Dispositif de pompage ou de compression polyphasique et son utilisation

Description

[0001] La présente invention concerne un dispositif destiné au pompage de fluides multiphasiques qui, avant pompage et dans les conditions de pression et de température considérées, sont constitués du mélange notamment d'un liquide et d'un gaz non dissous dans le liquide, ce liquide pouvant ou non être saturé de gaz.

[0002] Le pompage d'un fluide multiphasique, par exemple, mais non exclusivement, un effluent disphasique pétrolier composé d'un mélange d'huile et de gaz, pose des problèmes d'autant plus difficiles à résoudre que, dans les conditions thermodynamiques du fluide diphasique avant pompage, la valeur du rapport volumétrique du gaz au liquide est plus grande.

[0003] On rappelle que le rapport volumétrique de gaz et de liquide, qui sera dénommé par la suite en abrégé "rapport volumétrique" ou de GLR (de l'anglais "Gas Liquid Ratio"), est défini comme le rapport du volume de fluide à l'état gazeux au volume de fluide à l'état liquide, la valeur de ce rapport dépendant des conditions thermodynamiques du fluide diphasique.

[0004] Quelle que soit la conception des pompes utilisées (pompes alternatives, pompes rotatives ou pompes à effet de trompe), de bons résultats sont obtenus lorsque la valeur du rapport volumétrique est nulle, car le fluide se comporte alors comme un fluide monophasique liquide. Ces matériels sont encore utilisables lorsque leurs conditions de fonctionnement ne laissent pas apparaître de phénomènes susceptibles de permettre la vaporisation d'une partie importante du gaz dissous dans le liquide, ou lorsque la valeur du rapport volumétrique à l'entrée de la pompe est au plus égale à 0,2. L'expérience montre qu'au delà de cette valeur, l'efficacité de ces appareils décroît très rapidement et ils ne sont pratiquement plus utilisables.

[0005] Pour améliorer le fonctionnement des appareils existants, on sépare la phase gazeuse de la phase liquide avant pompage et on traite chacune d'elles séparément dans des circuits distincts de pompage. La mise en oeuvre de circuits séparés n'est pas toujours possible et de toute façon, complique les opérations de pompage.

[0006] C'est pourquoi on a essayé de développer des dispositifs de pompage adaptés non seulement à augmenter l'énergie totale du fluide diphasique, mais pouvant produire un fluide diphasique dont le rapport volumétrique à la sortie du dispositif a une valeur inférieure à celle du fluide avant pompage, voir par exemple le document GB-A-1 561 454.

[0007] C'est ainsi que plusieurs profils d'aubage d'impulseur ont été décrits par exemple dans les demandes de brevets français 2 157 437, 2 333 139 et 2 471 501.

[0008] Le dispositif selon l'invention est désigné sous le nom de cellule de compression, on peut aussi l'appeler cellule de pompage compression puisqu'il convient aussi bien aux liquides qu'aux mélanges gaz liquide ou qu'aux gaz. On convient dans ce document de l'appeler cellule de compression.

[0009] La présente invention concerne un dispositif qui utilise notamment des pales, aubages ou ailettes particuliers permettant d'accroître l'efficacité de pompage de fluides disphasiques dont les rapports volumétriques sont supérieurs à ceux de l'art antérieur. En particulier, le dispositif selon la présente invention permet de traiter des fluides polyphasiques quelqu'en soit le GLR avec une efficacité de compression qui peut être supérieure à 40 % ou 50 % dans le domaine de fonctionnement le plus défavorable.

[0010] Une cellule de compression comprend généralement deux parties : un impulseur et un diffuseur. L'impulseur est des deux éléments, l'élément fondamental. L'impulseur est normalement monté sur un arbre tournant, claveté ou fretté sur cet arbre. Le diffuseur est statique et solidaire du corps de la machine. Le montage en série de plusieurs de ces cellules constitue la cellule hydraulique d'une pompe.

[0011] Selon les règles classiques de construction des machines tournantes l'arbre est supporté en deux ou plusieurs points par des paliers solidaires des pivoteries mécaniques incluses dans le corps de pompe. La pompe comporte une aspiration et un refoulement.

[0012] Les cellules de compression peuvent être identiques ou de dimensions différentes.

[0013] Les cellules de compression sont définies essentiellement par leurs géométries.

[0014] La présente invention a pour objet un dispositif de compression d'un fluide polyphasique comportant une phase liquide et une phase gazeuse, ce dispositif comportant un carter, un impulseur ayant une section d'entrée et une section de sortie, ledit impulseur comportant un moyeu axysymétrique (présentant une symétrie axiale) d'axe Ox et un nombre n de pales tournant autour dudit axe, ces pales ayant un bord d'attaque et un bord de fuite. Ledit fluide entre dans ledit impulseur par la section d'entrée et en sort par la section de sortie, ledit axe étant orienté dans le sens de progression dudit fluide, le nombre d'ailettes tournantes étant égal ou supérieur à 2. Le dispositif selon l'invention se caractérise en ce qu'il comporte au moins un canal ou passage défini par deux pales successives dont la section S(x) orthoradiale, c'est à dire, dans un plan perpendiculaire à l'axe Ox, est de la forme, à 5 % près et de préférence à moins de 3 % près :


sur une portion au moins de sa longueur, ladite portion étant comprise entre deux plans orthoradiaux, la variable x correspondant à l'abscisse selon ledit axe dont l'origine correspond sensiblement au plan radial passant par le bord d'attaque desdites ailettes, lesdits plans radiaux définissant ladite portion ayant pour abscisse x₁ et x₂, a, b, cet d étant des paramètres.

[0015] La valeur a pourra être égale à :


π = 3,141... et
n étant égal au nombre de pales de l'impulseur.

