Brevet FR3072736A1 — publié le 20190426

La présente invention concerne le domaine des pompes, en particulier pour le pompage haute pression, notamment pour des opérations de forage. De nos jours, les pompes à vilebrequins sont les plus répandues dans l'ensemble des secteurs de l'industrie : les biens d'équipement, les industries pétrolière, gazière et agroalimentaire, le secteur automobile, le bâtiment (chauffage, puits, climatisation, pompes à eau, etc.) et plus spécifiquement pour le traitement de l'eau et des déchets (réseau d'eau et d'assainissement). Néanmoins, elles sont encore construites à partir de concepts datant des années 1930, et ne font l'objet que de très peu d'études de recherche et développement pour améliorer leurs performances, réduire leur coût de revient, minimiser les frais de maintenance ou diminuer leur empreinte environnementale. Ces pompes présentent des limites en termes de puissance, de couple pression / débit (c'est-à-dire des limites qui se traduisent par des phénomènes apparentés aux « coups de bélier » générés par la réponse sinusoïdale de la pression produite par le vilebrequin), de poids, de rendement et de durée de vie. De plus, elles ne permettent pas d'avoir une cylindrée variable et manquent donc de flexibilité d'utilisation. En outre, dans le domaine de la production d'hydrocarbures, on observe actuellement que les forages doivent atteindre des profondeurs de plus en plus importantes, ce qui implique de travailler avec des pressions d'injection toujours plus élevées. Les compagnies pétrolières ont donc besoin de pompes à très haute pression pour atteindre les profondeurs requises pour l'injection, par exemple, de boues de forage. Ces dernières doivent également être fiables, économiques, flexibles et compactes, afin de répondre aux demandes toujours plus exigeantes du secteur de l'énergie. Une autre technologie de pompe volumétrique est la pompe à barillet. Majoritairement destinées au pompage à plus faible pression et débit (elles sont principalement utilisées dans le pompage des huiles hydrauliques), elles offrent de nombreux avantages : - Excellent rapport poids / puissance - Très bon rapport qualité / prix - Rendements mécaniques et volumétriques intéressants - Possibilité de cylindrée variable en réglant l'inclinaison du plateau Les pompes conçues avec un barillet fonctionnent à l'aide d'un système de plateau tournant qui actionne les différents pistons les uns à la suite des autres. Lorsqu'un piston est en phase d'admission, le piston opposé est en mode refoulement, ce qui offre un flux constant en amont et aval de la pompe. La répartition des positions des pistons avec un 2 guidage par le barillet assure une distribution des efforts progressive lors de la rotation de l'arbre entrainé par le moteur. Il existe trois grandes architectures de pompe à barillet : - Les pompes à barillet fixe (figure 1) : dans cette configuration de pompe 1, où le 5 barillet est fixe, c'est le plateau incliné 2 qui tourne (entraîné par l'arbre 5) afin de générer le mouvement des pistons 3 dans leurs chemises 4 (chambre de compression). La liaison entre les pistons 3 et le plateau 2 est alors assuré par des patins rotulés qui frottent sur le plateau 2. L'avantage ici est d'avoir une très faible inertie des pièces en rotation. Toutefois, cette configuration rend difficile la mise en place de cylindrée variable. De plus, dans le cas de 10 pressions et débits importants, les efforts de frottement entre le plateau et les patins ne sont pas négligeables, et rendent complexe voire impossible la réalisation de la pompe. - Les pompes à barillet avec plateau oscillant : le barillet est fixe dans cette architecture et l'on a deux plateaux, un premier plateau incliné est en rotation et transfère au second plateau uniquement le mouvement d'oscillation. Ainsi, on peut lier les pistons au 15 second plateau oscillant sans la nécessité d'éléments frottants, par exemple avec une bielle liée au piston et au plateau par des liaisons