Brevet FR2906578A1 — publié le 20080404

La présente invention concerne le domaine des pompes, telles par exemple les pompes destinées à aspirer du gaz liquéfié. Une telle pompe est généralement destinée à être disposée verticalement, c'est-à-dire que son axe de rotation s'étend généralement verticalement, de sorte que l'on peut définir le bas et le haut de la pompe en référence à un tel axe vertical. On définit également les termes "axial", "radial" et "tangentiel" en référence à l'axe de rotation de la pompe. Du fait de la masse importante de certains éléments rotatifs de cette pompe, notamment l'arbre de rotation fixé au rotor du moteur de la pompe, on comprend que la force de pesanteur qui tend à déplacer ces éléments vers le bas de la pompe est importante. En outre, la contre-réaction au pompage induit une force de traction qui tire vers le bas l'arbre de rotation de la pompe et les éléments 15 qui y sont fixés. Cette force supplémentaire s'ajoute à la force de pesanteur si bien que l'arbre de rotation subit des efforts importants dirigés axialement vers le bas de la pompe. Il en résulte que les paliers prévus pour guider l'arbre de rotation 20 en rotation par rapport au carter de la pompe, sont fortement sollicités axialement par ces efforts, ce qui nuit à leur durée de vie. Pour pallier à cet inconvénient, de telles pompes comprennent généralement un système d'équilibrage axial permettant de compenser tout ou partie de ces efforts. 25 La présente invention concerne plus particulièrement une pompe pour l'aspiration d'un fluide, comprenant au moins une roue centrifuge présentant un bord d'entrée et un bord de sortie de fluide, la roue centrifuge étant entraînée en rotation par un arbre monté rotatif par rapport à un carter de la pompe, la pompe comprenant en outre un 30 système d'équilibrage axial comportant un espace d'écoulement à haute pression défini entre le carter et une face amont de la roue centrifuge, un espace d'écoulement à basse pression défini entre le carter et une face aval de la roue centrifuge, l'espace d'écoulement à haute pression comprenant une entrée disposée à proximité du bord de sortie de la roue 35 centrifuge et une sortie disposée à proximité du bord d'entrée de la roue centrifuge, ladite sortie de l'espace d'écoulement à haute pression étant 2906578 2 munie de premiers moyens de restriction d'écoulement, l'espace d'écoulement à basse pression comprenant une entrée disposée à proximité du bord de sortie de la roue centrifuge, ladite entrée étant munie de seconds moyens de restriction d'écoulement, l'espace 5 d'écoulement à basse pression comprenant en outre une sortie présentant un passage annulaire formant restriction d'écoulement variable axialement et débouchant radialement sur un espace annulaire de décharge défini autour dudit arbre radialement intérieurement par rapport au passage annulaire, l'espace annulaire communiquant avec une région où la 10 pression est inférieure à celle de l'espace d'écoulement basse pression. Une telle pompe comprenant un système d'équilibrage axial est déjà connue, notamment au travers du document EP 0 688 955. De manière connue, le fluide est aspiré par un étage d'aspiration, puis est guidé vers le bord d'entrée de la roue centrifuge, cette dernière comprenant une conduite ayant une entrée s'étendant axialement et une sortie s'étendant radialement de sorte que le fluide subit une accélération centrifuge, avant d'être guidé par une conduite annulaire de refoulement vers l'aval de la pompe. De manière préférentielle mais non nécessairement, l'écoulement dans les espaces d'écoulement à haute et basse pression est centripète. Le principe de fonctionnement du système d'équilibrage axial est classiquement le suivant : une partie du fluide sortant de la roue centrifuge, au lieu de se diriger vers la conduite de refoulement, s'engouffre entre la roue centrifuge et le carter de la pompe, essentiellement du fait de l'absence d'étanchéité entre ces deux éléments. Ainsi, une première fraction de fluide s'écoule dans l'espace d'écoulement à haute pression, tandis qu'une