[0016] Les valeurs de b et c pourront être égales à :


et c = A = (M - R₁)² où

n

: nombre de pales de l'impulseur,

e

: épaisseur de pale,

B_c

: angle de corde,

l

: longueur axiale des pales,

R₁

: rayon minimum des pales à l'entrée,

R₂

: rayon maximum des pales à l'entrée,

R₃

: rayon minimum des pales à la sortie.

[0017] La valeur d pourra être égale à :

[0018] Les pales pourront avoir des bords supérieurs s'inscrivant dans un cylindre de révolution ayant pour axe de symétrie l'axe Ox.

[0019] La portion du canal pourra correspondre à toute la longueur du canal.

[0020] Les angles d'entrée des pales sont pour les angles intrados compris entre 4° et 24° et de préférence entre 4° et 12°, et pour les angles extrados compris entre 2° et 23° et de préférence entre 2° et 11°.

[0021] Le creux des pales défini comme :


peut être compris entre 0° et 30° et de préférence entre 6° et 12°, B_sM étant l'angle moyen de sortie de la pale et B_eM l'angle moyen d'entrée de la pale.

[0022] L'épaisseur moyenne de la pale est comprise entre 3 et 5 mm en dehors des zones voisines des bords d'attaque et de fuite.

[0023] Le nombre des pales pourra être compris entre 3 et 8, et de préférence entre 4 et 6, bornes comprises.

[0024] Les pales pourront présenter un angle de sortie intrados compris entre 4° et 54° et de préférence entre 10° et 24°, et pour l'angle extrados 2° à 58° et de préférence 8° à 23°.

[0025] Le profil moyen ou squelette desdites pales défini par l'intersection d'une pale d'épaisseur nulle et d'une surface cylindrique relativement audit axe pourra être tel que l'angle que forme ce profil avec ledit axe décroît de façon monotone depuis le bord d'attaque vers le bord de fuite et la courbe représentant la valeur de la courbure le long du profil de la pale en fonction de l'abscisse curviligne à une pente dont la valeur croît depuis le bord d'attaque vers le bord de fuite de la pale.

[0026] Ladite courbe pourra présenter un point d'inflexion.

[0027] Le dispositif selon l'invention pourra comporter un diffuseur à pales.

[0028] Ce diffuseur pourra comporter entre 8 et 30 pales et de préférence entre 15 et 25 pales.

[0029] La longueur axiale de l'impulseur rapportée à son diamètre extérieur pourra être comprise entre 0,10 et 0,40 et de préférence entre 0,15 et 0,20.

[0030] Le moyeu du diffuseur pourra présenter une forme de révolution autour de l'axe Ox, et la ligne considérée dans un plan axial générant cette forme de révolution pourra présenter au moins un point d'inflexion.

[0031] Cette ligne pourra présenter des tangentes parallèles audit axe aux deux extrémités de cette ligne correspondant aux entrée et sortie du diffuseur.

[0032] La présente invention concerne également l'utilisation d'au moins un dispositif décrit ci-dessus, dans la constitution d'une pompe polyphasique ainsi que l'utilisation d'une telle pompe polyphasique pour effectuer des opérations de pompage d'effluent polyphasique pétrolier.

[0033] Tous les avantages du dispositif selon l'invention, qui est de conception simple, robuste et économiquement rentable, apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures annexées parmi lesquelles :

• la figure 1 représente schématiquement et en coupe axiale, un mode particulier de réalisation d'une pompe utilisant le dispositif selon l'invention pour le pompage, d'un effluent diphasique,
• la figure 2 montre un impulseur, vu en perspective,
• la figure 3 représente en coupe un impulseur dont on a représenté qu'une pale,
• la figure 4 est une vue développée de la trace résultant de l'intersection de pales avec une surface cylindrique,
• les figures 5 et 6 montrent respectivement le détail du bord d'attaque et de fuite d'une pale,
• la figure 7 montre l'évolution de la section d'un passage en fonction de l'abscisse axiale,
• les figures 8 et 9 représentent un redresseur, et
• la figure 10 montre un autre mode de réalisation d'une pale ou aube du redresseur.

[0034] Dans ce qui suit, on désignera par "fluide" soit un fluide monophasique gazeux ou exclusivement liquide dans lequel un gaz est totalement dissous, soit un fluide multiphasique comportant notamment une phase liquide et une phase gazeuse ainsi qu'éventuellement des particules solides par exemple du sable ou des particules visqueuses tel des agglomérats d'hydrates. La phase liquide peut évidemment être constituée de liquides de natures différentes, de même, la phase gazeuse peut être constituée de plusieurs gaz de natures différentes.

[0035] La figure 1 représente schématiquement et en coupe axiale un mode particulier, non limitatif, de réalisation d'un ensemble de pompage utilisant le dispositif selon l'invention. Cet ensemble est prévu pour le pompage d'un effluent polyphasique pétrolier.

[0036] Dans l'exemple de la figure 1 entre les orifices d'admission 2 et d'évacuation 3 du dispositif de pompage et à l'intérieur du carter 1, est placé au moins une cellule de compression selon l'invention. Cette cellule est adaptée à augmenter l'énergie totale du fluide. Sur la figure 1, trois impulseurs référencés 17 à 19 sont visibles. Ce nombre n'est pas limitatif et dépend de l'augmentation de pression que l'on désire obtenir.

[0037] Ces éléments, qui seront décrits plus en détail ci-après, sont solidaires de l'arbre 6 sur lequel ils sont, par exemple, emmanchés à force, l'écartement entre les éléments étant maintenu par des entretoises 20 à 23.

[0038] De préférence, un diffuseur ou redresseur tel que les diffuseurs 24 à 26, est placé à la sortie de chaque impulseur, ce diffuseur étant solidaire du carter 1, par exemple, au moyen de vis de fixation 27 (symbolisés par des traits mixtes sur la figure).

[0039] Chaque couple d'impulseur et de diffuseur (17, 24; 19, 26) constitue avec une portion du carter une cellule de compression.

