EP0781929B1 - Dispositif de pompage ou de compression d'un fluide polyphasique à aubage en tandem - Google Patents

Dispositif de pompage ou de compression d'un fluide polyphasique à aubage en tandem Download PDF

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EP0781929B1
EP0781929B1 EP96402879A EP96402879A EP0781929B1 EP 0781929 B1 EP0781929 B1 EP 0781929B1 EP 96402879 A EP96402879 A EP 96402879A EP 96402879 A EP96402879 A EP 96402879A EP 0781929 B1 EP0781929 B1 EP 0781929B1
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EP
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blades
blade
parameter
ratio
value
Prior art date
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EP96402879A
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EP0781929A1 (fr
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Régis Vilagines
Christian Bratu
Florent Spettel
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
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    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/321—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow compressors
    • F04D29/324—Blades
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    • F04D29/2288—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures for comminuting, mixing or separating

Definitions

  • the present invention relates to a fluid compression device multiphase which, before being compressed and under pressure conditions and of temperature considered, consist of a mixture in particular of a liquid phase and a gaseous phase not dissolved in the liquid, this liquid may or may not be saturated with gas.
  • the compression device or compression cell according to the invention is particularly well suited for pumping a multiphase fluid, for example, but not exclusively, a multiphase petroleum effluent composed of a mixture of water, oil and gas, and possibly particles solid. Pumping such an effluent poses problems all the more difficult to solve that in the thermodynamic conditions where is found the multiphase fluid before pumping, the value of the volumetric ratio of the gas to liquid is greater.
  • volumetric ratio of gas and liquid is defined as the ratio of the volume of fluid in gaseous state to volume of fluid in liquid state, the value of this ratio being in particular function of the thermodynamic conditions of the multiphase fluid.
  • a solution consists in separating the liquid phase from the gas phase before pumping, and process the phases separately, in separate compression circuits respectively adapted to communicate a compression value to a essentially liquid phase or an essentially gaseous phase. Setting using separate circuits is not always possible and often leads to larger, more expensive and more complex pumping systems.
  • blading profiles making it possible to obtain this result, in particular the applicant's patents FR-2,157,437, FR-2,333,139, FR-2,471,501 and FR-2,665,224, which specify blade profiles or even a geometry chosen for the fluid passage section delimited by two successive blasting.
  • these profiles relate to blading simple, that is to say comprising only one piece unlike Blades, called “tandem blading", which include for the same group, at minus two blades.
  • the pumping of multiphase fluid can be improved by using blades tandem or "tandem blading" type with a geometric configuration adapted to compress a multiphase fluid comprising at least one liquid phase and at least one vapor or gas phase, the proportions of these two phases that can vary over time.
  • the device according to the present invention uses tandem blades, comprising blades formed by a or more profiles or blades.
  • the first blade called for example the main blade
  • the second blade is called, for example, auxiliary blade.
  • each of these blades makes it possible to optimize the compression of a multiphase fluid and remixing at least part of the liquid phase coming from a first group of blades with at least one part of the gas phase from the previous group of blades. We thus promotes the meeting of at least part of the gas phase which flows near the upper surface and at least part of the phase liquid which circulates on the side of the lower surface.
  • the different blades forming a blade can be found completely separate from each other or derive from a dawn in which are arranged orifices, or passage lights, each of the parts separated by these orifices which can be assimilated to a blade.
  • the present invention also relates to a device comprising for example at least one impeller comprising two blades or group of blades G 1 , G2 each comprising a first blade A 1j and a second blade A 2j .
  • the device comprises for example a rectifier and / or an impeller comprising at least two groups of blades G 1 , G 2 each comprising a first blade (A 11 , A 12 ) and a second blade (A 21 , A 22 ), the geometric characteristics of said first and second blades of each of the groups of blades and the positioning of the different groups of blades relative to one another are for example determined as a function of three of the parameters given in claims 2 and / or 3, parameter 1, parameter 2 and parameter 3, each of these parameters belonging to the intervals cited above.
  • the geometric characteristics of at least one impeller and / or at least one rectifier of the compression device are for example specified using the fourth parameter, the value of the camber ratio ⁇ j being chosen in combination with the three values of the parameters of claims 2 and / or 3.
  • the ratio of maximum thicknesses of the first and second blading e1 / e2 is for example between 0.5 and 1, for an impeller and / or a rectifier.
  • the thickness e1 of the first blade is between 2 and 10 mm and / or the thickness e2 of the second blade is between 2 and 20 mm.
  • a dawn is for example linked to a previous dawn and / or a dawn next using a mechanical element.
  • the device comprises for example at least one rectifier and at least an impeller, the impeller is for example placed before the impeller when we consider the direction of fluid flow.
  • the device comprises for example at least one impeller and at least two rectifiers, the impeller being for example disposed between the two rectifiers.
  • the invention also relates to a compression or pumping a multiphase fluid comprising at least one gaseous phase and at least one liquid phase, the device comprising a hollow casing having a inlet port and an outlet port for said multiphase fluid, at at least one rotor which can rotate inside said casing along an axis of Ox rotation, said rotor consisting of a hub and at least one blade integral with this hub, said blade comprising a first face or upper surfaces and a second face designated lower surface.
  • the device for compressing or pumping a multiphase fluid is characterized in that said blade is provided on at least part of its length of one or more openings allowing communication the two said lower and upper surfaces, in order to promote the encounter at least part of the gaseous phase flowing near the upper surface and at least part of the liquid phase flowing from the side of the lower surface.
  • the invention also relates to a multiphase pump intended for example with the pumping of multiphase petroleum type effluents. She is characterized in that it comprises at least one impeller and at least one rectifier which has one of the geometric characteristics for example previously mentioned.
  • a multiphase pump intended pumping multiphase petroleum effluent comprising for example a liquid phase, a gas phase and possibly a solid phase in the form of particles.
  • a fluid multiphase including in particular a liquid phase and a gas phase, and possibly a solid phase which can be in the form of solid particles for example sand or viscous particles such as hydrate agglomerates.
  • the liquid phase can in particular consist of liquids of different natures, just as the gas phase can be made up of gases of different types.
  • the fluid has phases of different natures inside and outside.
  • the exterior of the compression device unlike fluids monophasics which can undergo transformations inside the device.
  • Figures 1 and 1A schematically show in axial section a particular, non-limiting embodiment of the device according to the invention intended for pumping a multiphase petroleum effluent.
  • the pumping device comprises a hollow casing 1, which is by cylindrical example to be easily introduced into a well, for non-limiting applications of the device according to the invention relating to pumping effluent in a production well.
  • the casing 1 is provided with at least one orifice 2 for admitting the multiphase fluid and at least one orifice discharge 3, which communicates with the flow circuit of the pumped fluid.
  • This circuit is shown diagrammatically by a pipe or pipe 4 at the end of which the housing 1 is fixed by any suitable means known to those skilled in the art loom for example a thread referenced 5 in the figure.
  • the intake port 2 is present in the form of lights made in the wall of the casing 1, and the pumping device comprises at these orifices a deflector 14 integral with the casing 1 to deflect the fluid after it enters the casing and it print a speed having a substantially axial direction, that is to say substantially parallel to the axis of rotation of the pump.
  • a rotor comprising a shaft 6 rotated by motor means 7 ( Figure 1), such as for example, but not exclusively, an electric motor, and possibly a transmission, shown schematically at 8 ( Figure 1) allowing in particular to adapt the rotational speed of the motor shaft at the rotational speed at which be trained tree 6.
  • motor means 7 such as for example, but not exclusively, an electric motor, and possibly a transmission, shown schematically at 8 ( Figure 1) allowing in particular to adapt the rotational speed of the motor shaft at the rotational speed at which be trained tree 6.
  • the shaft 6 is for example held in position by at least two separate bearings 9 and 10, for example described in the applicant's patent FR-2471501.
