Brevet FR2775321A1 — publié le 19990827

La présente invention concerne un dispositif pour lWéquilibrage de la poussée axiale dans une pompe centrifuge. Le dispositif selon la présente invention est plus particulièrement destiné à une pompe travaillant avec des produits chimiques ou bien avec des produits se trouvant à une température extrême. Ce type de pompe est utilisé par exemple dans l'industrie chimique. Pour éviter tout risque de fuite vers l'extérieur du produit pompé, on utilise parfois une pompe à rotor noyé. Dans une telle pompe le moteur utilisé est un moteur à cage d'écureuil et le liquide pompé entoure le rotor. Ce dernier est de ce fait encapsulé dans un boîtier, généralement en acier inoxydable ou en hastelloy. Le stator, entourant le rotor, est de conception connue de l'homme du métier, mais pour éviter tout contact avec le liquide, il est chemisé avec une chemise en acier inoxydable ou en hastelloy par exemple. Le liquide passe entre la chemise du stator et la capsule entourant le rotor. Lorsque le liquide pompé n'est pas un liquide à haute température, il est utilisé comme liquide de refroidissement pour la pompe. La pompe centrifuge est une pompe classique qui est accouplée à ce moteur "protégé". Elle comporte une roue montée sur un arbre, lui même monté sur paliers et entraîné en rotation par le moteur. L'inconvénient des pompes centrifuges est que les pressions exercées par le fluide pompé, dans la direction axiale, ne sont pas de valeurs identiques des deux côtés de la roue. Le liquide est aspiré par une entrée se trouvant d'un côté de la roue de façon sensiblement coaxiale par rapport à la roue. La force exercée par le fluide sur la roue du côté de l'entrée du fluide est en général inférieure à la force exercée par le fluide se trouvant derrière la roue, c'est à dire sur la face opposée. I1 existe plusieurs dispositifs permettant de réaliser l'équilibrage d'une roue de pompe centrifuge. Parmi eux, on peut par exemple citer le dispositif décrit dans le document EP-O 688 955. Ce dispositif, de même que d'autres existant sur le marché, est équipé d'une part de moyens permettant de limiter le passage de fluide sous pression vers l'arrière de la roue et d'autre part d'un passage dans la roue permettant au fluide basse pression entrant dans la pompe de passer derrière la pompe. On arrive ainsi à équilibrer les efforts s'exerçant des deux côtés de la roue. Celle-ci, pendant son fonctionnement, bouge légèrement en direction axiale, modifiant ainsi le passage de fluide sous pression, jusqu'à trouver la position d'équilibre. L'inconvénient des dispositifs existants est que plus le dispositif s'use, moins l'équilibre des forces peut se réaliser. En effet, l'action de particules abrasives ou l'arrachement de matières par cavitation, ou tout autre phénomène tendant à user le labyrinthe de circulation axiale du fluide sous pression conduit petit à petit à un élargissement du passage du fluide sous pression vers l'arrière de la roue. Au bout d'un certain temps, le passage de fluide basse pression n'arrive plus à compenser les efforts axiaux vers l'entrée et la roue vient en butée permanente au niveau de son axe du côté de l'entrée, provoquant ainsi une usure pouvant entraîner dans des cas extrêmes la destruction de la pompe. La présente invention a pour but de fournir un dispositif d'équilibrage pour une pompe centrifuge qui reste efficace, même en cas d'usure au niveau du dispositif. À cet effet, le dispositif qu'elle propose est du type dispositif pour l'équilibrage de la poussée axiale dans une pompe centrifuge comportant une entrée axiale, une sortie radiale et une roue présentant une face avant orientée vers l'entrée axiale, une face arrière opposée à sa face avant et un passage permettant de relier la face avant de la roue avec sa face arrière, des moyens étant prévus pour limiter le passage de fluide sous pression vers la face arrière de la roue en fonction de la position axiale de la roue. Selon l'invention, des moyens sont également prévus pour