[0040] La référence 14 désigne un déflecteur.

[0041] Pour la clarté de la figure 1, les jeux entre les entretoises et les diffuseurs, les jeux entre les impulseurs et le carter et les jeux entre les impulseurs et les diffuseurs ont été considérablement augmentés, mais il faut comprendre que ces jeux sont réduits à leur valeur minimale compatible avec le fonctionnement mécanique de la pompe, de sorte que les fuites de fluide soient minimales et que, à la température de fonctionnement, les dilatations des différents composants du dispositif de pompage ne provoquent aucun coincement.

[0042] La figure 2 représente schématiquement, vu en perspective, un exemple non limitatif de réalisation d'un élément ou étage impulseur comportant essentiellement un moyeu 28 solidaire de l'arbre 6 qui, pendant le fonctionnement du dispositif, est entraîné en rotation dans le sens indiqué par la flèche r'. Deux pales 29 et 30 ont été représentées sur la figure 2, mais ce nombre n'est nullement limitatif. En général, on choisit un nombre de pales facilitant l'équilibrage statique et dynamique du rotor. La hauteur des pales est telle que la forme qu'elles délimitent pendant leur rotation est complémentaire de l'alésage du carter 1 qui, dans l'exemple illustré, est cylindrique.

[0043] Ces pales peuvent être rapportées et fixées par soudure au moyeu 28, mais il est préférable de réaliser l'ensemble, moyeu et pales, par moulage ou fraisage.

[0044] L'impulseur et le redresseur sont du type hélicoaxial.

[0045] La figure 3 définit les dimensions d'un impulseur selon l'invention. Cette figure est schématique, seul le moyeu est en coupe, et la trace t d'une pale a été représentée.

R₂

: est le rayon extérieur de l'impulseur donc de la cellule.

D₂

: 2R₂ est le diamètre extérieur de l'impulseur, c'est le diamètre nominal fréquemment utilisé.

R₁

: est le rayon du moyeu côté face d'entrée, à gauche sur la figure 3.

R₃

: est le rayon du moyeu côté face de sortie, droite sur la figure 1.

l

: est la longueur selon l'axe de l'impulseur, c'est la distance entre la face d'entrée et la face de sortie.

P₁P₂

: P₁P₂ représente la courbe correspondant à l'intersection du moyeu avec un plan axial passant par l'axe de rotation 0x.

Ox

: est l'axe de rotation, O étant le point sur l'axe d'intersection avec la face d'entrée définie ci-avant.

en P₁

: la tangente à la courbe P₁P₂ au point P₁ est perpendiculaire à la face d'entrée donc cette tangente est parallèle à l'axe Ox.

[0046] La partie hachurée de la figure 3 correspond au moyeu axisymétrique.

[0047] La figure 4 définit les pales de l'impulseur.

[0048] Sur le moyeu précédemment décrit sont enroulées des pales; le nombre de pales n est de préférence toujours supérieur ou égal à 2. Le nombre peut être compris entre 3 et 8 et de préférence entre 4 et 6 notamment pour des impulseurs dont le diamètre extérieur des pales varie entre 100 et 400 mm.

[0049] La représentation la plus simple pour décrire la pale est de définir son tracé géométrique sur la surface développée de l'enveloppe cylindrique au rayon extérieur r, r peut être compris entre R₃ et R₂. Cette surface est représentée dans le plan (fig. 4).

[0050] On y retrouve :

• la trace C1C2 de la face d'entrée représentée par une droite 41,
• la trace C'₁C'₂ de la face de sortie représentée par une droite 42.

[0051] Les deux traces droite 41, C₁C₂ et droite 42 C'₁C'₂ sont parallèles et distantes de l appelée (ci-dessus) longueur de l'impulseur.

[0052] On retrouve sur cette figure 4 la trace de l'axe Ox, axe de rotation qui est orienté dans le sens allant de la face d'entrée vers la face de sortie. La flèche F' désigne le sens de progression des pales.

[0053] Les pales sont solidaires du moyeu. Elles sont géométriquement définies de la manière suivante.

[0054] Chaque pale comporte deux faces, une face intrados 31 et une face extrados 32, un bord d'attaque ou point C₁ (ou au point C₂), un bord de fuite au point C'₁ (ou au point C'₂), et une épaisseur définie comme la distance entre l'intrados et l'extrados.

[0055] On définit les angles des pales de la manière suivante (voir figures 5 et 6) :

• L'angle d'entrée intrados B_eI :angle de la tangente en C₁ (ou C₂) à l'intrados avec la trace 41 de la face d'entrée.
• L'angle d'entrée extrados B_eE : angle de la tangente en C₁ (ou C₂) à l'extrados avec la trace de la face d'entrée.

[0056] L'angle de sortie intrados B_sI et l'angle de sortie extrados B_sE sont définis de la même manière par rapport aux points C'₁ et C'₂ et la trace 42 de la face de sortie.

[0057] On définit ensuite l'angle de corde B_c, comme pour tout profil, c'est l'angle de la corde C₁C'₁ ou C₂C'₂, droites rejoignant les points C₁ et C'₁ d'une part (ou C₂ et C'₂) et de la trace ou de la face de sortie. Ces différents angles sont définis à partir d'une direction parallèle à la droite 41 ou 42.

[0058] Sur la figure 6 la corde est confondue avec le profil de l'intrados au voisinage du bord de fuite.

[0059] La longueur de la corde C₁C'₁ est alors égale à la valeur l/sinB_c, l et B_c tels que définis ci-dessus.

[0060] Soit n le nombre de pales, la relation longueur C₁C₂ = 2πR₂/n définit la distance orthoradiale, c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à l'axe Ox, entre deux pales.

[0061] On définit la forme de la pale proprement dite par les traces de l'intrados et de l'extrados dans ce plan de la figure 4.