  • the bearing 10 is made integral with the casing 1 by radial arms 11, of so that the spaces between these radial arms allow the fluid to flow in the direction indicated by the arrow F.
  • At least one element or stage adapted to increase the total energy of the fluid.
  • the device also includes one or more elements rectifiers.
  • a rectifier 24, 25, 26
  • each rectifier being secured to housing 1, for example, by means of fixing screws 27.
  • rectifiers is not necessary for the implementation of the device according to the invention. Nevertheless, it offers a significant advantage because it allows to guide the fluid or effluent through the different stages of the compression device.
  • FIG. 2 shows, in perspective view, a non-limiting embodiment of a pressurizing element or impeller stage essentially comprising a hub 28 integral with the shaft 6 which, during the operation of the device, is rotated in the direction indicated by the arrow R .
  • This hub 28 comprises at least one blade 30 composed of two blades 30a and 30b, hereinafter called first blade or main blade and second blade or auxiliary blade, whose geometric characteristics and positioning relative to each other are given in connection with FIG. 3.
  • the number of blades 29, 30 is in no way limiting and given by way of example only. In general, this number is chosen to facilitate the static and dynamic balancing of the rotor.
  • the height of the blades is such that the shape which they define during their rotation is complementary to the bore which, in this embodiment, is cylindrical.
  • the effective profile of a tandem blade or a group of blades corresponding to the profile that dawn would have if it were made up of a single part, may be substantially identical to one of the profiles described in the FR-2,157,437, FR-2,333,139, FR-2,471,501 and FR-2,665,224 of the applicant, the latter defining the profile of a blade from the section variation of an orthoradial canal defined by two successive blades.
  • the profile of a blade tandem comprising a first blade 30a and a second blade 30b can effect be assimilated to an effective profile taking into account the profiles of each of the blades. It is also possible to define an orthoradial channel as the channel delimited by two effective blades or group of blades.
  • each blade of a tandem blade can be chosen according to one profiles described in these patents.
  • the number of tandem blades i.e. groups of blades arranged in tandem with each other, is always preferably greater than 2.
  • this number of blades can be between 3 and 8, and preferably between 4 and 6, in particular for impellers with a large outer diameter of the blades, understood by example between 200 and 400mm.
  • the blades forming a blade or a group of blades and the arrangement of the blades and / or blades relative to each other inside the device compression have geometrical characteristics determined, by example using at least one of the parameters given in FIG. 3.
  • each group of blades G j comprises, for example two blades A 1j and A 2j arranged one after the other, but could without departing from the scope of the invention be extended to groups of blades with a number of blades greater than 2.
  • the groups of blades are designated in FIG. 3, respectively by G 1 and G 2 .
  • Each of the groups includes a first dawn A 1j or main dawn and a second dawn A 2j or auxiliary dawn.
  • a representation to describe a blade in a simple way is to define its geometric layout on the developed surface of the envelope cylindrical to the outside radius.
  • the axis of rotation is represented by the line m, and the line p corresponds to the peripheral or tangential direction of the compression device.
  • the arrow E corresponds to the direction of flow of the multiphase fluid entering the compression device.
  • a blade A ij has a leading edge referenced in the figure "a ij " and a trailing edge "f ij ", where i is the number of a blade A ij inside group d 'vanes indexed j.
  • a group of blades G j is associated with a first blade labeled A 1i and a second blade labeled A 2j , for example, A 11 corresponds to the first blade of the first blade group G 1 and A 21 corresponds to the second dawn of this same group of blades.
  • chord is defined for a blade as the distance between its leading edge a ij and its trailing edge f ij . It is marked on the right m respectively by C Fj for the first dawn A 1j and C Rj for the second dawn A 2j .
  • the characteristics of the compression device are determined by example, from at least one parameter chosen from a set of characteristic parameters, specific to the blades and to the position of the groups blade. The choice thus makes it possible to delimit a field of operation optimal for the compression device.
  • the values of at least one of the three previously defined parameters are compared to a preferred embodiment for the pumping device or compression according to the invention.
  • the three parameters are chosen from the three intervals previously given and a fourth parameter chosen in combination with the first three is associated with them to optimize the compression operation.
  • This fourth parameter is, for example the camber ratio ⁇ j determined for a group of blades and defined as the ratio of the value of the camber ⁇ Fj of the first blade A 1j to the value of the camber ⁇ Rj of the second dawn A 2d for a given dawn group.
  • This parameter is preferably chosen in the range [0.5; 1].
  • the camber ratio ⁇ j determined for a group of blades of a rectifier is preferably chosen from the interval [0.10; 1].
  • the following three parameters are selected to produce the impellers and / or for the rectifiers: the tangential offset h relative to the pitch t, the ratio r j / C Tj and the chord ratio R Cj .
  • This defines a field of pumping or compression devices adapted to communicate to a multiphase type fluid, for example an oil effluent, a compression value sufficient to ensure its transfer from a production location for example a source or a well. production to a place of destination, such as a processing platform or even an intermediate place, without having to separate the phases.
  • a section offered for the flow of fluid in an impeller and / or a rectifier is for example defined by the total area of passage of the fluid in a plane Pi perpendicular to the axis of rotation of the device and located between the input and the output of the device.
  • the total area changes for example according to a law that is substantially constant and bounded by a minimum value of area and a maximum value, chosen so that the ratio of two areas chosen for two Pi planes as defined above is preferably included in the interval [2.2; 0.45].
  • the impellers have a fluid passage area considered in their plane of limited exit according to the value of the corresponding area in their plan input.
  • the ratio of the thicknesses maximum of the first and second vane e1 / e2 is preferably chosen in the interval [0.6; 1] for an impeller and preferably chosen in the interval [0.5; 1] for a rectifier.
  • the characteristics geometric groups of blades for the moving or impeller wheels are defined for example by values chosen so that the diameter ratio outside of the wheel expressed in mm, on the number of blades belongs to the interval [40; 60].
  • the multiphase fluid is animated by a speed having at least one axial component and one component circumferentially.
  • a rectifier increases the static pressure by removing or less by reducing the circumferential components of speed fluid flow.
  • a multi-stage pumping or compression device is formed for example by a succession of several compression stages formed for example by a movable wheel (impeller) preceded or succeeded by a fixed wheel (rectifier), according to the direction of flow of the fluid.
  • the section of passage offered to the fluid is for example substantially continuous and the flow of the fluid takes place in a preferential direction aligned with the axis of rotation of the device.
  • Figure 4 illustrates the different flows of the different phases, liquid and gaseous in a pumping or compression device, in particular when they flow into a channel delimited by two tandem blades.
  • FIG. 4 there is shown in a diagram identical to that of FIG. 3, two groups of blades G 1 and G 2 and dashed lines corresponding to the groups of blades G 0 and G 3 arranged on one side and the other of the two groups previously defined.
  • a flow passage is defined between the lower surface I 1j of the first blade and upper surface E 2j of the second blade, for example.
  • the passage p 1 corresponds to the flow passage located between the two blades A 11 , A 12 of the first group of blades and p 2 the flow passage located between the blades A 12 , A 22 of the second group of blades, the flow passages each having a width the value of which is fixed by the positioning of the two blades within the same group of blades.
  • This flow channel remixes at least part of the liquid phase from a flow channel with at least part of the gas phase flowing in an adjacent flow channel.
  • the multiphase fluid to which it is desired to communicate a certain energy value circulates between two groups of successive tandem blades, for example the flow channel E 1 and according to the arrow E for example.
  • the fluid decomposes into a liquid fraction l 1 which migrates towards the lower surface side I 11 of the vane A 11 and a gaseous fraction g 1 which is attracted towards the upper surface E21 of the first vane At 12 of the second group of blades.
