Brevet FR2921445A1 — publié le 20090327

La présente invention se rapporte à une pompe centrifuge verticale, qui comprend plusieurs cellules hydrauliques ou "bols" superposés. Un domaine d'application possible d'une telle pompe est le 5 pompage d'hydrocarbures ou de gaz liquéfiés tels que le méthane, à des températures de l'ordre de -255°C à 100°C. On a représenté partiellement à la figure 1 annexée, en coupe verticale, une pompe de ce genre, conforme à l'état de la technique en la matière. 10 Cette pompe centrifuge verticale comprend plusieurs cellules hydrauliques ou "bols" superposés. Dans l'illustration de la figure 1 sont représentées seulement trois cellules Cl C2 et C3, mais il est bien entendu qu'une telle pompe peut comporter un nombre inférieur ou supérieur de telles cellules, par exemple 15 douze. Les cellules Cl à C3 sont identiques, d'axe vertical X-X', et sont fixées les uns aux autres de manière étanche par tout moyen connu de l'homme du métier. Ces cellules sont traversées par un arbre moteur non 20 représenté, d'axe X-X'. Chaque cellule est pourvue d'une roue mobile 2 ou "impulseur", qui est calée sur l'arbre précité. Dans ces conditions, l'axe de rotation de ces roues est l'axe X-X'. 25 Cornme le montre clairement la figure 1, les roues 2 sont creuses et présentent une section droite en forme de "T". Une traversée axiale 22 permet la fixation de la roue sur l'arbre moteur. Chaque roue comporte au moins une entrée inférieure axiale 30 20 et au moins une sortie radiale 21 pour le fluide à pomper, reliées deux à deux par un canal interne qui passe d'une orientation verticale à une orientation horizontale ou oblique. Dans l'exemple représenté ici, les nombres d'entrées 20 et de sorties 21 sont chacun de quatre. La roue est guidée en rotation dans l'espace interne et creux de la cellule correspondante. En l'occurrence, lors de sa rotation sur elle-même, les sorties 21 se trouvent périodiquement face aux extrémités inférieures 110 de volutes 11 formées dans la cellule correspondante, dont l'extrémité supérieure 111 se situe juste en dessous des entrées 20 de la roue 2 de la cellule située immédiatement au dessus. Par le terme "volute", on entend un corps fixe, de section croissante, dans lequel le ralentissement progressif du liquide sortant de la roue d'une pompe centrifuge permet de transformer une énergie cinétique en énergie de pression. La figure 2 est une vue schématique en perspective du canal 15 hydraulique d'une seule cellule de la pompe de la figure 1, par exemple la cellule Cl. Et cette architecture est répétée pour chaque cellule. Le fluide à pomper entre à relativement basse pression dans chaque cellule et en ressort à pression beaucoup plus élevée. 20 A la figure 1 est représenté par une flèche en traits pointillés, le cheminement du fluide à pomper, au travers de la cellule Cl. II s'agit d'un cheminement ascendant, qui se répète d'une cellule à l'autre. On comprend aisément de ce qui précède que cette pompe est soumise essentiellement à des efforts axiaux générés par la pression 25 sur le flasque arrière de chaque roue. Au sommet (non représenté) de cette pompe est prévue une butée dont la fonction est de reprendre la totalité des efforts axiaux. Ainsi, il est courant d'utiliser des butées aptes à encaisser des poussées de l'ordre de plusieurs tonnes. Dans ces conditions, il faut avoir 30 recours à une butée de haute technicité, telle qu'une butée à patins et à lubrification forcée. La présente invention vise à résoudre ces problèmes en proposant une pompe du genre exposée ci-dessus, mais qui est soumise à des efforts axiaux notablement réduits, ce qui autorise l'utilisation d'une 35 butée de capacité plus faible, et donc moins couteuse. Un autre objectif est d'atteindre le but précédent au moyen d'éléments largement éprouvés dans les pompes déjà connues jusqu'ici. Ainsi, la présente invention se rapporte à une pompe centrifuge verticale, qui comprend plusieurs cellules hydrauliques ou "bols" superposés, chaque cellule étant pourvue : - d'une première roue mobile ou "impulseur" d'axe de rotation vertical, cette roue comportant au moins une entrée axiale et au moins une sortie radiale pour le fluide à pomper, - et de moyens d'acheminement du fluide vers l'entrée de la 10 première roue d,e la cellule située immédiatement au dessus. Cette pompe est essentiellement caractérisée par le fait que chaque cellule comporte une roue additionnelle coaxiale montée en opposition au dessus de la première, de sorte que le fluide traverse d'abord la première roue selon une direction généralement ascendante, puis est 15 acheminé dans la roue supérieure qu'il traverse selon un mouvement généralement descendant, avant d'être dirigé vers la première roue de la cellule située immédiatement au dessus. Grâce à cette structure, il n'est plus nécessaire d'avoir recours à des roues équilibrées, puisque les deux roues montées en opposition de 20 chaque cellule s'équilibrent deux à deux. Du fait du cheminement en sens contraire du fluide à pomper au sens de chaque cellule, la poussée axiale résiduelle devient faible. Dans ces conditions, l'utilisation d'une butée sophistiquée, telle qu'une butée à patins et à lubrification forcée, n'est plus requise. 