[0062] La courbe de l'intrados reliant C₁ à C'₁ peut être définie par une équation de second degré en fonction de l'abscisse curviligne de la pale comptée à partir de C₁; cette courbe est tangente à la trace de l'angle B_eI ou point C₁ et à la trace de l'angle B_sI au point C'₁.

[0063] La courbe de l'extrados reliant C₁ à C'₁ peut être définie par une équation du quatrième degré en fonction de l'abscisse curviligne de la pale, comptée à partir de C₁, cette courbe présente une tangente faisant un angle B_eE au voisinage de C₁ et B_sE au voisinage de C'1.

[0064] Le squelette de la pale ou fibre moyenne de la pale peut être représentée par une équation du quatrième degré.

[0065] Les rayons de courbure ρ_m des pales sont aussi définis en fonction de l'abscisse curviligne. Ainsi sont définies les courbures 1/ ρm et particulièrement la courbure de fibre moyenne.

[0066] Enfin on définit la courbe variation de la courbure en fonction de l'abscisse curviligne de la fibre moyenne appelée d(1/ ρm)ds. La courbe d(1/ ρm)/ds est une courbe croissante et continûment croissante avec un point d'inflexion. On pourra utiliser la forme du squelette décrite dans le brevet français FR 2 333 139.

[0067] L'épaisseur des pales est faible (pratiquement entre trois et cinq millimètres, pour certaines applications industrielles particulières les pales peuvent être de plus grande épaisseur) dans le cas où l'épaisseur de la pale n'est pas constante ou ne peut pas être considérée en tant que telle on pourra utiliser dans les formules qui suivent soit l'épaisseur réelle de la pale en fonction de l'abscisse soit utiliser une valeur fixe pour l'épaisseur de la pale, cette épaisseur pourra être égale à l'épaisseur moyenne de la pale. Les pales sont généralement plus fines sur les bords d'attaque et sur les bords de fuite. On admet en technologie actuelle, pour des bords d'attaque et de fuite, des formes dont la trace dans le plan de la figure 4 sont des demi cercles de rayon de l'ordre de 1 mm (miminum 0,5 mm, maximum 2,5 mm).

[0068] Le creux des pales est défini comme la différence des angles moyens (ou de la fibre moyenne) de sortie B_sM et d'entrée B_eM, plus précisément B_sE et B_sI étant définis à la sortie on a


au 1er ordre

[0069] la précision étant de quelques pour-cent; de la même manière on a :

[0070] Le creux défini comme la différence B_sM - B_eM est une des caractéristiques de ces impulseurs.

[0071] Il est de préférence compris entre 6 et 12° d'angle mais ses valeurs peuvent couvrir le domaine 0-30° dans certains cas.

[0072] Les angles d'entrées sont aussi préférentiellement choisis entre des valeurs limitées :

• B_eI : compris entre 4° et 24° de préférence 4° à 12°,
• B_eE : compris entre 2° et 23° de préférence entre 2° et 11°

[0073] La distance orthoradiale entre les pales est définie comme étant la distance entre un point d'un intrados et un point de l'extrados de la pale précédente mesurée dans un plan orthoradial perpendiculaire à l'axe Ox (figure 4) (soit perpendiculaire au plan de la figure 4). On compte toujours cette distance sur les surfaces cylindriques d'axe Ox et toujours paramétrées en fonction de r rayon du cylindre référence 33, r (cf. figure 2) est toujours plus petit que R2 rayon nominal mais peut aller jusqu'à des valeurs très proches de R₂.

[0074] Au sens géométrique stricte et aussi au sens technologique et physique cette distance orthoradiale est égale pour tout plan orthoradiale d'abscisse x (compté sur Ox) à la valeur en un point Q quelconque

r

: rayon du cylindre référence

n

: nombre de pales de l'impulseur

e

: épaisseur de la pale

B _Qcour

: angle du squelette ou de la fibre moyenne pour un point courrant désigné "cour"

[0075] Cette distance est aussi géométriquement égale, pour les réalisations pratiques industrielles à la distance orthoradiale entre deux pales positionnées telles que les fibres moyennes seraient confondues avec la corde de la pale, donc on a aussi :

[0076] Une pompe hélicoaxiale est définie comme toutes les pompes ou tous les compresseurs par son débit volumétrique ou débit nominal.

[0077] Les sections d'entrée et de sortie de l'impulseur pourront être notamment déterminées à partir des triangles des vitesses en appliquant entre autres les lois d'Euler en relations avec les conditions de fonctionnement nominales souhaitées.

[0078] La section orthoradiale définit le canal hydraulique.

[0079] Pour l'impulseur objet de cette invention on définit l'évolution de la section du canal hydraulique ou de cette section orthoradiale du canal compte tenu éventuellement de l'épaisseur radiale des pales. Cette évolution de section prend en compte les paramètres géométriques suivants (définis ci avant) :

• R₂, R₁, R₃, l
• n : nombre de pales
• B_c : l'angle de corde
• e : l'épaisseur de la pale, comme cela a été dit précédemment, cette épaisseur peut être supposée nulle, constante ou non constante. Dans le cas où l'épaisseur de la pale est supposée nulle ou constante alors qu'elle ne l'est pas réellement il sera nécessaire d'admettre des écarts pratiques par rapport aux formulations proposées ci-dessus.

[0080] La section est définie par rapport à x point courant sur Ox, elle peut être définie aussi en fonction de l'abscisse curviligne de la corde du profil de la pale.

[0081] Les paramètres utilisés dans la formulation s'écrivent :

[0082] La section du canal hydraulique S₁ pour une pale théorique d'épaisseur nulle s'écrit :

[0083] La section orthoradiale d'une pale S₂ s'écrit :

[0084] La section orthoradiale réelle d'un canal hydraulique S s 'écrit :


   donc

[0085] Dans le cas où tous les canaux ne sont pas identiques on pourra considérer n non comme le nombre de pales mais comme un paramètre lié à la section relative d'entrée de chacun des canaux.

