EP0844397B1 - Pompe à engrenages hélicoidaux - Google Patents

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EP0844397B1
EP0844397B1 EP97402779A EP97402779A EP0844397B1 EP 0844397 B1 EP0844397 B1 EP 0844397B1 EP 97402779 A EP97402779 A EP 97402779A EP 97402779 A EP97402779 A EP 97402779A EP 0844397 B1 EP0844397 B1 EP 0844397B1
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steel
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F04C2/107—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth
    • F04C2/1071—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth the inner and outer member having a different number of threads and one of the two being made of elastic materials, e.g. Moineau type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/042—Expansivity
    • F05C2251/044—Expansivity similar

Definitions

  • the present invention relates to improvements brought to gear pumps, or Moineau pumps, comprising two internal helical gears, one to the other, the internal helical gear which is rotating (rotor) having one tooth less than the helical gear which is fixed (stator).
  • Document GB 2 120 729 A shows such a helical gear pump.
  • the rotor is made of high strength steel, coated with chrome to withstand abrasion; he is suspended at the end of a drill string which drives it in rotation.
  • the stator is made of molded elastomer encased in a steel tube; it hangs at the end of a train of tubes surrounding the above-mentioned train of rods. The seal between rotor and stator is obtained by giving the rotor slightly larger than the minimum diameter of the stator.
  • the pumps thus constituted give full satisfaction in pumping wells where the temperature does not exceed about 140 ° C.
  • the object of the invention is essentially to remedy to this disadvantage and to propose an improved arrangement Sparrow pump clean to operate correctly in a wide temperature range which can extend up to temperature significantly above 140 ° C, which is therefore usable in particular for oil extraction in wells deep.
  • a gear pump or Moineau pump improved arrangement in accordance with the invention includes the provisions set out in the characterizing part of claim 1 below.
  • the improved arrangement according to the invention is based on the fact that, due to the appropriate choice of constituent materials respectively of the rotor and the stator, the transverse and longitudinal dimensions of the rotor and the transverse and longitudinal dimensions respectively of the stator cavity move in the same direction and of same order of magnitude during thermal variations (i.e. that the transverse dimension of the rotor and the dimension transverse of the stator cavity increase significantly of the same order of magnitude when the temperature increases and decreases by roughly the same order of magnitude when the temperature decreases).
  • the pump therefore remains functionally operational in the presence of ambient thermal variations when the rotor and stator are made of respective materials having coefficients of thermal expansion such that a predetermined functional clearance between rotor and stator is kept approximately over a wide range of temperature, ranging from around 15 ° C (room temperature rotor assembly in the stator in the workshop) up to a ambient temperature during operation of the order of 300 ° C.
  • the operational temperature range of the pump can be from about 40 ° C to about 250 ° C.
  • stator the two materials constituting the stator and the rotor respectively, so that the game is kept approximately constant between rotor and stator, have expansion coefficients thermal of the same order of magnitude, even relatively neighbors.
  • the rotor being metallic for possess sufficient mechanical strength it is desirable that the stator is also metallic.
  • the material of the rotor and the material of the stator are chosen so as to be compatible mechanically vis-à-vis friction problems and wear, and are therefore selected in accordance with the rules known to those skilled in the art.
  • a pair of preferentially suitable materials in the context of the invention is formed by 316 L steel, whose coefficient of linear thermal expansion is 16.5 x 10 -6 mm / ° / mm, to form the rotor and bronze UE7 Pb6 Z4, whose coefficient of linear thermal expansion is 17 x 10 -6 mm / ° / mm, to form the stator.
  • a privileged (although not exclusive) area of use a gear pump or sparrow pump arranged in accordance to the invention resides in petroleum extraction in deep well, with an ambient temperature at the bottom of wells can vary from about 40 ° C to about 250 ° C.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Details And Applications Of Rotary Liquid Pumps (AREA)