rotules. Cette architecture est adaptée au pompage haute pression du fait de l'absence d'éléments frottant (on en trouve d'ailleurs quelques-unes sur le marché de la géothermie). Elle offre également un excellent rendement mécanique. Cette configuration rend possible la réalisation d'une cylindrée variable, elle 20 reste néanmoins difficile à intégrer et à concevoir. - Les pompes à barillet rotatif (figure 2) : au sein de la pompe 1, c'est le plateau 2 qui est fixe et le barillet 6 portant les pistons 3 est en rotation, assurant ainsi le mouvement des pistons 3 dans leurs chemises 4 (chambre de compression). La liaison piston 3 - plateau 2 est assurée de la même manière que pour la première configuration. L'avantage de cette 25 architecture est que l'on peut aisément rendre le plateau réglable en inclinaison et ainsi avoir la possibilité de cylindrée variable. En revanche, l'inertie des pièces en rotation augmente de façon non négligeable puisque le barillet et l'ensemble des pistons sont mis en rotation. De plus, pour cette configuration, la maintenance de la pompe est rendue difficile : il est nécessaire de démonter l'ensemble du barillet, y compris la partie « mécanique » de guidage 30 des pistons pour accéder aux conduites d'admission et de refoulement. Généralement, pour cette réalisation, le barillet est réalisé en deux pièces, rendant difficile le montage, car une bonne colinéarité des axes de guidage et de la chambre est nécessaire. Pour pallier ces inconvénients, la présente invention concerne une pompe à barillet 35 rotatif, pour lequel la liaison pivot entre le barillet et le carter est réalisée par les moyens de guidage et de centrage distincts. Cette conception permet de différencier les fonctions guidage et étanchéité, ce qui facilite la maintenance et l'entretien de la pompe. 3 Le dispositif selon l'invention L'invention concerne une pompe à barillet comprenant un carter, et comprenant au sein dudit carter : 5 - un arbre d'entraînement, - un bloc cylindre comportant au moins deux chambres de compression réparties circonférentiellement, ledit bloc cylindre étant entraîné par ledit arbre d'entraînement, - un plateau dont l'inclinaison est réglable, - au moins deux pistons en translation respectivement dans lesdites chambres de 10 compression dudit bloc cylindre, lesdits pistons étant entraînés par ledit plateau au moyen de bielles. Ledit bloc cylindre est en liaison pivot par rapport au carter par des moyens de guidage et des moyens de centrage séparés. 15 Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit bloc cylindre est une pièce monobloc, qui comprend une première partie pour le guidage desdits pistons, et une deuxième partie comprenant lesdites chambres de compression. Avantageusement, les espaces intérieurs desdites première et deuxième parties dudit bloc cylindre ne communiquent pas ensemble. 20 De préférence, lesdites première et deuxième parties dudit bloc cylindre sont reliées par une troisième partie, dont le diamètre est inférieur aux diamètres desdites première et deuxième parties dudit bloc cylindre. Selon un aspect, lesdits moyens de guidage comportent deux roulements à rouleaux à contact oblique montés en X sur ladite première partie dudit bloc cylindre. 25 Conformément à une caractéristique, lesdits moyens de centrage comportent un roulement à billes monté sur ladite deuxième partie dudit bloc cylindre. Selon une mise en oeuvre de l'invention, ledit bloc cylindre est entraîné par ledit arbre d'entraînement au moyen de cannelures prévues sur ledit arbre d'entraînement. De manière avantageuse, lesdites cannelures sont agencées à l'extrémité dudit arbre 30 d'entraînement. Conformément à un mode de réalisation, lesdits pistons sont en liaison pivot glissant dans ledit bloc cylindre. Selon un aspect, ledit bloc cylindre comprend des moyens d'étanchéité avec les conduites d'admission et de refoulement de ladite pompe. 35 Conformément à une mise en oeuvre, ladite pompe à barillet comporte un moyen de commande de l'inclinaison dudit plateau. 