EP1404973B1 - Procede de fabrication de stator de pompe moineau et stator ainsi obtenu - Google Patents

Procede de fabrication de stator de pompe moineau et stator ainsi obtenu Download PDF

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EP1404973B1
EP1404973B1 EP02787097A EP02787097A EP1404973B1 EP 1404973 B1 EP1404973 B1 EP 1404973B1 EP 02787097 A EP02787097 A EP 02787097A EP 02787097 A EP02787097 A EP 02787097A EP 1404973 B1 EP1404973 B1 EP 1404973B1
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EP
European Patent Office
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stator
cavity
tubular
forming
housing
Prior art date
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EP02787097A
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English (en)
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EP1404973B2 (fr
EP1404973A1 (fr
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Lionel Lemay
Jean-Pierre Chopard
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PCM
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PCM Pompes
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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
    • F04C2/1073—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 where one member is stationary while the other member rotates and orbits
    • F04C2/1075—Construction of the stationary member
    • 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
    • F04C2230/00—Manufacture
    • F04C2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F04C2230/27—Manufacture essentially without removing material by hydroforming
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49236—Fluid pump or compressor making

Definitions

  • the present invention is in the field of Moineau pump type gear pumps, also known as progressive cavity pumps, and it concerns more especially improvements made in the manufacture and structure of the stators of such pumps, these stators having a shape stator cavity helical and axial general extent inside of an elongated body.
  • the stator is usually made of molded elastomer enclosed in a rigid housing.
  • Such an arrangement is satisfactory in many applications for which the temperature of the product to be moved remains lower than 140 ° C, maximum acceptable temperature without damage by the elastomer, and for which also the product to moving is chemically compatible with the elastomer.
  • stator cavities metal can overcome the disadvantages above mentioned in various fields of industry, provided however, that the cost of such metal cavity stators is not prohibitive.
  • a structure and a method of manufacturing a Moineau pump stator in which the stator cavity is constituted by a tubular element which can be metallic.
  • this known stator is of composite type: the tubular element metal defining the stator cavity is secured to an outer casing via a material elastic (such as an elastomer) filling the gap ring between the tubular metal element and the crankcase; in addition, the tubular element is dimensioned with way that, under the action of the elastic material of filling, it applies and / or maintains a constraint on the rotor of the pump.
  • a material elastic such as an elastomer
  • a stator thus arranged restricts the domain of use of the pump, on the one hand, because of the rotor clamping by the stator (which excludes the pumps for abrasive or highly viscous products - such as oils - and, on the other hand, because of the presence of filling material such as an elastomer (which excludes pumps intended to operate in atmospheres with high temperatures - such as extraction pumps oil in deep wells -).
  • this known stator As for the process of manufacture of this known stator, it consists in arranging a metal tubular section, with a core introduced to inside it, in a crankcase; then to apply a pressure on the outside of the tubular section metal so as to deform him to make him marry the shape of the core, said pressure being able to come from a pressurized fluid introduced into the annular space between the tubular section and the housing; and finally to remove the mandrel and fill the annular space between the tubular element forming a stator cavity and the housing with an elastic material adapted for said element tubular applies and / or maintains a stress on the rotor.
  • a first disadvantage lies in the fact that the deformation process, especially hydraulically, of the initial tubular section is conducted within the stator housing which serves as a pressure chamber. he then it is necessary to oversize the housing to that it can mechanically withstand the pressures of forming, while then this oversizing becomes unnecessary when operating the pump.
  • the invention therefore aims to remedy simultaneously with the various disadvantages mentioned above and to propose improvements in manufacturing and the structure of the Moineau pump stators that are nature to satisfy the various requirements of the practice, particularly as regards the rigidity of the stator cavity, the structural simplicity of the stator and the conduct of the manufacturing process.
  • the preliminary mechanical forming makes it possible to cause significant local radial deformations despite the substantial thickness of the wall to be deformed, but without it being possible to achieve a high precision of shape; on the contrary, the process of hydroforming under very high pressure (for example of the order of 4000 x 10 5 Pa) makes it possible to achieve a precise forming on a core, but provided that the amplitude of the localized radial deformation is relatively small.
  • the step of preforming leading to roughing is done in passes successively, by successive external crushing of the metal tube between jaws opposite, the tube metal and the jaws being moved relatively in successive steps, axially and in rotation.
  • the preforming step leading to the blank is done by relatively moving the tube metal and at least two pressure rollers, said tube metal which can be rotated around of its axis while the two rollers, leaning on the tube diametrically opposed, are moved parallel to the axis of said tube.
  • a hydroforming process it can be performed by compressing the blank on a core disposed inside of it, which leads to transfer, by direct contact with the outer surface of the core and inner surface of the blank, the shape exact and precise dimensions of the core to the cavity statoric; or it can be done by dilation of the blank inside a mold, which implies a good control of the deformation of the metal and good control of its thickness so that the conformation of the external face of the tubular element to contact of the mold is reflected, on its internal face, by a exact conformation and precise dimensioning of the stator cavity.
  • stator sections For applications at high pumps pressure that require long stators, one manufactures individually at least two stator sections as exposed above and they are joined end to end, especially by screwing or welding.
  • the invention proposes a pump pump stator of the Moineau pump type, comprising a stator cavity of axial general extent inside an elongated body, characterized in that the stator cavity is defined by a rigid walled metal tubular member having internally the shape and dimensions of the stator cavity such that, after assembly of the stator with a rotor, a positive clearance with the rotor and obtained by implementation of the method and this tubular element is secured to an outer casing by means of rigid rings forming wedging spacers which are interposed between the ends of said metal tubular element forming a stator cavity and the outer casing.
  • These rings form flanges for fixing the stator to adjacent elements upstream and downstream; of more in the case of the presence of an outer casing, these rigid bushes form wedge spacers interposed between the ends of said tubular member metal forming the stator cavity and crankcase external.