limiter le passage de fluide basse pression passant à travers la roue en fonction de la position axiale de la roue, et sont disposés de telle sorte que lorsque la largeur du passage pour le fluide sous pression vers l'arrière de la roue augmente la largeur du passage pour le fluide basse pression diminue et inversement, la largeur du passage pour le fluide basse pression diminuant lorsque la roue s'éloigne de l'entrée. On crée ainsi un dispositif qui fonctionne même en cas d'usure. En effet, lorsque la force axiale exercée sur la roue varie, la position axiale de la roue varie également. Si la force augmente sur la face avant de la roue, cette dernière se déplace vers l'arrière. Le passage du liquide basse pression vers l'arrière est restreint et le passage de liquide haute pression est quant à lui élargi. On arrive donc à créer à l'arrière de la roue une contre pression s'opposant à la pression régnant à l'avant de la roue. Inversement, si la force diminue sur la face avant de la roue, le flux de liquide basse pression vers l'arrière va augmenter et le flux de liquide haute pression va diminuer. La pression à l'arrière de la roue s'équilibre de cette manière avec la pression régnant à l'avant de la roue. Dans une forme de réalisation préférée du dispositif d'équilibrage selon l'invention, les moyens prévus pour limiter le passage de fluide sous pression vers la face arrière de la roue comportent un labyrinthe obligeant le liquide sous pression se déplaçant d'une position radiale extérieure vers une position radiale intérieure de se déplacer tout d'abord dans une direction radiale intérieure, puis dans une direction axiale, puis radiale vers l'extérieur, puis à nouveau dans une direction axiale et de même sens, et enfin dans une direction radiale vers l'intérieur. Le liquide passant ainsi dans le labyrinthe décrit un parcours en forme sensiblement de S. La limitation du passage lorsque la roue se déplace axialement se fait de préférence au niveau de l'endroit où le liquide se déplace en direction radiale vers l'extérieur. Une forme de réalisation de ce dispositif d'équilibrage prévoit que les moyens pour limiter le passage de fluide sous pression vers la face arrière de la roue comportent un anneau présentant un épaulement extérieur et un épaulement intérieur décalés axialement de manière à former un anneau dont la section est en forme de marche d'escalier, que l'épaulement extérieur est décalé à l'opposé de la roue et permet de former un flasque radialement extérieur pour la fixation de l'anneau sur une paroi fixe faisant face à la face arrière de la roue, et qu'une paroi solidaire de la roue fait face à l'épaulement intérieur de l'anneau. Une autre forme de réalisation de ce dispositif d'équilibrage selon l'invention prévoit que les moyens pour limiter le passage de fluide sous pression vers la face arrière de la roue comportent un anneau présentant un épaulement extérieur et un épaulement intérieur décalés axialement de manière à former un anneau dont la section est en forme de marche d'escalier, que l'épaulement extérieur est décalé vers la roue et permet de former un flasque radialement extérieur pour la fixation de l'anneau sur la face arrière de la roue, et qu'une paroi fixe fait face à l'épaulement intérieur de l'anneau. Dans ces diverses formes de réalisation d'un dispositif d'équilibrage selon l'invention, au niveau de deux parois sensiblement parallèles s'étendant sensiblement dans un plan radial et se faisant face, l'une au moins de ces parois est de préférence munie d'une garniture réalisée dans un matériau d'usure. Les moyens pour limiter le passage de fluide basse pression peuvent par exemple comporter une paroi fixe faisant face à l'extrémité arrière du passage amenant du fluide basse pression vers l'arrière de la roue. On peut aussi prévoir qu'un canal vienne prolonger le passage de fluide basse pression à l'arrière de la roue. Avantageusement, une pièce réalisée dans un matériau d'usure est placée face à la sortie arrière du passage pour le fluide basse pression. Dans le cas où le dispositif selon l'invention comporte au moins une pièce d'usure, le matériau d'usure utilisé est de préférence du graphite. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en révérence au dessin schématique annexé, représentant à titre d'exemples non limitatifs deux formes de réalisation d'un dispositif selon 1' invention. Figure 1 est une vue en coupe d'une pompe centrifuge munie d'un dispositif d'équilibrage selon l'invention, Figure 2 est une vue de détail à échelle agrandie du dispositif d'équilibrage de la pompe de la figure 1, et Figure 3 est une vue semblable à la figure 2 pour une variante de réalisation du dispositif d'équilibrage. Figure 1 représente une pompe à rotor noyé, destiné à être utilisée pour des fluides chimiques dans l'industrie chimique ou bien nucléaire. La pompe comporte un corps de pompe 2 et un fond de corps 3 entre lesquels se trouve une roue 4 montée en bout d'arbre 6 d'un moteur comportant un rotor 8 et un stator 10. Le moteur est du type moteur électrique à cage d'écureuil. Pour protéger le moteur des agressions du liquide pompé, le rotor 8 est encapsulé dans un boîtier 12 réalisé dans un matériau approprié tel par exemple de l'acier inoxydable. Le stator 10 est quant à lui protégé par une chemise 14. Le liquide pompé sert à refroidir le moteur. À cet effet, des passages 16 sont prévus pour alimenter le moteur et le retour du liquide se fait par l'intérieur de l'arbre 6, qui est donc un arbre creux. Le liquide passe entre le rotor 8 et le stator 10, ou plus précisément entre le boîtier 12 et la chemise 14. L'arbre 6 est monté de manière classique sur deux paliers 18 qui sont destinés à encaisser les efforts radiaux s'exerçant sur l'arbre 6. La roue 4 est montée par l'intermédiaire d'au moins une clavette 20 et d'un écrou 22 sur l'arbre 6. Le montage de l'arbre 6 et de la roue 4 est tel que la roue 4 peut se déplacer axialement avec l'arbre 6. Le corps de pompe 2 est muni d'une entrée 24 par laquelle du liquide basse pression entre en direction axiale dans la pompe. Ce liquide passe alors dans la roue 4 entraînée par le moteur et sort radialement sous pression. L'entrée 24 est coaxiale avec l arbre 6. Par convention, dans la suite de la description, la face avant de la roue 4 et donc aussi de la pompe, correspond à la face se trouvant du côté de l'entrée 24 tandis que la face arrière de la roue 4 et donc de la pompe, se trouve à l'opposé, c'est à dire du côté du moteur. Des forces différentes s'exercent sur les faces avant et arrière de la roue 4. En effet, au niveau de l'entrée 24, sur la face avant, le liquide est à basse pression. Une fois qu'il est passé par la roue, ce liquide est sous une pression plus élevée. Cette naute pression se retrouve généralement, si l'on considère une roue sans dispositif d'équilibrage, sur toute la face arrière de la roue 4 et sur une partie seulement de la tacle avant. De ce fait, un déséquilibre existe et une force résultante axiale généralement dirigée généralement vers l'entrée 24 s'exerce sur la roue 4. Un dispositif d'équilibrage des poussées axiales est alors prévu et il se trouve sur la face arrière de la roue 4. Le dispositif comporte un labyrinthe 26 et un passage 28 de liquide basse pression. Le labyrinthe 26 est destiné à limiter l'arrivée de liquide saute pression à l'arrière de la roue 4 tandis que le passage 28 est destiné à faire passer du liquide basse pression directement de l'avant de la roue vers l'arrière sans être "centrifugé" par la roue 4. Le passage 28 de liquide basse pression est réalisé au plus près de l'axe 30 de la pompe. Ce passage 28 est réalisé grâce à des perçages 32 réalisés parallèlement à l'axe 30 dans la roue 4. Il est prolongé vers l'arrière par une bague 34 dans laquelle sont réalisés des perçages 36 correspondant aux perçages 32 de la roue. La face arrière de la bague 34 fait face à une paroi fixe du fond de corps 3. Le montage de l'arbre 6 et de la roue 4 est tel que, dans son déplacement axial, la roue 4 entraîne la bague 