond à la profondeur maximale p de la gorge annulaire ouverte définit par le fond 14. Chaque pale 18 est, par ailleurs, conformée pour comporter une partie A dite extrême de centre par référence au bossage 15 qu'elle peut jouxter sensiblement comme illustré par la fig. 2 ou auquel elle peut être raccordée totalement. La partie A est conformée pour être infléchie depuis le bord inférieur dans le sens direct par rapport au sens de rotation selon la flèche f1, afin d'assumer une fonction de succion, tel que cela ressort de ce qui suit. Chaque pale 18 est, par ailleurs, conformée pour comporter une partie 8, sensiblement plane, dite médiane, dont le plan P2 est sensiblement perpendiculaire au plan P1. Chaque pale 18 est, en outre, conformée pour comporter une partie C, dite extrême de périphérie, se raccordant au bord 17. La partie C est inclinée dans le sens rétrograde pour assumer une fonction de centrifugation.Chaque pale 18 est également conformée pour comporter, supplémentairement, deux parties intermédiaires D et E, dite de raccordement entre, d'une part, les parties A et B et, d'autre part, les parties D et C. Les différentes parties A à E de chaque pale 18, hormis la partie B qui peut être considérée comme de forme régulière et constante entre le bord inférieur 19 et le bord supérieur 21, présentent des conformations évoluant entre ces deux bords. Les fig. 3 à 9 mettent en évidence ces évolutions de forme qui peuvent être plus précisément appréciées à partir des sections tranversales fictives S1 å S6 selon la fig. 3 et des coupes de niveau selon les fig. 6 à 9. La partie A se caractérise par une inflexion dans le sens direct, de manière à présenter, comme cela est plus particulièrement illustré par la fig. 4, une face d'attaque courbe, creuse 22 évoluant progressivement entre le bord inférieur 19 et la partie 21a correspondante du bord supérieur. La partie A est, par ailleurs, conformée pour que la direction générale de la partie 21a du bord supérieur présente, dans le plan P1, une inclinaison générale a avec le plan P2 de la partie médiane, comme cela apparaît plus précisément à la fig. 6. La fig. 3 par les sections S1 et Sz et la fig. 4 permettent d'illustrer l'évolution de la surface 22, laquelle ne peut être exactement définie par une description. La partie D de raccordement entre la partie A et la partie médiane B évolue, elle aussi, progressivement depuis le bord inférieur 19 jusqu'à une partie 21d de bord supérieur-. La direction générale de la partie 21d fait un angle ss avec le plan P2, comme cela appariait à la fig. 6. L'examen des fig. 6 à 9 permet de constater que la partie de raccordement t > établit, entre les parties A et B, une transition sur les deux faces à base de congés de raccordement 25 et 26 supprimant toute arête vive. Les fig. 6 à 9, ainsi que les sections figurées S3 et S4 selon la fig. 3, permettent de constater qu'hormis la variation de hauteur, la partie médiane B se caractérise par une forme plane de section droite transversale sensiblement constante définie par le plan P2 perpendiculaire au plan P1. La section C se caractérise comme dit précédemment par une inclinaison de sens rétrograde par rapport à la flèche f1. Cette inclinaison, illustrée par la fig. 5 et par les sections et S6 de la fig. 3, peut être considérée comme matérialisée par une direction rectiligne faisant, avec le plan P1, un angle y, de préférence, égal à 750 La partie C se caractérise également par une seconde inclinaison en considération du plan P2 par rapport auquel elle présente une inclinaison 6 conférée par la courbure de rayon R du bord inférieur 19. L'inclinaison 6, considérée plus spécifiquement en relation avec la naissance de la partie C s'élevant à partir du bord inférieur 19 avoisine, de préférence, o 15 . Cette caractéristique apparait plus précisément en comparaison des fig. 6 à 9.La partie C est, aussi, caractérisée par l'angle e fait par la direction générale du bord supérieur 21c avec le plan P2 et qui est visible sur le dessin annexé. La partie E intermédiaire entre les parties B et C évolue progressivement depuis le bord inférieur 19 jusqu a ta partie 21e du bord supérieur. Cette partie