  • the assembly of the rings with the tubular element metal forming a stator cavity and, when this is the case, with the outer casing can be carried out of any suitably, especially by welding and / or screwing.
  • the annular gap defined between the tubular element metal forming the stator cavity and the housing can filled with a rigid filling material, by example a thermosetting resin or a cement, clean to reinforce the vibration resistance of the means of fastening between the tubular element and the housing.
  • a rigid filling material by example a thermosetting resin or a cement
  • stator constitutes the stator with a stator cavity with a wall rigid metal which is therefore able to respond to specific requirements of diverse users while, the stator cavity no longer hollowed out in a body solid metal, there is no need to appeal, for its manufacture, to expensive means and solutions much simpler and less expensive technologies can be used for this purpose, including an example particularly effective will be indicated later.
  • stator long length high pressure pump
  • stators of Moineau pumps with metal stator cavity (for example bronze type UE9 or similar or stainless steel type 316L or similar) that meet the aspirations at least some users, such stators being able to to be manufactured in large series under conditions interesting economic
  • stator for Moineau pump designated as a whole by reference 1
  • a possible embodiment of stator for Moineau pump includes a casing or external rigid casing 2, elongated and of tubular general conformation, inside which is fixed a metallic tubular element 3 with a rigid wall which internally presents the shape and dimensions of the desired stator cavity.
  • FIG. 6 An enlarged perspective view of the element 3 is given in FIG. 6, which gives a more accurate representation of the Moineau profile, namely a helical gear with an almost elliptical cross section.
  • the element 3 is illustrated on a length limited to a pitch P helical winding; D denotes the nominal diameter of the tubular element 3, and E denotes the eccentricity.
  • the tubular element 3 forming a stator cavity is made of any suitable metal for its constitution mechanical and for the application to which the pump is destiny ; the choice of material must be such that the metal stator cavity and the metal rotor contained therein are made of materials respective metallic elements which have thermal expansion compatible so that any variation dimension of one is accompanied by a variation dimensionally similar, in amplitude and in sense, on the other hand so that a positive game approximately constant over a large range of temperatures up to 300 ° C for pumps oil extraction in deep wells (see on this point FR-A-2 756 018); likewise, for food applications, the metallic material of the stator cavity must be inert with respect to the product; it is the same for example for the pumping of products acidic or basic.
  • the tubular element 3 has a relatively thick wall, that is to say that the thickness of its wall represents a few percent (for example 6%) of its diameter nominal: the essential thing is that the thickness of this wall must be sufficient to impart excellent rigidity to the tubular element 3.
  • the tubular element 3 is secured to the housing external anyway appropriate own to obtaining a rigid assembly and indeformable axis.
  • rings of wedging 4 are interposed between the respective ends of the tubular element 3 and the housing and fixed mechanically to these, in particular by screwing or preferably by welding.
  • Such an assembly by solder is shown on the enlarged partial view of the FIG. 4, on which is schematized in 5 the bead of welding of the ring 4 on the front end of the tubular element 3 and by 6 the weld seam of the ring 4 with the end of the housing 2 in which it is partially engaged.
  • tubular element 3 thus arranged does not present not enough longitudinal stiffness, it is necessary to provide one or more support Intermediate by setting up setting ring (s) intermediate (s).
  • FIG. 2 which consists in filling the annular gap 7 between the tubular element 3 and the casing 2 with a rigid filling material 8 (for example a resin thermosetting, a cement, a cement ceramic, ...): this results in an elimination, or at least one attenuation, vibrations of this element 3.
  • a rigid filling material 8 for example a resin thermosetting, a cement, a cement ceramic,
  • the metal element tubular 3 forming the stator cavity may have, at alone, sufficient rigidity and the presence of a carter 2 becomes superfluous. As illustrated in Figure 5, the stator 1 then consists only of the element tubular 3.
  • the metallic tubular element 3 can be manufactured by any appropriate means. However, its shape general complex as well as dimensional accuracy and the quality of the surface condition required for its face which is, strictly speaking, the surface stator make the usual means too expensive and / or implementation too long to allow a industrial production in series.
  • a solution for the implementation of this step of preforming consists in carrying out a hammering of the tube initially, as shown in Figure 7A, by exercising a diametric pressure (arrows 11) on the tube 12 taken between two jaws 10 integral with a press.
  • the jaws 10 are shaped and mutually arranged (for example angularly offset from each other) of way to imprint the tube to form the hollows or "valleys" of helical windings.
  • the jaws 10 providing localized deformations, it is necessary to proceed in successive passes along the tube that is moved, step by step, simultaneously axially (arrow 13) and in rotation (arrow 14) to follow the profile of the Moineau propeller.
  • Another solution consists in deforming the tube between at least two pebbles rotary, as shown in FIG. 7B.
  • the tube 12 is rotated around of its axis (arrow 14).
  • several pebbles 21 in practice two rollers 21 diametrically opposed) are pressed towards each other so as to crush locally the tube between them: at the same time as the tube turns on itself, the two rollers 21 turn around their axes respective 22 (arrows 23) and a relative axial displacement is generated between the tube 12 and the pebble game 21.
  • the tube in rotation is not moved axially, while it's the game of rotating rollers 21 which is moved (arrows 24) parallel to the axis of the tube.
  • this implementation definitive form is performed by a process hydroforming, that is to say that one faces (inner or outer) of the blank 12 at a pressure hydraulic, which, given the rigidity of the wall metallic, must be high and uniformly in each point of the surface, so that the wall of the blank, despite its rigidity, is plated on a footprint of reference that it closely marries and whose it retains the exact shape and dimensions.
  • the blank 12 is threaded onto a core 15 having, externally, the exact conformation desired for the stator cavity.