[0086] La formulation en fonction de l'abscisse curviligne d'un point courant sur la corde du profil s'écrit simplement en remplaçant x par s/sinB_c où s est l'abscisse curviligne.

[0087] Selon la présente invention la section orthoradiale d'au moins un passage évolue de la manière indiquée par la formule donnant S(x). Néanmoins les écarts par rapport à cette formule peuvent être inférieurs à 5 % ou de préférence inférieur à 3 % et cela entre deux plans orthoradiaux d'abscisse x₁, x₂ (cf. figure 7). Bien entendu il est préférable que la section d'un canal donnée par la formule ci-dessus soit respectée au mieux compte tenu notamment des tolérances de fabrication.

[0088] La distance x₁, x₂ de l'axe Ox pour laquelle la formule donnant la variation de la section orthoradiale est vérifiée dans les conditions de précision déjà indiquées précédemment, est égale au moins à 80 % de la longueur de l'impulseur et de préférence supérieure à 90 %.

[0089] Du fait de l'effilement des pales au bord d'attaque et au bord de fuite on pourra admettre, lorsque l'on souhaite que les formules donnant la variation de la section orthoradiale soient vérifiées au mieux, et sur la plus grande longueur possible du moyeu, qu'elles ne le soient tout de même pas sur une certaine longueur de la pale aux deux extrémités de celles-ci. Ces longueurs, correspondant aux effilements de la pale, peuvent être déterminées en fonction de l'écart de l'épaisseur compté en pourcentage de l'épaisseur maximum (généralement situées au milieu de la longueur de la pale développée ou à l'épaisseur moyenne de la pale). Ci-après sont données ces longueurs rapportées à l'abscisse curviligne du squelette compté à partir de l'abscisse curviligne l_r.

a) l_r = 3 % à partir du bord d'attaque où la longueur nécessaire pour que l'épaisseur de la pale atteigne plus de 50 % de l'épaisseur moyenne,

b) l_r = 3 % avant le bord de fuite où la longueur à partir de laquelle l'épaisseur de la pale est inférieure à 50 % de l'épaisseur moyenne.

[0090] Selon la présente invention le rapport entre la longueur de l'impulseur à son diamètre extérieur peut être compris entre 10 % et 40 % et de préférence entre 15 % et 25 %.

[0091] A la sortie d'un étage impulseur, le fluide est animé d'une vitesse ayant au moins une composante axiale et une composante circonférentielle. Comme il est bien connu des spécialistes, l'utilisation d'un redresseur permet d'augmenter la pression statique en supprimant ou au moins en réduisant la composante circonférentielle de la vitesse d'écoulement du fluide. Ce redresseur pourra être de tout type connu, avec des caractéristiques adaptées à celles de l'étage impulseur, comme il est indiqué ci-dessous en se référant aux figures 8 et 9.

[0092] La figure 8 montre, en coupe, un ensemble comprenant un impulseur (représenté en trait interrompu) et un redresseur (représenté en trait continu).

[0093] La figure 9 représente schématiquement la trace développée de l'intersection d'une ailette du redresseur avec une surface cylindrique de rayon r.

[0094] Le redresseur est constitué d'un manchon 34 qui porte au moins deux ailettes 35. Une bague 36 fixée sur les ailettes 35 permet la solidarisation du redresseur et du carter 1 par exemple au moyen de vis schématisées en 27.

[0095] Le diamètre extérieur du manchon 34 décroît progressivement depuis l'entrée vers la sortie sur une première portion M'N' pouvant représenter 30 % au moins de la longueur totale du redresseur mesurée parallèlement à l'axe et qui, elle, est égale à au moins 30 % du diamètre moyen Dm des pales à l'entrée du redresseur. Ainsi, la section de passage du fluide augmente selon une loi du premier ou du second degré lorsqu'on considère le sens de l'écoulement indiqué par les flèches.

[0096] Les ailettes 35 ont un profil approprié qui permet le redressement de l'écoulement du fluide. A l'entrée du redresseur, ce profil est sensiblement tangent à l'écoulement tandis qu'à la fin de la première portion M'N', le profil des ailettes est sensiblement tangent à un plan passant par l'axe du dispositif, l'angle d'inclinaison variant progressivement sur cette première portion.

[0097] Dans le but de simplifier la fabrication du redresseur, on donne à la première portion M'N' des ailettes un rayon de courbure constant.

[0098] La portion restante N'P' de l'ailette est disposée axialement et sur cette partie, le moyeu est cylindrique.

[0099] La section droite d'entrée d'un redresseur S_e est choisie supérieure à la section de sortie S_s de l'étage impulseur précèdent le redresseur de telle sorte que le rapport S_e/S_s puisse avoir une valeur comprise entre 1 et 1,2 et, de préférence, entre 1,1 et 1,15, tandis que le rapport S_s/S_e entre les sections droites entre la sortie et l'entrée du redresseur est supérieur à 1 et, de préférence, compris entre 2 et 3.

[0100] Dans ce qui précède, on a représenté un faible jeu axial entre le bord de fuite des pales de l'impulseur et le bord d'attaque des ailettes du redresseur, mais il est possible de les écarter l'un de l'autre à une distance qui sera établie par le technicien lors des essais de mise au point en fonction des conditions d'utilisation du dispositif.

[0101] Des modifications pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, et comme le montre la figure 10, l'extrados de chaque ailette du redresseur pourra être obtenu par usinage de portions de plans sécants.

