Brevet FR2687739A1 — publié le 19930827

La présente invention se rapporte à une pompe centri- fuge auto-aspirantedu type de réalisation à un ou plusieurs étages, dans laquelle chaque étage comprend, côté pression, une enveloppe percée d'un orifice de sortie et munie d'un évidement pour une turbine rotative et, côté aspiration, un carter à canal latéral percé d'un orifice d'aspiration et doté d'un canal latéral. Dans des pompes à canaux latéraux de ce genre, le travail s'opérant depuis la turbine ouverte, dont les ailet- tes sont agencées en étoile, est répercuté uniquement sur une partie du flux refoulé, sur le flux en circulation et, à partir de ce dernier, sur le flux refoulé suite à un échan- ge d'impulsions s'effectuant dans le canal latéral Du fait que ce processus de répercussion du travail, par échange d'impulsions, se répète plusieurs fois sous la forme d'un écoulement tridimensionnel sur toute la longueur du canal latéral, des pompes à canaux latéraux permettent d'attein- dre une plus forte répercussion du travail que toutes les autres machines à circulation de fluides Néanmoins, à cau- se de leurs moindres rendements, elles sont principalement conçues pour des flux refoulés de petit volume, en permet- tant d'obtenir des pressions relativement fortes. Le fluide refoulé afflue vers la pompe par l'inter- médiaire du raccord d'aspiration et est animé d'un mouve- ment dans le canal latéral, et en particulier dans la tur- bine, ce qui marque le début de la répercussion du travail. Dans la roue mobile, le mouvement du fluide s'opère approximativement à la vitesse angulaire de la turbine et ce fluide est déplacé radialement vers la périphérie, par la force centrifuge, ce qui s'accompagne d'un accroissement de la composante périphérique de la vitesse théorique du fluide Le fluide sort de la turbine à vitesse accrue, en- tre les rayons, il pénètre dans le canal latéral et il transmet son impulsion motrice au fluide de moindre éner- gie motrice qui circule dans le canal latéral Il s'établit de la sorte, entre la turbine et le canal latéral, un flux circulatoire dans l'espace auquel un mouvement est imprimé dans la direction du refoulement; en concordance avec l'équation de continuité, une partie dufluide de faible éner- gie afflue alors simultanément dans la turbine, entre les rayons, en provenance du canal latéral. Une forte répercussion du travail est rendue possible grâce à la répétition multiple du processus d'échange d'im- pulsions sur toute la longueur du canal latéral, qui s'étend sur une plage du pourtour d'environ 270 à 3200. Dans des pompes connues à canaux latéraux, l'envelop- pe des étages, située côté aspiration, est percée d'un ori- fice,dans la zone duquel le flux refoulé afflue vers la tur- binesoit en provenance du carter d'aspiration, soit en pro- venance de l'étage précédent. Le carter situé côté pression est muni d'un canal la- téral Ce canal latéral débute au même emplacement que celui auquel l'orifice d'entrée est ménagé dans l'enveloppe des étages située côté aspiration Le canal latéral s'étend en- suite, selon une largeur et une profondeur identiques, sur une zone radiale d'environ 75 % à 80 %, puis s'achève dans l'orifice situé côté pression Un petit orifice est addi- tionnellement prévu pour le refoulement de l'air. Les turbines possèdent des ailettes rectilignes, c'est-à-dire que ces ailettes ne sont pas rétrécies Cela offre l'avantage de développer une faible poussée axiale. Des trous de compensation, additionnellement pratiqués dans le fond de la turbine, renvoient une part du flux refoulé vers l'enveloppe des étages, de manière à y former un palier hydrostatique, et ils font en sorte que la turbine soit équi- librée hydrauliquement Cela signifie que la poussée axiale et le palier hydrostatique ont simultanément pour effets que la turbine ne vient pas porter côté aspiration et se stabi- lise, en permanence, centralement