34 qui peut alors venir en butée contre le fond de corps 3. Une garniture annulaire 38 réalisée en graphite est fixée sur le fond de corps 3 au niveau de la zone de contact possible. Lorsque la bague 34 vient au contact de la garniture 38, le passage du liquide basse pression est obstrué. La rotation de la roue 4 n'est que peu perturbé car le coefficient de frottement de l'acier constituant la roue 4 sur le graphite est très bon. Toutefois, en fonctionnement, il n'y a pas de contact. Le labyrinthe 26 est réalisé sur la face arrière de la roue 4, à proximité de la périphérie de celle-ci. Il présente une portion 40 s'étendant radialement placée entre deux portions 42,44 s'étendant axialement. Du liquide sous pression passant d'une position radiale extérieure, c'est à dire éloignée de l'axe 30 de la pompe, vers une position radiale intérieure, c'est à dire rapprochée de cet axe 30, en empruntant le labyrinthe 26 se déplace tout d'abord dans une direction radiale vers l'intérieur, puis dans une direction axiale vers l'arrière, puis dans une direction radiale vers l'extérieur, puis dans une direction axiale vers l'arrière et enfin de nouveau en direction radiale vers l'intérieur. Le liquide décrit un parcours en forme sensiblement de S. On trouve dans ce cheminement un tronçon dans lequel le liquide se déplace dans la même direction mais dans le sens opposé de son déplacement global. Le labyrinthe 26 est réalisé en plaçant une pièce annulaire sur la roue 4 et une pièce annulaire sur la paroi fixe du corps de pompe 2. Une bague 46 fait saillie sur 1a face arrière de la roue 4. Sur cette bague 46 est monté, à l'aide de vis 48, un anneau 50 qui dépasse radialement vers l'extérieur de la bague 46. On retrouve sur la face arrière de la roue une pièce annulaire dont la section présente une forme de L renversé. Face à cet élément annulaire mobile, se trouve, fixé sur le fond de corps 3, un élément fixe annulaire 52. Il présente une section rappelant une marche d'escalier. On y trouve un épaulement extérieur 54 et un épaulement intérieur 56. Les deux épaulements 54 et 56 sont décalés axialement, l'épaulement extérieur 54 se trouvant à l'arrière et l'épaulement intérieur 56 vers la roue 4. La fixation de l'élément fixe annulaire 52 se fait à l'aide de vis 58 venant se placer au niveau de l'épaulement extérieur 54. Pour former le labyrinthe 26, l'anneau 50 vient prendre place au niveau de l'épaulement intérieur 56. Une garniture 60 de friction est fixée sur l'anneau 50 sur sa face s'étendant radialement face à l'élément annulaire fixe 52. De cette manière, le liquide sous pression se trouvant à la périphérie de la roue 4 et qui passe derrière la roue 4 doit emprunter un cheminement tel que décrit plus haut. La roue 4 peut se déplacer axialement jusqu'à ce que la surface de friction de la garniture 60 vienne au contact de l'épaulement intérieur 56. Lcrsque ce contact est réalisé, le liquide sous haute pression ne peut plus passer de la périphérie de la roue 4 à l'arrière de celleci. Le fonctionnement du dispositif d'équilibrage décrit ci-dessus est alors le suivant. Lorsque la roue 4 est entraînée en rotation par le moteur, du liquide basse pression est aspiré par l'entrée 24 et du liquide haute pression est refoulé radialement. Du liquide basse pression passe par le passage 28 prévu dans la roue 4 et la bague 34 tandis que du liquide haute pression, attiré par la basse pression régnant au niveau de l'axe 30 de la pompe est attiré vers l'arrière de la roue 4 au travers du labyrinthe 26. Il s'établit alors à l'arrière de la roue une pression élevée à la périphérie et décroissante vers l'axe 30. Lorsque le régime de la pompe change, des variations de pression surviennent. Supposons que la pression augmente sur la face avant de la roue 4. Cette dernière pouvant se déplacer axialement, elle se translate vers l'arrière. Le passage à travers le ~labyrinthe 26 est de ce fait facilité, l'anneau 50 s'éloignant de l'épaulement intérieur 56. De plus, la bague 34 se rapproche de la paroi du fond