Brevet FR2775028A1 — publié le 19990820

CELLULE DE POMPAGE D'UN EFFLUENT POLYPHASIQUE ET POMPE COMPORTANT AU MOINS UNE DE CES CELLULES. La présente invention porte sur une cellule de pompage d'un effluent polyphasique ainsi que sur une pompe comportant une telle cellule ou plusieurs de ces cellules montées en série. Par effluent polyphasique, on entend un effluent composé d'un mélange d'au moins deux phases choisies parmi (a) une phase liquide formée d'au moins un liquide, (b) une phase gazeuse formée d'au moins un gaz libre, et (c) une phase solide formée par des particules d'au moins un solide en suspension dans (a) et/ou (b). Le pompage polyphasique est une technologie utilisée dans de nombreux secteurs industriels, tels que la production de pétrole et de gaz (pompage d'un effluent diphasique pétrolier composé d'un mélange d'huile et de gaz), les industries chimiques, l'industrie nucléaire (pompage d'un mélange d'eau et de vapeur d'eau) et les engins spatiaux. L'architecture de base des pompes industrielles utilisées pour le pompage des effluents polyphasiques est constituée par un impulseur - ou roue hydraulique - suivi d'un stator - ou redresseur statique. L'impulseur a pour rôle de communiquer l'énergie cinétique au mélange à pomper, le redresseur statique assurant ensuite le transfert du mélange, en particulier vers l'impulseur de la cellule immédiatement en aval dans le cas d'une pompe comportant plusieurs cellules de pompage. Les études théoriques et les essais ont montré qu'il y a une relation entre la hauteur de pompage monophasique liquide (HL) et la hauteur de pompage d'un effluent polyphasique (Hph) Hph = E x HL où E est l'efficacité polyphasique, qui est essentiellement fonction du taux de vide a et de la pression à l'entrée L'application de pompes classiques - centrifuges, semi-axiales ou axiales - au pompage d'un mélange d'eau et de vapeur d'eau a été étudiée dans le domaine nucléaire sur des pompes à un étage - impulseur et stator -, dans l'objectif de pouvoir faire face à un accident exceptionnel dans un réacteur. Les essais qui ont été conduits à cette occasion ont montré que l'efficacité de pompage diphasique E décline beaucoup dès que le taux de vide a dépasse 0,150,20 et, par conséquent, la hauteur de pompage polyphasique (Hph) perd 80t de sa valeur monophasique liquide (HL), ce qui revient à une efficacité polyphasique E = 0,2. La principale cause est due à la séparation des phases : les particules liquides sont centrifugées dans 1'impulseur, formant un film mince liquide à la paroi externe. Ce film liquide se déplace le long de la paroi externe de l'impulseur et du stator, ce qui entraîne le déclin de l'énergie cinétique de l'effluent polyphasique et la dégradation de la hauteur de pompage polyphasique (Hph). Sur la base de cette expérience, l'industrie du pétrole et du gaz a étudié un impulseur hélico-axial, dans lequel l'effet de centrifugation est limité et, par conséquent, une partie de la phase liquide est maintenue dispersée dans le gaz, assurant ainsi une meilleure efficacité polyphasique E = 0,5 à 0,8, pour une pression à l'entrée supérieure à 10 bars. Cependant, ce résultat n'est que tout relatif, en raison du fait que la hauteur de pompage liquide (HL) de l'impulseur hélico-axial est faible par rapport à celle des pompes semi-axiales, d'où il résulte que, globalement, la hauteur de pompage polyphasique (Hph) obtenue par les deux systèmes est comparable. De plus, à basse pression (2-3 bars), l'efficacité polyphasique (E) des impulseurs industriels existants (aussi bien les pompes semi-axiales que les pompes hélico-axiales) devient très faible (E étant égal à environ 0,1), pénalisant ainsi leur utilisation pratique. La présente invention a pour but de proposer une pompe comportant au moins une cellule de pompage polyphasique capable de fournir une hauteur liquide (HL) interessante - ce qui est le cas actuellement des pompes semi-axiales, mais non des pompes hélico-axiales - tout en bénéficiant d'une bonne efficacité polyphasique (E) - ce qui est le cas actuellement des pompes hélico-axiales, mais non des pompes semi-axiales. A