  • the liquid fraction l 1 attracted by the pressure side I 11 flows through the flow passage p 1 and also opens into the flow channel E 0 , continues to circulate until it mixes with at least part of the gas fraction g 0 coming from the separation of the liquid and gas phases in the flow channel E 0 .
  • the gas g 0 and liquid l 1 phases by remixing at least partially compensate for the phenomenon of segregation of the liquid and gas phases which appears during the pumping of a multiphase fluid and which contributes to the reduction in efficiency for pumping. .
  • the presence of a flow passage between two blades of a group of blades significantly improves the performance of the devices compression compared to the yield obtained with a formed blade a single blade with substantially identical surface and equivalent geometry.
  • the dimension of the flow passage is for example chosen from of the set of parameters previously defined.
  • Figure 5 is a perspective view of a group of blades which are by example linked together by at least one mechanical element 40.
  • a first dawn is for example connected to at least the following dawn (by taking the flow direction) and / or at a previous dawn.
  • This mechanical element 40 can be positioned anywhere along and / or across the width of a blade and can take any geometric shape that respects the flow of the fluid, that is to say which does not disturb the flow of the fluid.
  • the presence of at least one mechanical element allows to maintain the distance between the blades, and to respect the provision specific of the blades between them. It thus plays the role of mechanical reinforcement of the device.
  • Figure 6 shows schematically an alternative embodiment of the device according to the invention for which a group of blades is obtained from a blade provided with one or more orifices distributed over at least part of its length.
  • the parts of the blade separated by these orifices thus form "sub-blades" which each have a function substantially identical to the function fulfilled by the blades A ij described in FIG. 3.
  • the lights or orifices distributed along the blade 50 thus allow the passage of the liquid and gaseous fractions circulating respectively in the vicinity on the lower side of the dawn and on the upper side of the dawn and coming from channels adjacent, for example as described in Figure 3.
  • Figure 6 there is shown a shape which can be taken by a gas pocket or liquid pocket.
  • the liquid fraction tends to pass through at least one of the lights 51 to mix with the gaseous fraction circulating on the upper side and thus form a multiphase mixture.
  • we decrease notably the value of the GLR ratio due to the enrichment of the fraction gas with a liquid part and the compression of the fluid is improved multiphase, by compensating for the separation from the compression of the multiphase fluid as previously described in relationship to Figure 4.
  • Mixing ports or lights may have geometries different sizes chosen, in particular depending on the nature of the phases constituting the fluid to facilitate the passage of these phases one towards the other.

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Description

La présente invention concerne un dispositif de compression de fluides polyphasiques qui, avant d'être comprimés et dans les conditions de pression et de température considérées, sont constitués d'un mélange notamment d'une phase liquide et d'une phase gazeuse non dissoutes dans le liquide, ce liquide pouvant être ou non saturé en gaz.
Le dispositif de compression ou cellule de compression selon l'invention est particulièrement bien adapté pour le pompage d'un fluide polyphasique, par exemple, mais non exclusivement, un effluent pétrolier polyphasique composé d'un mélange d'eau, d'huile et de gaz, et éventuellement de particules solides. Le pompage d'un tel effluent pose des problèmes d'autant plus difficiles à résoudre que, dans les conditions thermodynamiques où se trouve le fluide polyphasique avant pompage, la valeur du rapport volumétrique du gaz au liquide est plus grande.
On rappelle que le rapport volumétrique de gaz et de liquide, dénommé par la suite en abrégé "rapport volumétrique" ou 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 étant notamment fonction des conditions thermodynamiques du fluide polyphasique.
Quelque 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 du fluide est très faible voire 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 apparaítre 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 décroít très rapidement.
Pour améliorer le fonctionnement des appareils existants, une solution consiste à séparer la phase liquide de la phase gazeuse avant le pompage, et à traiter séparément les phases, dans des circuits distincts de compression respectivement adaptés pour communiquer une valeur de compression à une phase essentiellement liquide ou à une phase essentiellement gazeuse. La mise en oeuvre de circuits séparés n'est pas toujours possible et conduit souvent à des systèmes de pompage plus encombrants, plus coûteux et plus complexes.
C'est pourquoi, on a essayé de développer des dispositifs de pompage adaptés, non seulement à augmenter l'énergie totale du fluide polyphasique, mais capables de produire un fluide polyphasique dont la valeur du rapport volumétrique en sortie de dispositif de pompage est inférieur à la valeur qu'il possède avant pompage.
L'art antérieur décrit différents profils d'aubage permettant d'obtenir ce résultat, notamment les brevets du demandeur FR-2.157.437, FR-2.333.139, FR-2.471.501 et FR-2.665.224, qui précisent des profils d'aubage ou encore une géométrie choisie pour la section de passage du fluide délimitée par deux aubages successifs. Dans tous les cas, ces profils concernent des aubages simples, c'est-à-dire ne comportant qu'une seule pièce à la différence des aubages, dits "aubage en tandem", qui comportent pour un même groupe, au moins deux aubes.
Les performances du pompage de fluide polyphasique comprenant des aubages dits "simples", peuvent être améliorées.
Ainsi, l'art antérieur décrit, par exemple dans l'article " Optimization for Rotor Blades of Tandem Design for Axial Flow Compressors", paru dans le journal of Engineering for Power, Vol. 102, page 369 en Avril 1980, l'utilisation de dispositifs de compression comportant des pales ayant des profils tandem.
Néanmoins, l'enseignement de cet art antérieur concerne uniquement la compression de fluide monophasique, c'est-à-dire qui, à l'entrée du dispositif de compression, sont constitués essentiellement d'une phase unique, soit liquide soit gazeuse. Les caractéristiques géométriques des pales de type tandem décrites dans ce document sont particulièrement bien adaptées à la compression d'un fluide monophasique dont le comportement en compression ne peut néanmoins être comparé au comportement d'un fluide possédant plusieurs phases, par exemple des fluides ayant au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse, et donc qui ne sont pas adaptées au pompage d'un fluide polyphasique.
Il a été découvert, et c'est l'un des objets de la présente invention, que l'on peut améliorer le pompage de fluide polyphasique en utilisant des aubages de type tandem ou "aubage en tandem" ayant une configuration géométrique adaptée pour comprimer un fluide polyphasique comportant au moins une phase liquide et au moins une phase vapeur ou gazeuse, les proportions de ces deux phases pouvant varier dans le temps.
Pour rappel et dans toute la suite de la description, on définit le squelette d'une aube comme la surface en tout point équidistante des faces intrado et extrado de cette aube. Ainsi, lorsque l'on considère l'intersection d'une aube avec une surface de courant de l'écoulement du fluide autour de cette aube, on peut décrire un profil d'aube au moyen des coordonnées géométriques de la ligne de cambrure et de la loi de répartition de l'épaisseur d'aube suivant cette ligne.
Dans toute la suite de la description les références suivantes seront utilisées :
  • Aij : désigne une aube ayant le numéro i dans le groupe d'aubes j,
  • aij : désigne le bord d'attaque d'une aube Aij,
  • fij : le bord de fuite d'une aube Aij,
  • Gj : se réfère au groupe d'aubes,
  • CTj : corde totale d'un groupe d'aubes qui correspond à la corde définie à partir d'une pale ayant un profil équivalent au profil déterminé à partir de l'ensemble des aubes,
  • CFj : corde de la première aube d'un groupe d'aubes,
  • CRj : corde de la seconde aube d'un groupe d'aubes, pour des groupes d'aubes comportant deux aubes, mais qui pourrait sans sortir du cadre de l'invention être étendue à un nombre supérieur à 2,
  • h le décalage tangentiel qui correspond à la distance (fij, aij) projetée sur la direction périphérique (perpendiculaire à l'axe de rotation),
  • α angle qui est défini sur des cylindres sensiblement coaxiaux de rayons constants dont l'axe est confondu avec l'axe de rotation de la machine. Sur ces surfaces, α est l'angle que fait la direction périphérique (perpendiculaire à l'axe de rotation) et la tangente en un point quelconque à la courbe tracée par le squelette tel que défini précédemment.