4 De préférence, ledit moyen de commande de l'inclinaison comporte un système roue et vis sans fin. En outre l'invention concerne une utilisation de ladite pompe à barillet selon l'une des 5 caractéristiques précédentes pour une opération de forage, en particulier pour l'injection de boues de forage dans un puits de forage. Présentation succincte des figures D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la 10 lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. La figure 1, déjà décrite, illustre une pompe à barillet fixe selon l'art antérieur. La figure 2, déjà décrite, illustre une pompe à barillet rotatif selon l'art antérieur. La figure 3 illustre une pompe à barillet selon un mode de réalisation de l'invention. 15 La figure 4 illustre le montage relatif des deux barillets selon un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de l'invention La présente invention concerne une pompe à barillet rotatif. La pompe à barillet a pour 20 but de pomper un fluide (par exemple : eau, huile, gaz, boues de forage, etc.) au moyen d'un déplacement linéaire de plusieurs pistons. Ce type de pompe présente l'avantage d'être compacte, d'avoir des rendements mécaniques et volumétriques intéressants, un excellent rapport poids/puissance. De plus, les pompes à barillet rotatif sont adaptées au pompage haute pression. 25 La pompe à barillet selon l'invention comporte un carter et comporte au sein du carter : un arbre d'entraînement : celui-ci est entraîné en rotation, par rapport au carter par une source d'énergie extérieure, notamment une machine motrice (par exemple thermique ou électrique), en particulier au moyen d'une transmission (par exemple une boîte de vitesses), 30 - un plateau incliné par rapport à l'arbre d'entraînement, cette inclinaison peut être réglable, un bloc cylindre (appelé barillet), comportant au moins deux chambres de compression (appelés également chemises) réparties circonférentiellement (en d'autres termes les chambres de compression sont réparties selon un cercle), le 5 bloc cylindre est rotatif par rapport au carter, et entraîné par l'arbre d'entraînement, et - au moins deux pistons en translation respectivement dans les chambres de compression, les pistons sont entraînés par le bloc cylindre, et des bielles relient, 5 au moyen de liaisons rotules, le plateau mobile et les pistons de manière à transformer le mouvement du bloc cylindre en mouvement de translation des pistons, et la translation des pistons au sein des chambres de compression réalisent le pompage du fluide. Le réglage de l'inclinaison plateau permet une cylindrée variable de la pompe, en 10 modifiant la course des pistons. Selon l'invention, la liaison pivot entre le bloc cylindre et le carter est formée par des moyens de guidage et des moyens de centrage séparés. 15 Selon un mode de réalisation de l'invention, le bloc cylindre peut être une pièce monobloc (c'est-à-dire réalisé en une seule pièce). L'avantage de la « fusion » des deux pièces du bloc cylindre (que l'on peut trouver dans l'art antérieur) est d'assurer une bonne colinéarité des axes de guidage et de la chambre, étant donné que cela permet d'usiner l'ensemble des moyens de guidage et d'étanchéité en une fois. De plus, cette conception, 20 présente une masse réduite, car les fonctions d'assemblage entre deux éventuelles pièces du bloc cylindre sont supprimées (donc plus de vis, rondelles, écrous, ...). En outre, la réalisation en une seule pièce simplifie le montage du barillet de la pompe et la maintenance de la pompe en service. En effet, pour la maintenance, grâce à la séparation des moyens de guidage et des moyens de centrage, il est possible de démonter uniquement les moyens de 25 centrage, ou uniquement les moyens de guidage. Conformément à une mise en oeuvre de l'invention, le bloc cylindre peut comprendre une première partie pour le guidage des pistons et une deuxième partie destinée à l'étanchéité, la deuxième partie comprenant les chambres de compression du bloc cylindre. 