  • the rough / core set is placed in a closed enclosure 16 (enclosure hydroforming) that is filled with a liquid. this liquid under pressure, we crush (arrows 18) the blank 12 on the nucleus 15: we thus constitute the element tubular metal 3 whose inner face is exactly shaped according to the external shape of the core 15 (hydroforming by compression on an inner core).
  • the blank 12 is introduced into a mold 19 having a cavity 20 shaped according to the exact shape to to give the tubular element 3 to form a cavity stator.
  • the ends of the blank 12 are closed hermetically and the inner volume of the draft is filled with liquid 17.
  • the hydroforming process is carried out using, as a liquid medium, water brought to a pressure of the order of 4 ⁇ 10 8 Pa for a duration of about 10 minutes.
  • the manufacturing process of element 3 compliant to the invention is able to be exploited industrially and allows industrial mass production of the element metal tubular 3 forming a stator cavity.
  • the provisions of the invention thus make it possible to envisage mass production and at acceptable costs of Moineau pumps equipped with metal cavity stator to meet the needs in at least some areas of the industry, and in particular the pumps in which positive play must be maintained between stator and rotor.

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Description

La présente invention se situe dans le domaine des pompes à engrenage du type pompe Moineau, dites aussi pompes à cavités progressives, et elle concerne plus particulièrement des perfectionnements apportés dans la fabrication et la structure des stators de telles pompes, ces stators comportant une cavité statorique de forme hélicoïdale et d'étendue générale axiale à l'intérieur d'un corps allongé.
Compte tenu de la forme très complexe de la cavité statorique de ce type de pompe, le stator est habituellement constitué en élastomère moulé enfermé dans un carter rigide. Un tel agencement donne satisfaction dans de nombreuses applications pour lesquelles la température du produit à déplacer reste inférieure à 140°C, température maximale acceptable sans endommagement par l'élastomère, et pour lesquelles aussi le produit à déplacer est chimiquement compatible avec l'élastomère.
Par contre, des stators ainsi constitués ne peuvent pas convenir notamment
  • si la température du produit à déplacer est supérieure à 140°C, ce qui est le cas par exemple dans les exploitations pétrolières où l'extraction des produits épais nécessite leur ramollissement préalable par injection de vapeur à des températures de l'ordre de 200 à 250°C,
  • si le produit à déplacer n'est pas chimiquement inerte vis à vis de l'élastomère (produits acides ou solvants par exemple),
  • dans les installations alimentaires où les pièces au contact du produit doivent être en métal inerte (par exemple acier inoxydable),
  • si des produits circulant dans la pompe successivement présentent des températures respectives très différentes (fonctionnements de très basse à très haute température avec la même hydraulique de pompe ; phase de nettoyage en place dans les installations alimentaires ; sanitation à la vapeur).
On a certes déjà tenté de fabriquer des stators métalliques afin de remédier aux inconvénients précités. Toutefois, il s'est alors agit de stators métalliques massifs dont la cavité de forme complexe a été excavée dans un bloc en métal avec mise en oeuvre de moyens d'usinage très complexes et lents. Ces fabrications se sont révélées très onéreuses de sorte que les stators métalliques massifs n'ont jamais fait l'objet d'une mise en oeuvre industrielle étendue et sont demeurés à un stade de quasi-prototypes (dans l'industrie alimentaire notamment).
Or seule la mise en oeuvre de cavités statoriques métalliques peut permettre de surmonter les inconvénients précités dans divers domaines de l'industrie, à condition toutefois que le coût de tels stators à cavité métallique ne soit pas prohibitif.
C'est en particulier le cas pour des pompes Moineau agencées conformément aux enseignements du document FR 2 756 018, pompes qui sont destinées à l'extraction pétrolière en puits profond dans une ambiance à température élevée exigeant que le rotor et le stator, tous deux métalliques, soient constitués de manière qu'un jeu positif approximativement constant soit maintenu entre eux sur une large plage de températures jusqu'à environ 300°C.
Certes, on connaít déjà, d'après le document FR-A-2 794 498, une structure et un procédé de fabrication d'un stator de pompe Moineau dans lequel la cavité statorique est constituée par un élément tubulaire qui peut être métallique. Toutefois, du point de vue structurel, ce stator connu est de type composite : l'élément tubulaire métallique définissant la cavité statorique est solidarisé à un carter extérieur par l'intermédiaire d'un matériau élastique (tel qu'un élastomère) remplissant l'intervalle annulaire entre l'élément tubulaire métallique et le carter ; au surplus l'élément tubulaire est dimensionné de manière que, sous l'action du matériau élastique de remplissage, il applique et/ou conserve une contrainte sur le rotor de la pompe.
Un stator ainsi agencé restreint le domaine d'utilisation de la pompe, d'une part, en raison du serrage du rotor par le stator (qui exclut les pompes pour produits abrasifs ou très visqueux - tels que les pétroles lourds -) et, d'autre part, en raison de la présence du matériau de remplissage tel qu'un élastomère (qui exclut les pompes destinées à fonctionner dans des ambiances à températures élevées - telles que les pompes d'extraction de pétrole en puits profonds -).
Au surplus, la présence de trois parties constitutives principales (élément tubulaire formant cavité statorique, carter, matériau de remplissage) conduit à un coût relativement élevé.
Pour ce qui est maintenant du procédé de fabrication de ce stator connu, il consiste à disposer un tronçon tubulaire métallique, avec un noyau introduit à l'intérieur de celui-ci, dans un carter ; puis à appliquer une pression sur l'extérieur du tronçon tubulaire métallique de manière à le déformer pour lui faire épouser la forme du noyau, ladite pression pouvant provenir d'un fluide sous pression introduit dans l'espace annulaire entre le tronçon tubulaire et le carter ; et enfin à retirer le mandrin et à remplir l'espace annulaire entre l'élément tubulaire formant cavité statorique et le carter avec un matériau élastique adapté pour que ledit élément tubulaire applique et/ou conserve une contrainte sur le rotor.
