Brevet FR2732412A1 — publié le 19961004

DISPOSITIF DE POMPAGE A MOTEUR AXIAL DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne les pompes haute pression de type centrifuge, pouvant refouler des liquides ou des mélanges liquide/gaz à des pressions pouvant atteindre 10 à 200 bars (106 à 2.107 Pa). . De telles pompes sont utilisées fréquemment dans différentes branches de l'industrie, notamment dans le pompage des effluents pétroliers ou pour équiper certains sous-marins. Art antérieur et problème posé Certains navires sous-marins doivent être équipés de dispositifs de pompage sophistiqués. Ceux-ci utilisent des pompes centrifuges hélico-axiales ou axiales qui, pour une puissance donnée, présentent un encombrement relativement important, de l'ordre de 1 m de diamètre et 2 à 3 mètres de long. Ces pompes sont généralement accouplées à une motorisation séparée. De plus, elles peuvent être multi-étagées de dix à quinze étages et tourner à des vitesses de 3 000 à 6 000 tours/minute et plus. Les performances de telles pompes de grande longueur sont limitées par le comportement vibratoire de l'arbre de la pompe. En effet, compte tenu des vitesses mises en jeu, pour certaines longueurs et certaines vitesses, l'arbre de la pompe entre en résonance et d'importants phénomènes de vibrations apparaissent. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif de pompage de conception différente. D'autre part, par le brevet américain 2 550 571, on connaît un moteur électrique de structure axiale possédant un rotor discoïde monté tournant entre deux stators placés de part et d'autre des deux faces radiales du rotor. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un dispositif de pompage, comportant dans un seul carter définissant un axe de fonctionnement - au moins une entrée axiale du fluide pompé ; - au moins une sortie radiale du fluide pompé - au moins une pompe comportant un rotor monté tournant autour d'un arbre fixe concentrique à l'axe de fonctionnement ; et - un moteur électrique axial dont le rotor est solidaire du rotor de la pompe et monté tournant sur l'arbre commun autour du même axe de fonctionnement du dispositif. Dans une première réalisation, le moteur comprend - un rotor comprenant un moyeu constitué par une partie de l'arbre commun et une partie discoïde solidaire de cet arbre et s'étendant radialement - deux stators placés de part et d'autre de la partie discoïde constituant le rotor le long de l'axe de fonctionnement. Dans une deuxième réalisation, le moteur comprend - un rotor constitué d'un moyeu constituant la partie centrale de l'arbre commun et équipé d'un premier nombre déterminé N de parties discoïdes s'étendant radialement par rapport à l'axe de fonctionnement ; et - un deuxième nombre déterminé N+1 de stators intercalés entre les parties discoïdes du rotor, le long de l'axe de fonctionnement. Dans ce cas, le ou les rotors sont de préférence constitués. d'une structure feuilletée concentrique, sur chaque flanc de laquelle est fixée une structure radiale en roue de charrette. Dans le but d'augmenter la capacité de pompage, il est possible de concevoir le rotor de la pompe en deux parties placées chacune à une extrémité de l'arbre et comprenant à chacune de ces extrémités une entrée axiale du mélange et une sortie radiale de ce même mélange. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de quelques figures représentant respectivement - figure 1, en coupe, une première réalisation du dispositif selon l'invention - figure 2, en coupe, une deuxième réalisation du dispositif selon l'invention ; et - figure 3, en coupe, une troisième réalisation du dispositif selon l'invention. Description détaillée de trois réalisations de l'invention La réalisation décrite sur la figure 1 met en oeuvre un moteur axial à un seul rotor, combiné avec une pompe à un seul étage. Le dispositif est monobloc, c'est-à-dire qu'il comprend un seul carter. Celui-ci est composé de plusieurs pièces pour des raisons de montage. Un premier flasque 3, appelé flasque de pompe, constituant également le stator de la pompe, est placé à gauche sur la figure 1. Il comprend une entrée du mélange pompé 1 placée de manière concentrique par rapport à l'axe central A du dispositif. La