Brevet FR2805006A1 — publié le 20010817

La présente invention est relative à une pompe cryogénique très haute pression du type comprenant une chemise dans laquelle est reçu un piston coulissant, ce piston étant équipé au voisinage de chaque extrémité d'un segment de guidage et, entre les segments de guidage, d'une pluralité de segments d'étanchéité. Les pompes cryogéniques à piston sont des pompes volumétriques utilisées pour amener un liquide cryogénique, en particulier de l'azote liquide, à une haute pression de refoulement de la pompe supérieure à la limite supérieure des pompes centrifuges, qui est généralement de l'ordre de bars. Ces pompes sont souvent alimentées par un " booster " qui fournit le débit et la hauteur hydrostatique (NPSH ou Net Positive Suction Head) nécessaire pour éviter les phénomènes de cavitation grâce à un sousrefroidissement suffisant du liquide. Dans certains cas, ces phénomènes peuvent être évités par la simple pressurisation du réservoir d'alimentation. Des pompes cryogéniques à piston actuellement utilisées sont équipées d'une pluralité de segments d'étanchéité simples constitués d'un matériau à base de PTFE (polytétrafluoroéthylène) chargé de bronze et munis d'un expandeur intérieur. La coupe de chaque segment peut être droite ou biaise. L'expérience montre que le comportement mécanique de tels segments, leur positionnement autour du piston et leur fiabilité sont aléatoires dans le domaine des très hautes pressions, typiquement comprises entre 200 et 1 400 bars, lorsque les conditions de fonctionnement sont sévères: longue durée de fonctionnement continu, charge fortement variable, par exemple de 30 à 100% du débit nominal. L'invention a pour but de permettre d'assurer un service continu et à charge variable de la pompe pendant de longues durées, dans le domaine des très hautes pressions, en limitant d'une part les arrêts de la pompe liés à la dégradation des pièces mécaniques provoquée par l'usure (segmentation, piston, chemise en particulier),et d'autre part les pertes de liquide liées à une conception inappropriée et à une dégradation mécanique rapide. A cet effet, l'invention a pour objet une pompe cryogénique du type précité, caractérisée en ce que chaque segment d'étanchéité est constitué de deux segments élémentaires accolés dont les coupes sont droites ou biaises et sont décalées au montage de 180 l'une par rapport à l'autre, et d'un expandeur commun, et en ce que les segments élémentaires sont constitués d'un matériau composite qui contient plus de 50% de bronze, environ 5% de bisulfure de molybdène et le reste de PTFE. La pompe cryogénique suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - le matériau composite contient environ 65% de bronze, environ 5% de sulfure de molybdène et environ 30% de PTFE; - le matériau composite est fritté; - l'expandeur possède une fente, notamment une fente droite, décalée, au montage, de 90 par rapport aux coupes des deux segments élémentaires; - la longueur de chaque segment d'étanchéité est inférieure à celle de chaque segment de guidage; - à l'état monté, le jeu circonférentiel de chaque segment élémentaire à l'emplacement de sa coupe est inférieur à 0,1 mm; - les segments d'étanchéité sont régulièrement répartis entre les deux segments de guidage; - le piston comporte cinq à douze segments d'étanchéité; - le piston comporte huit segments d'étanchéité pour une haute pression de refoulement comprise entre environ 600 et environ 900 bars; - la vitesse linéaire moyenne du piston varie, en fonction de la charge de la pompe, dans une gamme dont la borne supérieure et inférieure à 1 m/s. L'invention a également pour objet un piston pour une pompe cryogénique telle que définie ci-dessus. Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel: - la Figure 1 est une vue schématique partielle en coupe longitudinale d'une pompe cryogénique suivant l'invention; - la Figure 2 est une vue analogue à plus grande échelle du piston de cette pompe; - la Figure 3 est une vue en bout d'un segment d'étanchéité de cette pompe; et - la Figure 4 est une vue de côté du même segment d'étanchéité, avec son expandeur décalé axialement pour la clarté du dessin. La pompe cryogénique 1 représentée schématiquement sur la Figure 1 comprend un corps de pompe 2 dans lequel est fixée une chemise 3. Dans cette chemise, un piston 4 coulisse en va-et-vient sous l'action d'un système d'entraînement schématisé par une double flèche F. A l'exception des segments du piston, qui seront décrits plus loin, la structure de la pompe est classique. En service, le liquide cryogénique est introduit sous une basse pression suffisante, via un raccord d'entrée 5 muni d'un clapet d'entrée, dans une chambre annulaire 6. Lorsque le piston recule (vers la gauche de la Figure 1), le liquide passe de la chambre 6, via des conduits obliques 7, dans la chemise 3. Lorsque le piston avance, le liquide est refoulé sous la haute pression à travers un conduit de refoulement 8, via un clapet de sortie. Un excès de liquide sous la basse pression est en permanence évacué via un espace annulaire 9 du corps 2 qui entoure la chemise 3, et de là via un raccord 10. La chemise est centrée dans le corps 2 par une plage 11 située