entre l'enveloppe des éta- ges et le carter à canaux latéraux Les turbines ne sont pas fixées sur l'arbre de la pompe, c'est-à-dire qu'elles sont ajustées avec jeu Dans la pratique cependant, les conditions sont telles que, en fonction du fluide refoulé et de la du- rée de service, la turbine s'immobilise centralement sur l'arbre de la pompe et ne peut par conséquent plus "flotter" dans le sens axial. Dans ces pompes à canaux latéraux, les ailettes rec- tilignes des turbines se traduisent par le développement d'une petite poussée axiale dans le circuit hydraulique De surcroît, une compensation de la poussée axiale est assurée par les trous pratiqués dans le fond des turbines et la sur- face, située entre la turbine et l'enveloppe des étages, est conçue comme un palier hydrostatique Suite à la présence d'un seul et unique orifice, dans l'enveloppe des étages, un palier hydrostatique (film lubrifiant) assurément grand peut alors se former entre la turbine et l'enveloppe des étages, ce qui empêche ladite turbine de venir porter contre le carter situé côté aspiration Dans ce cas cependant, dans des conditions de refoulement extrêmes, par exemple lors de fortes impulsions de pression, lors de fluctuations de pres- sion, lors d'un fonctionnement de courte durée contre un conduit de pression fermé, ou bien lors d'un fonctionnement à sec, il peut advenir que la turbine vienne porter côté aspiration, sans en être empêchée, car la compensation de la poussée axiale ne fonctionne plus, et également du fait qu'un palier hydrostatique ne peut pas se former Cela fa- vorise l'usure affectant ces pompes connues à canaux laté- raux. Dans une autre pompe connue à canaux latéraux, le carter des canaux latéraux est disposé tant du côté aspira- tion que du côté pression L'orifice situé côté aspiration se trouve au début du canal latéral, ce canal latéral s'agrandit au voisinage de l'orifice situé côté aspiration, et ledit canal latéral présente ses largeur et profondeur maximales à l'extrémité dudit orifice situé côté aspira- tion Le canal latéral s'étend sur environ 75 % 80 % du pourtour A l'expiration du canal latéral situé côté aspi- ration, ce dernier se rétrécit sur un tronçon relativement court et est, de surcroît, dirigé vers l'intérieur observé dans le sens radial. L'enveloppe des étages qui est située côté pression se trouve derrière la turbineen considérant la direction de l'écoulement A l'emplacement auquel l'expiration du ca- nal latéral est disposée, côté aspiration, le côté pression est percé de l'orifice qui mène soit au carter de pression, soit à la partie de l'étage successif qui est située côté aspiration L'orifice est prolongé vers l'intérieur dans le sens radial, ou bien le côté pression comporte additionnel- lement un petit orifice d'évent grâce auquel la pompe à ca- naux latéraux peut évacuer l'air hors du système de conduits tubulaires situé côté aspiration. Les turbines de cette pompe à canaux latéraux de con- ception ancienne présentent des ailettes rétrécies Le ré- trécissement de ces ailettes est plus ou moins accentué en fonction de l'ampleur du flux hydraulique Le rétrécissement des ailettes se traduit par le fait que cette pompe à canaux latéraux permet d'atteindre un indice de pression supérieur, c'est-à-dire qu'on obtient une plus grande hauteur de refou- lement, pour chaque turbine, moyennant une même puissance hydraulique La turbine précitée a concomitamment pour ef- fet d'augmenter la poussée axiale Suite à la forte poussée axiale, il est nécessaire de caler rigidement les turbines sur l'arbre de la pompe, par exemple par matage ou boulon- nage, voire encore, comme par exemple dans des pompes en acier fin, grâce à l'utilisation de disques d'espacement appropriés qui absorbent la poussée axiale. Dans les types de pompes mentionnés en dernier lieu, l'on a additionnellement pratiqué, dans le fond de la turbi- ne, plusieurs trous de compensation