Brevet FR3010153A1 — publié le 20150306

Rotor hélicoïdal, pompe à cavités progressives et dispositif de pompage L'invention concerne un rotor pour pompe à cavités progressives, une pompe à cavités progressives comportant un tel rotor ainsi qu'un dispositif de pompage comportant une telle pompe à cavités progressives. Une pompe à cavités progressives comprend généralement une armature cylindrique, un stator aménagé dans l'armature et présentant une forme intérieure hélicoïdale, un rotor hélicoïdal agencé dans ledit stator. Des cavités, aussi appelées alvéoles sont délimitées entre le rotor et le stator. En fonctionnement, le rotor est entrainé en rotation. La rotation du rotor entraîne le déplacement ou pompage d'un fluide d'une cavité à sa cavité adjacente, d'une extrémité de la pompe, appelée aspiration, à l'extrémité opposée, appelée refoulement. Lors du pompage d'un fluide multiphasique comportant une phase gazeuse, un volume de gaz aspiré à l'entrée de la pompe, se comprime progressivement de l'aspiration vers le refoulement. Cette compression entraîne une augmentation importante de la température à l'intérieur de la pompe qui endommage la tenue mécanique du rotor et du stator, par exemple par brulure de l'élastomère constituant le stator et qui diminue la durée de vie d'une pompe à cavités progressives. Pour pallier à cet inconvénient, la demande de brevet EP 05290100 propose une pompe à cavités progressives comportant un rotor muni de canaux reliant deux ou plusieurs cavités. Au cours du pompage, le fluide pompé circule d'une cavité à l'autre par l'intermédiaire de ces canaux assurant ainsi l'équilibrage des pressions entre les cavités reliées entre elles et diminuant ainsi l'augmentation de la température à l'intérieur du stator. Le but de la présente invention est de proposer un rotor et une pompe à cavités progressives réduisant de manière plus significative la compression des gaz et l'augmentation de la température en résultant. A cet effet, l'invention a pour objet un rotor hélicoïdal destiné à être agencé dans une pompe à cavités progressives ; ladite pompe à cavités progressives étant propre à pomper un fluide polyphasique dans une réserve de fluide ; le rotor hélicoïdal comprenant au moins un mélangeur propre à homogénéiser le fluide polyphasique situé dans ladite réserve de fluide. Suivant des modes particuliers de réalisation, le rotor comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le rotor comporte une première face externe d'extrémité destinée à être accouplée 10 à un arbre d'entrainement, une seconde face externe d'extrémité libre et opposée à la première face externe d'extrémité, une face externe hélicoïdale reliant la première face externe d'extrémité à la seconde face externe d'extrémité, et dans lequel ledit mélangeur comporte un canal interne ayant au moins une entrée de fluide située sur ladite face externe hélicoïdale et une sortie d'éjection du fluide située 15 sur la seconde face externe d'extrémité ; le canal interne étant propre à éjecter une partie dudit fluide polyphasique pompé dans ladite réserve de fluide, pour homogénéiser le fluide polyphasique situé dans ladite réserve de fluide. - dans lequel ladite sortie de fluide est équipée d'une restriction propre à accélérer la vitesse d'éjection de ladite partie du fluide éjectée. 20 - dans lequel ladite restriction présente une forme générale tronconique. - dans lequel ladite restriction comporte une grille. - dans lequel ladite restriction comporte une pale fixe. - dans lequel ladite restriction comporte une pale mobile. - dans lequel ladite restriction présente une forme en nid d'abeilles. 25 - dans lequel ledit rotor hélicoïdal est un tube creux. - dans lequel ladite au moins une entrée de fluide présente la forme d'un diffuseur ayant une ouverture de plus grand diamètre débouchant sur la face externe hélicoïdale du rotor hélicoïdal. - dans lequel ladite au moins une entrée de fluide présente une forme elliptique. 