Brevet FR2697870A1 — publié le 19940513

POMPE AXIALE A FAIBLE DEBIT DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne les pompes axiales ou hélico-axiales, de préférence multi-étagées utilisées pour le pompage de fluides souvent polyphasiques. On peut citer en particulier le pompage des effluents constitués d'un mélange de pétrole et de gaz de pétrole dans le cadre des exploitations de gisements de pétrole et en particulier de gisements en mer. DEFINITIONS Pompe : dans le cadre de la présente demande, turbomachine capable de refouler un fluide dont la composition va du liquide pur au gaz pur, le terme de compresseur pouvant également être employé pour les fortes teneurs en phases gazeuses. Rapport de moyeu DILDE du rotor : quotient du diamètre intérieur DI du rotor (diamètre de l'arbre au pied des pales ou des impulseurs) sur le diamètre extérieur du rotor DE (diamètre à l'extrémité des pales ou des impulseurs du rotor). Le labyrinthe à forte perte de charge a également pour dénomination : piston suédois. ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSE Dans le cadre de l'exploitation des différents gisements pétrolifères marins, les effluents contenant à la fois du pétrole liquide et du gaz de pétrole sont évacués directement vers la côte ou vers une plate-forme existante située à distance. En conséquence, il s'avère nécessaire de disposer de pompes capables d'évacuer, à partir du gisement, plusieurs dizaines de mètres cubes d'effluent par heure. On utilise dans ce cas souvent des pompes axiales ou hélico-axiales multi-étagées. En référence à la figure 1, ce type de pompe axiale peut être constitué principalement d'un corps constituant le stator 2 à l'intérieur duquel est monté un rotor 5 tournant autour d'un axe principal 1 de la pompe. Le mélange polyphasique ou biphasique entre dans la pompe par une entrée 6, pratiquée dans une bride d'entrée 7. Il est ensuite réparti dans l'intervalle compris entre le stator 2 et le rotor 5 pour sortir par une sortie 4 pratiquée dans une bride de sortie 8. La pompe est entraînée par un moteur, non représenté, entraînant l'arbre 9 du rotor 5. L'ensemble de la pompe est maintenu axialement par plusieurs tirants 3 agissant sur les deux brides d'extrémités 7 et 8. Les éléments opérationnels qui agissent directement sur le mélange polyphasique sont, d'une part les impulseurs 10 constitués de pales montées fixes sur le rotor 5 et, d'autre part, des redresseurs 11 fixés à l'intérieur du stator 2 et intercalés entre les impulseurs 10. Dans les pompes actuellement utilisées, les impulseurs 10 sont constitués de pales de hauteurs constantes, c'est-à-dire que le rapport de moyeu DI/DE du rotor 5 est fixe. Or, le débit de la pompe est fonction, entre autre, de la hauteur de ces pales, c'est-à-dire de ces impulseurs 11. Lorsque l'on veut réaliser à partir d'une pompe de ce type des pompes ayant de faibles débits, on est souvent amené à diminuer la hauteur de ces pales ou impulseurs 10, c c'est-à-dire à augmenter le rapport de moyeu du rotor 5. Le diamètre interne D5 du stator 2 étant fixe, si la hauteur des impulseurs 10 diminue, le jeu radial J entre le stator 2 et les extrémités des impulseurs 10 augmente. Ceci aboutit à une perte complète de l'efficacité des impulseurs 10. Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient en permettant d'utiliser la structure des pompes axiales existant déjà, avec un diamètre intérieur D5 du stator 2, pour construire des pompes à faible débit, c'est-à-dire avec des impulseurs à faible hauteur, tout en gardant une efficacité convenable de la pompe. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'objet principal de l'invention est une pompe axiale à faible débit pour mélange biphasique, comportant - un rotor tournant autour d'un axe longitudinal de la pompe et autour duquel sont fixés des impulseurs dont la hauteur est limitée pour pomper qu'un faible débit, cette hauteur définissant par chaque extrémité des impulseurs, un diamètre externe-maximal DE déterminé ; et - un stator monté fixe autour du rotor et dont le diamètre interne Dus minimum est supérieur au diamètre externe maximal DE du rotor définissant ainsi un jeu annulaire. Selon l'invention, à l'extrémité externe des impulseurs, se trouve un carénage annulaire pour éviter que le mélange soit éjecté hors des impulseurs et éviter ainsi un phénomène de séparation centrifuge du mélange. De préférence un labyrinthe à forte perte de charge peut être prévu entre le carénage et le stator, dans le but de limiter le phénomène de recirculation et d'éviter les effets de palier. Dans ce cas, ce labyrinthe peut être constitué d'une succession de rétrécissements et de cavités annulaires pratiqués dans le carénage et le stator. LISTE DES FIGURES L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, annexée des figures représentant respectivement - figure 1, le type de pompe sur lequel s'applique l'invention ; et - figure 2, la caractéristique principale de la pompe selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION En référence à la figure 1, une pompe selon l'invention peut être axiale et multi-étagée, comme celle de l'art antérieur. La coupe partielle centrale de cette figure montre la caractéristique technique principale de l'invention. En effet, on peut distinguer des impulseurs ou pales 10 faisant partie intégrante du rotor 5. Ces impulseurs 