Pour obtenir l'amélioration précitée, le dispositif selon la présente invention utilise des aubages en tandem, comprenant des pales formées par un ou plusieurs profils ou aubes.
Par exemple, lorsque la pale ou le groupe d'aubes Gj comporte deux aubes A1j et A2j, la première aube, dénommée par exemple aube principale est celle qui voit le fluide en écoulement, ou la particule de fluide, la première, et la seconde aube est dénommée par exemple aube auxiliaire.
Les caractéristiques géométriques particulières de chacune de ces aubes, ainsi que leur disposition l'une par rapport à l'autre, permettent d'optimiser la compression d'un fluide polyphasique et de remélanger au moins une partie de la phase liquide provenant d'un premier groupe d'aubes avec au moins une partie de la phase gazeuse provenant du groupe d'aubes précédent. On favorise ainsi la rencontre d'une partie au moins de la phase gazeuse qui s'écoule à proximité de la face extrados et d'une partie au moins de la phase liquide qui circule du côté de la face intrados.
Les différentes aubes formant une pale peuvent se trouver totalement séparées les unes des autres ou encore dériver d'une aube dans laquelle se trouvent disposés des orifices, ou lumières de passage, chacune des parties séparées par ces orifices pouvant être assimilée à une aube.
Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de compression ou de pompage d'un fluide polyphasique comportant au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse, le dispositif comportant au moins un carter creux (1) ayant au moins un orifice d'admission (2) et au moins un orifice d'évacuation (3) dudit fluide, au moins un rotor pouvant tourner à l'intérieur de ce carter selon un axe de rotation Ox, un impulseur comportant deux groupes d'aubes comportant chacun une première aube et une deuxième aube, l'impulseur étant solidaire du rotor, les aubes de l'impulseur ayant un bord d'attaque aij et un bord de fuite fij, l'angle α que fait la tangente à la courbe du squelette, ledit angle étant compté à partir du bord d'attaque aij d'au moins une desdites première et/ou seconde aube par rapport à la direction périphérique ou tangentielle du dispositif est compris entre 0 et 45°, le dispositif comportant un redresseur comportant deux groupes d'aubes comportant chacun une troisième et une quatrième aube, caractérisé en ce que les caractéristiques et le positionnement des aubes de l'impulseur sont déterminés en fonction d'au moins un paramètre choisi parmi les quatre paramètres suivants :
  • paramètre 1 : le décalage tangentiel h rapporté au pas t, exprimé sous la forme du rapport h/t, où t est le pas correspondant à la distance entre les deux bords de fuite f21 et f22 correspondant aux deuxième aubes de chacun des groupes d'aubes, la valeur du paramètre 1 est compris dans l'intervalle de 0,95 à 1,05,
  • paramètre 2 : le rapport du recouvrement axial rj et de la corde totale CTj correspondant à un groupe d'aubes qui est compris dans l'intervalle de valeurs de 0,0, à 0,15,
  • paramètre 3 : le rapport de corde RCj = (CFj / CRj) défini pour un groupe d'aubage par le rapport de la valeur de la corde CFj de la première aube à la valeur de la corde de la deuxième aube CRj pour un des groupes d'aubes compris entre 0,5 et 1,5,
  • paramètre 4 : le rapport de cambrure Φj défini par la valeur de la cambrure ΦFj de la première aube à la valeur de la cambrure ΦRj de la deuxième aube d'un même groupe d'aube, compris entre 0,5 et 1.
Pour rappel et dans la suite de la description, on définit le squelette d'une aube comme la surface en tout point équivalente des faces intrado et extrado de cette aube. Lorsque l'on considère l'intersection d'une aube avec une surface de courant de l'écoulement autour de cette aube, on peut décrire un profil d'aubes au moyen des coordonnées géométriques de la ligne de courbure et de la loi de répartition de l'épaisseur d'aube suivant cette ligne.
La présente invention concerne aussi un dispositif comportant par exemple au moins un impulseur comportant deux pales ou groupe d'aubes G1, G2 comportant chacune une première aube A1j et une seconde aube A2j.
Il est caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques de la première et/ou de la seconde aube de chacun des groupes d'aubes Gj et le positionnement des différents groupes d'aubes l'un par rapport à l'autre sont déterminés en fonction d'au moins un paramètre choisi parmi les quatre paramètres suivants :
  • paramètre 1 : le décalage tangentiel h rapporté au pas t, exprimé sous la forme du rapport h/t, où t est le pas correspondant à la distance entre les deux bords de fuite f21 et f22 correspondant aux secondes aubes A21 et A22 de chacun des groupes d'aubes G1 et G2, la valeur du paramètre 1 est compris dans l'intervalle [0,95 1,05],
  • paramètre 2 : le rapport du recouvrement axial rj et de la corde totale CTj correspondant à un groupe d'aubes Gj qui est compris dans l'intervalle de valeurs [0,0; 0,15],
  • paramètre 3 : le rapport de corde RCj = (CFj / CRj) défini pour un groupe d'aubage Gj par le rapport de la valeur de la corde CFj de la première aube à la valeur de la corde de la seconde aube CRj pour un des groupes d'aubage compris entre [0,5 1,5],
  • paramètre 4 : le rapport de cambrure Φj défini par la valeur de la cambrure ΦFj de la première aube à la valeur de la cambrure ΦRj de la seconde aube d'un même groupe d'aubage, compris entre [0,5 ; 1].
Le dispositif comporte au moins un redresseur comportant deux pales ou groupe d'aubes G1, G2 comportant chacune une première aube A1j et une seconde aube A2j. Il est caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques de la première et/ou de la seconde aube de chacun des groupes d'aubes Gj et le positionnement des différents groupes d'aubes l'un par rapport à l'autre sont déterminés en fonction d'au moins un paramètre choisi parmi les quatre paramètres suivants :
  • paramètre 1 : le décalage tangentiel h rapporté au pas t, exprimé sous la forme du rapport h/t, où t est le pas correspondant à la distance entre les deux bords de fuite f21 et f22 correspondant aux secondes aubes A21 et A22 de chacun des groupes d'aubes G1 et G2, la valeur du paramètre 1 est compris dans l'intervalle [0,60 ; 0,80],
  • paramètre 2 : le rapport du recouvrement axial rj et de la corde totale CTj correspondant à un groupe d'aubes Gj qui est compris dans l'intervalle de valeurs [-0,01 ; 0,05],
  • paramètre 3 : le rapport de corde RCj = (CFj / CRj) défini pour un groupe d'aubage Gj par le rapport de la valeur de la corde CFj de la première aube à la valeur de la corde de la seconde aube CRj pour un des groupes d'aubage compris entre [0,5 ; 1,5],
  • paramètre 4 : le rapport de cambrure Φj défini par la valeur de la cambrure ΦFj de la première aube à la valeur de la cambrure ΦRj de la seconde aube d'un même groupe d'aubage, compris entre [0,10 ; 1].
Le dispositif comporte par exemple un redresseur et/ou un impulseur comportant au moins deux groupes d'aubes G1, G2 comportant chacun une première aube (A11, A12) et une seconde aube (A21, A22), les caractéristiques géométriques desdites première et seconde aubes de chacun des groupes d'aubes et le positionnement des différents groupes d'aubage l'un par rapport à l'autre sont par exemple déterminés en fonction de trois des paramètres donnés dans les revendications 2 et/ou 3, le paramètre 1, le paramètre 2 et le paramètre 3, chacun de ces paramètres appartenant aux intervalles cités ci-dessus.
Les caractéristiques géométriques d'au moins un impulseur et/ou d'au moins un redresseur du dispositif de compression sont par exemple précisées à l'aide du quatrième paramètre, la valeur du rapport de cambrure Φj étant choisie en combinaison aux trois valeurs des paramètres de les revendications 2 et/ou 3.