Un tel procédé présente ou induit plusieurs inconvénients qui, là encore, limitent le domaine d'emploi des pompes équipées des stators obtenus.
Un premier inconvénient réside dans le fait que le processus de déformation, notamment par voie hydraulique, du tronçon tubulaire initial est mené à l'intérieur du carter du stator qui sert ainsi de chambre de pression. Il est alors nécessaire de surdimensionner le carter afin qu'il puisse résister mécaniquement aux pressions de formage, alors qu'ensuite ce surdimensionnement devient inutile lors du fonctionnement de la pompe.
Inversement, si l'on souhaite éviter un surdimensionnement excessif (et ensuite inutile) du carter, il est nécessaire de limiter les pressions de formage. Ceci implique que le processus connu doit être limité à la déformation de tronçons tubulaires ayant des épaisseurs de paroi assez faibles, conduisant à des éléments tubulaires formant cavité statorique qui présentent une relative déformabilité. Cette déformabilité est exploitée dans le type de pompe visé dans le document considéré puisque le stator enserre élastiquement le rotor. Mais dans d'autres types de pompes où il est requis, entre stator et rotor, un jeu que l'on souhaite maintenir aussi constant que possible, une telle déformabilité constituerait un handicap rédhibitoire.
C'est également, en partie, pour réguler cette déformabilité de l'élément tubulaire métallique qu'il est nécessaire de prévoir l'ajout d'un matériau élastique de remplissage procurant un support continu, sur toute sa longueur, de l'élément tubulaire.
Enfin, eu égard à la forme complexe de l'élément tubulaire métallique finalement obtenu par ce processus de formage sous pression notamment hydraulique, il faut souligner que la déformation radiale du tronçon tubulaire initial n'est pas homogène et varie considérablement selon les emplacements. De ce fait, le formage de l'élément tubulaire métallique formant cavité statorique directement et en une seule passe à partir du tronçon tubulaire initialement cylindrique de révolution limite, là encore, ce processus au traitement des pièces ayant des parois d'assez faibles épaisseurs.
L'invention a donc pour but de remédier simultanément aux divers inconvénients énoncés plus haut et de proposer des perfectionnements dans la fabrication et la structure des stators de pompe Moineau qui soient de nature à donner satisfaction aux diverses exigences de la pratique, notamment pour ce qui concerne la rigidité de la cavité statorique, la simplicité structurelle du stator et la conduite du processus de fabrication.
A ces fins, selon un premier de ses aspects, l'invention propose un procédé original de fabrication d'un stator de pompe à engrenage du type pompe Moineau, comportant une cavité statorique d'étendue générale axiale à l'intérieur d'un corps allongé, consistant à fabriquer ladite cavité statorique à partir d'un tube métallique cylindrique de révolution à paroi rigide, procédé qui, étant conforme à l'invention, se caractérise en ce qu'il comprend les étapes qui suivent :
  • une étape préliminaire de formage mécanique au cours de laquelle ledit tube métallique cylindrique de révolution est déformé de manière à préformer une ébauche approchant, intérieurement, la forme et les dimensions de la cavité statorique souhaitée,
  • puis une étape de formage définitif au cours de laquelle on soumet ladite ébauche à un processus d'hydroformage, menée à l'intérieur d'une enceinte d'hydroformage, sur une forme de moulage pour obtenir un élément tubulaire métallique rigide formant cavité statorique ayant sa forme et ses dimensions intérieures exactes telles que soit défini, après assemblage du stator avec un rotor, un jeu positif avec le rotor,
  • et enfin une étape de montage de l'élément tubulaire métallique formant cavité statorique à l'intérieur d'une enveloppe externe formant carter, avec la solidarisation d'au moins les extrémités de l'élément tubulaire métallique à ladite enveloppe.
Grâce à la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, il est possible de réaliser un élément tubulaire métallique formant cavité statorique qui possède une paroi d'épaisseur relativement importante et qui, de ce fait, est parfaitement rigide et autoportant : cet élément tubulaire peut n'être solidarisé au carter que par ses extrémités, d'où une grande simplicité de montage et un moindre coût et on est assuré du maintien du jeu entre rotor et stator sur toute la longueur de la pompe.
Malgré l'épaisseur relative du tube initial (par exemple de l'ordre de 3,5 mm pour un diamètre de l'ordre de 65 mm), on est en mesure d'obtenir un élément tubulaire satisfaisant à toutes les exigences requises, malgré les insuffisances individuelles des processus mis en oeuvre : le formage mécanique préliminaire permet de provoquer des déformations radiales locales importantes malgré l'épaisseur notable de la paroi à déformer, mais sans qu'il soit possible de parvenir à une grande précision de forme ; au contraire, le processus d'hydroformage sous très haute pression (par exemple de l'ordre de 4000 x 105 Pa) permet d'aboutir à un formage précis sur noyau, mais à condition que l'amplitude de la déformation radiale localisée soit relativement réduite.
La combinaison des deux processus de déformation mécanique et d'hydroformage, menées en deux étapes successives, permet de recueillir leurs avantages individuels et d'écarter leurs inconvénients, et donc de parvenir à fabriquer, dans des conditions économiques, un stator à cavité métallique qui puisse entrer dans la constitution de pompes Moineau aptes à fonctionner dans des conditions difficiles.
Dans un mode de mise en oeuvre possible, l'étape de préformage conduisant à l'ébauche s'effectue, par passes successives, par des écrasements externes successifs du tube métallique entre des mors en vis à vis, le tube métallique et les mors étant déplacés de façon relative par pas successifs, axialement et en rotation.