30 - dans lequel un lamage droit est réalisé autour de ladite au moins une entrée de fluide sur ladite face externe hélicoïdale. - dans lequel un lamage conique est réalisé autour de ladite au moins une entrée de fluide sur ladite face externe hélicoïdale. L'invention a également pour objet une pompe à cavités progressives comprenant une armature, un stator aménagé dans ladite armature, ledit stator présentant une forme intérieure hélicoïdale, un rotor hélicoïdal agencé dans ledit stator, caractérisée en ce que ledit rotor hélicoïdal présente les caractéristiques mentionnées ci-dessus. Préférentiellement, le mélangeur comporte une portion qui s'étend en saillie par rapport au stator. Enfin, l'invention a pour objet un dispositif de pompage comprenant une pompe à cavités progressives ayant une entrée et une sortie, une réserve de fluide fixée à l'entrée de la pompe à cavités progressives, et une conduite de refoulement fixée à la sortie de la pompe à cavité progressives, caractérisé en ce que la pompe à cavités progressives présente les caractéristiques mentionnées ci-dessus et en ce que une grille est disposée au travers de la réserve de fluide ; ladite grille présentant en son centre une ouverture oblongue ayant une dimension permettant le passage du rotor hélicoïdal. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures sur lesquelles : la figure 1 est une vue de côté d'un rotor hélicoïdal selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe du rotor illustré sur la figure 1 ; la figure 3 est une vue en coupe d'une entrée de fluide du rotor hélicoïdal illustré sur la figure 1 ; la figure 4 est une vue en coupe d'une variante de réalisation de l'entrée de fluide illustrée sur la figure 3 ; la figure 5 est une vue en coupe d'une variante de réalisation de l'entrée de fluide illustrée sur la figure 3 ; la figure 6 est une vue en coupe d'un rotor selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; la figure 7 est une vue en coupe d'un dispositif de pompage selon l'invention ; et - la figure 8 est une vue de face d'une grille agencée dans le dispositif de pompage illustré sur la figure 7. Le rotor hélicoïdal 2 selon la présente invention est destiné à être agencé dans une 5 pompe à cavités progressives propre à pomper un fluide polyphasique dans une réserve de fluide. En référence aux figures 1 à 3, le rotor hélicoïdal 2 selon le premier mode de réalisation de l'invention est constitué par un tube creux qui comprend un canal interne 3. Il est, par exemple, réalisé par martelage et/ou ceintrage d'un tube métallique ou 10 composite. Le rotor hélicoïdal 2 comprend en outre une première face externe d'extrémité 4 destinée à être accouplée à un arbre d' entrainement, une seconde face externe d'extrémité 8 opposée à la première face externe d'extrémité 4, et une face externe hélicoïdale 10 reliant la première face d'extrémité 4 à la seconde face d'extrémité 8. 15 La face externe hélicoïdale 10 comporte plusieurs orifices traversants, appelés ci- après entrées de fluide 12 communiquant avec le canal interne 3. La seconde face d'extrémité 8 comporte un orifice traversant, appelé sortie d'éjection de fluide 14 communicant également avec le canal interne 3 et avec les entrées de fluide 12. Le canal 3, les entrées de fluide 12 et la sortie d'éjection de fluide 14 du canal 20 forment un mélangeur selon la présente invention. Ce mélangeur permet de créer un jet de fluide qui est dirigé vers l'entrée de la pompe à cavités progressives, comme explicité ultérieurement en liaison avec les figures 6 à 8. Ce jet homogénéïse le fluide polyphasique situé dans une réserve de fluide à l'entrée de la pompe à cavités progressives en cassant les bulles de gaz et les agrégats de terre ou de sable contenus 25 dans celui-ci. Ainsi, ce jet de fluide désagrège les agrégats de terre et de sable, dissout les poches de gaz dans le liquide et mélange les solides, les liquides et les gaz. Selon les inventeurs si le mélange à l'entrée de la pompe à cavités progressives est plus homogène, les brûlures ou décrochages localisés de l'élastomère du stator sont diminués. En effet, le 30 mélange étant plus homogène, il est comprimé partout avec le même niveau de compression. Les entrées de fluide 12 ont une forme circulaire, comme visible sur la figure 3. En variante, les entrées de fluide 12 présentent la forme d'un diffuseur, c'est-à-dire la forme d'un tronc de cône, comme illustré sur la figure 4. Dans ce cas, l'ouverture 