seconde fraction de fluide s'écoule dans l'espace d'écoulement à basse pression. Comme la sortie de l'espace d'écoulement à haute pression est, contrairement à l'entrée, restreinte par les premiers moyens de restriction d'écoulement, on comprend que la pression hydrostatique de la première fraction de fluide augmente lors de son passage dans l'espace d'écoulement à haute pression. Alternativement, comme l'entrée de l'espace d'écoulement à basse 35 pression est restreinte par les seconds moyens de restriction d'écoulement, on comprend que la pression hydrostatique de la seconde fraction de 2906578 3 fluide diminue lors de son passage dans l'espace d'écoulement à basse pression. Dans ce cas, on comprend que la pression dans l'espace d'écoulement à haute pression est supérieure à la pression dans l'espace 5 d'écoulement à basse pression si bien que la roue centrifuge subit une force de reprise axiale dirigée vers l'aval de la pompe, contrecarrant ainsi les efforts axiaux dirigés vers l'amont de la pompe mentionnés ci-dessus. On comprend donc que cette force de reprise axiale permet de soulager le ou les palier(s). 10 On comprend aussi que l'intensité de la force de reprise est limitée par l'étendue des surfaces amont et aval de la roue centrifuge, puisque la force est proportionnelle à la surface sur laquelle agit la pression. Un but de la présente invention est de fournir une pompe ayant un système d'équilibrage axial amélioré apte à engendrer une force de reprise 15 axiale plus importante. L'invention atteint son but par le fait que le système d'équilibrage axial comporte en outre des moyens pour augmenter sensiblement la pression hydrostatique du fluide circulant dans l'espace d'écoulement à haute pression lors du fonctionnement de la pompe. 20 Il est connu qu'un fluide présente une pression totale égale à la somme de sa pression dynamique et de sa pression hydrostatique. Dès lors que l'on augmente la pression hydrostatique du fluide circulant dans l'espace d'écoulement à haute pression, on comprend que la différence de pression entre l'espace d'écoulement à haute pression et 25 l'espace d'écoulement à basse pression augmente elle aussi ; en conséquence de quoi la force de reprise axiale est plus importante que dans les pompes connues. Pour une roue centrifuge de même dimension, il est donc possible d'obtenir une force de reprise plus importante que dans les systèmes 30 d'équilibrage axial déjà connus, ce qui permet par exemple de fonctionner sur une plage de débit et de pression plus étendue. En d'autres termes, grâce à la présente invention, il est donc avantageusement possible d'augmenter la force de reprise sans augmenter le diamètre de la roue centrifuge, et donc sans augmenter le diamètre de la pompe. 2906578 4 Avantageusement, les moyens pour augmenter sensiblement la pression hydrostatique du fluide sont aptes à diminuer la composante tangentielle du fluide circulant dans l'espace d'écoulement à haute pression. 5 De manière préférentielle, lesdits moyens pour augmenter sensiblement la pression hydrostatique du fluide comprennent au moins une ailette formée sur le carter, ladite ailette d'étendant radialement et selon une direction centripète depuis l'entrée de l'espace d'écoulement à haute pression. L'explication est la suivante. 10 Cette ailette constitue un obstacle à la circulation tangentielle de la première fraction de fluide. Il en résulte que la composante tangentielle de la vitesse de la première fraction de fluide est quasiment nulle du fait de la présence de l'ailette. 15 Autrement dit, dans l'espace d'écoulement à haute pression, la circulation de la première fraction de fluide est essentiellement radiale. En outre, la vitesse totale du fluide est égale à la racine carrée de la somme des carrés des composantes radiale, tangentielle et axiale de la vitesse du fluide. 