25 Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : - les sortie(s) de la première roue et entrée(s) de la roue additionnelle d'une cellule déterminée sont reliées deux à deux par un premier ensemble de volutes formant des canaux de transfert, tandis que 30 les sortie(s) de la roue additionnelle de cette même cellule et entrée(s) de la première roue de la cellule située immédiatement au dessus sont reliées deux à deux par un second ensemble de volutes formant des canaux de transfert ; - lesdites volutes font au moins partiellement saillies hors des 35 cellules ; - les volutes de chaque ensemble sont équidistantes angulairement, d'un angle prédéterminé a ; - les volutes du premier ensemble sont décalées d'un angle égal à a/2 ou environ a/2 par rapport à celles du second ensemble, de 5 sorte qu'entre deux volutes voisines du premier ensemble s'étend une volute du second ensemble ; - la première roue et roue additionnelle sont séparées par une plaque qui supporte une bague d'usure ; - elle est pourvue d'une butée à lubrification et refroidissement 10 autonomes, aptes à encaisser la poussée axiale résiduelle ; - lesdites première roue et roue additionnelle sont généralement identiques ou similaires. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode 15 de réalisation préférentiel. Cette description sera donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels : -les figures 1 et 2 sont, comme déjà dit, respectivement des vues partielle en coupe verticale d'une pompe centrifuge conforme à l'état de la technique, et en perspective d'une cellule d'une telle pompe ; 20 - la figure 3 est une vue en coupe verticale de deux cellules superposées d'une pompe conforme à l'invention ; - la figure 4 est une vue en perspective d'une cellule de cette pompe. A la figure 3 annexée sont représentés deux cellules ou "bols" 25 superposés d'une pompe selon l'invention. Ces cellules sont identiques, de sorte que la description qui sera donnée ci-après en référence à la cellule "inférieure" Cl, vaudra également pour la cellule C2 située immédiatement au-dessus, ainsi que pour les autres cellules de la pompe, qui n'ont pas été représentées ici dans 30 un seul but de sirnplification. Comme dans la pompe illustrée à la figure 1, la pompe selon l'invention comporte des cellules traversées par un arbre moteur d'axe vertical X-X'. Chaque cellule, et notamment la cellule Cl, est pourvue d'une 35 première roue mobile 2 ou impulseur, qui est calée sur l'arbre précité. De la même manière que dans la pompe de la figure 1, la roue comporte au moins une entrée inférieure axiale 20 et au moins une sortie radiale 2lpour le fluide à pomper, reliées deux à deux par un canal interne qui passe d'une orientation verticale à une orientation horizontale ou oblique. Selon l'invention, la cellule Cl (et cela vaut pour toutes les cellules de la pompe) comporte une roue additionnelle coaxiale 2', montée en opposition au dessus de la première 2. Il s'agit de roues similaires. Par l'expression "montée en opposition", on entend que la roue additionnelle 2' est l'image " de la première roue 2, par rapport à un plan de symétrie perpendiculaire à l'axe X-X', et est entraînée en rotation à la même vitesse que cette dernière. Cependant, les aubes de deux roues sont inversées 15 angulairement pour tenir compte du sens de rotation. Les deux roues 2 et 2' sont séparées l'une de l'autre par une plaque 3 maintenue par des bagues en trois parties, qui supporte une bague d'usure destinée à laminer la pression entre les deux roues. Les sorties 21 de la première roue 2 et entrées 20' de la roue 20 additionnelle 2' d'une cellule déterminée (en l'occurrence la cellule Cl) sont reliées deux à deux par un premier ensemble de volutes 11 formant canaux de transfert du fluide à pomper. Sur les figures 3 et 4, les références 110 et 111 désignent les extrémités inférieure et supérieure de ces volutes. Par ailleurs, les sorties 21' de la roue additionnelle 2' et 25 entrées de la première roue 2 de la cellule C2 située immédiatement au dessus sont reliées deux à deux par un second ensemble de volutes 12 formant canaux de transfert du fluide à pomper. Sur les figures 3 et 4, les références 120 et 121 désignent les extrémités inférieure et supérieure de ces volutes. 