30 Ainsi, la deuxième partie est destinée à l'admission et au refoulement du fluide pompé. Une fois la pompe montée, les espaces intérieurs des deux parties du bloc cylindre ne sont pas en communication. En d'autres termes, une fois la pompe montée, un fluide contenu dans la première partie ne peut se retrouver dans la deuxième partie, et inversement. Cette conception permet de séparer le côté mécanique de la pompe (première partie avec les 35 pièces en mouvement) de son côté hydraulique (deuxième partie avec l'admission et le roulement). La maintenance de la pompe s'en retrouve facilitée. Selon un exemple de 6 réalisation, la dissociation des espaces intérieurs peut être réalisée au moyen d'un couvercle interne. De préférence, et afin de réaliser la liaison pivot entre le bloc cylindre et le carter, les première et deuxième parties peuvent avoir une forme sensiblement cylindrique. 5 Selon un aspect de cette mise en oeuvre de l'invention, les première et deuxième parties peuvent être reliées par une troisième partie. Avantageusement, cette troisième partie peut être sensiblement cylindrique et peut avoir un diamètre inférieur aux diamètres des première et deuxième parties. 10 Selon un aspect de ce mode de réalisation, les moyens de guidage et de centrage peuvent comporter deux roulements à rouleaux à contact oblique montés en X (les centres de poussée des roulements sont situés entre les deux roulements). Cette configuration permet un guidage et est adaptée pour des vitesses de rotation élevées avec des 15 chargements importants. Selon un exemple de réalisation, les deux roulements à rouleaux à contact oblique peuvent être montés sur la première partie du bloc cylindre. De plus, un roulement à billes peut être prévu pour permettre de limiter le porte-à-faux de la pièce et pour assurer son centrage sur toute la longueur. Le choix d'un roulement à billes présente l'avantage d'être adapté aux vitesses de rotation élevées. Les charges sur ce 20 roulement étant limitées, ce choix permet d'être compact et léger. Selon un exemple de réalisation, le roulement à billes peut être monté sur la deuxième partie du bloc cylindre. Selon un mode de réalisation de l'invention, le bloc cylindre peut être entraîné par l'arbre d'entraînement au moyen de cannelures prévues sur l'arbre d'entraînement. En 25 d'autres termes, l'arbre d'entraînement peut comprendre des cannelures mâles, et le barillet peut comprendre des cannelures femelles coopérant avec les cannelures mâles de l'arbre d'entraînement. Les cannelures permettent de transmettre un couple important. Selon un exemple de réalisation, les cannelures femelles peuvent être agencées dans la deuxième partie du bloc cylindre, et éventuellement dans la troisième partie du bloc cylindre. 30 Alternativement, les cannelures femelles peuvent être agencées sur la première partie du bloc cylindre. En variante, le bloc cylindre peut être entraîné au moyen d'une clavette prévue dans l'arbre d'entraînement. 35 De manière avantageuse, les pistons peuvent être en liaison pivot glissant dans le barillet, en particulier dans la première partie du bloc cylindre, notamment au moyen d'une bague. Ainsi, les pistons sont guidés pour leur mouvement de va-et-vient. 7 Le plateau peut avoir sensiblement la forme de disque. Toutefois, le plateau peut avoir n'importe quelle forme. Seules les chambres de compression (et les pistons) sont réparties sur un cercle. 5 Avantageusement, la pompe selon l'invention peut comporter un nombre de pistons compris entre trois et quinze, de préférence entre cinq et onze. Ainsi, un nombre élevé de pistons offre un flux continu en amont et en aval de la pompe. 10 De manière classique, la pompe comporte en outre une entrée (admission) et une sortie (refoulement) du fluide à pomper. Le fluide passe par l'entrée de la pompe, entre dans une chambre de compression, est comprimé, puis refoulé de la pompe par la sortie au moyen du piston. 