[0102] Avantageusement le manchon pourra être constitué par une forme de révolution obtenue par la rotation d'une ligne plane 36 M', T', N', P' autour de l'axe Ox de la cellule de compression, cette ligne comportant au moins deux parties. Une première partie M'T' correspond à un arc de cercle dont le centre est du même côté que l'axe Ox relativement à cette ligne. Un deuxième partie T' et N' correspond également à un arc de cercle de préférence de même rayon que le premier arc M'T' mais dont le centre est situé de l'autre côté de ladite ligne relativement au centre du cercle du premier arc M'T'.

[0103] Les deux arcs de cercle M'T' et T'N' se raccordent entre eux en T' avec de préférence des tangentes parallèles en ce point où, dans ce cas T' est un point d'inflexion de la courbe M'T'N'. La projection orthogonale sur l'axe Ox de l'arc M'T' pourra être égale à la longueur correspondante soit de l'arc T'N' soit de la courbe T'P'.

[0104] Les tangentes à la ligne M'T'N'P' en M' et P' pourront être parallèles à l'axe Ox éventuellement comporter une troisième partie N'P' rectiligne parallèle à l'axe Ox. La ligne M'T'N'P' décrite précédemment l'a été dans un plan axial de la cellule de compression.

[0105] La longueur de l'impulseur et du diffuseur pourront être égales.

[0106] Sur la figure 7 deux courbes sont représentées elles correspondent à la variation de la section orthoradiale d'un canal de l'impulseur en fonction de l'abscisse sur l'axe Ox. L'origine de cet axe correspond à la face d'entrée de l'impulseur, cette face comportant la partie du bord d'attaque la plus en avant relativement à l'écoulement des gaz.

[0107] Cette partie de cette courbe 37 se prolonge jusqu'à l'abscisse l correspondant à la longueur de l'impulseur, les abscisses x₁ et x₂ défissent la zone x₁, x₂ à l'intérieur de laquelle la formulation donnée précédemment pour la variation de la section orthoradiale S(x) est respectée dans les conditions de précision déjà indiquée précédemment dans ce texte.
   x₁ pourra être égal à l-x₂

[0108] La longueur x₁ pourra correspondre à la longueur pour laquelle l'épaisseur de la pale a atteint 80 ou 90 % de l'épaisseur moyenne. Généralement cette longueur pourra correspondre à 3 % de la longueur de l'abscisse curviligne.

[0109] De même x₂ peut être déterminé comme étant le début de la zone x₂, l où l'épaisseur de la pale s'écarte de plus de 10 % ou 20 % de l'épaisseur moyenne.

[0110] La tangente 38 à la courbe 37 en S_e peut être horizontale.

[0111] Sur la figure 7 la tangente 39 à la courbe au point d'abscisse l a une pente négative.

[0112] La courbe 43 correspond à l'évolution de la section orthoradiale d'un canal du diffuseur multipliée par n_r/n_i où n_R correspond au nombre de pales ou ailettes du diffuseur et n_I le nombre de pales ou ailettes de l'impulseur.

[0113] La courbe 43 est une courbe continue entre l'abscisse l et l₃ et ne présente pas de point singulier. Cette courbe comporte un point d'inflexion 44.

[0114] De préférence l'abscisse de ce point d'inflexion peut être sensiblement égal à (l+l₃)/2.

[0115] La tangente 45 à l'entrée du diffuseur correspondant à l'abscisse l au jeu entre impulseur et diffuseur près est l'horizontal (L.a.d. parallèle à l'axe Ox). Il en est de même à la sortie du diffsueur la tangente 46 est parallèle à l'axe Ox.

[0116] La longueur l₃-l correspond à la longueur axiale du diffuseur.

[0117] De préférence la section S_s de sortie du canal de l'impulseur sera strictement égale à la section d'entrée dans le diffuseur.

Revendications

1. Dispositif de compression d'un fluide polyphasique comportant une phase liquide et une phase gazeuse, ce dispositif comportant un carter (1), un impulseur ayant une section d'entrée et une section de sortie, ledit impulseur (17; 18; 19) comportant un moyeu axisymétrique d'axe Ox et un nombre n pales tournant autour dudit axe, ces pales ayant un bord d'attaque (C₁; C₂) et un bord de fuite (C'₁; C'₂) ledit fluide entre dans ledit impulseur par la section d'entrée (41) et en sort par la section de sortie (42), ledit axe étant orienté dans le sens de progression dudit fluide, le nombre de pales tournantes (29, 30) étant égal ou supérieur à 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un canal ou passage défini par deux pales successives (29, 30) dont la section orthoradiale S(x), c'est à dire, dans un plan perpendiculaire à l'axe Ox, est de la forme, à 5 % près et de préférence à moins de 3 % près :

sur une portion au moins de sa longueur, ladite portion étant comprise entre deux plans orthoradiaux, la variable x correspondant à l'abscisse selon ledit axe dont l'origine correspond sensiblement au plan radial passant par le bord d'attaque desdites pales, lesdits plans radiaux définissant ladite portion ayant pour abscisse x₁ et x₂, a, b, c et d étant des paramètres.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que
      a = π/n   où
      π = 3,141... et
   n étant égal au nombre de pales de l'impulseur.

3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que :

et

où

n   : nombre de pales de l'impulseur,

e   : épaisseur de pale,

B_c   : angle de corde,

l   : longueur axiale des pales,

R₁   : rayon minimum des pales à l'entrée,

R₂   : rayon maximum des pales à l'entrée,

R₃   : rayon minimum des pales à la sortie.

4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que

les définitions de n, e, B_c, l R₁, R₂ et R₃ correspondent à celles données dans la revendication 3.

5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite pale a un bord supérieur s'inscrivant dans un cylindre de révolution ayant pour axe de symétrie ledit axe Ox.

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite portion dudit canal correspond à toute la longueur dudit canal.

7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite portion du canal correspond à une longueur de 80 % au moins de la longueur de l'impulseur ou de préférence de 90 % au moins de cette même longueur.