E est raccordée, aux parties adjacentes B et C, par des congés 27 et 28. La conformation particulière des différentes pales 18 permet de leur faire assumer les fonctions suivantes dès la rotation dans le sens de la flèche f1 du rotor 11. En considérant que le fluide à transférer est schématisé par la flèche F aux fig. 1, 3, 4 et 5, on comprend que par la rotation dans te sens de la flèche f1, les parties A assument par les faces courbes, creuses 22 une fonction d'aspiration selon la direction axiale x-x' en forçant la fraction de mélange attaqué par ta partie du bord supérieur 21a à suivre une direction axiale pour assurer son entraînement en direction du fond 14. Simultanément, le profil des différentes faces 22 induit une composante de glissement radial se combinant au changement de trajectoire qui est imposée par la section droite transversale elliptique du fond 14. Ainsi, les différentes parties A des pales 18 définissent une section circulaire d'aspiration entretenant le déplacement axial du fluide qui est ensuite, après prise en charge par les parties de bord supérieur 21a, soumis à une composante radiale provoquant, sans rupture brutale de sa trajectoire, un déplacement en direction radiale pour être prise en charge et poussée par les différentes parties médianes B. La courbure du bord inférieur 19 favorise un déplacement radial centrifuge qui est accentué par la forme du fond 14 refluant le produit transféré en direction du plan P. Avant d'atteindre ce plan, les parties C des différentes pales 18 agissent par centrifugation pour projeter le fluide à l'intérieur de la volute 5 ou, par la rotation du rotor, il est accéléré dans le sens de la flèche f1 pour être évacué par la tubulure 6. Ainsi, par la conformation particulière des pales et du fond du rotor, une fonction de succion ou d'aspiration intervient réellement dès la rotation du rotor par les parties A des différentes pales 18. Cette action se transforme progressivement en déplacement radial par l'action combinée des faces 22 des parties A et de la forme du fond 14. Lorsque le transfert de déplacement selon une direction radiale est intervenu, les parties médianes contribuent à l'accélérer afin de fournir, sans rupture brutale de direction de circulation, des veines fluides qui sont prises en charge et centrifugées par les parties extrêmes de périphérie C. Par les moyens ci-dessus, il devient possible de réduire, voire supprimer l'existence d'un cyclone d'air centrale axé sur le bossage 15, étant donné que la fonction des parties A permet d'assurer une aspiration positive tant du produit fluide en mélange que des inclusions gazeuses. Il devient également possible d'établir un écoulement plus progressif du mélange et de supprimer les zones locales de moindres pressions susceptibles d'être responsables de l'apparition du phénomène de cavitation intervenant dans les écoulements tourbillonaires et hétérogènes. Il devient, également, possible de réduire les risques de désamorçage en limitant la croissance de l'oeil basse pression dans le plan d'aspiration, en raison de la fonction effective de prise en charge et d'aspiration assumée par les parties A. il est considéré que les parties-médianes B sont également responsables d'une recirculation interne partielle du produit à transférer. Cette recirculation partielle s'assimile à une fonction de gavage de la zone ou oeil de basse pression pour contribuer à maintenir cette zone en relation avec la section circulaire des différentes parties A, quelle que soit la demande de consommation qui pourrait être imposée à la pompe par le fonctionnement des appareils ou installations qu'elle alimente. Des conditions de fonctionnement particulièrement satisfaisantes ont été obtenues en prévoyant de réaliser chaque pale 18, de manière que la partie A, éventuellement prolongée par la partie intermédiaire B, s'étende sur une distance comprise entre 30 et 60 % de la longueur radiale totale de la pale. Des conditions très satisfaisantes ont été obtenues en conférant à la partie A, éventuellement prolongée par la partie D, une longueur radiale sensiblement égale au rayon de l'ouie 7. Les fig. 1 et 2 prises en exemple