Dans un autre mode de mise en oeuvre qui est préféré, l'étape de préformage conduisant à l'ébauche s'effectue en déplaçant de façon relative le tube métallique et au moins deux galets de pression, ledit tube métallique pouvant notamment être mis en rotation autour de son axe tandis que les deux galets, appuyés sur le tube de façon diamétralement opposés, sont déplacés parallèlement à l'axe dudit tube.
Quant à l'étape fondamentale terminale mettant en oeuvre un processus d'hydroformage, elle peut être effectuée par compression de l'ébauche sur un noyau disposé à l'intérieur de celle-ci, ce qui conduit à transférer, par contact direct de la surface externe du noyau et de la surface interne de l'ébauche, la forme exacte et les dimensions précises du noyau à la cavité statorique ; ou bien elle peut être effectuée par dilatation de l'ébauche à l'intérieur d'un moule, ce qui implique une bonne maítrise de la déformation du métal et un bon contrôle de son épaisseur de manière que la conformation de la face externe de l'élément tubulaire au contact du moule se traduise, sur sa face interne, par une conformation exacte et un dimensionnement précis de la cavité statorique.
Une fois fabriqué l'élément tubulaire métallique formant cavité statorique, on introduit celui-ci à l'intérieur d'une enveloppe tubulaire cylindrique, et on solidarise les extrémités de la cavité statorique tubulaire à ladite enveloppe ; puis éventuellement on remplit l'espace annulaire entre la cavité statorique et l'enveloppe avec un matériau de remplissage rigide propre à soulager les organes de fixation en présence de vibrations.
Pour des applications à des pompes à haute pression qui nécessitent des stators longs, on fabrique individuellement au moins deux tronçons de stator comme exposé plus haut et on les solidarise bout à bout, notamment par vissage ou soudure.
Selon un second de ses aspects, l'invention propose un stator de pompe à engrenage du type pompe Moineau, comportant une cavité statorique d'étendue générale axiale à l'intérieur d'un corps allongé,
caractérisé en ce que la cavité statorique est définie par un élément tubulaire métallique à paroi rigide présentant intérieurement la forme et les dimensions de la cavité statorique telles que, après assemblage du stator avec un rotor, soit défini un jeu positif avec le rotor et obtenu par mise en oeuvre du procédé et cet élément tubulaire est solidarisé à un carter extérieur à l'aide de bagues rigides formant des entretoises de calage qui sont interposées entre les extrémités dudit élément tubulaire métallique formant cavité statorique et du carter externe.
Ces bagues forment des flasques de fixation du stator aux éléments adjacents en amont et en aval ; de plus dans le cas de la présence d'un carter extérieur, ces bagues rigides forment des entretoises de calage interposées entre les extrémités dudit élément tubulaire métallique formant la cavité statorique et du carter externe. L'assemblage des bagues avec l'élément tubulaire métallique formant cavité statorique et, lorsque cela est le cas, avec le carter externe peut être effectué de toute façon appropriée, notamment par soudure et/ou vissage.
Selon les applications prévues pour la pompe, l'intervalle annulaire défini entre l'élément tubulaire métallique formant la cavité statorique et le carter peut être rempli d'un matériau de remplissage rigide, par exemple une résine thermodurcissable ou un ciment, propre à renforcer la résistance aux vibrations des moyens de solidarisation entre l'élément tubulaire et le carter.
Grâce aux dispositions de l'invention, on constitue le stator avec une cavité statorique à paroi métallique rigide qui est donc apte à répondre aux exigences spécifiques d'utilisateurs divers tandis que, la cavité statorique n'étant plus évidée dans un corps métallique massif, il n'est plus besoin de faire appel, pour sa fabrication, à des moyens onéreux et des solutions technologiques beaucoup plus simples et moins coûteuses peuvent être mises en oeuvre à cette fin, dont un exemple particulièrement efficace sera indiqué plus loin.
Dans le cas où l'on souhaite disposer d'un stator de grande longueur (pompe à haute pression), on peut constituer un tel stator par assemblage bout à bout d'au moins deux tronçons de stator individuellement constitués comme indiqué plus haut.
Grâce à l'ensemble des dispositions de l'invention, il est possible de disposer de stators de pompes Moineau à cavité statorique métallique (par exemple en bronze de type UE9 ou analogue ou en acier inoxydable du type 316L ou analogue) qui répondent aux aspirations d'au moins certains utilisateurs, de tels stators pouvant être fabriqués en grande série dans des conditions économiques intéressantes.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs.
Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
  • la figure 1 est une vue simplifiée en coupe longitudinale d'un mode de réalisation possible d'un stator constitué conformément à l'invention ;
  • la figure 2 est une vue simplifiée en coupe longitudinale d'un autre mode de réalisation du stator de la figure 1.
  • la figure 3 est une vue simplifiée en coupe longitudinale d'un stator long, pour pompe à haute pression, agencé selon l'invention ;
  • la figure 4 est une vue agrandie d'une partie du dispositif de la figure 3 ;
  • la figure 5 est une vue simplifiée en coupe longitudinale d'encore un autre mode de réalisation d'un stator constitué conformément à l'invention ;
  • la figure 6 est une vue en perspective d'un élément tubulaire métallique formant cavité statorique conforme à l'invention ;
  • les figures 7A et 7B sont des vues schématiques illustrant respectivement deux modes de mise en oeuvre de l'étape de préformage d'une ébauche tubulaire métallique conformément à l'invention ;
  • la figure 8 est une vue schématique illustrant un premier mode de mise en oeuvre de l'étape d'hydroformage de l'élément tubulaire métallique formant cavité statorique à partir de l'ébauche préformée à l'étape illustrée aux figures 7A ou 7B ; et
  • la figure 9 est une vue schématique illustrant un second mode de mise en oeuvre de l'étape d'hydroformage de l'élément tubulaire métallique formant cavité statorique à partir de l'ébauche préformée à l'étape illustrée aux figures 7A ou 7B.