20 Or, en l'espèce, la composante axiale de la vitesse de la première fraction de fluide est quasiment nulle, et pour les raisons mentionnées ci-dessus la composante tangentielle de la vitesse de la première fraction de fluide est également quasiment nulle. Il en résulte que dans l'espace d'écoulement à haute pression, la 25 vitesse totale de la première fraction de fluide est avantageusement inférieure en présence d'ailette qu'en l'absence d'ailette. Par ailleurs, la pression dynamique d'un fluide est proportionnelle au carré de sa vitesse totale, et la pression totale d'un fluide est une constante. 30 On comprend donc que dès lors que l'on diminue la vitesse totale d'un fluide, sa pression dynamique diminue. On en déduit que si la pression dynamique d'un fluide diminue, sa pression hydrostatique augmente avantageusement en raison du fait que la pression totale est une constante. 2906578 5 En conséquence, la présence de l'ailette conduit de manière particulièrement avantageuse à l'augmentation de la pression hydrostatique dans l'espace d'écoulement à haute pression. De manière préférentielle, lesdits moyens comprennent une 5 pluralité d'ailettes s'étendant radialement tout en étant espacées angulairement autour de l'axe de rotation de la pompe. Grâce à la pluralité d'ailettes, on uniformise avantageusement la distribution de pression hydrostatique dans l'espace d'écoulement à haute pression. 10 De manière préférentielle, deux ailettes adjacentes délimitent une gorge dont une extrémité débouche radialement intérieurement dans l'espace d'écoulement à haute pression. Un intérêt est de favoriser l'écoulement centripète de la première fraction de fluide vers la sortie de l'espace d'écoulement à haute pression. 15 Avantageusement, le système d'équilibrage axial comporte en outre au moins un canal de réinjection s'étendant entre l'espace annulaire de décharge et une région fluidique située en amont du bord d'entrée de la roue centrifuge. Lorsque la force de reprise est trop importante, le passage 20 annulaire tend à se fermer en conséquence de quoi il se crée une restriction d'écoulement en sortie de l'espace d'écoulement à basse pression, cette restriction induisant une augmentation de pression hydrostatique dans l'espace d'écoulement à basse pression venant ainsi diminuer la force de reprise axiale communiquée à l'arbre par la roue 25 centrifuge. Le canal de réinjection permet ainsi d'évacuer le fluide sortant de l'espace d'écoulement à basse pression. De manière préférentielle, le canal de réinjection est ménagé dans la roue centrifuge. 30 Avantageusement, le passage annulaire est défini entre une première nervure annulaire formée sur la face aval de la roue centrifuge et une seconde nervure annulaire formée sur le carter. Avantageusement, les premiers et/ou les seconds moyens de restriction d'écoulement comprennent un joint annulaire. 35 On comprend que le joint annulaire est perméable pour permettre l'écoulement du fluide. 2906578 6 De préférence, le joint annulaire est un joint labyrinthe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. 5 La description se réfère à la figure annexée représentant la partie amont d'une pompe à roue centrifuge comportant un système d'équilibrage axial selon la présente invention. La figure unique représente une vue en coupe et en élévation de la partie amont d'une pompe 10 conforme à l'invention, cette pompe 10 10 étant destinée préférentiellement mais non exclusivement au pompage de fluide tel du gaz liquéfié. Elle peut avantageusement être utilisée pour vider les cuves de méthaniers. Dans la description qui suit, les adjectifs axial , tangentiel et radial sont définis par rapport à l'axe de rotation A de la pompe 10, 15 tandis que les adjectifs amont et aval le sont par rapport au sens d'aspiration du fluide. En outre, comme la pompe 10 est généralement destinée à être disposée verticalement, on définira les adjectifs bas et haut en référence à la position verticale de la pompe. 20 Considérée selon la direction d'aspiration schématisée ici par des flèches épaisses, la pompe 10 comprend successivement un étage d'aspiration 12, une roue centrifuge 14 et une conduite annulaire 16 permettant le refoulement aval du fluide aspiré. L'étage d'aspiration 12 comporte un inducteur 18 rotatif muni d'un 25 moyeu 20 entrainé en rotation par un arbre de rotation 22 de la pompe 10, l'arbre de rotation 22 étant quant à lui entrainé par un moteur électrique (représenté en partie) disposé en aval de la roue centrifuge 14. En outre, la roue centrifuge 14 est également entraînée en rotation par l'arbre de rotation 22 dont elle est solidaire. 