30 Dans ces conditions, le fluide à pomper traverse d'abord la première roue 2 de la cellule Cl selon une direction généralement ascendante (flèche F1 de la figure 3), puis est acheminé dans la roue additionnelle 2' qu'il traverse selon une direction généralement descendante, avant d'être dirigé vers la première roue 2 de la cellule C2 35 située immédiatement au dessus. Grâce à cette disposition, il n'est pas nécessaire de disposer de roues équilibrées, puisque les roues 2 et 2' s'équilibrent deux à deux au sein de chaque cellule. Dans ces conditions, la poussée axiale qui en résulte est largement réduite comparativement aux pompes selon l'art antérieur. Les volutes 11 et 12 précitées font, comme montré à la figure 4, partiellement saillie hors du corps 10 de cellule. Dans l'exemple représenté ici, chaque ensemble est formé de quatre volutes 11, respectivement 12. Dans chaque ensemble, les volutes sont équidistantes angulaires, d'un angle a égal ici à 90°. On parle de configuration "quad volute". Pour gagner en compacité, les volutes 11 sont décalées d'un angle égal à a/2 (c'est à dire 450), ou à environ a/2 par rapport aux volutes 12, de sorte qu'entre deux volutes 12 est intercalée une volute 11, et inversement. Finalement, grâce à l'invention, on a affaire à une pompe verticale dont chacune des cellules qui la composent est équilibrée. La poussée axiale résultante étant relativement faible, on peut équiper la pompe d'une butée classique à billes, en lieu et place d'une butée à patins et lubrification forcée. Ce changement de type de butée constitue un gain énergétique au niveau de l'installation, puisque le système de lubrification et ses moyens de refroidissement sont supprimés. Un autre type de butée à lubrification et refroidissement autonomes, peut être utilisé. Grâce à la présence de deux roues montées en opposition dans la même cellule, on gagne en compacité, ce qui permet d'éviter d'avoir à faire à des pompes puissantes mais de taille démesurée.30 REVENDICATIONS , 1. Pompe centrifuge verticale, qui comprend plusieurs cellules hydrauliques ou "bols" superposés (CI, C2), chaque cellule (CI) étant pourvue : - d'une première roue mobile ou "impulseur" (2) d'axe de rotation vertical (X-X'), cette roue (2) comportant au moins une entrée axiale (20) et au moins une sortie radiale (21) pour le fluide à pomper, -et de moyens d'acheminement du fluide (11) vers l'entrée de la première roue (2) de la cellule (C2) située immédiatement au dessus, caractérisée par le fait que chaque cellule (CI) comporte une roue additionnelle coaxiale (2') montée en opposition au dessus de la première (2), de sorte que le fluide traverse d'abord la première roue selon une direction généralement ascendante, puis est acheminé dans la roue supérieure (2') qu'il traverse selon une direction généralement descendante, avant d'être dirigé vers la première roue (2) de la cellule (C2) située immédiatement au dessus. 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les sortie(s) (21) de la première roue (2) et entrée(s) (20') de la roue additionnelle (2') d'une cellule (CI) déterminée sont reliées deux à deux par un premier ensemble de volutes (11) formant canaux de transfert, tandis que les sortie(s) (21') de la roue additionnelle (2') de cette même cellule (CI) et entrée(s) de la première roue (2) de la cellule (C2) située immédiatement au dessus sont reliées deux à deux par un second ensemble de volutes (12) formant canaux de transfert. 3. Pompe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le 25 fait que les volutes (11, 12) de chaque ensemble sont équidistantes angulairement, d'un angle prédéterminé a. 4. Pompe selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les volutes (11) du premier ensemble sont décalées d'un angle égal à a/2 ou environ a/2 par rapport à celles (12) du second ensemble, de sorte 30 qu'entre deux volutes (11) voisines du premier ensemble s'étend une volute (12) du second ensemble. 5. Pompe selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la première roue (2) et roue additionnelle (2') sont séparées par une plaque (3) qui supporte une bague d'usure. 6. Pompe selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle est pourvue d'une butée à lubrification et refroidissement autonomes, apte à encaisser la poussée axiale résiduelle. 7. Pompe selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que lesdites première roue (2) et roue additionnelle (2') sont généralement identiques ou similaires.10