hydraulique,qui achemi- nent additionnellement du fluide refoulé, du côté pression vers le côté aspiration, pour conférer ainsi une meilleure lubrification des surfaces situées côté aspiration La di- rection de l'écoulement du fluide refoulé s'étend du côté aspiration au côté pression Le fluide refoulé est alors soumis à un accroissement de pression entre la turbine et la partie du carter située côté aspiration Le fluide re- foulé est dévié à l'expiration du canal latéral situé côté aspiration, puis ce fluide traverse la turbine pour parve- nir à l'orifice menant au côté pression. Dans cette pompe à canaux latéraux de conception an- cienne, la poussée axiale s'opère en direction du côté as- piration, c'est-à-dire en direction du carter des canaux la- téraux Du fait de l'interruption du canal latéral, entre la turbine et la partie du carter située côté aspiration, un palier hydrostatique ne se forme que de manière insatis- faisante Ainsi, c'est à peine s'il se forme un film lubri- fiant, ce qui implique une augmentation de l'usure qui est accrue davantage encore par la forte poussée axiale Pour contrecarrer cette usure, il est impératif que les turbines soient arrêtées sur l'arbre de la pompe Certes, les trous de compensation ménagés dans le fond de la turbine favori- sent l'apparition d'un film lubrifiant, mais ne peuvent tou- tefois pas interdire la poussée axiale La présence du canal latéral implique que la surface de glissement est très mo- deste, dans la partie située côté aspiration, si bien qu'au- cun palier hydrostatique adéquat ne peut se former L'arrêt de la turbine permet, certes, d'obtenir une consignation à demeure précise de cette turbine entre les deux parties hy- drauliques, mais le démontage et le montage de cette pompe à canaux latéraux sont rendus en contrepartie plus compli- qués, car ils présupposent un grand savoir-faire, de sorte que le remplacement de turbines usées est notamment lié à de très grandes difficultés. En se fondant sur une pompe à canal latéral dont le canal latéral est situé côté aspiration, l'invention a pour objet de fournir une pompe à canaux latéraux permettant d'évi- ter les inconvénients des pompes plus anciennes et permet- tant d'obtenir par rapport aux pompes connues, outre un in- dice de pression supérieur et un rendement supérieur, un comportement d'aspiration amélioré et une atténuation des bruits. Conformément à l'invention, cet objet est atteint par le fait que le canal latéral est ménagé uniquement dans le carter de pompage situé côté aspiration, et l'orifice d'as- piration est directement relié à la partie initiale dudit canal latéral; par le fait que l'enveloppe située côté pres- sion est percée, dans la région de l'orifice d'aspiration, d'un orifice de renvoi du fluide; par le fait qu'est dispo- sée sur l'arbre de la pompe uné roue de turbine, dont la rotation est interdite par rapport à cet arbre, mais qui peut coulisser axialement en formant un interstice précis à l'aide d'éléments de butée; et par le fait que les ailettes de la turbine sont pourvues d'un rétrécissement qui accuse, considéré à partir du côté pression, un décalage vers l'ar- rière par rapport au sens de rotation. Le canal latéral,disposé uniquement côté aspiration, améliore le comportement d'aspiration du fluide devant être refoulé, en coopérant avec l'orifice d'aspiration qui est pratiqué sur la partie initiale du canal latéral et est re- lié à ce dernier, et il provoque une arrivée améliorée du flux sur les ailettes, ce qui implique une atténuation des bruits Dès le début, le canal latéral est empli de fluide auxiliaire par l'intermédiaire de l'orifice de renvoi du fluide qui est pratiqué dans l'enveloppe des étages située côté pression, de sorte que le canal latéral est intégrale- ment utilisé pour la délivrance du fluide auxiliaire, et que le comportement de la pompe à l'aspiration s'en trouve da- vantage amélioré Le rétrécissement