10 sont intercalés entre des redresseurs 11, eux-mêmes montés fixes sur des étages annulaires du stator 2. La zone annulaire 12, représentée en blanc, et semblant traverser à la fois les impulseurs 10 et les redresseurs 11 symbolise les canaux annulaires hélicoïdaux qu'empreinte le mélange biphasique entre les impulseurs 10 et les redresseurs 11. Cette partie de la pompe est mieux représentée sur la figure 2. En référence à cette figure 2, on distingue le stator 2 et le rotor 5 et notamment ladite zone annulaire 12. En fait, chaque étage de la pompe référencé 13 se compose d'une série de plusieurs impulseurs 10 montés hélicoïdalement autour du rotor 5, suivie d'un groupe de redresseurs 11. La zone annulaire 12 est donc comprise entre le diamètre extérieur DE à l'extrémité des redresseurs 11 et le diamètre intérieur D1 au pied des redresseurs 11 du rotor 5. En d'autres termes, cette zone annulaire 12 représente les canaux empruntés par le mélange biphasique. En outre, il subsiste un jeu J entre ce diamètre extérieur DE des extrémités 15 des impulsions 10 et le diamètre interne D5 du stator. Etant donné que la hauteur des impulseurs 10 du rotor 5 est limitée, ce jeu J est relativement assez conséquent. Selon l'invention, on fixe un carénage 14 à l'extrémité 15 du groupe de redresseurs 10 d'un même étage. Ce carénage constitue un obstacle à l'éjection du mélange à l'extérieur des impulseurs 10. Le flux de mélange reste donc à l'intérieur des impulseurs 10 et ne pénètre pas dans l'espace du jeu J. On évite ainsi que la pompe perde pratiquement toute son efficacité au niveau de chaque étage des impulseurs 10. En effet, si le mélange pompé a accès au jeu J, il a tendance à être éjecté contre le stator 2 au niveau de chaque impulseur 10. On comprend facilement que le rendement de la pompe soit diminué dans ce cas là. De plus, dans le cas de mélange biphasique, un tel jeu J facilite le phénomène de séparation centrifuge entre la phase liquide et la phase solide. En effet, la phase solide étant plus lourde, serait donc éjectée en priorité alors que la phase liquide resterait vers l'intérieur des impulseurs 10. Sur la figure 2, le carénage 14 remplit une grande partie du jeu J, mais ceci n'est qu'une forme de réalisation. Le carénage 14 permet également que le flux de mélange soit entièrement tournant, puisque celui-ci est enfermé entre le rotor 5, les impulseurs 10 et le carénage 14. En outre, la réalisation représentée sur la figure 2 montre que le carénage 14 est constitué d'une série de cavités annulaires 16, séparées les unes des autres, chacune par un rétrécissement 17. Ces cavités et ces rétrécissements sont façonnés sur la surface externe du carénage 14 et sont complétés avantageusement, de manière identique, sur la face interne du stator 2. Ainsi, le rotor 5 et le stator 2 constitue un labyrinthe à forte perte de charge entre deux étages de redresseurs 11. En effet, bien que le mélange pompé passe en grande partie par les canaux de la zone annulaire 12, entre les impulseurs 10, l'éventuel flux de recirculation ayant lieu dans le sens contraire du pompe est entravé par le labyrinthe constitué par ces cavités 16 et ces rétrécissements 17. La présence de ce labyrinthe permet également d'éviter entre un carénage lisse et une paroi interne lisse du stator 2, un effet de palier au niveau des impulseurs 10. En effet, compte tenu que ces impulseurs 10 occupent une partie importante longitudinalement sur le rotor, la somme des surfaces des carénages 14 placées en regard du stator 2 serait bien supérieure à la somme des surfaces de fonctionnement des paliers placés aux extrémités du rotor 5 de la pompe. Compte tenu qu'un film de mélange biphasique pourrait se former à cet endroit, l'effet de palier pourrait avoir lieu au niveau de chaque étage et contrecarrer par un hyperstatisme dynamique l'effet fonctionnel des paliers de la pompe. La forme du carénage 14-représentée sur la figure 2 n'est qu'un exemple de réalisation. L'objectif principal de l'invention étant de combler le jeu annulaire J subsistant entre l'extrémité 15 des redresseurs 11 et la surface interne du stator 2, dans le cas où les impulseurs 10 ont une hauteur très inférieure au diamètre interne D5 du stator 2. REVENDICATIONS 1. Pompe axiale à faible débit pour mélange biphasique, comportant - un rotor (5) tournant autour d'un axe longitudinal (1) de la pompe et autour duquel sont fixés des impulseurs (10) dont la hauteur est limitée pour pomper un faible débit et définit par chaque extrémité (15) d'impulseurs (10), un diamètre externe maximal (DE) déterminé ; et - un stator (2) monté fixe autour du rotor (5) dont le diamètre interne minimal (Ds) est supérieur au diamètre externe maximal (DE) du rotor (5), définissant ainsi un jeu annulaire (J), caractérisée en ce que, à l'extrémité externe (15) des impulseurs (10), est fixé un carénage annulaire (14) pour éviter que le mélange soit éjecté hors des impulseurs (10), dans le jeu (J) subsistant entre le stator (2) et le rotor (5). 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un labyrinthe à forte perte de charge entre le carénage (14) et le stator (2). 3. Pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que le labyrinthe à forte perte de charge est constitué d'une succession de rétrécissements (17) et de cavités annulaires (16) pratiqués dans le carénage (14) et le stator (2).