15 En outre, le barillet, en particulier la deuxième partie du bloc cylindre, peut comprendre des moyens d'étanchéité avec les conduites d'admission et de refoulement de la pompe. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'angle d'inclinaison du plateau à inclinaison variable par rapport à la direction axiale de l'arbre d'entraînement peut être 20 compris entre 700 et 90°. En d'autres termes, le teau à inclinaison variable (et a fortiori le plateau rotatif) peut être incliné d'un angle compris entre 0 et 20° par rapport à une direction radiale de l'arbre d'entraînement. Conformément à une mise en oeuvre de l'invention, la pompe à barillet peut comporter un moyen de commande de l'inclinaison du plateau à inclinaison variable. Par exemple, ce 25 moyen de commande peut comporter un système roue et vis sans fin. Selon un mode de réalisation de l'invention, la pompe peut comporter un deuxième plateau (plateau rotatif). Le deuxième plateau peut être en liaison pivot par rapport au plateau à inclinaison variable et peut être entraîné par l'arbre d'entraînement. L'entraînement 30 du deuxième plateau peut être réalisé au moyen d'une rotule à doigt. Cette conception de la pompe permet d'avoir un plateau qui tourne de manière synchronisée avec le bloc cylindre, permettant ainsi d'utiliser des liaisons rotules (entre bielles et plateau) sans patins frottants, ce qui permet un meilleur rendement de la pompe à barillet. 35 La figure 3 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un schéma cinématique d'une pompe à barillet rotatif selon un mode de réalisation de l'invention. La pompe à barillet rotatif 1 comporte un arbre d'entraînement 5. La rotation de l'arbre 8 d'entraînement 5 est réalisée par une source extérieure non représentée, par exemple une machine électrique et une boîte de vitesses. L'arbre d'entraînement 5 est en rotation par rapport au carter 15. De plus, l'arbre d'entraînement 5 entraîne en rotation le bloc cylindre 6 qui comporte des chambres de compression 4. La pompe 1 comporte en outre un plateau à 5 inclinaison variable 2, qui, mis à part son réglage de l'inclinaison, est fixe par rapport au carter 15. Le moyen de réglage de l'inclinaison du plateau à inclinaison variable 2 n'est pas représenté. La pompe 1 comporte un piston 3 animé d'un mouvement de translation (mouvement de va et vient) au sein d'une chambre de compression 4. 10 Le mouvement de va et vient du piston 3 est réalisé au moyen d'une bielle 8 qui relie le plateau mobile 2 et le piston 3 au moyen de liaisons rotules. Ce mouvement de va et vient du piston 3 au sein de la chambre de compression 4 permet de pomper le fluide. La figure 4 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une vue en coupe du 15 barillet selon un mode de réalisation de l'invention. Il s'agit d'une vue en coupe selon un plan comprenant l'axe de l'arbre d'entraînement 5. Le bloc cylindre 6 comprend une première partie 16 destinée au guidage des pistons 3, et une deuxième partie 18 comprenant les chambres de compression 4. De plus, le bloc cylindre 6 comprend une troisième partie 17 reliant la première partie 16 à la deuxième partie 18. Les première et deuxième parties 16 et 20 18 ont une forme sensiblement cylindrique. La troisième partie 17 est également cylindrique et possède un diamètre inférieur aux diamètres des première et deuxième parties 16 et 18. Un couvercle 9 est prévu à l'extrémité de l'arbre d'entraînement 5 de manière à dissocier les espaces internes des première et deuxième parties 16 et 18. Le bloc cylindre 6 est monté en rotation dans le carter 15, grâce à des moyens de 25 centrage et des moyens de guidage. Les moyens de centrage comportent un roulement à billes 13 monté entre la deuxième partie 18 du barillet 6 et le carter 15. Les moyens de guidage comportent deux roulements à rouleaux à contact oblique 11 et 12 montés entre la première partie 16 du barillet 6 et le carter 15. Les roulements à 30 rouleaux à contact oblique 11 et 12 sont montés en X. Pour le guidage de chaque piston 3, la première partie 16 du barillet 6 comporte une bague 14 autorisant une liaison pivot glissant entre le piston 3 et le barillet 6. Pour l'entraînement du bloc cylindre, l'arbre d'entraînement 5 comporte à son extrémité des cannelures 19, qui coopèrent avec des cannelures femelles (non représentées) prévues 35 dans les deuxième et troisième parties 18 et 17 du bloc cylindre 6. 