30 Comme on le constate sur la figure, l'arbre de rotation 22 est monté rotatif sur un carter 24 de la pompe 10 par l'intermédiaire d'un palier 26 par exemple du type roulement, l'arbre de rotation 22 ayant un épaulement 30 venant axialement en butée contre une cage intérieure 28 du palier 26. 35 La pompe 10 étant disposée verticalement, on comprend à l'aide de la figure qu'en l'absence de système d'équilibrage axial, la cage intérieure 2906578 7 28 du palier 26 supporte le poids de l'arbre de rotation 22, du rotor du moteur, de la roue centrifuge 14 et de l'inducteur 18, poids auquel s'ajoute la force de traction subie par l'inducteur 18 lors de l'aspiration du fluide. 5 On va maintenant décrire plus en détail le principe de fonctionnement général d'un système d'équilibrage axial 32 selon la présente invention. Conformément à l'invention, le système d'équilibrage axial 32 a pour fonction de reprendre les efforts exercés sur le palier 26 mentionnés 10 ci-dessus. Cette reprise d'effort résulte de la génération d'une force de reprise axiale opposée à la résultante des efforts mentionnés ci-dessus, cette force de reprise axiale s'exerçant sur la roue centrifuge 14. Comme la roue centrifuge 14 est solidaire de l'arbre de rotation 22, 15 on comprend que la force de reprise axiale est transmise à l'arbre de rotation 22, ce qui permet de contrecarrer les efforts axiaux dirigés vers le bas de la pompe 10 et de soulager le palier 26. On va maintenant décrire comment est générée la force de reprise axiale. 20 Le système d'équilibrage axial 32 comporte un espace d'écoulement centripète à haute pression 34 défini entre le carter 24 et une face amont 36 de la roue centrifuge 14, un espace d'écoulement centripète à basse pression 38 défini entre le carter 24 et une face aval 40 de la roue centrifuge 14. 25 On constate sur la figure que l'espace d'écoulement à haute pression 34 comprend une entrée 42 disposée à proximité du bord de sortie 44 de la roue centrifuge 14 ainsi qu'une sortie 46 disposée à proximité du bord d'entrée 48 de la roue centrifuge 14. Par ailleurs, la sortie 46 de l'espace d'écoulement à haute pression 30 34 est munie de premiers moyens de restriction d'écoulement constitués de préférence par un premier joint annulaire labyrinthe 50, ce joint étant partiellement perméable. De manière particulièrement avantageuse, le système d'équilibrage axial 32 selon la présente invention comprend en outre une pluralité 35 d'ailettes 52 formées sur le carter 24, les ailettes 52 s'étendant radialement selon une direction centripète depuis l'entrée 42 de l'espace 2906578 8 d'écoulement à haute pression 34 tout en étant espacées angulairement autour de l'axe de rotation A de la pompe 10. On comprend qu'il existe un interstice entre la face amont 36 de la roue centrifuge 14 et le carter 24 de telle sorte qu'une première fraction 5 du fluide sortant de la roue centrifuge 14 peut s'engouffrer dans l'espace d'écoulement à haute pression 34 lors du fonctionnement de la pompe. Cet écoulement est schématisé sur la figure par des flèches fines. Comme l'écoulement est restreint en sortie de l'espace d'écoulement à haute pression 34, on comprend que la pression 10 hydrostatique de la première fraction de fluide est supérieure à la pression hydrostatique du fluide en entrée de la roue centrifuge 14. Lorsqu'elle sort de la roue centrifuge 14, cette première fraction de fluide présente une vitesse tangentielle sensiblement égale à la vitesse du bord de sortie 44 de la roue centrifuge 14. 15 Conformément à l'invention, les ailettes radiales 36 constituent des obstacles à l'écoulement tangentiel de la première fraction de fluide, si bien que la première fraction de fluide est freinée par les ailettes et s'écoule uniquement selon une direction radiale centripète dans l'espace d'écoulement haute pression 34. 