Le rapport des épaisseurs maximum du premier et du second aubage e1/e2 est par exemple compris entre 0,5 et 1, pour un impulseur et/ou un redresseur.
L'épaisseur e1 de la première aube est comprise entre 2 et 10 mm et/ou l'épaisseur e2 de la seconde aube est comprise entre 2 et 20 mm.
Une aube est par exemple reliée à une aube précédente et/ou une aube suivante à l'aide d'un élément mécanique.
Le dispositif comporte par exemple au moins un redresseur et au moins un impulseur, l'impulseur est par exemple disposé avant l'impulseur lorsque l'on considère le sens de l'écoulement du fluide.
Le dispositif comporte par exemple au moins un impulseur et au moins deux redresseurs, l'impulseur étant par exemple disposé entre les deux redresseurs.
L'invention concerne également un dispositif de compression ou de pompage d'un fluide polyphasique comportant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide, le dispositif comportant un carter creux ayant un orifice d'admission et un orifice d'évacuation dudit fluide polyphasique, au moins un rotor pouvant tourner à l'intérieur dudit carter selon un axe de rotation Ox, ledit rotor étant constitué d'un moyeu et d'au moins une pale solidaire de ce moyeu, ladite pale comprenant une première face ou extrados et une seconde face désignée intrados.
Le dispositif de compression ou de pompage d'un fluide polyphasique est caractérisé en ce que ladite pale est pourvue sur au moins une partie de sa longueur d'une ou plusieurs ouvertures permettant de mettre en communication les deuxdites faces intrados et extrados, afin de favoriser la rencontre d'au moins une partie de la phase gazeuse s'écoulant à proximité de la face extrados et d'au moins une partie de la phase liquide circulant du côté de la face intrados.
L'invention concerne aussi une pompe polyphasique destinée par exemple au pompage d'effluents de type polyphasique pétrolier. Elle est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un impulseur et au moins un redresseur qui présente une des caractéristiques géométriques par exemple précédemment mentionnée.
Elle s'applique aussi à la définition d'une pompe polyphasique destinée au pompage d'effluent polyphasique pétrolier, comportant par exemple une phase liquide, une phase gazeuse et éventuellement une phase solide se présentant sous la forme de particules.
Comparé aux dispositifs comprenant des aubages dits "simples", la structure de type tandem appliquée notamment au domaine du pompage de fluide polyphasique, tel un effluent pétrolier, dans une configuration optimisée définie ci-dessus, confère au dispositif de compression les avantages suivants :
  • elle permet de minimiser la séparation des phases liquide et gaz contenues dans l'effluent en favorisant au moins en partie leur remélange de phases,
  • les pertes d'énergie hydraulique sont minimisées car :
    • l'aubage est mieux adapté à l'incidence de l'écoulement entrant dans le dispositif de compression,
    • le taux de décélération du fluide, élevé dans le cas de cambrures d'aubage fortes et ayant notamment pour conséquence d'augmenter les pertes hydrauliques et les risques de décollement de l'écoulement, s'en trouve minimisé, et
  • au niveau du stator, la structure tandem des pales améliore le guidage du fluide et permet ainsi d'égaliser les vitesses des filets fluides dans la section de sortie.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaítront mieux à la lecture de la description donnée ci-après à titre d'exemples de réalisation, dans le cadre d'applications nullement limitatives, à la compression ou pompage d'un effluent polyphasique de type pétrolier, comportant au moins une phase liquide, une phase gazeuse et éventuellement une phase solide, en se référant aux dessins annexés où :
  • les figures 1 et 1A représentent schématiquement et en coupe axiale, un mode particulier de réalisation du dispositif selon l'invention pour le pompage, d'un effluent polyphasique,
  • la figure 2 montre un impulseur ou roue mobile, vu en perspective,
  • la figure 3 est une figure développée de la trace résultant de l'intersection des pales avec une surface cylindrique de rayon fixe, montrant les paramètres de définition d'une géométrie aubages tandem selon l'invention,
  • la figure 4 schématise le mélange des flux de la phase gazeuse et de la phase liquide
  • la figure 5 schématise un exemple de dispositif selon l'invention pour lequel les différents groupes d'aubes sont reliées par un moyen mécanique, et
  • la figure 6 est un exemple de réalisation simpliste d'aubages selon l'invention pourvus de lumières permettant d'optimiser le mélange des phases.
Dans ce qui suit, on désignera sous le mot "fluide", un fluide polyphasique comportant notamment une phase liquide et une phase gazeuse, et éventuellement une phase solide qui peut se présenter sous forme de particules solides par exemple du sable ou des particules visqueuses tels des agglomérats d'hydrates. La phase liquide peut notamment être constituée de liquides ayant de natures différentes, de même que la phase gazeuse peut être constituée de gaz de nature différentes.
Le fluide comporte des phases de natures différentes à l'intérieur et à l'extérieur du dispositif de compression, contrairement à des fluides monophasiques qui peuvent subir des transformations à l'intérieur du dispositif.
Les figures 1 et 1A représentent schématiquement et en coupe axiale un mode particulier, non limitatif, de réalisation du dispositif selon l'invention prévu pour le pompage d'un effluent polyphasique pétrolier.
Le dispositif de pompage comporte un carter creux 1, qui est par exemple cylindrique pour être facilement introduit dans un puits, pour des applications non limitatives du dispositif selon l'invention relative au pompage d'effluents dans un puits de production. Le carter 1 est pourvu d'au moins un orifice 2 d'admission du fluide polyphasique et d'au moins un orifice d'évacuation 3, qui communique avec le circuit d'écoulement du fluide pompé. Ce circuit est schématisé par une canalisation ou conduite 4 à l'extrémité de laquelle le carter 1 est fixé par tout moyen approprié connu de l'homme du métier par exemple un filetage référencé 5 sur la figure.
Dans l'exemple illustré par la figure 1A, l'orifice d'admission 2 se présente sous forme de lumières pratiquées dans la paroi du carter 1, et le dispositif de pompage comporte au niveau de ces orifices un déflecteur 14 solidaire du carter 1 pour dévier le fluide après son entrée dans le carter et lui imprimer une vitesse ayant une direction sensiblement axiale, c'est-à-dire sensiblement parallèle à l'axe de rotation de la pompe.
A l'intérieur du carter 1 est placé un rotor comportant un arbre 6 entraíné en rotation par des moyens moteurs 7 (figure 1), tels que par exemple, mais non exclusivement, un moteur électrique, et éventuellement un organe de transmission, schématisé en 8 (figure 1) permettant notamment d'adapter la vitesse de rotation de l'arbre du moteur à la vitesse de rotation à laquelle doit être entraíné l'arbre 6.
L'arbre 6 est par exemple maintenu en position par au moins deux paliers distincts 9 et 10, par exemple décrit dans le brevet du demandeur FR-2.471.501.
Le palier 10 est rendu solidaire du carter 1 par des bras radiaux 11, de façon que les espaces entre ces bras radiaux permettent l'écoulement du fluide dans le sens indiqué par la flèche F.
Des détails concernant le montage des paliers 9 et 10 sont donnés explicitement dans le brevet FR 2.471.501, notamment les montages pour obtenir l'étanchéité entre les différentes pièces du dispositif et sont de plus suffisamment connus de l'homme de métier pour ne pas être décrits plus en détail ci-après.
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 un élément ou étage adapté à augmenter l'énergie totale du fluide.
Sur la figure 1, on a représenté trois éléments ayant pour fonction d'augmenter l'énergie du fluide, référencés 17, 18 et 19. Ce nombre n'est pas limitatif et dépend de l'augmentation de pression que l'on désire obtenir. Ces éléments sont dénommés ci-après impulseurs.