8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les angles d'entrée des pales sont pour les angles intrados compris entre 4° et 24° et de préférence entre 4° et 12°, et pour les angles extrados compris entre 2° et 23° et de préférence entre 2° et 11°.

9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le creux des pales est compris entre 0° et 30° et de préférence entre 6° et 12°.

10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur moyenne de la pale est comprise entre 3 et 5 mm en dehors des zones voisines des bords d'attaque et de fuite.

11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre des pales est compris entre 3 et 8, et de préférence entre 4 et 6 bornes comprises.

12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites pales présentent un angle de sortie intrados compris entre 4° et 54° et de préférence entre 10° et 24°, et pour l'angle extrados 2° à 58° et 8° à 23°.

13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le profil moyen ou squelette desdites pales défini par l'intersection d'une pale d'épaisseur nulle et d'une surface cylindrique relativement audit axe, est tel que l'angle que forme ce profil avec ledit axe décroît de façon monotone depuis le bord d'attaque vers le bord de fuite et en ce que la courbe représentant la valeur de la courbure le long du profil de la pale en fonction de l'abscisse curviligne à une pente dont la valeur croît depuis le bord d'attaque vers le bord de fuite de la pale.

14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite courbe présente un point d'inflexion.

15. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un diffuseur.

16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte des pales.

17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit diffuseur comporte entre 8 et 30 pales et de préférence entre 15 et 25 pales.

18. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur axiale de l'impulseur rapportée à son diamètre extérieur est compris entre 0,10 et 0,40 et de préférence entre 0,15 et 0,20.

19. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyeu du diffuseur présente une forme de révolution autour de l'axe Ox, en ce que la ligne considérée dans un plan axial générant cette forme de révolution présente au moins un point d'inflexion.

20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que ladite ligne présente des tangentes parallèles audit axe aux deux extrémités de cette ligne.

21. Utilisation d'au moins un dispositif décrit dans l'une des revendications précédentes, dans une pompe polyphasique.

22. Utilisation d'au moins un dispositif décrit dans l'une des revendications précédentes dans une pompe polyphasique destinée au pompage d'effluent polyphasique pétrolier.

Claims

1. A device for compressing a multiphase fluid with a liquid phase and a gaseous phase, this device having a housing (1), an impeller with an inlet section and an outlet section, the impeller (17; 18; 19) having a boss asymmetric with the axis Ox and a number n of vanes rotating around the axis, these vanes having a leading edge (C₁; C₂) and a trailing edge (C'₁; C'₂), the fluid entering the impeller by the inlet section (41) and leaving it via the outlet section (42), the axis being orientated in the direction in which the fluid is moving, the number of rotating vanes (29, 30) being equal to or greater than 2, characterised in that it has at least one channel or passage delineated by two successive vanes (29, 30) whose ortho-radial section S(x), i.e. in a plane perpendicular to the axis Ox, is, to the extent of 5% and preferably to the extent of 3%, in the form:

over a section of at least its length, the section being in a range between two ortho-radial planes, the variable x corresponding to the abscissa along the axis, whose origin corresponds substantially to the radial plane passing through the leading edge of the vanes, the radial planes defining the section whose abscissa is x₁ and x ₂, a, b, c and d being the parameters.

2. A device in accordance with claim 1, characterised in that
   a = π/n where
   π = 3.141... and
   n is equal to the number of vanes on the impeller.

3. A device in accordance with one of the previous claims, characterised in that

and

or

n   : number of vanes on the impeller,

e   : thickness of the vane,

B_c   : angle of cord,

l   : axial length of the vanes,

R₁   : minimum radius of the vanes at the inlet,

R₂   : maximum radius of the vanes at the inlet,

R₃   : minimum radius of the vanes at the outlet.

4. A device in accordance with one of the previous claims, characterised in that

the definitions of n, e, B_c, l, R₁, R₂ and R₃ corresponding to those given in claim 3.

5. A device in accordance with one of the previous claims, characterised in that the vane has an upper edge inscribed in a rotating cylinder whose symmetrical axis is the axis Ox.

6. A device in accordance with one of claims 1 to 5, characterised in that the section of the channel corresponds to the whole length of the channel.

7. A device in accordance with one of claims 1 to 5, characterised in that the section of the channel corresponds to a length of at least 80% of the length of the impeller or preferably at least 90% of this same length.

8. A device in accordance with one of the previous claims, characterised in that the intrados angles of the inlet angles of the vanes range between 4° and 24° and preferably between 4° and 12° and the extrados angles range between 2° and 23° and preferably between 2° and 11°.

9. A device in accordance with one of the previous claims, characterised in that the recess of the vanes ranges between 0° and 30° and preferably between 6° and 12°.

10. A device in accordance with one of the previous claims, characterised in that the average thickness of the vane ranges between 3 and 5 mm other than in the sections adjacent to the leading and trailing edges.

11. A device in accordance with one of the previous claims, characterised in that the number of vanes is between 3 and 8 and preferably between 4 and 6, limiters included.

12. A device in accordance with one of the previous claims, characterised in that the vanes have an intrados angle at the outlet of between 4° and 54° and preferably between 10° and 24° and an extrados angle between 2° and 58°and 8° and 23°.

13. A device in accordance with one of the previous claims, characterised in that the average profile or skeleton of the vanes as defined by the intersection of a vane of a thickness of zero and cylindrical surface relative to the axis is such that the angle this profile forms with the axis decreases monotonically from the leading edge to the trailing edge and in that the curve representing the value of the curve of the length of the profile of the vane in relation to the abscissa slopes at a value that increases from the leading edge to the trailing edge of the vane.

14. A device in accordance with claim 13, characterised in that the curve has one inflection point.

15. A device in accordance with one of the previous claims, characterised in that it has a diffuser.

16. A device in accordance with claim 15, characterised in that it has vanes.

17. A device in accordance with claim 16, characterised in that the diffuser has between 8 and 30 vanes and preferably between 15 and 25 vanes.