cet effet, le présent inventeur a découvert que, contrairement à 1'idée qui vient naturellement à l'esprit de chercher à ne pas séparer les phases et qui est mise en application dans le cas des pompes hélico-axiales, on pouvait accepter une séparation au moins partielle des phases dans l'impulseur et tirer parti de la transmission de l'énergie cinétique importante du film liquide à l'effluent à pomper, à la condition de prévoir des moyens dynamiques et non pas statiques - assurant les mécanismes d'homogénéisation des phases et de leurs niveaux énergétiques, puis de récupération de la pression et enfin de compression du gaz. Les systèmes existants, une fois qu'ils ont transmis l'énergie cinétique aux phases - plus ou moins séparées - ignorent ensuite la plupart de ces moyens, car les stators utilisés dans les pompes existantes ne sont pas adaptés pour assurer ces fonctions. En particulier, ces stators classiques n'assurent pas du tout le processus d'échange énergétique entre les phases, se limitant au transfert des débits vers la sortie en configuration de phases plus ou moins séparées, ce qui entraîne une forte dégradation de l'efficacité polyphasique (E). La présente invention a donc d'abord pour objet une cellule de pompage d'un effluent polyphasique, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux parties rotatives, la premiere étant constituée d'une roue hydraulique configurée pour transmettre l'énergie cinétique à chacune des phases de l'effluent polyphasique entrant dans la cellule, et la seconde, faisant suite à la première, étant constituée d'un dispositif de transformation énergétique, configuré pour assurer l'homogénéisation des phases, le transfert de l'énergie cinétique entre les phases, l'entraînement de la phase la plus légère, la transformation de l'énergie cinétique en pression et la compression de l'effluent homogène avant la sortie de ladite cellule, l'ensemble desdites parties rotatives étant monté sur un même arbre disposé axialement à l'intérieur d'un carter fixe qui comporte une entrée et une sortie de l'effluent polyphasique. Les deux composants de la cellule de pompage selon la présente invention sont donc rotatifs contrairement aux systèmes industriels existants, le second composant assurant de manière nouvelle et originale, en combinaison, plusieurs fonctions de rééquilibrage par rapport aux effets dus à une séparation partielle des phases, autorisée également de manière nouvelle et originale par le premier composant. La roue hydraulique constituant la première partie rotative d'une cellule de pompage selon la présente invention est, d'une manière générale, constituée par un moyeu monté sur l'arbre axial et portant des pales à profil hydrodynamique pour permettre la transmission de l'énergie cinétique à l'effluent polyphasique, les pales formant, entre le carter et le moyeu, des canaux dont la longueur est suffisamment grande pour assurer le niveau d'énergie cinétique nécessaire au transport de l'effluent polyphasique. Quant au dispositif de transformation énergétique constituant la seconde partie rotative d'une cellule de pompage selon l'invention, il est, conformément à un mode de réalisation particulièrement intéressant, constitué par au moins une hélice, continue ou discontinue, portée par un moyeu qui est monté sur l'arbre axial et qui tourne dans une chambre d'homogénéisation et de transfert d'énergie délimitée par le carter et ayant une section orthonormale à l'axe sensiblement plus grande que la somme des sections orthornormales à l'axe des canaux de la roue hydraulique, la longueur développée de ladite hélice ou desdites hélices étant suffisamment grande pour assurer l'efficacité d'homogénéisation et de transfert d'énergie cinétique en vue de la récupération de la pression. Le dispositif de transformation énergétique doit tout d'abord homogénéiser les phases ; dans le cas d'un mélange gaz-liquide, ceci signifie qu'il doit faire en sorte que les particules liquides entraînent le gaz, lui transmettant de l'énergie cinétique. Pour ce faire, il faut assurer une longueur de mélange suffisante : c'est le rôle de la ou des