16 de plus grand diamètre dudit tronc de cône est située sur la face externe hélicoïdale 10 du rotor. En variante, les entrées de fluide 12 présentent une forme elliptique. En variante, un lamage droit 18 est réalisé sur ladite face externe hélicoïdale 10 autour des entrées de fluide 12. En variante, un lamage conique 18 est réalisé sur ladite face externe hélicoïdale 10 autour des entrées de fluide 12. Avantageusement, cette forme en tronc de cône ainsi que le lamage permettent d'augmenter la vitesse de pénétration du fluide à l'intérieur du canal interne 3. Selon le premier mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, la sortie d'éjection de fluide 14 comporte une restriction 15 qui va accélérer la vitesse d'éjection du fluide polyphasique sortant par la sortie d'éjection de fluide 14. Cette restriction 15 présente la forme d'un tronc de cône dont l'ouverture 20 de plus petit diamètre est située sur la seconde face d'extrémité 8. Selon une première variante illustrée sur la figure 6, cette restriction 15 est constituée par une grille 22. Selon une deuxième variante non représentée, cette restriction 15 est constituée par une pale fixe propre à modifier le régime de l'écoulement. Selon une troisième variante non représentée, cette restriction 15 est constituée par une pale mobile. La vitesse du fluide à l'aspiration permet d'entraîner la pale et de modifier le régime d'écoulement. Dans le cas où le rotor est utilisé dans une installation de pompage d'hydrocarbure, d'eau ou de gaz, la pale remplace la butée de positionnement généralement appelée « Tag Bar » en anglais. Selon une quatrième variante non représentée, cette restriction 15 présente une forme en nid d'abeilles. Alternativement, cette restriction 15 peut comprendre l'une ou plusieurs des variantes mentionnées ci-dessus. Par exemple, cette restriction 15 peut comprendre à la fois une forme en tronc de cône ainsi qu'une pale ou une grille. Alternativement, la sortie d'éjection de fluide 14 ne comporte pas de restriction. Dans ce cas, le jet de fluide polyphasique sortant de la sortie de fluide 14 n'est pas accéléré, mais ce jet permet tout de même d'homogénéiser le fluide polyphasique contenu dans la réserve de fluide. En référence à la figure 6, le rotor hélicoïdal 24 selon le second mode de réalisation de l'invention est constitué d'un seul bloc dans un matériau métallique ou dans un matériau composite. Le canal interne 3 est percé à l'intérieur de celui-ci. Les entrées de fluide 12 communiquent avec le canal interne 3. Seule une portion supérieure des entrées de fluide 12 présentent une forme de tronc de cône. Dans le mode de réalisation représenté, la grille 22 est fixée au niveau de la sortie d'éjection de fluide 14 pour accélérer la vitesse d'éjection du fluide polyphasique pompé. La présente invention concerne également un dispositif de pompage 26 illustré sur la figure 7. Ce dispositif de pompage 26 comprend une conduite, appelée réserve de fluide 28, une pompe à cavités progressives 30 ayant une entrée 32 fixée à la réserve de fluide 28 et une conduite, appelée conduite de refoulement 34, fixée à une sortie 36 de la pompe à cavités progressives 30. La réserve de fluide 28 contient un fluide polyphasique 38 à pomper du type comportant du liquide et des gaz, ou du liquide et des solides ou encore du liquide, des gaz et des solides. Il est, par exemple, constitué par du pétrole, des poches de gaz et des agrégats de sable. Une grille 40 est fixée à l'intérieur de la réserve de fluide 28, par exemple, par soudage ou rivetage ou vissage. Cette grille 40 est disposée au travers de la section de passage du fluide polyphasique. Cette grille 40 constitue selon la présente invention un mélangeur supplémentaire qui permet d'améliorer l'action du rotor hélicoïdal 2 en réalisant un premier travail de dissolution des poches de gaz et des agrégats de sable. Comme visible sur la figure 8, cette grille 40 comporte, en son centre, une ouverture oblongue 42 permettant le passage du rotor hélicoïdal 2 lors du montage du rotor hélicoïdal dans la pompe à cavités progressives 30. Cette grille 40 est, par exemple, fixée à quelques dizaines de centimètres de l'entrée 32 de la pompe à cavités