sortie du mélange pompé se fait par une conduite 9 débouchant sur une cavité torique 2 à l'intérieur du flasque de la pompe 3. Le carter se prolonge par deux rondelles 4G et 4D constituant la partie entourant le moteur électrique. Ces deux rondelles 4G et 4D sont placées l'une contre l'autre, la première étant placée contre le flasque de pompe 3. Des joints d'étanchéité 4A peuvent également être utilisés pour assurer l'étanchéité du dispositif. L'alimentation électrique se fait par des prises 5 placées à l'extérieur des rondelle 4G et 4D et des câbles 6 traversant ces rondelles 4 pour alimenter les éléments statoriques du moteur. Le carter se complète d'un flasque de moteur 7 placé sur la droite du dispositif, sur cette figure 1. Il est fixé à une des deux rondelles 4G et 4D et ferme hermétiquement le carter de ce côté droit du dispositif. Ce dernier possède un arbre central 8 concentrique à l'axe A du dispositif, dans le but de porter l'ensemble du rotor de la pompe et du moteur. La pompe axiale centrifuge utilisée est donc composée du flasque de pompe 3 constituant son stator et d'un rotor de pompe 10 monté tournant autour de l'arbre fixe 8, par l'intermédiaire d'un moyeu 14. Le rotor de pompe 10 possède une série de canaux hydrauliques 12 courbés, débouchant d'une part dans un large orifice central 11 concentrique à l'axe A du dispositif, et d'autre part s 'étendant chacune radialement vers l'extérieur pour déboucher vers la canalisation torique 2 du flasque de pompe 3. Ainsi, en tournant à des vitesses comprises entre 3 000 et 6 000 tours/minute, le fluide injecté dans la pompe par l'entrée 1 du flasque de pompe 3 et l'orifice 11 du rotor 10 est éjecté à des pressions comprises entre 1 et 20 bars (105 à 2.106 Pa). Le moteur électrique est du type axial possédant, sur cette figure 1, un seul élément de rotor constitué par une seule forme discoïde 20 s'étendant radialement, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe A du dispositif, et fixée sur le moyeu 14. Cet élément discoïde 20 possède une structure feuilletée magnétique concentrique 21 maintenue par une virole extérieure 22 et des disques radiaux 23 de faible épaisseur et amagnétiques. Cette partie discoïde 20 du rotor se complète avantageusement d'éléments conducteurs en forme de roues de charrette dont on peut voir sur cette figure 1 une couronne intérieure 24 et une couronne extérieure 25 placée chacune d'un côté de cet empilement 21. Deux stators 30D et 30G sont placés de part et d'autre à gauche et à droite de la partie discoïde 20 du rotor. La partie de gauche 30G est placée à l'intérieur de la rondelle de gauche 4G, tandis que la partie de droite 30D est placée à l'intérieur de la rondelle de droite 4D. Chacune est reliée à des câbles électriques 6 pour être alimentée en courant électrique. Chacune de ces parties 30D et 30G du stator est constituée de pôles bobinés 32, parallèlement à l'axe A du dispositif, c'est-à-dire perpendiculairement au disque feuilleté et aux barreaux de la partie discoïde 20 du rotor dans un circuit magnétique 33 qui peut être feuilleté également. Les pôles axiaux des stators et la partie discoïde 20 du rotor sont isolés par des flasques minces 34 qui sont amagnétiques. On note que la partie de droite 30D du stator ne nécessite qu'un seul flasque 34, compte tenu du fait que cette partie de droite 30D se trouve contre le flasque de moteur 7. De son côté, la partie de gauche 30G du stator nécessite deux flasques 34. En effet, il est nécessaire de protéger les bobinages du fluide pompé qui est susceptible de venir contre le côté gauche de la partie gauche 30G du stator. L'ensemble du rotor de la pompe 10 et du rotor du moteur 14 et 20 est monté tournant sur l'arbre 8 au moyen par exemple de palier à patins 15. Des perçages 16 sont prévus dans la paroi radiale du moyeu 14 pour permettre à une partie infime du mélange pompé, de venir lubrifier ces paliers à patins 16.. Le positionnement en translation de cet ensemble de rotor est réalisé, par exemple, au moyen de patins butés 35 placés sur une surface radiale d'un des deux flasques 34 du stator et s'appuyant sur la partie discoïde 20 du rotor. Le mélange pompé ayant accès à ces parties là, ces patins butés 35 se