Ces éléments décrits ci-après en détail à la figure 3 sont solidaires de l'arbre 6 sur lequel ils sont, par exemple, emmanchés à force, l'écartement entre les éléments étant assuré par des entretoises 20 à 23.
De préférence, le dispositif comporte aussi un ou plusieurs éléments redresseurs. Par exemple, un redresseur (24, 25, 26) est placé à la sortie de chaque élément de mise en pression (17, 18, 19), chaque redresseur étant solidaire du carter 1, par exemple, au moyen de vis de fixation 27.
La présence de redresseurs n'est pas nécessaire à la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention. Néanmoins, il offre un avantage non négligeable car il permet de guider le fluide ou effluent à travers les différents étages du dispositif de compression.
Il est bien entendu que les jeux entre les éléments de mise en pression et le carter et les jeux entre les éléments de mise en pression et les redresseurs sont réduits de manière connue par l'homme de métier à leur valeur minimale compatible avec le fonctionnement de la pompe.
La figure 2 représente, vue en perspective, un exemple non limitatif de réalisation d'un élément de mise en pression ou étage impulseur comportant essentiellement un moyeu 28 solidaire de l'arbre 6 qui, pendant le fonctionnement du dispositif, est entraíné en rotation dans le sens indiqué par la flèche R. Ce moyeu 28 comporte au moins une pale 30 composée de deux aubes 30a et 30b, dénommés ci-après première aube ou aube principale et seconde aube ou aube auxiliaire, dont les caractéristiques géométriques et le positionnement l'une par rapport à l'autre sont donnés en relation avec la figure 3. Le nombre de pales 29, 30 n'est nullement limitatif et donné à titre d'exemple uniquement. En général, ce nombre est choisi pour faciliter 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 qui, dans cet exemple de réalisation, est cylindrique.
Le profil effectif d'une pale tandem ou d'un groupe d'aubes correspondant au profil qu'aurait l'aube si elle était constituée en une seule partie, peut être sensiblement identique à l'un des profils décrits dans les brevets FR-2.157.437, FR-2.333.139, FR-2.471.501 et FR-2.665.224 du demandeur, ce dernier définissant le profil d'une aube à partir de la variation de section d'un canal orthoradial défini par deux pales successives. Le profil d'une pale tandem comprenant une première aube 30a et une seconde aube 30b peut en effet être assimilé à un profil effectif tenant compte des profils de chacune des aubes. Il est aussi possible de définir un canal orthoradial comme le canal délimité par deux pales effectives ou groupe d'aubes.
De même, chaque aube d'une pale tandem peut être choisie selon l'un des profils décrits dans ces brevets.
Le nombre de pales tandem, c'est-à-dire des groupes d'aubes disposées en tandem l'une par rapport à l'autre, est toujours de préférence supérieur à 2.
Sans sortir du cadre de la présente invention, ce nombre de pales peut être compris entre 3 et 8, et de préférence entre 4 et 6, notamment pour des impulseurs dont le diamètre extérieur des pales est important, compris par exemple entre 200 et 400mm.
Pour assurer et optimiser la compression d'un fluide polyphasique, les aubes formant une pale ou un groupe d'aubes et la disposition des pales et/ou des aubes les unes par rapport aux autres à l'intérieur du dispositif de compression présentent des caractéristiques géométriques déterminées, par exemple à l'aide d'au moins un des paramètres donnés sur la figure 3.
Dans l'exemple décrit à la figure 3, chaque groupe d'aubes Gj comporte, par exemple deux aubes A1j et A2j disposées l'une à la suite de l'autre, mais pourrait sans sortir du cadre de l'invention être étendu à des groupes d'aubes comportant un nombre d'aubes supérieur à 2.
Les groupes d'aubes sont désignés sur la figure 3, respectivement par G1 et G2. Chacun des groupes comprend une première aube A1j ou aube principale et une seconde aube A2j ou aube auxiliaire.
Une représentation pour décrire une pale de manière simple, est de définir son tracé géométrique sur la surface développée de l'enveloppe cylindrique au rayon extérieur .
Sur la figure 3, l'axe de rotation est représenté par la droite m, et la droite p correspond à la direction périphérique ou tangentielle du dispositif de compression. La flèche E correspond au sens de l'écoulement du fluide polyphasique entrant dans le dispositif de compression.
De manière générale, une aube Aij comporte un bord d'attaque référencé sur la figure "aij" et un bord de fuite " fij", où i est le numéro d'une aube Aij à l'intérieur du groupe d'aubes indicé j.
Ainsi à un groupe d'aubes Gj, on associe une première aube indicée A1i et une seconde aube indicée A2j, par exemple, A11 correspond à la première aube du premier groupe d'aubage G1 et A21 correspond à la seconde aube de ce même groupe d'aubes.
La corde est définie pour une aube comme étant la distance entre son bord d'attaque aij et son bord de fuite fij. Elle est repérée sur la droite m respectivement par CFj pour la première aube A1j et CRj pour la seconde aube A2j.
Il est aussi possible de définir la longueur de corde totale CTj pour un groupe d'aubes Gj, repérée sur la droite m par la projection de la distance séparant le bord d'attaque a11 de la première aube, et le bord de fuite f21 de la seconde aube pour un même groupe d'aubes Gj.
Les caractéristiques du dispositif de compression sont déterminées, par exemple, à partir d'au moins un paramètre choisi parmi un ensemble de paramètres caractéristiques, propres aux aubes et à la position des groupes d'aubes. Le choix permet ainsi de délimiter un domaine de fonctionnement optimal pour le dispositif de compression.
L'ensemble des paramètres, à partir desquels sont sélectionnées ces caractéristiques, comprend par exemple, au moins les trois paramètres suivants :
  • le décalage tangentiel h, correspondant à la distance entre le bord d'attaque a21 de la seconde aube A21 du premier groupe d'aube G1, et le bord de fuite f12 de la première aube A12 du second groupe d'aube G2. La valeur de ce paramètre est par exemple exprimée en fonction du pas t, et donné sous la forme d'un rapport h/t. Le pas t correspond à la distance entre les deux bords de fuite f21 et f22 correspondant aux aubes auxiliaires A21 et A22 des premiers et second groupes d'aubes G1 et G2,
  • le recouvrement axial "rj" repéré par rapport à la direction m et qui correspond au recouvrement de la première aube A1j du groupe d'aubes Gj et de la seconde aube A2j du même groupe d'aubes Gj, avantageusement on définit la valeur relative de recouvrement "rj" rapportée à la corde CFj de la première aube d'un groupe d'aubes,
  • le rapport de corde RCj = (CFj / CRj) défini, par exemple, par le rapport de la valeur de la corde CFj de la première aube à la valeur de la corde de la seconde aube CRj, pour le groupe d'aubes Gj.
Par un choix approprié des valeurs d'au moins un des trois paramètres précédemment définis, il est possible d'obtenir un dispositif de compression optimisé.
Selon un mode de réalisation préférentiel pour le dispositif de pompage ou de compression selon l'invention, on choisit les valeurs d'au moins un des trois paramètres précédemment définis.
Pour définir un impulseur, on choisit de préférence la valeur d'au moins un des trois paramètres dans les intervalles donnés ci-après :
  • le décalage tangentiel h rapporté au pas t est compris dans l'intervalle [0,95; 1,05],
  • le rapport rj/CTj appartient à l'intervalle [0,0 ; 0,15],
  • le rapport de corde RCj est compris entre [0,5 ; 1,5 ]
On définit ainsi une géométrie pour les aubes et une disposition d'au moins deux groupes d'aubes, pour un impulseur, afin d'obtenir un fonctionnement optimal du dispositif de compression d'un fluide polyphasique.
Avantageusement, on choisit les trois paramètres parmi les trois intervalles précédemment donnés et on leur associe un quatrième paramètre choisi en combinaison aux trois premiers pour optimiser l'opération de compression. Ce quatrième paramètre est, par exemple le rapport de cambrure Φj déterminé pour un groupe d'aubes et défini comme le rapport de la valeur de la cambrure ΦFj de la première aube A1j à la valeur de la cambrure ΦRj de la seconde aube A2j pour un groupe d'aube donné.