progressives 30. La pompe à cavités progressives 30 comprend une armature 44 de forme cylindrique creuse, un stator 46 aménagé dans l'armature 44 et présentant une forme intérieure hélicoïdale, un rotor hélicoïdal 2 agencé dans ledit stator 46 de manière à ce que des cavités, généralement appelées alvéoles 48, soient définies entre le rotor hélicoïdal 2 et le stator 46. L'armature 44 peut être réalisée en matériau métallique, polymère ou composite. Le stator 46 est réalisé en élastomère. Selon une variante de réalisation non représentée, le stator 46 est formé par un cylindre creux de forme hélicoïdale. Dans ce cas, il est réalisé dans un métal ayant des propriétés élastiques, ou dans un matériau composite ayant des propriétés élastiques. Le rotor hélicoïdal 2 de cette pompe à cavités progressives est identique au rotor hélicoïdal de la présente invention illustré sur les figures 1 à 3. 11 ne sera pas décrit une seconde fois. Sa seconde face d'extrémité 8 est accouplée, par un élément d'accouplement 52, à un arbre de transmission 54 entrainé en rotation par un moteur non représenté. Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 7, le rotor hélicoïdal 2 présente une longueur dimensionnée de manière à ce que lorsque le rotor hélicoïdal est agencé dans la pompe à cavités progressives et est fixé à l'arbre de transmission 54, une portion 56 du rotor hélicoïdal s'étend à l'extérieur du stator 46. Cette portion 56 constitue selon la présente invention un mélangeur supplémentaire. Lorsque le rotor hélicoïdal 2 est entraîné en rotation, cette portion 56 saillante tourne dans le fluide polyphasique 38, le mélange et permet ainsi d'homogénéiser le fluide polyphasique 38 contenu dans la réserve de fluide 28. En fonctionnement, lorsque le rotor hélicoïdal 2 est entraînée en rotation, la pompe à cavités progressives 30 pompe le fluide polyphasique 38 de l'entrée 32 vers la sortie 36 selon une direction de pompage P. Le fluide polyphasique pompé pénètre dans le canal 3, par les entrées de fluide 12. 11 circule dans le sens CC, à contre-courant de la direction de pompage P. Il est éjecté par la sortie de fluide 14 du côté de l'entrée 32 de la pompe à cavités progressives dans la réserve de fluide 28. Avantageusement, l'allongement de la longueur du rotor hélicoïdal 2 selon la présente invention permet de mélanger le fluide polyphasique dans la réserve de fluide et le rejet de fluide polyphasique pompé casse les bulles de gaz et les agrégats de terre ou de sable contenus dans le fluide polyphasique situé dans la réserve de fluide. En conséquence, le fluide polyphasique pompé par la pompe à cavités progressives devient plus homogène. Avantageusement, si la réserve de fluide 28 n'est pas étanche, le canal interne 3 éjecte une partie des gaz aspirés par la pompe à cavités progressives 30 dans la réserve de fluide 28. Selon une autre variante non représentée, le rotor hélicoïdal 2 ne s'étend pas à l'extérieur du stator 46, l'action d'homogénéisation du fluide polyphasique contenu dans la réserve de fluide étant uniquement réalisée par l'éjection d'un jet de fluide provenant du canal interne 3. Lorsque le rotor hélicoïdal 2 ne s'étend pas à l'extérieur du stator 46, le rotor hélicoïdale 2 peut comporter un mélangeur additionnel. Par exemple, la seconde face d'extrémité 8 du rotor hélicoïdale 2 peut être pourvue d'un logement dans lequel une tige escamotable, un élément de commande d'escamotage de la tige et un élément de commande de la libération de la tige sont agencés. Selon cette variante, lorsque le rotor hélicoïdal 2 est entrainé en rotation, la tige est étendue à l'extérieur du stator 46. La tige est entraînée en rotation par le rotor hélicoïdal 2 et mélange le fluide polyphasique 38. Lors de l'installation ou du démontage de la pompe à cavités progressives. La tige est escamotée dans son logement. Selon le mode de réalisation, représenté les entrées de fluide 12 sont positionnées tout le long du rotor hélicoïdal 2. En variante, le rotor hélicoïdal comporte un nombre plus important d'entrées de fluide 12 positionnées entre le milieu de la longueur du rotor et la sortie 36 du rotor qu'entre le milieu de la longueur du rotor et l'entrée 32. REVENDICATIONS1.