En se reportant tout d'abord à la figure 1, un mode de réalisation possible de stator pour pompe Moineau, désigné dans son ensemble par la référence 1, comprend un carter ou enveloppe rigide externe 2, de forme allongée et de conformation générale tubulaire, à l'intérieur duquel est fixé un élément tubulaire métallique 3 à paroi rigide qui présente intérieurement la forme et les dimensions de la cavité statorique recherchée.
Une vue agrandie en perspective de l'élément 3 est donnée à la figure 6, qui donne une représentation plus précise du profil Moineau, à savoir un engrenage hélicoïdal à section transversale quasi-elliptique. A la figure 6, l'élément 3 est illustré sur une longueur limitée à un pas P d'enroulement hélicoïdal ; D désigne le diamètre nominal de l'élément tubulaire 3, et E désigne l'excentricité.
L'élément tubulaire 3 formant cavité statorique est constitué en tout métal approprié pour sa constitution mécanique et pour l'application à laquelle la pompe est destinée ; le choix du matériau doit être notamment tel que la cavité statorique métallique et le rotor métallique qui y est enfermé soient constitués en des matériaux métalliques respectifs qui présentent des coefficients de dilatation thermique compatibles afin que toute variation dimensionnelle de l'un soit accompagnée d'une variation dimensionnelle sensiblement identique, en amplitude et en sens, de l'autre afin que soit conservé un jeu positif approximativement constant sur une grande plage de températures pouvant aller jusqu'à 300°C pour les pompes d'extraction pétrolière en puits profond (voir sur ce point le document FR-A-2 756 018) ; de même, pour des applications alimentaires, le matériau métallique de la cavité statorique doit être inerte vis à vis du produit ; il en est de même par exemple pour le pompage de produits acides ou basiques.
On pourra, par exemple, constituer l'élément tubulaire 3 formant cavité statorique en bronze de type UE9 ou équivalent ; ou bien en acier inoxydable de type 316L ou équivalent.
Comme illustré à la figure 1 ou à la figure 6, l'élément tubulaire 3 est à paroi relativement épaisse, c'est-à-dire que l'épaisseur de sa paroi représente quelques pourcents (par exemple 6 %) de son diamètre nominal : l'essentiel est que l'épaisseur de cette paroi doit être suffisante pour conférer une excellente rigidité à l'élément tubulaire 3.
L'élément tubulaire 3 est solidarisé au carter externe de toute façon appropriée propre à l'obtention d'un ensemble rigide et d'axe indéformable. Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure 1, des bagues de calage 4 sont interposées entre les extrémités respectives de l'élément tubulaire 3 et du carter et fixées mécaniquement à ceux-ci, notamment par vissage ou préférentiellement par soudure. Un tel assemblage par soudure est montré sur la vue partielle agrandie de la figure 4, sur laquelle on a schématisé en 5 le cordon de soudure de la bague 4 sur l'extrémité frontale de l'élément tubulaire 3 et par 6 le cordon de soudure de la bague 4 avec l'extrémité du carter 2 dans laquelle elle est partiellement engagée.
Si l'élément tubulaire 3 ainsi agencé ne présente pas une rigidité longitudinale suffisante, il est nécessaire de prévoir un ou plusieurs support intermédiaire par mise en place de bague(s) de calage intermédiaire(s).
Il peut s'avérer intéressant, dans certaines applications d'utilisation des pompes équipées d'un stator conforme à l'invention, de profiter de la présence de l'intervalle libre entre carter et élément tubulaire pour y faire circuler un fluide à des fins spécifiques. Notamment on peut prévoir d'y faire circuler un fluide chaud (vapeur d'eau, eau chaude, par exemple) pour réchauffer - et donc fluidifier - un produit épais/pâteux déplacé par le rotor afin de faciliter ce déplacement (cas d'un pétrole épais pompé en puits profond par exemple). Il convient alors d'équiper le carter avec des orifices, distants axialement, d'entrée 25a et de sortie 25b pour ce fluide, comme illustré à la figure 1 en tirets.
Il peut également s'avérer nécessaire de renforcer la résistance aux vibrations des organes d'assemblage et à cet effet, on peut avoir recours à la solution illustrée à la figure 2, qui consiste à remplir l'intervalle annulaire 7 entre l'élément tubulaire 3 et le carter 2 avec un matériau rigide de remplissage 8 (par exemple une résine thermodurcissable, un ciment, une céramique de ciment, ...) : il en résulte une élimination, ou au moins une atténuation, des vibrations de cet élément 3.
Pour constituer des stators longs (la pression de refoulement d'une pompe Moineau est d'autant plus élevée que le nombre des cavités progressives est élevé, et donc que la pompe est longue), on peut assembler mécaniquement bout à bout plusieurs tronçons de stator individuellement constitués comme indiqué plus haut. A la figure 3, on a représenté à titre d'exemple un stator long formé par la solidarisation bout à bout de deux stators 1 tels que celui de la figure 1. L'assemblage mécanique des deux stators 1 peut être effectué de toute façon appropriée, notamment par vissage ou de préférence par soudure. Sur la vue agrandie de la zone d'assemblage des deux stators 1 donnée à la figure 4, on a désigné par 9 le cordon de soudure de solidarisation des deux stators bout à bout : à cet effet, les faces extrêmes des bagues 4 aboutées sont chanfreinées et le cordon de soudure 9 est déposé dans la gorge annulaire ainsi constituée.
Les dispositions qui viennent d'être exposées en regard des figures 2 et 3 peuvent avantageusement être combinées pour constituer des stators longs, par exemple tels que ceux utilisés dans les pompes d'extraction du pétrole (qui peuvent, par exemple, présenter des longueurs de l'ordre de 9 mètres).