hélices, mélangeur dynamique, capable d'homogénéiser les phases. Une fois le mélange homogénéisé, la transformation de l'énergie cinétique en pression est réalisée par une forte diminution de la vitesse due à l'augmentation de la section de la chambre. Enfin, le système chambre-hélice(s) est tel qu'il réalise en même temps la compression de l'effluent homogène, essentiellement de sa phase gazeuse, avant la sortie de la cellule, cet effet pouvant encore être renforcé si l'on fait varier l'angle de l'hélice ou des hélices en l'augmentant en direction de la sortie de la cellule. Toutes les fonctions essentielles à la récupération énergétique de la pression dans l'effluent polyphasique sont propres à la présente invention. Le stator classique des systèmes industriels existants n'assure pas du tout le processus d'échange entre les phases, se limitant à transférer les débits vers la sortie en configuration de phases plus ou moins séparées, ce qui entraîne la dégradation de l'efficacité polyphasique E. Après avoir ainsi exprimé les caractéristiques fondamentales préférées des deux parties rotatives constituant la cellule de pompage selon l'invention, on décrira des modes de réalisation particuliers, non limitatifs, de la géométrie des ces deux parties - Le rapport entre la section orthonormale à l'axe de la chambre d'homogénéisation et de transfert d'énergie du dispositif de transformation énergétique et la somme des sections orthonormales à l'axe des canaux de la roue hydraulique est notamment de 3 à 10. - La ou chaque hélice, continue ou discontinue, du dispositif de transformation énergétique s'étend sur un angle d'au moins 270 , faisant avantageusement un tour complet. - Deux ou trois hélices, continues ou discontinues, peuvent être aussi prévues pour le dispositif de transformation énergétique, lesquelles sont alors avantageusement décalées axialement de façon régulière et décalées angulairement l'une de l'autre de respectivement 180 et 120". - L'angle d'inclinaison d'une ou de chaque hélice du dispositif de transformation énergétique par rapport à un plan perpendiculaire à l'arbre dans la direction de la sortie de la cellule de pompage est avantageusement de l'ordre de 10 , pouvant croître vers la sortie où il peut être de 20 . - La roue hydraulique peut avoir un diamètre constant ou variable, le rapport entre le diamètre extérieur (Ds) de ladite roue à la sortie et son diamètre extérieur à l'entrée (De) étant notamment de 1 à 3. Contrairement aux impulseurs hélico-axiaux connus, le diamètre extérieur (De) de la roue hydraulique de la cellule de pompage selon la présente invention peut augmenter en direction de la sortie, afin d'accentuer le transfert d'énergie cinétique aux phases. Par ailleurs, par rapport aux impulseurs semi-axiaux connus, on peut indiquer que les canaux de la roue hydraulique de la cellule selon la présente invention sont d'une longueur suffisante pour que les phénomènes énergétiques se stabilisent, ce qui veut dire que l'on accepte une séparation partielle des phases. Dans ces conditions, dans le cas d'un effluent gaz-liquide, les particules liquides, dont l'énergie cinétique est grande, se concentrent vers la paroi externe, et, à la sortie de la roue hydraulique, à l'intérieur d'un canal, il y a du gaz, suivi d'un mélange gaz-liquide et d'une couche de liquide à l'extérieur. Quant aux canaux, ils sont avantageusement identiques, leur nombre pouvant par exemple être compris entre 4 et 10. Leur longueur est notamment égale à De + Ds k x , où k est compris entre 0,5 et 1,5. 