- Rotor hélicoïdal (2, 24) destiné à être agencé dans une pompe à cavités progressives (30) ; ladite pompe à cavités progressives (30) étant propre à pomper un fluide polyphasique (38) dans une réserve de fluide (28) ; le rotor hélicoïdal (2, 24) comprenant au moins un mélangeur (3, 12, 14, 15, 56) propre à homogénéiser le fluide polyphasique (38) situé dans ladite réserve de fluide (28). 2.- Rotor hélicoïdal (2, 24) selon la revendication 1, qui comporte : - une première face externe d'extrémité (4) destinée à être accouplée à un arbre d' entrainement, - une seconde face externe d'extrémité (8) libre et opposée à la première face externe d'extrémité (4), et - une face externe hélicoïdale (10) reliant la première face externe d'extrémité (4) à la seconde face externe d'extrémité (8), et dans lequel ledit mélangeur (3, 12, 14, 15, 56) comporte un canal interne (3) ayant au moins une entrée de fluide (12) située sur ladite face externe hélicoïdale (10) et une sortie d'éjection du fluide (14) située sur la seconde face externe d'extrémité (8) ; le canal interne (3) étant propre à éjecter une partie dudit fluide polyphasique (38) pompé dans ladite réserve de fluide (28), pour homogénéiser le fluide polyphasique (38) situé dans ladite réserve de fluide (28). 3.- Rotor hélicoïdal (2, 24) selon la revendication 2, dans lequel ladite sortie de fluide (14) est équipée d'une restriction (15) propre à accélérer la vitesse d'éjection de ladite partie du fluide éjectée. 4.- Rotor hélicoïdal (2, 24) selon la revendication 3, dans lequel ladite restriction (15) présente une forme générale tronconique. 5.- Rotor hélicoïdal (2, 24) selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, dans lequel ladite restriction (15) comporte une grille. 6.- Rotor hélicoïdal (2, 24) selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel ladite restriction (15) comporte une pale fixe. 7.- Rotor hélicoïdal (2, 24) selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel ladite restriction (15) comporte une pale mobile. 8.- Rotor hélicoïdal (2, 24) selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel ladite restriction (15) présente une forme en nid d'abeilles. 9.- Rotor hélicoïdal (2, 24) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel ledit rotor hélicoïdal (2) est un tube creux. 10.- Rotor hélicoïdal (2, 24) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel ladite au moins une entrée de fluide (12) présente la forme d'un diffuseur ayant une ouverture (16) de plus grand diamètre débouchant sur la face externe hélicoïdale (10) du rotor hélicoïdal (2, 24). 11.- Rotor hélicoïdal (2, 24) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel ladite au moins une entrée de fluide présente une forme elliptique. 12.- Rotor hélicoïdal (2, 24) selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel un lamage (18) droit est réalisé autour de ladite au moins une entrée de fluide (12) sur ladite face externe hélicoïdale (10). 13.- Rotor hélicoïdal (2, 24) selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel un lamage (18) conique est réalisé autour de ladite au moins une entrée de fluide (12) sur ladite face externe hélicoïdale (10). 14.- Pompe à cavités progressives (30) comprenant : - une armature (44), - un stator (46) aménagé dans ladite armature (44), ledit stator (46) présentant une forme intérieure hélicoïdale,- un rotor hélicoïdal (2, 24) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, agencé dans ledit stator (46). 15.- Pompe à cavités progressives (30) selon la revendication 14, dans laquelle le mélangeur (3, 12, 14, 15, 56) comporte une portion (56) qui s'étend en saillie par rapport au stator (46). 16.- Dispositif de pompage (26) comprenant : - une pompe à cavités progressives (30) selon la revendication 14, ayant une entrée (32) et une sortie (36), - une réserve de fluide (28) fixée à l'entrée (32) de la pompe à cavités progressives (30), - une conduite de refoulement (34) fixée à la sortie (36) de la pompe à cavité progressives, et - une grille (40) disposée au travers de la réserve de fluide (28) ; ladite grille (40) présentant en son centre une ouverture oblongue (42) ayant une dimension permettant le passage du rotor hélicoïdal (2, 24).