9 L'invention concerne également l'utilisation de la pompe selon l'invention pour une opération de forage, en particulier pour l'injection de boues de forage dans un puits de forage. En effet, la pompe selon l'invention est bien adaptée à cette utilisation, par sa flexibilité, sa compacité, et sa résistance aux hautes pressions. 5 Par exemple la pompe selon l'invention peut être dimensionnée pour fonctionner jusqu'à des pressions de l'ordre de 1500 bars, c'est-à-dire 150 MPa. En outre, la pompe selon l'invention peut être dimensionnée pour fonctionner à des débits variant de 30 à 600 m3/h. REVENDICATIONS1) Pompe à barillet comprenant un carter (15), et comprenant au sein dudit carter (15) : - un arbre d'entraînement (5), - un bloc cylindre (6) comportant au moins deux chambres de compression (4) réparties circonférentiellement, ledit bloc cylindre (6) étant entraîné par ledit arbre d'entraînement (5), - un plateau (2) dont l'inclinaison est réglable, - au moins deux pistons (3) en translation respectivement dans lesdites chambres de compression (4) dudit bloc cylindre (6), lesdits pistons (3) étant entraînés par ledit plateau (2) au moyen de bielles (8), caractérisé en ce que ledit bloc cylindre (6) est en liaison pivot par rapport au carter (15) par des moyens de guidage et des moyens de centrage séparés. 2) Pompe selon la revendication 1, dans laquelle ledit bloc cylindre (6) est une pièce monobloc, qui comprend une première partie (16) pour le guidage desdits pistons (3), et une deuxième partie (18) comprenant lesdites chambres de compression (4). 3) Pompe selon la revendication 2, dans laquelle les espaces intérieurs desdites première (16) et deuxième (18) parties dudit bloc cylindre (6) ne communiquent pas ensemble. 4) Pompe selon l'une des revendications 2 ou 3, dans laquelle lesdites première (16) et deuxième (18) parties dudit bloc cylindre (6) sont reliées par une troisième partie (17), dont le diamètre est inférieur aux diamètres desdites première (16) et deuxième (18) parties dudit bloc cylindre (6). 5) Pompe selon l'une des revendications 2 à 4, dans laquelle lesdits moyens de guidage comportent deux roulements à rouleaux à contact oblique (11, 12) montés en X sur ladite première partie (16) dudit bloc cylindre (6). 30 6) Pompe selon l'une des revendications 2 à 5, dans laquelle lesdits moyens de centrage comportent un roulement à billes (13) monté sur ladite deuxième partie (18) dudit bloc cylindre (6). 7) Pompe selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit bloc cylindre (6) 35 est entraîné par ledit arbre d'entraînement (5) au moyen de cannelures (19) prévues sur ledit arbre d'entraînement (5). 25 11 8) Pompe selon la revendication 7, dans laquelle lesdites cannelures sont agencées à l'extrémité dudit arbre d'entraînement (5). 9) Pompe selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits pistons (3) sont 5 en liaison pivot glissant dans ledit bloc cylindre (6). 10) Pompe selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit bloc cylindre (6) comprend des moyens d'étanchéité avec les conduites d'admission et de refoulement de ladite pompe (1). 10 11) Pompe selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite pompe à barillet (1) comporte un moyen de commande de l'inclinaison dudit plateau (2). 12) Pompe selon la revendication 11, dans laquelle ledit moyen de commande de 15 l'inclinaison comporte un système roue et vis sans fin. 13) Utilisation de ladite pompe à barillet (1) selon l'une des revendications précédentes pour une opération de forage, en particulier pour l'injection de boues de forage dans un puits de forage. 20