2 On peut par ailleurs prévoir un dispositif de guidage de l'écoulement, statique ou dynamique, assurant une bonne répartition et une continuité de l'écoulement à la sortie de la roue hydraulique d'une cellule de pompage sur toute la section de la chambre d'homogénéisation et de transfert d'énergie du dispositif de transformation énergétique associé ; un tel dispositif peut être constitué par une grille à profils hydrodynamiques, montée perpendiculairement à l'axe de la pompe, à l'entrée de ladite chambre. La présente invention a également pour objet une pompe comportant une cellule de pompage polyphasique telle que définie ci-dessus, ou plusieurs de ces cellules montées en série, l'arbre portant les parties rotatives étant commun à toutes les cellules. Le nombre de ces cellules de pompage est choisi de façon à assurer la hauteur de pompage polyphasique requise dans l'application considérée. On indique également que la pompe selon l'invention peut sans difficulté s'adapter sur des structures mécaniques de pompage déjà existantes, les parties rotatives, respectivement impulseur spécifique et dispositif de transformation énergétique rotatif, d'une ou de chaque cellule selon l'invention venant remplacer respectivement l'impulseur et le redresseur statique d'une cellule existante, avec maintien de la structure existante des éléments de carter, de l'arbre et des paliers. Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre indicatif et non limitatif, deux modes de réalisation particuliers, avec référence aux dessins annexés. Sur ces dessins, les Figures 1 et 2 sont des vues schématiques, partiellement en coupe axiale, partiellement en élévation, de deux cellules de pompage montées en série d'une pompe conforme respectivement à un premier et à un second mode de réalisation de l'invention. Si l'on se réfère à la Figure 1, on peut voir que l'on a représenté les deux cellules de pompage identiques la et lb, montées en série, d'une pompe 1 réalisée conformément à l'invention. Les cellules la et lb sont délimitées par un carter 2 de forme générale cylindrique, suivant l'axe duquel est disposé un arbre tournant 3 entraîné par un moteur. Dans l'exemple représenté, l'effluent polyphasique à pomper pénètre d'abord dans la cellule la et ressort par la cellule lb. Les prolongements du carter 2 pour délimiter l'entrée de l'effluent polyphasique dans la pompe 1 et sa sortie n'ont pas été représentés, de même que les paliers qui supportent l'arbre tournant 3. La partie de carter 2 associée à une cellule se compose de. deux éléments de forme générale annulaire, de même diamètre extérieur, superposés selon des plans diamétraux : un élément 2a, à l'entrée de la cellule, présentant une paroi intérieure tronconique s'évasant vers l'intérieur, et un élément 2b, à la sortie de la cellule, présentant une paroi concave se raccordant sans rupture aux éléments 2a voisins. A l'intérieur de chacune des cellules la et lb, de l'entrée vers la sortie de chacune d'entre elles, l'arbre 3 porte successivement une roue hydraulique 4 et un dispositif de transformation énergétique 5. La roue hydraulique 4 d'une cellule est disposé dans l'espace délimité par l'élément 2a de carter associé et tourne avec un très léger jeu dans ledit espace. Elle se compose d'un moyeu 6, solidaire en rotation de l'axe 3 et portant six pales 7, régulièrement réparties, à sa périphérie. Le moyeu 6 présente une paroi extérieure tronconique s'évasant vers l'intérieur de la cellule associée, avec sensiblement la même inclinaison que la paroi intérieure tronconique de l'élément 2a en regard du carter 2, et il présente des parois d'extrémité à l'entrée et à la sortie qui se trouvent dans le même plan diamétral que les parois d'extrémité respectivement à l'entrée et à la sortie dudit élément 2a. Dans l'exemple représenté, chaque pale 7 s'étend, en projection sur un plan diamétral, sur plus de 60O, et est inclinée d'un angle variant de 15 (à l'entrée) à 35" (à la sortie) en direction de la sortie par rapport au plan moyen du moyeu 6. Le rapport Ds/De de la roue hydraulique 4 (Ds et De étant tels que définis précédemment) est ici de 1,4. Se trouvent ainsi constitués six canaux périphériques 8 d'entrée de l'effluent polyphasique dans une cellule, canaux dont la longueur est telle qu'une énergie cinétique importante peut être communiquée audit effluent par ladite roue 4. Le dispositif de transformation énergétique 5 se compose d'un moyeu 9 qui a un plus petit diamètre que le moyeu 6 de la roue 4, qui est solidaire en rotation de l'arbre 3 et qui porte'une hélice 10 inclinée en direction de la sortie d'un angle de l'ordre de 10 par rapport au plan diamétral et s'étendant sur un angle de l'ordre de 