La valeur de ce paramètre est de préférence choisi dans l'intervalle [0,5; 1].
De manière identique on définit un redresseur par exemple en choisissant ces caractéristiques de la manière suivante :
  • le décalage tangentiel h rapporté au pas t est compris dans l'intervalle [0,60; 0,80],
  • le rapport rj/CTj appartient à l'intervalle [-0,01 ; 0,05],
  • le rapport de corde RCj est compris entre [0,5; 1,5 ]
On définit ainsi une géométrie pour les aubes et une disposition d'au moins deux groupes d'aubes, au niveau des redresseurs, permettant d'obtenir un fonctionnement préférentiel du dispositif de compression d'un fluide polyphasique.
Dans ce cas, le rapport de cambrure Φj déterminé pour un groupe d'aubes d'un redresseur, et défini comme le rapport de la valeur de la cambrure ΦFj de la première aube A1j à la valeur de la cambrure ΦRj de la seconde aube A2j pour un groupe d'aube donné, est de préférence choisi dans l'intervalle [0,10; 1].
Selon un mode de réalisation préférentiel, on sélectionne pour réaliser les impulseurs et/ou pour les redresseurs, les trois paramètres suivants: le décalage tangentiel h rapporté au pas t, le rapport rj/CTj et le rapport de corde RCj. On délimite ainsi un domaine de dispositifs de pompage ou de compression adapté à communiquer à un fluide de type polyphasique, par exemple un effluent pétrolier, une valeur de compression suffisante pour assurer son transfert d'un endroit de production par exemple une source ou un puits de production vers un lieu de destination, tel qu'une plate-forme de traitement ou encore un lieu intermédiaire, sans avoir à séparer les phases.
Une section offerte pour l'écoulement du fluide dans un impulseur et/ou un redresseur est par exemple définie par l'aire totale de passage du fluide dans un plan Pi perpendiculaire à l'axe de rotation du dispositif et situé entre l'entrée et la sortie du dispositif. L'aire totale évolue par exemple selon une loi sensiblement constante et bornée par une valeur minimum d'aire et une valeur maximum, choisies pour que le rapport de deux aires choisi pour deux plans Pi tels que définis précédemment est inclus de préférence dans l'intervalle [ 2,2; 0,45].
Il en résulte notamment que selon un mode de réalisation optimisé les impulseurs présentent une aire de passage du fluide considéré dans leur plan de sortie limitée suivant la valeur de l'aire correspondante dans leur plan d'entrée.
Selon un mode de réalisation du dispositif, le rapport des épaisseurs maximum du premier et du second aubage e1/e2, est de préférence choisi dans l'intervalle [0,6; 1] pour un impulseur et de préférence choisi dans l'intervalle [0,5; 1] pour un redresseur.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les caractéristiques géométriques des groupes d'aubes pour les roues mobiles ou impulseurs sont définies par exemple par des valeurs choisies pour que le rapport du diamètre extérieur de la roue exprimée en mm, sur le nombre de pales appartienne à l'intervalle [40 ; 60].
Selon un mode de réalisation particulier pour lequel seuls les impulseurs présentent une des caractéristiques de l'invention telles que décrites précédemment, il est possible d'utiliser un redresseur de tout type, connu de l'homme de métier, et pouvant présenter notamment des caractéristiques adaptées aux caractéristiques de l'étage impulseur.
A la sortie d'un étage impulseur, le fluide polyphasique 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 les composantes circonférentielles de la vitesse d'écoulement du fluide.
Il est possible pour réaliser le dispositif de pompage ou de compression selon l'invention, de respecter par exemple les dispositions des différents éléments, par exemple les impulseurs et les redresseurs, données par exemple dans l'un des brevets du demandeur FR 2.333.139, FR 2.471.501, ou FR 2.665.224.
Ainsi un dispositif de pompage ou de compression multiétages est formé par exemple par une succession de plusieurs étages de compression formés par exemple par une roue mobile (impulseur) précédée ou succédée par une roue fixe (redresseur), selon le sens d'écoulement du fluide. La section de passage offerte au fluide est par exemple sensiblement continue et l'écoulement du fluide s'effectue selon une direction préférentielle alignée avec l'axe de rotation du dispositif.
Afin de mieux comprendre les phénomènes agissant lors du pompage d'un fluide polyphasique dans un dispositif de compression comportant des pales tandem, la figure 4 illustre les différents flux des différentes phases, liquide et gazeuse dans un dispositif de pompage ou compression, notamment lors de leur écoulement dans un canal délimité par deux pales tandem.
Ainsi sur la figure 4, on a représenté dans un diagramme identique à celui de la figure 3, deux groupes d'aubes G1 et G2 et des lignes en pointillés correspondant aux groupes d'aubes G0 et G3 disposés de part et d'autre des deux groupes précédemment définis.
De cette façon, on délimite plusieurs canaux d'écoulement du fluide indicés E0, E1, E2 situés respectivement entre les groupes d'aubes G0 et G1, G1 et G2, G2 et G3.
A chacune des aubes, on associe une référence Iij désignant le côté intrados de l'aube et Eij le côté extrados de l'aube.
Pour chaque groupe d'aubes, on définit un passage d'écoulement compris entre l'intrados I1j de la première aube et extrados E2j de la seconde aube, par exemple.
Ainsi, sur la figure 4, le passage p1 correspond au passage d'écoulement situé entre les deux aubes A11, A12 du premier groupe d'aubes et p2 le passage d'écoulement situé entre les aubes A12, A22 du second groupe d'aubes, les passages d'écoulement ayant chacun une largeur dont la valeur est fixée par le positionnement des deux aubes à l'intérieur d'un même groupe d'aubes.
Ce canal d'écoulement permet de remélanger au moins une partie de la phase liquide provenant d'un canal d'écoulement avec, au moins, une partie de la phase gazeuse circulant dans un canal d'écoulement adjacent.
En effet, lors de son passage dans un élément de mise en pression, et sous l'effet de la rotation, on observe une séparation des phases composant le fluide polyphasique, notamment la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse, référencées respectivement lk et gk, avec k indice associé au canal dans lequel circule le fluide (E0, E1, E2).
Sous l'effet d'un gradient de pression transverse, la phase liquide lk est entraínée vers la face de l'aube en surpression, l'intrados de l'aube alors que la phase gazeuse gk va au contraire migrer vers la face en dépression de l'aube ou extrados. Ce phénomène est aussi vu dans les dispositifs de compression comportant des aubages dits aubages simples.
Selon le schéma représenté sur la figure 4, le fluide polyphasique auquel on souhaite communiquer une certaine valeur d'énergie circule entre deux groupes de pales tandem successives, par exemple le canal d'écoulement E1 et selon la flèche E par exemple.
A l'intérieur de ce canal, le fluide se décompose en une fraction liquide l1 qui migre vers le côté intrados I11 de l'aube A11 et une fraction gazeuse g1 qui est attirée vers le côté extrados E21 de la première aube A12 du second groupe d'aubes.
La fraction liquide l1 attirée par le côté intrados I11 s'écoule à travers le passage d'écoulement p1 et débouchant aussi dans le canal d'écoulement E0, continue de circuler jusqu'à se mélanger avec au moins une partie de la fraction gazeuse g0 provenant de la séparation des phases liquide et gazeuse dans le canal d'écoulement E0.
Les phases gazeuse g0 et liquide l1 en se remélangeant, permettent de compenser au moins en partie le phénomène de ségrégation des phases liquide et gazeuse qui apparaít lors du pompage d'un fluide polyphasique et qui contribue à la diminution de rendement pour le pompage.