précédemment n'ont aucun caractère limitatif de construction. Il pourrait, en effet, être envisagé de réaliser une pompe centrifuge en adoptant une architecture structurelle différente dans Laquelle le rotor 11, conforme à l'invention, serait disposé différemment en étant, par exemple, situé dans un volume face ouverte et non pas dans un carter enveloppant. Dans le cas de construction d'une pompe centrifuge possédant un carter 1 du type de celui représenté aux fig. 1 et 2, il est avantageux, plus particulièrement dans le cas d'application au transfert d'un mélange à base d'un liquide ou gel et de produits pulvérulents granuleux et/ou solides incorporés, d'adopter une construction telle que la distance d, entre le plan P1 et la face interne de la paroi 3 délimitant l'ouie d'aspiration 7, soit comprise entre 1 et 1,8 fois la profondeur du fond 14 ou encore la hauteur des différentes pales 18. La fig. 10 montre un exemple particulier d'application selon lequel le rotor 11 conforme à l'invention constitue le rotor inférieur d'un appareil mélangeur 30 comprenant, calé sur le même arbre dtentrainement, un rotor supérieur 32 chargé d'assurer l'aspiration, à partir d'une trémie 33, d'un produit pulvérulent mélangé dans la zone moyenne de centrifugation 34 au produit liquide ou gel aspiré par le rotor 11 a partir d'une tubulure d'admission 35. Les deux rotors 11 et 32 sont, dans un tel cas, disposés à l'intérieur d'un carter 36 possédant un orifice de sortie 37 à partir duquel est refoulé le mélange homogène des deux produits. Une application directe du rotor selon l'invention concerne le domaine des services pétroliers et para-pétroliers. Un appareil mélangeur 30 est, notamment, décrit dans les demandes de brevet français nO 86-04 670 et 86-04 671 déposées le 27 mars 1986, dont l'enseignement est incorporé ici pour référence. Une autre application du rotor selon l'invention concerne les pompes centrifuges utilisées dans les services pétroliers et para-petroliers, notamment sur les unités de cimentation et analogues. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS I - Rotor à pales pour pompe du type centrifuge, comprenant un plateau (12) qui est adaptable par un moyeu sur un arbre d'entraînement (10) tournant et qui présente, à l'opposé de cet arbre et pour l'appui de pales (18) équidistantes angulairement et occupant chacune une direction sensiblement radiale, un fond (14) de forme partiellement toroidale, caractérisé en ce que chaque pale (18) est conformée pour présenter - un bord inférieur (19) de forme conjuguée au fond (14) auquel il est raccordé et qui présente, perpendiculairement à l'axe de rotation du rotor, une courbure continue dont la convexité est tournée dans le sens de rotation, - une partie (A) dite centrale par rapport au moyeu et conformée pour assumer une fonction de succion, - une partie médiane (B) sensiblement plane assumant une fonction de recirculation, - une partie (C) dite de périphérie conformée pour assumer une fonction de centrifugation. 2 - Rotor à pales selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque (18) pale comporte - une partie centrale (A) infléchie depuis le bord inférieur (19) dans le sens direct par rapport au sens de rotation du rotor, - une partie médiane (B) dont le plan (P2) est sensiblement perpendiculaire au plan de rotation du rotor, - une partie (C) de périphérie inclinée depuis le bord inférieur, dans le sens rétrograde par rapport au sens de rotation du rotor, - et des parties (D et E) intermédiaires de raccordement évoluant depuis le bord inférieur (19) entre respectivement les parties centrales et médiane et les parties médiane et de périphérie. 3 - Rotor à pales selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie centrale (A) de succion évolue depuis le bord inférieur (19) jusqu'a un bord supérieur (21) pour présenter dans le sens direct une face courbe creuse (22). 4 - Rotor à pales selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie centrale (A) de succion évolue depuis Le bord inférieur (19) jusqu'à un bord supérieur (21a) présentant, dans un plan prependiculaire à l'axe de rotation, une inclinaison générale (a) par rapport à la direction générale (P2) du bord supérieur (21b) de la partie médiane (B). 