de corps 3 et le passage du liquide basse pression vers l'arrière de la pompe est limité. Tout cela conduit à une augmentation de la pression moyenne à l'arrière de la roue, puisqu'à la fois plus de liquide sous pression y est admis et moins de liquide basse pression peut y accéder. On arrive de cette manière à équilibrer la force croissante qui s'exerce sur la face avant de la roue 4. Dans le cas maintenant où la pression sur la face avant de la roue 4 diminue, la roue 4 se déplace vers l'avant. Le labyrinthe 26 tend à se fermer et le passage 28 de liquide basse pression à s'ouvrir. La pression qui s'établit derrière la roue 4 diminue. Dans les deux cas, comme montré ci-dessus, l'équilibre se réalise automatiquement. Même lorsque les garnitures 38 et 60 sont usées, l'équilibrage s'établit aussi efficacement qu'avec des garnitures neuves. Les garnitures servent uniquement à encaisser des variations brusques de régime de la pompe tout en évitant une usure de la pompe. En prévoyant à ces endroits une pièce d'usure à changer périodiquement, la durée de vie de la pompe est très sensiblement rallongée. La variante de réalisation représentée sur figure 3 reprend le même principe que celui décrit ci-dessus et le fonctionnement est tout à fait similaire. Il s'agit là de deux variantes de réalisation d'une forme préférée d'exécution de l'invention. Dans cette variante de réalisation, on retrouve un élément annulaire mobile 62 semblable à l'élément annulaire fixe 52 de la figure 2. Cet élément 62 est fixé sur la face arrière de la roue à proximité de sa périphérie, de telle sorte que son épaulement intérieur 66 se trouve décalé axialement vers l'arrière par rapport à son épaulement extérieur 64 qui se trouve du côté de la roue 4. Des vis 68 assurent la fixatior de cet élément mobile annulaire 62 sur la roue 4. Du côté du fond de corps 3, on retrouve une bague 72 qui forme une saillie annulaire vers l'avant. Des vis 74 permettent la fixation sur cette bague 72 d'un anneau 76 semblable à l'anneau 50 de la figure 2. Cet anneau 76 dépasse radialement de la bague 72 vers l'extérieur. On retrouve aussi une garniture 78 sur cet anneau 76. L'élément annulaire mobile 62 et l'anneau 76 fixe sont disposés de telle sorte que la face radiale arrière de l'anneau 76 se trouve face à l'épaulement intérieur 66. On retrouve ainsi un labyrinthe dans lequel une portion de passage s'étendant radialement se trouve entre deux portions de passage s'étendant axialement. Dans cette portion de passage radiale, le liquide circule en sens opposé au sens de circulation global du liquide traversant le labyrinthe. Au niveau du passage 28 pour -e liquide basse pression, aucune modification n'est apportée dans la variante de la figure 3 par rapport à la variante de la figure 2. Cette variante de réalisation fonztionne également à la manière d'un tiroir qui, lorsqu'il ouvre un passage en ferme un autre. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux deux formes d'exécution décrites c--dessus à titre d'exemple non limitatifs ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes dans le cadre défini par les revendications. Ainsi par exemple, d'autres moyens peuvent être mis en oeuvre pour réaliser un labyinthe. On peut imaginer un labyrinthe dont une partie serait intégrée à la paroi du fond de corps ou bien encore à la roue. Le labyrinthe pourrait aussi se situer au niveau du passage du liquide basse pression. On aurait alors par exemple du côté de la périphérie de la roue une saillie fixe dans le fond de corps qui définirait un passage de largeur variable en fonction de la position axiale de la roue. Pour le passage de liquide basse pression, la bague permettant de prolonger le passage de liquide peut être supprimée si la paroi du fond de corps présente une forme permettant de limiter le flux de liquide sensiblement lorsque la roue bouge axialement. Ce dispositif d'équilibrage permet aussi d'équilibrer les poussées axiales sur des pompes centrifuges d'un type différent de celle présentée cidessus. Cette hydraulique avec ce système d'équilibrage peut être entraînée par un moteur à cage d'écureuil classique et non chemisé. Comme indiqué dans la descriptiori, les garnitures ne font pas partie intégrante de l'invention mais leur présence permet d'une part de limiter les frottements au coeur de la pompe grâce au bon coefficient de frottement qu'elles peuvent procurer et d'autre par- de limiter les frais de maintenance et d'entretien en CQ qu'il est plus facile de changer une garniture qu'une pièce usée. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour l'équilibrage de la poussée axiale dans une pompe centrifuge comportant une entrée axiale (24), une sortie radiale et une roe (4) présentant une face avant orientée vers l'entrée axiale (24), une face arrière opposée à sa face avant et un passage (32) permettant de relier la face avant de la roue (4) avec sa face arrière, des moyens (26) étant prévus pour limiter le passage de fluide sous pression vers la face arrière de la roue en fonction de la position axiale de la roue, caractérisé en ce que des moyens (28) sont également prévus pour limiter le passage de fluide basse pression passant à travers la roue (4) en fonction de la position axiale de la roue, et sont disposés de telle sorte que lorsque la largeur du passage (40) pour le fluide sous pression vers l'arrière de la roue augmente la largeur du passage (28) pour le fluide basse pression diminue et inversement, la largeur du passage (28) pour le fluide basse pression diminuant lorsque la roue (4) s'éloigne de l'entrée (24). 2. Dispositif d'équilibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens 3. Dispositif d'équilibrage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (26) pour limiter le passage de fluide sous pression vers la face arrière de la roue (4) comportent un anneau (52) présentant un épaulement extérieur (54) et un épaulement intérieur (56) décalés axialement de manière à former un anneau dont la section est en forme de marche d'escalier, en ce que l'épaulement extérieur (54) est décalé à l'opposé de la roue (4) et permet de former un flasque radialement extérieur pour la fixation de l'anneau (52) sur une paroi fixe faisant face à la face arrière de la roue, et en ce qu'une paroi (50) solidaire de la roue (4) fait face à l'épaulement intérieur (56) de l'anneau. 4. Dispositif d'équilibrage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (26) pour limiter le passage de fluide sous pression vers la face arrière de la roue comportent un anneau(62) présentant un épaulement extérieur (64) et un épaulement intérieur (66) décalés axialement de manière à former un anneau dont la section est en forme de marche d'escalier, en ce que l'épaulement extérieur (64) est décalé vers la roue (4) et permet de former un flasque radialement extérieur pour la fixation de l'anneau sur la face arrière de la roue, et en ce qu'une paroi fixe fait face à l'épaulement intérieur (56) de l'anneau. 5. Dispositif d'équilibrage selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'au niveau de deux parois sensiblement parallèles s'étendant sensiblement dans un plan radial et se faisant face, l'une au moins de ces parois est munie d'une garniture (60;78) réalisée dans un matériau d'usure. 6. Dispositif d'équilibrage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens (28) pour limiter le passage de fluide basse pression comportent une paroi fixe faisant face à l'extrémité arrière du passage amenant du fluide basse pression vers l'arrière de la roue. 7. Dispositif d'équilibrage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un canal (36) vient prolonger le passage de fluide Dasse pression à l'arrière de la roue. 8. Dispositif d'équilibrage selon lune des revendications 1 à 7, caractérisé en ce au'une pièce (38) réalisée dans un matériau d'usure est placée face à la sortie arrière du passage (28) pour le fluide basse pression. 9. Dispositif d'équilibrage selon la revendication 5 ou 8, caractérisé en ce que le matériau d'usure utilisé est du graphite.