18. A device in accordance with one of the previous claims, characterised in that the axial length of the impeller in relation to its exterior diameter ranges between 0.10 and 0.40 and preferably between 0.15 and 0.20.

19. A device in accordance with one of the previous claims, characterised in that the boss of the diffuser has a form of revolution around the axis Ox and in that the line considered in an axial plane generating this form of revolution has at least one inflection point.

20. A device in accordance with claim 19, characterised in that the line has parallel tangents to the axis at the two ends of this line.

21. The use of at least one device described in one of the previous claims, in a multiphase pump.

22. The use of at least one device described in one of the previous claims in a multiphase pump designed to pump petroleum multiphase effluent.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Kompression eines polyphasischen Fluids mit einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase, wobei diese Vorrichtung ein Gehäuse (1) sowie ein Impulsrad mit einem Eintrittsquerschnitt und einem Austrittsquerschnitt hat, wobei dieses Impulsrad (17; 18; 19) eine axisymmetrische Nabe von einer Achse O_x sowie eine Anzahl von n sich um diese Achse drehenden Schaufeln hat, wobei diese Schaufeln eine Anströmkante (C₁; C₂) und eine Abströmkante (C'₁; C'₂) besitzen, dieses Fluid in dieses Impulsrad über den Eintrittsquerschnitt (41) eintritt und hieraus über den Austrittsquerschnitt (42) austritt und diese Achse in Richtung der Strömung dieses Fluids orientiert ist und wobei die Anzahl von drehenden Schaufeln (29, 30) gleich oder größer als 2 ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens einen Kanal oder einen Durchlaß, gebildet durch zwei aufeinanderfolgende Schaufeln (29, 30), umfaßt, dessen orthoradialer Querschnitt S(x), d.h. in einer Ebene senkrecht zur Achse O_x bis auf etwa 5 % vorzugsweise etwa 3 % von der Form:

über wenigstens einen Teil seiner Länge ist, wobei dieser Teil zwischen zwei orthoradialen Ebenen liegt und die Variable x der Abszisse längs dieser Achse entspricht, deren Ursprung im wesentlichen der radialen Mitte entspricht, die durch die Anströmkante dieser Schaufeln verläuft, wobei diese Radialebenen diesen Teil, der als Abszisse x₁ und x₂ hat, definieren, wobei a, b, c und d Parameter sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
   a = π/n   wo
   π = 3,141 ... und
n gleich der Zahl der Schaufeln des Impulsrades ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

und

wo

n:   Schaufelzahl des Impulsrades

e:   Schaufeldicke

B_c:   Sehnenwinkel

L:   Axiallänge der Schaufel

R₁:   Minimumradius der Schaufeln am Eintritt

R₂:   Maximumradius der Schaufeln am Eintritt

R₃:   Minimumradius der Schaufeln am Austritt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

wobei die Definitionen n, e, B_c, L R₁, R₂ und R₃ den in Anspruch 3 gegebenen entsprechen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schaufel eine ober Kante hat, die sich in einen Umdrehungszylinder einbeschreiben läßt, der als Symmetrieachse diese Achse O_x hat.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Teil dieses Kanals der gesamten Länge dieses Kanals entspricht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Teil des Kanals eine Länge von 80 % wenigstens der Länge des Impulsrads oder vorzugsweise 90 % wenigstens eben dieser Länge entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittswinkel der Schaufeln für die druckseitigen Winkel zwischen 4° und 24° und vorzugsweise zwischen 4° und 12° und für die saugseitigen Winkel zwischen 2° und 23° und vorzugsweise 2° und 11° tragen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhlung der Schaufeln zwischen 0° und 30° und vorzugsweise zwischen 6° und 12° beträgt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Dicke der Schaufel zwischen 3 und 5 mm außerhalb der Zonen benachbart der Anström- und Abströmkanten ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Schaufeln zwischen 3 und 8 und vorzugsweise zwischen 4 und 6, Grenzen eingeschlossen, liegt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schaufeln einen druckseitigen Austrittswinkel zwischen 4° und 54° und vorzugsweise zwischen 10° und 24° und für die saugseitigen Winkel 2° bis 58° und 8° bis 23° aufweisen.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Profil oder das Skelett dieser Schaufeln, das definiert ist, durch die Schnittlinie einer Schaufel von der Dicke null und einer bezüglich dieser Achse zylindrischen Fläche derart ist, daß der Winkel, den dieses Profil dieser Achse bildet, monoton von der Anströmkante gegen die Abströmkante abnimmt, und daß die den Wert der Kurve längs des Profils der Schaufel als Funktion der Krummlinienabszisse darstellende Kurve eine Steigung hat, deren Wert von der Anströmkante gegen die Abströmkante der Schaufel zunimmt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kurve einen Wendepunkt hat.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Diffusor umfaßt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie Schaufeln umfaßt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Diffusor zwischen 8 und 30 Schaufeln und vorzugsweise zwischen 15 und 25 Schaufeln umfaßt.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Impulsrades, bezogen auf seinen Außendurchmesser, zwischen 0,10 und 0,40 und vorzugsweise zwischen 0,15 und 0,20 beträgt.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe des Diffusors eine Rotationskörpergestalt um die Achse O_x aufweist, daß die in einer diese Rotationsform erzeugende in einer Axialebene liegende Linie wenigstens einen Wendepunkt aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß diese Linie Tangenten parallel zu dieser Achse in den beiden Enden dieser Linie aufweist.

21. Verwendung wenigstens einer in einem der vorhergehenden Ansprüche beschriebenen Vorrichtung bei einer polyphasischen Pumpe.

22. Verwendung wenigstens einer Vorrichtung, die in einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben wurde, in einer polyphasischen Pumpe, die zum Pumpen eines polyphasischen Erdölabstroms bestimmt ist.

Dessins