270 . Le moyeu 9 se raccorde au moyeu 6 de la roue hydraulique 4 de la cellule suivante - ou se termine, dans le cas de la cellule de sortie lb - par une partie évasée 9a. L'hélice tournante 10 évolue ainsi dans une chambre 11 délimitée par la partie 2b du carter 2 et le moyeu 9 - 9a et assure la transformation énergétique définie ci-dessus jusqu'à la sortie de la cellule. La chambre 11 a donc une section orthonormale à l'arbre 3 qui, à partir de l'entrée, augmente par rapport à la section de sortie de la roue 4, puis vers la sortie se réduit pour constituer avec la partie 9a du moyeu 9 une sortie annulaire alimentant directement l'entrée des canaux 8 dans le cas de la cellule la. L'hélice 10 est configurée pour tourner avec un jeu dans un volume correspondant à celui de la chambre 11. Ce jeu n'a pas besoin d'être aussi faible que celui des pales 7. Dans cet exemple, le rapport entre la section orthonormale de la chambre 11 à son entrée à la somme des sections des canaux 8 est de l'ordre de 6. Les essais préliminaires effectués avec la pompe de la Figure 1 ont confirmé l'amélioration significative des performances polyphasiques, y compris à basse pression à l'entrée. Si l'on se réfère maintenant à la Figure 2, on peut voir que l'on a représenté une pompe 101 réalisée conformément à une variante de la pompe 1. Les éléments de la pompe 101 ont été désignés par des chiffres de référence supérieurs de 100 aux éléments analogues de la pompe 1. On ne décrira ici que les modifications apportées par rapport à la pompe 1. La pompe 101 comporte deux cellules de pompage identiques 101a, 101b, la partie de carter 102 associée à la cellule 101a se composant d'un premier élément 102a comportant une entrée cylindrique qui s'évase pour se raccorder suivant un plan diamétral à la partie 102k, laquelle se rétrécit progressivement jusqu'à son raccordement suivant un plan diamétral avec la partie 102a de la cellule 101b. La partie d'extrémité 102b de cette dernière délimite la sortie de l'effluent polyphasique. La roue hydraulique 104 est ici une roue semiaxiale et le dispositif de transformation énergétique 105 comporte ici deux hélices tournantes 110a et 110b qui sont décalées axialement d'un demi-pas et décalées angulairement de 180". I1 est bien entendu que les modes de réalisation ci-dessus décrits ne sont aucunement limitatifs et pourront donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Cellule de pompage d'un effluent polyphasique, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux parties rotatives (4 - 5 ; 104 - 105), la première (4 ; 104) étant constituée d'une roue hydraulique configurée pour transmettre l'énergie cinétique à chacune des phases de l'effluent polyphasique entrant dans la cellule (la - ld 101a - 101b), et la seconde (5 ; 105), faisant suite à la première, étant constituée d'un dispositif de transformation énergétique configuré pour assurer l'homogénéisation des phases, le transfert de l'énergie cinétique entre les phases, l'entraînement de la phase la plus légère, la transformation de l'énergie cinétique en pression et la compression de l'effluent homogène avant la sortie de ladite cellule, l'ensemble des parties rotatives de ladite cellule étant monté sur un même arbre (3 ; 103) disposé axialement à l'intérieur d'un carter fixe (2 ; 102) qui comporte une entrée et une sortie de l'effluent polyphasique. 2 - Cellule selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la roue hydraulique (4 ; 104) constituant la première partie rotative de ladite cellule (la - lb ; 101a 101b), est constituée par un moyeu (6 ; 106) monté sur l'arbre axial (3 ; 103) et portant des pales (7 ; 107) à profil hydrodynamique pour permettre la transmission de l'énergie cinétique à l'effluent polyphasique, les pales (7 ; 107) formant, entre le carter (2 ; 102) et le moyeu (6 ; 106), des canaux (8 ; 108) dont la longueur est suffisamment grande pour assurer le niveau d'énergie cinétique nécessaire au transport de l'effluent polyphasique. 