Description

La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux pompes à engrenages, ou pompes Moineau, comportant deux engrenages hélicoïdaux intérieurs l'un à l'autre, l'engrenage hélicoïdal interne qui est rotatif (rotor) ayant une dent de moins que l'engrenage hélicoïdal externe qui est fixe (stator).
Le document GB 2 120 729 A montre une telle pompe à engrenages hélicoïdaux.
Il est connu d'utiliser de telles pompes dans l'industrie pétrolière, pour l'extraction du pétrole hors d'un puits. Le rotor est constitué en acier à haute résistance, revêtu de chrome pour supporter l'abrasion ; il est suspendu à l'extrémité d'un train de tiges qui l'entraíne en rotation. Le stator est constitué en élastomère moulé enchassé dans un tube d'acier ; il est suspendu à l'extrémité d'un train de tubes entourant le susdit train de tiges. L'étanchéité entre rotor et stator est obtenue en donnant au rotor un diamètre légèrement supérieur au diamètre minimum du stator.
Les pompes ainsi constituées donnent toute satisfaction dans des puits de pompage dans lesquels la température n'excède pas environ 140°C.
Par contre, dans les puits dans lesquels la température dépasse 140°C, les pompes agencées de façon traditionnelle comme indiqué ci-dessus ne peuvent plus être employées, d'une part, parce que l'élastomère constitutif du stator ne peut pas supporter de telles températures sans être endommagé et, d'autre part, en raison de la dilatation de l'élastomère qui est supérieure à celle du métal et qui entraíne un serrage excessif du rotor dans le stator.
L'invention a essentiellement pour but de remédier à cet inconvénient et de proposer un agencement perfectionné de pompe Moineau propre à fonctionner de façon correcte dans une large plage de température pouvant s'étendre jusqu'à une température notablement supérieure à 140°C, et qui soit donc utilisable notamment pour l'extraction pétrolière en puits profond.
A cette fin, une pompe à engrenage ou pompe Moineau perfectionnée agencée conformément à l'invention comporte les dispositions énoncées dans la partie caractérisante de la revendication 1 ci-après.
L'agencement perfectionné conforme à l'invention repose sur le fait que, en raison du choix approprié des matériaux constitutifs respectivement du rotor et du stator, les dimensions transversale et longitudinale du rotor et respectivement les dimensions transversale et longitudinale de la cavité du stator évoluent dans les mêmes sens et du même ordre de grandeur lors de variations thermiques (c'est-à-dire que la dimension transversale du rotor et la dimension transversale de la cavité du stator augmentent sensiblement du même ordre de grandeur lorsque la température croít et diminue sensiblement du même ordre de grandeur lorsque la température décroít).
La pompe reste donc fonctionnellement opérationnelle en présence de variations thermiques ambiantes lorsque le rotor et le stator sont constitués en des matériaux respectifs ayant des coefficients de dilatation thermique tels qu'un jeu fonctionnel prédéterminé entre rotor et stator soit conservé de façon approximative sur une large plage de température, allant d'environ 15°C (température ambiante d'assemblage du rotor dans le stator en atelier) jusqu'à une température ambiante en fonctionnement de l'ordre de 300°C.
En pratique, et notamment pour l'utilisation plus particulièrement envisagée de la pompe agencée conformément à l'invention dans le domaine de l'extraction pétrolière en puits profond, la plage de température opérationnelle de la pompe peut être d'environ 40°C à environ 250°C.
Il résulte de ce qui précède que les deux matériaux constitutifs respectivement du stator et du rotor doivent, pour que soit conservé approximativement constant le jeu entre rotor et stator, posséder des coefficients de dilatation thermique du même ordre de grandeur, voire relativement voisins. Il en résulte que, le rotor étant métallique pour posséder une résistance mécanique suffisante, il est souhaitable que le stator soit lui aussi métallique.
Dans ces conditions, le choix de matériaux est donné dans le tableau qui suit, dans lequel le coefficient de dilatation thermique linéaire est exprimé en mm/°/mm x 10-6 pour chacun :
acier Z 30 C 13 11,8
acier 316 L 16,5
fonte FGS 415 11
fonte FGS Ni 20 16
fonte FGS Ni30 Cr 1 12
bronze UE7 Pb 6 Z 4 17
Le matériau constitutif du rotor et le matériau constitutif du stator sont choisis de façon à être compatibles mécaniquement vis-à-vis des problèmes de frottement et d'usure, et sont donc sélectionnés en conformité avec les règles connues de l'Homme de Métier.
En pratique, la Demanderesse estime qu'actuellement un couple de matériaux préférentiellement appropriés dans le cadre de l'invention est formé par l'acier 316 L, dont le coefficient de dilatation thermique linéaire est de 16,5 x 10-6 mm/°/mm, pour constituer le rotor et le bronze UE7 Pb6 Z4, dont le coefficient de dilatation thermique linéaire est de 17 x 10-6 mm/°/mm, pour constituer le stator.
Le rotor et le stator peuvent être fabriqués par tout procédé et tous moyens connus de l'Homme de Métier. Pour ce qui est plus particulièrement du stator, on pourra avantageusement avoir recours à l'un des deux procédés de fabrication suivants :
  • le stator peut être fabriqué par compression extérieure d'une pièce massive autour d'un poinçon ayant le profil définitif de la forme intérieure (cavité) du stator;
  • le stator est constitué d'éléments individuellement obtenus par fluotournage et raccordés entre eux par des manchons.
Comme il ressort clairement de ce qui précède, un domaine privilégié (bien que non exclusif) d'utilisation d'une pompe à engrenages ou pompe Moineau agencée conformément à l'invention réside dans l'extraction pétrolière en puits profond, avec une température ambiante en fond de puits pouvant varier d'environ 40°C à environ 250°C.

Claims (6)

  1. Pompe à engrenages, ou pompe Moineau, comportant deux engrenages hélicoïdaux intérieurs l'un à l'autre, l'engrenage hélicoïdal interne qui est rotatif (rotor) ayant une dent de moins que l'engrenage hélicoïdal externe qui est fixe (stator),
    caractérisée en ce que le rotor et le stator sont constitués en des matériaux respectifs mécaniquement compatibles choisis parmi l'acier Z 3 OC 13, l'acier 316L, la fonte FGS 415, la fonte FGS Ni 20, la fonte FGS Ni 30 Crl et le bronze UE 7 Pb 6Z4, qui ont des coefficients de dilatation thermique respectifs conduisant à des dilatations respectives du rotor et du stator telles qu'un jeu approximativement constant soit maintenu entre le rotor et le stator sur une plage de température ambiante comprise entre environ 15°C et environ 300°C.
  2. Pompe à engrenages selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rotor est constitué en acier 316L et le stator en bronze spécial UE 7 Pb 6Z4.
  3. Pompe à engrenages selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le jeu sensiblement constant entre rotor et stator est maintenu sur une plage de température d'environ 40°C à environ 250°C.
  4. Pompe à engrenages selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le stator est fabriqué par compression extérieure d'une pièce massive autour d'un poinçon ayant le profil définitif de la forme intérieure du stator.
  5. Pompe à engrenages selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le stator est constitué par des éléments individuellement obtenus par fluotournage et raccordés entre eux par des manchons.
  6. Utilisation d'une pompe à engrenages selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, pour l'extraction de produits pétroliers en puits profond.
EP97402779A 1996-11-21 1997-11-19 Pompe à engrenages hélicoidaux Expired - Lifetime EP0844397B1 (fr)

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