à gauche de l'espace 9, et une chambre annulaire de fuite 12 est ménagée à gauche de la plage 11. Le liquide de fuite recueilli dans la chambre 12 est évacué via un raccord 13. La chemise 1 comporte un alésage central à section circulaire, et son axe X-X est supposé horizontal ou légèrement incliné dans le sens ascendant vers la sortie 8. Le piston 4 comprend un corps 14 extérieurement cylindrique, de rayon légèrement inférieur au rayon intérieur de la chemise 3. Ce corps est pourvu extérieurement de deux types de gorges circulaires: au voisinage de chaque extrémité, une gorge 15 de longueur L relativement importante, et entre les deux gorges 15, une pluralité de gorges 16 de longueur 1 plus faible. L'ensemble des gorges 16 définit une région d'étanchéité 17 du piston. Dans chaque gorge 15 est reçu un segment de guidage 18 ayant sensiblement la longueur L. Ce segment est un anneau à coupe droite ou biaise et comporte sur sa surface extérieure des rainures longitudinales d'équilibrage. Dans chaque gorge 10 est reçu un segment d'étanchéité 19 représenté sur les Figures 2 et 3 à l'état de repos. Ce segment est constitué de deux segments élémentaires 19A, 19B identiques, à coupe 20A, 20B droite comme représenté. Chaque segment élémentaire a une longueur sensiblement égale à 1/2. Les deux segments élémentaires sont accolés, et leurs coupes sont décalées angulairement de 180 l'une par rapport à l'autre. Dans chaque paire de segments 19A, 19B est disposé un expandeur intérieur 21 annulaire fendu à coupe droite en acier inoxydable austénitique ou en un autre matériau équivalent, de longueur sensiblement égale à 1. La fente 22 de cet expandeur, orientée axialement, est décalée au montage de 90 par rapport à celles des deux segments élémentaires 19A et 19B. Les segments élémentaires sont constitués d'un matériau fritté sous pression à chaud et composé d'environ % de PTFE, d'environ 65% de bronze et d'environ 5% de bisulfure de molybdène MoS2. Les segments 18 sont constitués du même matériau. A l'état monté, le jeu circonférentiel de chaque segment élémentaire 19A, 19B est inférieur à 0,1 mm à l'emplacement de sa coupe, et il en est de même pour chaque segment de guidage 18. La pompe décrite ci-dessus, avec huit segments d'étanchéité 19 régulièrement répartis sur la longueur de la région 17, qui est d'environ 15 cm pour une longueur de piston d'environ 20 cm, s'est révélée convenir pour un fonctionnement continu sans maintenance d'au moins 500 heures par périodes de cinq jours sans arrêt, avec une pression de refoulement inférieure ou égale à 850 bars et une charge variant de 30 à 100%. Cette variation de charge5 correspond dans cet exemple à une vitesse linéaire moyenne du piston variant de 0,15 à 0,7 m/s environ. Une telle gamme de vitesses moyennes, inférieures à 1 m/s, conduit à une relativement faible usure des pièces. REVENDICATTONS 1. Pompe cryogénique très haute pression, du type comprenant une chemise (3) dans laquelle est reçu un piston coulissant (4), ce piston étant équipé au voisinage de chaque extrémité d'un segment de guidage (18) et, entre les segments de guidage, d'une pluralité de segments d'étanchéité (19), caractérisée en ce que chaque segment d'étanchéité est constitué de deux segments élémentaires (19A, 19B) accolés dont les coupes (20A, 20B) sont droites ou biaises et sont décalées au montage de 180 l'une par rapport à l'autre, et d'un expandeur commun (21), et en ce que les segments élémentaires sont constitués d'un matériau composite qui contient plus de 50% de bronze, environ 5% de bisulfure de molybdène et le reste de PTFE. 2. Pompe cryogénique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau composite contient environ 65% de bronze, environ 5% de sulfure de molybdène et environ 30% de PTFE. 3. Pompe cryogénique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau composite est fritté. 4. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'expandeur (21) possède une fente (22), notamment une fente droite, décalée, au montage, de 90 par rapport aux coupes (20A, 20B) des deux segments élémentaires (19A, 19B). 5. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la longueur (1) de chaque segment d'étanchéité (19) est inférieure à celle (L) de chaque segment de guidage (18). 6. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que, à l'état monté, le jeu circonférentiel de chaque segment élémentaire (19A, 19B) à l'emplacement de sa coupe (20A, 20B) est inférieur à 0,1 mm. 7. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les segments d'étanchéité (19) sont régulièrement répartis entre les deux segments de guidage (18). 8. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le piston (4) comporte cinq à douze segments d'étanchéité. 9. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le piston (4) comporte huit segments d'étanchéité (19) pour une haute pression de refoulement comprise entre environ 600 et environ 900 bars. 10. Pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la vitesse linéaire moyenne du piston (4) varie, en fonction de la charge de la pompe, dans une gamme dont la borne supérieure et inférieure à 1 m/s. 11. Piston pour une pompe cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10