des ailettes prodigue un indice de pression supérieur, ce qui a pour effet d'amélio- rer le rendement La disposition centrale précise des turbi- nes donne naissance à des interstices égaux, aux deux faces extrêmes desdites turbines, améliorant ainsi les conditions d'écoulement à l'intérieur de la pompe, et les propriétés de fonctionnement de cette pompe. Le rendement de la pompe est encore amélioré grâce au fait que, en plus du rétrécissement des ailettes de la tur- bine, l'orifice de sortie, ménagé dans l'enveloppe des éta- ges du côté pression, est agencé selon un angle adapté à l'inclinaison desdites ailettes; les surfaces de l'orifice de sortie sont alors simultanément arrondies Cet agencement a pour résultat d'améliorer la résistance à l'écoulement dans la région de l'orifice de sortie, tout en améliorant simultanément la transition entre le côté aspiration et le côté pression. En outre, conformément à l'invention, le rétrécisse- ment des turbines, accusant un décalage vers l'arrière, peut avantageusement s'étendre selon un angle compris entre 10 et 300, de préférence entre 18 et 24 . Selon l'invention, l'orifice de sortie, situé côté pression, présente de préférence une obliquité de sortie qui correspond à l'angle du rétrécissement des ailettes de la turbine. D'après l'invention, l'orifice de renvoi du fluide peut être judicieusement ménagé, dans le sens radial, sen- siblement au centre de l'orifice d'aspiration, et recouvrir partiellement cet orifice d'aspiration dans le sens axial. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'en- veloppe de l'étage peut être avantageusement percée, dans la région de la partie finale du canal latéral, d'un orifice supplémentaire de sortie d'air occupant une position centra- le entre ladite partie finale et le milieu de la pompe cen- trifuge. L'indice de pression supérieur autorise une économie en étages de pompage moyennant une puissance identique, de sorte que la complexité structurelle devient moindre et que, de ce fait, la fabrication de la pompe devient moins onéreu- se L'indice de pression supérieur, s'accompagnant en même temps d'un plus grand rendement, confère une économie en puissance d'entraînement ayant également pour effet de ren- dre moins onéreux le fonctionnement de la pompe Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que la pompe à canaux latéraux peut être montée et démontée plus aisément grâce à la présence des turbines pouvant coulisser dans le sens axial, si bien que le remplacement de pièces usées peut être exécuté sur place, par des non-spécialistes La pompe à canaux latéraux conforme à l'invention offre, globalement, une sûreté de fonctionnement accrue. L'invention va à présent être décrite plus en détail, à titre d'exemple nullement limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe fragmentaire d'une pompe centrifuge à trois étages; la figure 2 illustre fragmentairement un étage de pompage; la figure 3 est une élévation de la face interne du carter muni du canal latéral; la figure 4 est une élévation de la face interne de l'enveloppe des étages; et la figure 5 est une illustration, à échelle agrandie, de l'enveloppe des étages associée à la turbine. La figure 1 représente trois étages de pompage 2 à 4 d'une pompe centrifuge 1, sans illustrer les raccords d'aspiration et de pression, ni l'entraînement de la pompe. Des turbines 5, tournant dans la direction d'une flèche 24 portée sur les figures 3 et 4, sont disposées sur un arbre 6 avec, par rapport à cet arbre, verrouillage antirotation,-mais fa- culté de coulissement Suite à un agencement rétréci d'ailettes 17 des turbines 5, une poussée axiale est développée dans la direc- tion d'une flèche 21 Des éléments de butée 7 et 8 sont pré- vus pour éviter que les turbines 5 viennent porter contre un carter 12 à canal latéral, et pour garantir simultanément des interstices égaux 9 des deux côtés de la turbine 