3 - Cellule de pompage selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le dispositif de transformation énergétique (5 ; 105) constituant la seconde partie rotative de ladite cellule (la - lb ; 101a - 101k) est constitué par au moins une hélice (10 ; 110a - 110k), continue ou discontinue, portée par un moyeu (9 ; 109) qui est monté sur l'arbre axial (3 ; 103) et qui tourne dans une chambre (11 111) d'homogénéisation et de transfert d'énergie délimitée par le carter (2 ; 102) et ayant une section orthonormale à l'axe sensiblement plus grande que la somme des sections orthornormales à l'axe des canaux (8 ; 108) de la roue hydraulique (4 ; 104), la longueur développée de ladite ou desdites hélices (10 ; 110a - 110b) étant suffisamment grande pour assurer l'efficacité d'homogénéisation et de transfert d'énergie cinétique en vue de la récupération de la pression. 4 - Cellule de pompage selon les revendications 2 et 3 prises simultanément, caractérisée par le fait que le rapport entre la section orthonormale à l'axe de la chambre (11 ; 111) d'homogénéisation et de transfert d'énergie et la somme des sections orthonormales à l'axe des canaux (8 ; 108) de la roue hydraulique (4 ; 104) est de 3 à 10. 5 - Cellule de pompage selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisée par le fait que la ou chaque hélice (10 ; 110a - 110b) du dispositif de transformation énergétique (5 ; 105) s'étend sur un angle d'au moins 270 , faisant notamment un tour complet. 6 - Cellule de pompage selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée par le fait que deux ou trois hélices (110a - 110b) sont prévues pour le dispositif de transformation énergétique (105), lesquelles sont décalées axialement de façon régulière et décalées angulairement l'une de l'autre de respectivement 180 et 120". 7 - Cellule de pompage selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée par le fait que l'angle d'inclinaison d'une ou de chaque hélice (10 ; 110a - 110b) du dispositif de transformation énergétique (5 ; 105) par rapport à un plan perpendiculaire à l'arbre (3 ; 103) en direction de la sortie de la cellule de pompage (la - lb ; 101a - 101b) est de l'ordre de 10", pouvant croître vers la sortie où il peut être de 20 . 8 - Cellule de pompage selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que la roue hydraulique (4 ; 104) a un diamètre constant ou un diamètre variable, le rapport entre le diamètre extérieur (Ds) de ladite roue (4 ; 104) à la sortie et son diamètre extérieur à l'entrée (De) étant notamment de 1 à 3. 9 - Cellule de pompage selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisée par le fait que les canaux (8 ; 108) d'une roue hydraulique (4 ; 104) sont identiques et leur nombre est compris entre 4 et 10. 10 - Cellule de pompage selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisée par le fait que la longueur des canaux (8 ; 108) d'une roue hydraulique (4 De + Ds 104) est égale à k x , où k est compris entre 0,5 2 et 1,5. 11 - Cellule de pompage selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait qu'elle comporte un dispositif de guidage de l'effluent, statique ou dynamique, assurant une bonne répartition et une continuité de l'écoulement à la sortie de la roue hydraulique (4 ; 104) sur toute la section de la chambre (11 ; 111) d'homogénéisation et de transfert d'énergie du dispositif de transformation énergétique (5 ; 105) associé. 12 - Cellule de pompage selon la revendication 11, caractérisée par le fait que ledit dispositif est constitué par une grille à profils hydrodynamiques, montée perpendiculairement à l'axe de la cellule, à l'entrée de la chambre (11 ; 111) d'homogénéisation et de transfert d'énergie. 13 - Cellule de pompage selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée par le fait qu'elle est apte à pomper un effluent composé d'un mélange d'au moins deux phases choisies parmi (a) une phase liquide formée d'au moins un liquide, (b) une phase gazeuse formée d'au moins un gaz libre, et (c) une phase solide formée par des particules d'au moins un solide en suspension dans (a) et/ou (b). 14 - Pompe comportant une cellule de pompage polyphasique telle que définie à l'une des revendications 1 à 13 ou plusieurs de ces cellules montées en série.