Pour des stators courts, l'élément métallique tubulaire 3 formant la cavité statorique peut présenter, à lui seul, une rigidité suffisante et la présence d'un carter 2 devient superflue. Comme illustré à la figure 5, le stator 1 se compose alors uniquement de l'élément tubulaire 3.
Dans ce cas, pour faciliter l'assemblage dudit élément tubulaire 3 à des éléments adjacents amont et aval, il est souhaitable de prévoir la présence des bagues 4 précitées, solidarisées (soudées ou vissées notamment) aux extrémités de l'élément tubulaire 3 et à l'extérieur de celles-ci, lesdites bagues constituant alors des flasques d'assemblage.
L'élément tubulaire métallique 3 peut être fabriqué par tous moyens appropriés. Toutefois, sa forme générale complexe ainsi que la précision dimensionnelle et la qualité de l'état de surface requise pour sa face interne qui constitue, à proprement parler, la surface statorique font que les moyens habituels sont trop coûteux et/ou de mise en oeuvre trop longue pour autoriser une fabrication industrielle en série.
C'est pour surmonter cette difficulté que l'invention préconise un procédé original qui va maintenant être exposé.
On part d'un tronçon tubulaire métallique cylindrique de révolution, constitué dans le métal souhaité, à paroi rigide (par exemple dont l'épaisseur de paroi peut aller jusqu'à environ 6 % du diamètre extérieur du tube).
On met tout d'abord en oeuvre une étape préliminaire de préformage au cours de laquelle le tube métallique initial est déformé mécaniquement de manière à préformer une ébauche tubulaire ayant, intérieurement, approximativement la forme et les dimensions de la cavité statorique souhaitée. L'approximation formelle et dimensionnelle peut, par exemple, être de l'ordre de 5 %.
Une solution pour la mise en oeuvre de cette étape de préformage consiste à effectuer un martelage du tube initial, comme illustré à la figure 7A, en exerçant une pression diamétrale (flèches 11) sur le tube 12 pris entre deux mâchoires 10 solidaires d'une presse. Les mâchoires 10 sont conformées et mutuellement disposées (par exemple décalées angulairement l'une par rapport à l'autre) de manière à imprimer en creux le tube pour former les creux ou "vallées" des enroulements hélicoïdaux. Les mâchoires 10 procurant des déformations localisées, il est nécessaire de procéder par passes successives le long du tube qui est déplacé, pas par pas, simultanément axialement (flèche 13) et en rotation (flèche 14) pour suivre le profil de l'hélice Moineau.
Une autre solution, actuellement préférée, consiste à déformer le tube entre au moins deux galets rotatifs, comme illustré à la figure 7B. Comme dans la solution précédente, le tube 12 est mis en rotation autour de son axe (flèche 14). Simultanément, plusieurs galets 21 (en pratique deux galets 21 diamétralement opposés) sont pressés l'un vers l'autre de manière à écraser localement le tube entre eux : en même temps que le tube tourne sur lui-même, les deux galets 21 tournent autour de leurs axes respectifs 22 (flèches 23) et un déplacement axial relatif est généré entre le tube 12 et le jeu de galets 21. Dans l'exemple illustré à la figure 7B, le tube en rotation n'est pas déplacé axialement, tandis que c'est le jeu de galets tournants 21 qui est déplacé (flèches 24) parallèlement à l'axe du tube.
Une fois l'ébauche préparée, on procède à l'étape finale de mise en forme définitive de l'ébauche 12 pour l'obtention de l'élément tubulaire 3 formant cavité statorique. Conformément à l'invention, cette mise en forme définitive est effectuée par un processus d'hydroformage, c'est-à-dire qu'on soumet une des faces (intérieure ou extérieure) de l'ébauche 12 à une pression hydraulique, qui, compte tenu de la rigidité de la paroi métallique, doit être élevée et qui s'exerce uniformément en chaque point de la surface, afin que la paroi de l'ébauche, malgré sa rigidité, soit plaquée sur une empreinte de référence qu'elle épouse étroitement et dont elle conserve la forme et les dimensions exactes.
Selon un premier mode de mise en oeuvre illustré à la figure 8, l'ébauche 12 est enfilée sur un noyau 15 ayant, extérieurement, la conformation exacte souhaitée pour la cavité statorique. L'ensemble ébauche/noyau est placé dans une enceinte fermée 16 (enceinte d'hydroformage) qu'on remplit d'un liquide 17. En mettant ce liquide sous pression, on écrase (flèches 18) l'ébauche 12 sur le noyau 15 : on constitue ainsi l'élément tubulaire métallique 3 dont la face intérieure est conformée exactement selon la forme externe du noyau 15 (hydroformage par compression sur un noyau intérieur).
Selon un second mode de mise en oeuvre illustré à la figure 9, l'ébauche 12 est introduite dans un moule 19 ayant une cavité 20 conformée selon la forme exacte à donner à l'élément tubulaire 3 devant former cavité statorique. Les extrémités de l'ébauche 12 sont obturées hermétiquement et le volume intérieur de l'ébauche est rempli de liquide 17. En mettant ce liquide sous pression, on écrase (flèches 18) l'ébauche 12 contre la paroi de la cavité de moulage 20 : on constitue ainsi l'élément tubulaire 3 (hydroformage par dilatation contre un moule extérieur).
On notera que, dans le processus d'hydroformage par compression sur un noyau intérieur, c'est la face intérieure de l'élément tubulaire 3 (c'est-à-dire à proprement parler la face définissant la cavité statorique elle-même) qui est mise au contact du noyau et qui épouse directement et étroitement la forme de ce dernier. Par contre, dans le processus d'hydroformage par dilatation contre la paroi d'une cavité de moulage, c'est la face externe de l'élément tubulaire 3 qui est mise au contact direct et étroit de la paroi de moulage dont elle épouse la forme : la face interne de l'élément tubulaire 3 ne reproduit fidèlement cette forme que si l'épaisseur de la paroi de l'élément 3 est parfaitement contrôlée, notamment parfaitement uniforme.