5 - Rotor à pales selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie centrale (A) est raccordée à la partie médiane (B) par une partie intermédiaire (D) évoluant depuis sensiblement le bord inférieur (19) jusqu'à un bord supérieur (21d) se raccordant à ceux des parties centrale et médiane et faisant, avec la direction générale de celui de la partie médiane, un angle (B). 6 - Rotor à pales selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie de périphérie (C) est inclinée en sens rétrograde selon une direction faisant un angle (y) sensiblement égal à 750 par rapport au plan de la partie médiane. 7 - Rotor à pales selon la revendication 1 ou 6, caractérisé en ce que la partie de périphérie (C) est raccordée à la partie médiane (B) par une partie intermédiaire (E) évoluant depuis sensiblement le bord inférieur (19) jusqu'a un bord supérieur (21c) se raccordant à ceux des parties de périphérie et médiane et faisant, avec la direction générale de celui de la partie médiane, un angle (6). 8 - Rotor à pales selon l'une des revendications 1, 6 ou 7, caractérisé en ce que la partie de périphérie (C) évolue sensiblement depuis le bord inférieur jusqu'à un bord supérieur dont la direction générale fait avec celle du bord supérieur de la partie médiane un angle (E). 9 - Rotor à pales selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la partie centrale (A), éventuellement prolongée par la partie (t > ) intermédiaire de raccordement à la partie médiane, s'étend sur une distance comprise entre 30 et 60 % de la longueur radiale de la pale. 10 - Rotor à pales selon l'une des revendications 1 à 5 et 9, caractérisé en ce que la partie centrale (A), éventuellement prolongée par la partie intermédiaire de raccordement à la partie médiane, s'étend sur une distance environ égale au rayon de la section de l'ouie d'admission (7). 11 - Rotor à pales selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les différentes parties de la pale (18? possèdent des bords supérieurs situés dans un même plan perpendiculaire à l'axe de rotation. 12 - Rotor à pales selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fond (14) du rotor (11) est de forme sensiblement elliptique ou en segment de spirale logarithmique. 13 - Rotor à pales selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque pale (18) comporte une extrémité de partie centrale (A) située à distance d'un bossage de révolution (15) présenté par le centre du fond en.correspondance du moyeu (16). 14 - Rotor à pales selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque pale (18) comporte une extrémité de partie centrale (A) se raccordant à un bossage de révolution présenté par le centre du fond en correspondance du moyeu. 15 - Pompe du type centrifuge à fonction spécifique principale d'aspiration et/ou de refoulement de produits liquides et/ou pulvérulents et/ou granuleux, homogènes ou non, caractérisée en ce qu'elle comprend un carter (2) possédant une ouie d'aspiration t7) et une ouie de refoulement (6), et supportant un arbre tournant (10) lié à un organe moteur et portant un rotor (11) à pales (18) selon l'une des revendications 1 à 14. 16 - Pompe selon la revendication 15, caractérisée en ce que le plan (P1 > du rotor passant par les bords supérieurs des pales (18) est distant axialement de l'ouie d'aspiration d'une mesure (d) comprise entre 1 et 1,8 fois la hauteur maximale des pales. 17 - Mélangeur de matières, du type centrifuge comportant dans un carter (35) un premier rotor (32) réservé à la centrifugation d'une matière pulvérulente et/ou granuleuse et, en opposition avec ce premier rotor, un second rotor (11) réservé à la centrifugation d'une matière à caractère liquide ou gel, les deux rotors étant liés axialement et angulairement à un arbre (31) d'entrainement en rotation, caractérisé en ce que le second rotor est du type selon L'une des revendications 1 à 14. 18 - Mélangeur selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il est destiné à mélanger une poudre de ciment pétrolier et de l'eau ou un autre fluide de mélange, pour l'obtention d'un laitier de ciment.