20 Il en résulte une diminution de la vitesse totale de la première fraction de fluide, cette dernière étant égale à la racine carrée de la somme des carrés des composantes tangentielle, radiale et axiale de la vitesse du fluide. Comme la pression dynamique est proportionnelle au carré de la 25 vitesse totale du fluide, on comprend que la diminution de la vitesse totale de la première fraction de fluide entraine une diminution de la pression dynamique du fluide, en conséquence de quoi la pression hydrostatique de la première fraction de fluide augmente de manière particulièrement avantageuse en raison du fait que la pression totale de la première 30 fraction de fluide est une constante. Il en résulte que la pression hydrostatique de la première fraction de fluide reste sensiblement constante et égale à celle du fluide sortant de la roue centrifuge 14. On constate par ailleurs que l'espace d'écoulement à basse pression 35 38 comprend une entrée 54 disposée à proximité du bord de sortie 44 de la roue centrifuge 14, ladite entrée 54 étant munie de seconds moyens de 2906578 9 restriction d'écoulement constitués de préférence par un second joint annulaire labyrinthe 56, ce joint étant partiellement perméable. On conçoit qu'il existe un interstice entre la face aval 40 de la roue centrifuge 14 et le carter 24 de telle sorte qu'une seconde fraction du 5 fluide sortant de la roue centrifuge 14 peut s'engouffrer dans l'espace d'écoulement à basse pression 38 lors du fonctionnement de la pompe 10. Cet écoulement est schématisé sur la figure par des flèches fines. A l'aide de la figure, on constate que l'espace d'écoulement à basse pression 38 comprend en outre une sortie 58 présentant un passage 10 annulaire 60 formant restriction d'écoulement variable axialement et débouchant radialement sur un espace annulaire de décharge 62 défini autour dudit arbre de rotation 22 radialement intérieurement par rapport au passage annulaire 60. En outre, le passage annulaire 60 est défini entre une première 15 nervure annulaire 60a formée sur la face aval 40 de la roue centrifuge 14 et une seconde nervure annulaire 60b solidaire du carter 24. Comme le système d'équilibrage axial 32 permet un léger déplacement axial de la roue centrifuge 14 par rapport au carter 24, on comprend que la largeur axiale du passage annulaire 60 peut varier. 20 L'espace annulaire 62 communique en outre avec une région où la pression est inférieure à celle de l'espace d'écoulement basse pression 38, cette région étant de préférence disposée en amont de la roue centrifuge 14. De manière préférentielle, au moins un canal de réinjection 64 25 ménagé axialement dans la roue centrifuge 14 assure la communication fluidique entre l'espace annulaire de décharge 62 et la région située en amont de la roue centrifuge 14. Comme l'écoulement est restreint en entrée de l'espace d'écoulement à basse pression 38, on comprend que la pression de la 30 seconde fraction de fluide est inférieure à la pression du fluide en sortie de la roue centrifuge 14. On comprend donc que la différence de pression hydrostatique entre les espaces d'écoulement à haute et basse pression engendre une force de reprise axiale appliquée sur la roue centrifuge 14 tout en étant 35 orientée vers le haut de la pompe 10. 2906578 10 Cette force de reprise contrecarre donc les forces de pesanteur et de traction subies par les éléments rotatifs de la pompe et qui s'appliquent sur la cage intérieure 28 du palier 26. Ainsi, le système d'équilibrage axial selon la présente invention 5 permet de soulager davantage le palier 26. Le passage annulaire 60 permet la régulation de l'équilibrage axial de la façon suivante: si la force de reprise axiale est trop importante, le passage annulaire 60 tend à se fermer par quoi il restreint davantage l'écoulement en sortie de l'espace d'écoulement à basse pression 38 en 10 conséquence de quoi la pression hydrostatique dans cet espace d'écoulement augmente, ce qui entraîne la diminution de la force de reprise axiale. Le