Le processus d'hydroformage peut, par exemple, être mené dans les conditions qui suivent :
  • dimensions intérieures de l'élément tubulaire métallique fini :
  • D = 42,3 mm
  • D+4E = 72,8 mm
  • périmètre de la fibre moyenne de l'élément : 204,8 mm
  • rétreint lors de la déformation par hydroformage : environ 5 %
  • diamètre de la fibre moyenne du tube initial : 68,44 mm
  • diamètre intérieur du tube initial ayant une épaisseur de 3,5 mm : 65 mm.
Le processus d'hydroformage est mené en utilisant, en tant que médium liquide, de l'eau amenée à une pression de l'ordre de 4 x 108 Pa pendant une durée d'environ 10 minutes.
Une fois l'élément tubulaire 3 achevé, on finit l'assemblage du stator en solidarisant cet élément 3 au carter 2, par exemple au moyen de bagues 4 notamment soudées, et éventuellement avec remplissage de l'intervalle 7 entre l'élément 3 et le carter 2, selon les indications données plus haut en relation avec les figures 1 à 4.
Le procédé de fabrication de l'élément 3 conforme à l'invention est apte à être exploité industriellement et permet une fabrication industrielle en série de l'élément tubulaire métallique 3 formant cavité statorique. Les dispositions de l'invention permettent donc d'envisager une fabrication en série et à des coûts acceptables de pompes Moineau équipées de stator à cavité métallique propres à satisfaire les besoins dans au moins certains domaines de l'industrie, et en particulier les pompes dans lesquelles un jeu positif doit être maintenu entre stator et rotor.

Claims (12)

  1. Procédé de fabrication d'un stator (1) de pompe à engrenage du type pompe Moineau, comportant une cavité statorique d'étendue générale axiale à l'intérieur d'un corps allongé, consistant à fabriquer ladite cavité statorique à partir d'un tube métallique cylindrique de révolution à paroi rigide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui suivent :
    une étape préliminaire de formage mécanique au cours de laquelle ledit tube métallique cylindrique de révolution est déformé de manière à préformer une ébauche (12) approchant, intérieurement, la forme et les dimensions de la cavité statorique souhaitée,
    puis une étape de formage définitif au cours de laquelle on soumet ladite ébauche (12) à un processus d'hydroformage, menée à l'intérieur d'une enceinte d'hydroformage, sur une forme de moulage (15, 19) pour obtenir un élément tubulaire métallique (3) formant cavité statorique ayant sa forme et ses dimensions intérieures exactes telles que soit défini, après assemblage du stator avec un rotor, un jeu positif avec le rotor,
    et enfin une étape de montage de l'élément tubulaire métallique (3) formant cavité statorique à l'intérieur d'une enveloppe externe formant carter (2), avec la solidarisation d'au moins les extrémités de l'élément tubulaire métallique (3) à ladite enveloppe (2).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de préformage conduisant à l'ébauche (12) s'effectue par des écrasements externes (11) successifs du tube métallique entre des mors (10) en vis à vis, le tube métallique et les mors étant déplacés de façon relative par pas successifs, axialement (13) et en rotation (14).
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de préformage conduisant à l'ébauche (12) s'effectue en déplaçant de façon relative le tube métallique et au moins deux galets de pression disposés symétriquement à son contact.
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube métallique est mis en rotation autour de son axe et les galets sont déplacés parallèlement à l'axe du tube en étant appuyés à force contre le tube.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le processus d'hydroformage est effectué par compression de l'ébauche (12) sur un noyau (15) disposé à l'intérieur de celle-ci.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le processus d'hydroformage est effectué par dilatation de l'ébauche (12) disposée à l'intérieur d'un moule (19).
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on remplit l'espace annulaire (7) entre l'élément tubulaire métallique (3) et l'enveloppe externe (2) avec un matériau de remplissage (8).
  8. Procédé pour fabriquer un stator de grande longueur, caractérisé en ce qu'on fabrique individuellement au moins deux tronçons de stator (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 et en ce qu'on les solidarise (9) bout à bout.
  9. Stator (1) de pompe à engrenage du type pompe Moineau, comportant une cavité statorique d'étendue générale axiale à l'intérieur d'un corps allongé,
    caractérisé en ce que la cavité statorique est définie par un élément tubulaire métallique (3) à paroi rigide présentant intérieurement la forme et les dimensions de la cavité statorique telles que, après assemblage du stator avec un rotor, soit défini un jeu positif avec le rotor et obtenu par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 et en ce que cet élément tubulaire (3) est solidarisé à un carter extérieur (2) à l'aide de bagues rigides (4) formant des entretoises de calage qui sont interposées entre les extrémités dudit élément tubulaire métallique (3) formant cavité statorique et du carter externe (2).
  10. Stator selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'intervalle annulaire (7) défini entre l'élément tubulaire métallique (3) formant la cavité statorique et le carter (2) est rempli d'un matériau de remplissage (8) propre à renforcer la résistance aux vibrations des moyens de solidarisation entre l'élément tubulaire et le carter.
  11. Stator selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il est formé d'au moins deux tronçons statoriques (1) individuellement constitués selon la revendication 7 ou 8 et solidarisés bout à bout (9).
  12. Stator selon la revendication 9, caractérisé en ce que le carter est pourvu d'orifices d'entrée (25a) et de sortie (25b) distants axialement pour l'admission et la circulation d'un fluide dans l'intervalle entre le carter (2) et l'élément tubulaire métallique (3).
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