Ce phénomène se reproduit au niveau de chacun des passages d'écoulement et donc au niveau de chaque groupe d'aubes, les fluides gazeux et liquide, provenant par exemple de canaux adjacents sont remélangés.
Avantageusement, la présence d'un passage d'écoulement entre deux aubes d'un groupe d'aubes améliore sensiblement le rendement des dispositifs de compression en comparaison du rendement obtenu avec une pale formée d'une aube unique à surface et géométrie équivalente sensiblement identique.
La dimension du passage d'écoulement est par exemple choisie à partir de l'ensemble de paramètres précédemment définis.
La figure 5 est une vue en perpective d'un groupe d'aubes qui sont par exemple reliées entre elles par au moins un élément mécanique 40. Ainsi une première aube est par exemple reliée à au moins l'aube suivante (en prenant le sens d'écoulement ) et/ou à une aube précédente. Cet élément mécanique 40 peut être positionné à tout endroit le long et/ou dans la largeur d'une aube et peut prendre n'importe quelle forme géométrique qui respecte l'écoulement du fluide, c'est-à-dire qui ne perturbe pas l'écoulement du fluide.
Avantageusement la présence d'au moins un élément mécanique permet de maintenir la distance entre les aubes, et de fait respecter la disposition spécifique des aubes entre elles. Il joue ainsi le rôle de renfort mécanique du dispositif.
La figure 6 schématise une variante de réalisation du dispositif selon l'invention pour lequel on obtient un groupe d'aubes à partir d'une aube pourvue d'un ou plusieurs orifices distribués sur au moins une partie de sa longueur. Les parties de l'aube séparées par ces orifices forment ainsi des "sous-aubes" qui ont chacune une fonction sensiblement identique à la fonction remplie par les aubes Aij décrites sur la figure 3.
Les lumières ou orifices distribués le long de l'aube 50 permettent ainsi le passage des fractions liquide et gazeuse circulant respectivement à proximité du côté intrados de l'aube et du côté extrados de l'aube et provenant de canaux adjacents, par exemple comme il est décrit à la figure 3.
Sur la figure 6, on a représenté une forme pouvant être prise par une poche de gaz ou une poche de liquide.
La fraction liquide a tendance à passer à travers au moins une des lumières 51 pour se mélanger à la fraction gazeuse circulant du côté extrados et former ainsi un mélange polyphasique. De cette manière, on diminue notamment la valeur du rapport GLR, du fait de l'enrichissement de la fraction gazeuse avec une partie liquide et on améliore la compression du fluide polyphasique, en compensant la séparation provenant de l'étape de compression du fluide polyphasique comme il a été décrit précédemment en relation avec la figure 4.
Les orifices ou lumières de mélange peuvent présenter des géométries différentes et des dimensions choisies, notamment en fonction de la nature des phases constituant le fluide pour faciliter le passage de ces phases l'une vers l'autre.

Claims (14)

  1. Dispositif de compression ou de pompage d'un fluide polyphasique comportant au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse, le dispositif comportant au moins un carter creux (1) ayant au moins un orifice d'admission (2) et au moins un orifice d'évacuation (3) dudit fluide, au moins un rotor pouvant tourner à l'intérieur de ce carter selon un axe de rotation Ox, un impulseur comportant deux groupes d'aubes comportant chacun une première aube et une deuxième aube, l'impulseur étant solidaire du rotor, les aubes de l'impulseur ayant un bord d'attaque aij et un bord de fuite fij, l'angle α que fait la tangente à la courbe du squelette, ledit angle étant compté à partir du bord d'attaque aij d'au moins une desdites première et/ou seconde aube par rapport à la direction périphérique ou tangentielle du dispositif est compris entre 0 et 45°, le dispositif comportant un redresseur comportant deux groupes d'aubes comportant chacun une troisième et une quatrième aube, caractérisé en ce que les caractéristiques et le positionnement des aubes de l'impulseur sont déterminés en fonction d'au moins un paramètre choisi parmi les quatre paramètres suivants :
    paramètre 1 : le décalage tangentiel h rapporté au pas t, exprimé sous la forme du rapport h/t, où t est le pas correspondant à la distance entre les deux bords de fuite f21 et f22 correspondant aux deuxième aubes de chacun des groupes d'aubes, la valeur du paramètre 1 est compris dans l'intervalle de 0,95 à 1,05,
    paramètre 2 : le rapport du recouvrement axial rj et de la corde totale CTj correspondant à un groupe d'aubes qui est compris dans l'intervalle de valeurs de 0,0, à 0,15,
    paramètre 3 : le rapport de corde RCj = (CFj / CRj) défini pour un groupe d'aubage par le rapport de la valeur de la corde CFj de la première aube à la valeur de la corde de la deuxième aube CRj pour un des groupes d'aubes compris entre 0,5 et 1,5,
    paramètre 4 : le rapport de cambrure Φj défini par la valeur de la cambrure ΦFj de la première aube à la valeur de la cambrure ΦRj de la deuxième aube d'un même groupe d'aube, compris entre 0,5 et 1.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caractéristiques et le positionnement des aubes du redresseur sont déterminés en fonction d'au moins un paramètre choisi parmi les quatre paramètres suivants :
    paramètre 5 : le décalage tangentiel h rapporté au pas t, exprimé sous la forme du rapport h/t, où t est le pas correspondant à la distance entre les deux bords de fuite f21 et f22 correspondant aux quatrième aubes de chacun des groupes d'aubes, la valeur du paramètre 5 est compris dans l'intervalle [0,60 ; 0,80],
    paramètre 6 : le rapport du recouvrement axial rj et de la corde totale CTj correspondant à un groupe d'aubes qui est compris dans l'intervalle de valeurs [-0,01 ; 0,05],
    paramètre 7 : le rapport de corde RCj = (CFj / CRj) défini pour un groupe d'aube par le rapport de la valeur de la corde CFj de la troisième aube à la valeur de la corde de la quatrième aube CRj pour un des groupes d'aube compris entre [0,5 ; 1,5],
    paramètre 8 : le rapport de cambrure Φj défini par la valeur de la cambrure ΦFj de la première aube à la valeur de la cambrure ΦRj de la seconde aube d'un même groupe d'aube, compris entre [0,10 ; 1].
  3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques des aubes de l'impulseur sont déterminés en fonction des paramètres 1, 2 et 3.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques des aubes du redresseur sont déterminés en fonction des paramètres 5, 6 et 7.
  5. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques des aubes de l'impulseur sont précisées à l'aide du paramètre 4.
  6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques des aubes du redresseur sont précisées à l'aide du paramètre 8.
  7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rapport des épaisseurs maximum de la première et de deuxième aube e1/e2 de l'impulseur est compris entre 0,6 et 1.
  8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le rapport des épaisseurs maximum de la troisième et de quatrième aube e1/e2 du redresseur est compris entre 0,5 et 1.
  9. Dispositif selon une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'épaisseur e1 de la première ou de la troisième aube est comprise entre 2 et 10 mm et/ou l'épaisseur e2 de la seconde ou de la quatrième aube est comprise entre 2 et 20 mm.
  10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une aube est reliée à une aube précédente et/ou suivante à l'aide d'un élément mécanique (40).
  11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit impulseur est disposé avant ledit redresseur en suivant le sens de l'écoulement du fluide.
  12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux redresseurs, ledit impulseur étant disposé entre les deux redresseurs.
  13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, les aubes de l'impulseur comprenant une première face ou extrados et une seconde face désignée intrados, les aubes étant pourvues sur au moins une partie de leur longueur d'une ou plusieurs ouvertures (51) permettant de mettre en communication les deuxdites faces intrados et extrados, afin de favoriser la rencontre d'au moins une partie de la phase gazeuse s'écoulant à proximité de la face extrados et d'au moins une partie de la phase liquide circulant du côté de la face intrados.
  14. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications précédente pour pomper un effluent polyphasique.
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