canal de réinjection 64 permet de réinjecter la seconde fraction de fluide en entrée de la roue centrifuge 14 comme on l'a représenté sur 15 la figure à l'aide des flèches fines. REVENDICATIONS 1. Pompe (10) pour l'aspiration d'un fluide, comprenant au moins une roue centrifuge (14) présentant un bord d'entrée (48) et un bord de sortie (44) de fluide, la roue centrifuge (14) étant entraînée en rotation par un arbre (22) monté rotatif par rapport à un carter (24) de la pompe (10), la pompe (10) comprenant en outre un système d'équilibrage axial (32) comportant un espace d'écoulement à haute pression (34) défini entre le carter (24) et une face amont (36) de la roue centrifuge (14), un espace d'écoulement à basse pression (38) défini entre le carter (24) et une face aval (40) de la roue centrifuge (14), l'espace d'écoulement à haute pression (34) comprenant une entrée (42) disposée à proximité du bord de sortie de la roue centrifuge et une sortie (46) disposée à proximité du bord d'entrée de la roue centrifuge, ladite sortie (46) de l'espace d'écoulement à haute pression étant munie de premiers moyens de restriction d'écoulement (50), l'espace d'écoulement à basse pression (38) comprenant une entrée (54) disposée à proximité du bord de sortie (44) de la roue centrifuge (14), ladite entrée (54) étant munie de seconds moyens de restriction d'écoulement (56), l'espace d'écoulement à basse pression (38) comprenant en outre une sortie (58) présentant un passage annulaire (60) formant restriction d'écoulement variable axialement et débouchant radialement sur un espace annulaire de décharge (62) défini autour dudit arbre (22) radialement intérieurement par rapport au passage annulaire (60), l'espace annulaire (62) communiquant avec une région (48) où la pression est inférieure à celle de l'espace d'écoulement basse pression (38), la pompe étant caractérisée en ce que le système d'équilibrage axial (32) comporte en outre des moyens (52) pour augmenter sensiblement la pression hydrostatique du fluide circulant dans l'espace d'écoulement à haute pression (34) lors du fonctionnement de la pompe. 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens pour augmenter sensiblement la pression hydrostatique du fluide sont aptes à diminuer la composante tangentielle du fluide circulant dans l'espace d'écoulement à haute pression. 2906578 12 3. Pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens (52) pour augmenter sensiblement la pression hydrostatique du fluide comprennent au moins une ailette (52) formée sur le carter (24), ladite ailette (52) s'étendant radialement et selon une direction centripète 5 depuis l'entrée de l'espace d'écoulement à haute pression. 4. Pompe selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens comprennent une pluralité d'ailettes (52) s'étendant radialement tout en étant espacées angulairement autour de l'axe de rotation de la 10 pompe (10). 5. Pompe selon la revendication 4, caractérisée en ce que deux ailettes (52) adjacentes délimitent une gorge dont une extrémité débouche radialement intérieurement dans l'espace d'écoulement à haute 15 pression (34). 6. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le système d'équilibrage axial (32) comporte en outre au moins un canal de réinjection (64) s'étendant entre l'espace annulaire 20 de décharge (62) et une région (48) fluidique située en amont du bord d'entrée de la roue centrifuge. 7. Pompe selon la revendication 6, caractérisée en ce que le canal de réinjection est ménagé dans la roue centrifuge. 25 8. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le passage annulaire (60) est défini entre une première nervure annulaire (60a) formée sur la face aval (40) de la roue centrifuge (14) et une seconde nervure annulaire (60b) formée sur le 30 carter (24). 9. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les premiers (50) et/ou les seconds moyens (56) de restriction d'écoulement comprennent un joint annulaire. 35 2906578 13 10. Pompe selon la revendication 9, caractérisée en ce que le joint annulaire (50, 56) est un joint labyrinthe.