trouvent lubrifiés. On comprend ainsi qu'un tel dispositif présente une forme très compacte en un seul carter et fournit une puissance aussi importante que pour des machines traditionnelles ayant un diamètre au moins deux fois plus important que celui-ci. De plus, la très faible longueur de l'arbre 8 et donc du rotor de ce dispositif fait que ce dernier ne vibre pas pour des vitesses de rotation comprises entre 3 000 et 6 000 tours/minute. En référence à la figure 2, on peut concevoir un dispositif de pompage utilisant exactement le même principe que celui décrit à la figure 1, mais possédant deux étages de pompages. Ainsi, on remplace le flasque de moteur 7 de la première réalisation par un deuxième flasque de pompe 3B placé à droite du dispositif. Le rotor peut ne posséder qu'une partie discoïde 20 et seulement deux parties statoriques 40G et 40B placées de part et d'autre de cette partie discoïde 20 du rotor. Dans ce cas, ces deux parties statoriques sont strictement identiques l'une à l'autre. En l'occurrence, elles possèdent toutes les deux deux flasques de protection, référencés 34 sur la figure 1. Bien entendu, deux entrées de mélange 1G et 1D se trouvent respectivement de part et d'autre de l'arbre 41. Ce dernier est monté tournant dans deux coussinets 42 fixes par rapport au carter du dispositif.Des patins de rotation ou de roulement 43 sont prévus pour assurer la rotation du rotor autour de cet arbre 41. Un tel moteur possède donc également deux sorties du fluide pompé 9G et 9D. Ainsi, on peut équilibrer les forces engendrées par les deux étages de pompage dont les configurations respectives sont identiques, mais opposées. En référence à la figure 3, on peut envisager une troisième sorte de réalisation sur la base de celle de la figure 2. En effet, il peut s' avérer utile de bénéficier d'une puissance supérieure. On peut donc dans ce cas, prévoir un nombre déterminé N de parties rotoriques discoïdes 20 et un nombre N+1 de stators 50 placés de façon intercalée entre les parties discoïdes 20, un stator étant placé à chaque extrémité de manière analogue aux deux premières réalisations. L'ensemble du rotor 51 aura donc une longueur proportionnelle à la puissance désirée. Dans ces exemples de réalisation, la pompe utilisée est centrifuge. On envisage également d'utiliser des pompes axiales ou hélico-axiales avec adaptation des entrées et sortie et du sens de rotation du rotor. REVENDICATIONS 1. Dispositif de pompage d'un liquide ou d'un mélange de fluide liquide et gazeux comportant dans un seul carter définissant un axe de fonctionnement (A) - au moins une entrée axiale (1, 1G, 1D) du fluide à pomper ; - au moins une sortie radiale (9, 9G, 9D) du fluide pompé ; - au moins une pompe comportant un rotor (10) monté tournant autour d'un arbre fixe (8) concentrique à l'axe (A) du dispositif ; et - un moteur axial dont le rotor (14, 20) est solidaire du rotor (10) de la pompe et monté sur l'arbre (8), tournant autour du même axe (A) du dispositif. 2. Dispositif de pompage selon la revendication 1, dont le moteur comprend - un rotor constitué d'un moyeu (14) constituant une partie commune avec le rotor de pompe (10) et une partie discoïde (20) solidaire du moyeu (14) et s'étendant radialement ; et - deux stators placés de part et d'autre de la partie discoïde (20) du rotor. 3. Dispositif de pompage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur comprend - un rotor constitué d'un moyeu possédant un premier nombre déterminé (N) de parties discoïdes (20) solidaires de l'arbre (51) du rotor ; et - un deuxième nombre déterminé (N+1) de stators (50) placés de façon intercalée entre les parties discoïdes (20) du rotor. 4. Dispositif de pompage selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les parties discoïdes (20) du rotor du moteur sont constituées d'une structure feuilletée concentrique (21) sur chaque flanc de laquelle est fixée une structure radiale en roue de charrette (24, 25). 5. Dispositif de pompage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe est prévue en deux étages, placé chacun à une extrémité de l'arbre (51) et comprenant à chacune de ces extrémités une entrée axiale (1G, 1D) du mélange à pomper et une sortie radiale (9G, 9D).