5. L'élément de butée 7 est intégré rigidement dans le carter 12 L'élément de butée 8 est assujetti à la turbine 5, avec laquelle il accomplit ses rotations Les éléments de butée 7, 8 peuvent, pour prévenir l'usure, consister en de la cé- ramique d'oxvde(s) Une enveloppe 10 des étages, située côté pression, présente un évidement 22 pour la turbine rotative et est percée, dans une paroi 23, d'un orifice de sortie 11 qui s'étend à l'oblique selon un angle O 2, avec des sur- faces arrondies 18 (figure 5) Le carter 12, situé côté as- piration, est doté d'un canal latéral 13 s'étendant d'une partie initiale 15 jusqu'à une partie finale 20 Un orifice d'aspiration 14 est pratiqué dans la région de la partie initiale 15 et est relié au canal latéral 13 Un orifice 16 de renvoi du fluide, ménagé dans l'enveloppe 10 située côté pression, est associé à l'orifice d'aspiration 14 L'enve- loppe 10 est par ailleurs percée d'un orifice 19 de sortie d'air, situé entre l'arête intérieure du canal latéral 13 et le moyeu de la turbine 5 Les ailettes 17 de cette turbi- ne 5 sont réalisées pourvues d'un rétrécissement qui s'étend selon un angle a, (figure 5) et accuse par conséquent, con- sidéré à partir du côté pression, un décalage vers l'arrière par rapport au sens de rotation 24. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la pompe centrifuge décrite et représentée, sans sortir du cadre de l'invention. -R E V E N D I C A T I O N S- 1 Pompe centrifuge auto-aspirante du type de réali- sation à un ou plusieurs étages, dans laquelle chaque étage comprend, côté pression, une enveloppe percée d'un orifice de sortie et munie d'un évidement pour une turbine rotative et, côté aspiration, un carter à canal latéral percé d'un orifice d'aspiration et doté d'un canal latéral, pompe ca- ractérisée par le fait que le canal latéral ( 13) est ménagé uniquement dans ledit carter ( 12) et l'orifice d'aspiration ( 14) est directement relié à la partie initiale ( 15) dudit canal latéral ( 13); par le fait que l'enveloppe ( 10) située côté pression est percée, dans la région de l'orifice d'as- piration ( 14), d'un orifice ( 16) de renvoi du fluide; par le fait que sur l'arbre ( 6) de-la pompe est disposée une turbine ( 5), dont la rotation est interdite, par rapport â 9 cet arbre mais qui peut effectuer un coulissement axial, en formant des interstices précis ( 9) au moyen d'éléments de butée ( 7, 8); et par le fait que les ailettes ( 17) de la turbine ( 5) sont pourvues d'un rétrécis- sement qui accuse, considéré à partir du côté pression, un décalage vers l'arrière par rapport au sens de rotation ( 24). 2 Pompe centrifuge selon la revendication 1, carac- térisée par le fait que le rétrécissement des turbines, ac- cusant un décalage vers l'arrière, s'étend selon un angle (a.) compris entre 100 et 300, de préférence entre 18 et 240. 3 Pompe centrifuge selon les revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que l'orifice de sortie ( 11), si- tué côté pression, présente une obliquité de sortie (a 2) qui correspond à l'angle (a,) du rétrécissement des ailettes ( 17) de la turbine ( 5). 4 Pompe centrifuge selon la revendication 3, carac- térisée par le fait que l'orifice de sortie ( 11) comporte des surfaces arrondies ( 18). Pompe centrifuge selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisée par le fait que l'orifice ( 16) de renvoi du fluide est ménagé, dans le sens radial, sensi- il blement au centre de l'orifice d'aspiration ( 14), et recou- vre partiellement cet orifice d'aspiration ( 14) dans le sens axial. 6 Pompe centrifuge selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisée par le fait que l'enveloppe ( 10) de l'étage est percée, dans la région de la partie fi- nale ( 20) du canal latéral ( 13), d'un orifice supplémentaire ( 19) de sortie d'air occupant une position sensiblement cen- trale entre ladite partie finale ( 20) et le milieu de la pompe centrifuge.