EP2855938A1 - Pompe a cavites progressives - Google Patents

Pompe a cavites progressives

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EP2855938A1
EP2855938A1 EP13730291.5A EP13730291A EP2855938A1 EP 2855938 A1 EP2855938 A1 EP 2855938A1 EP 13730291 A EP13730291 A EP 13730291A EP 2855938 A1 EP2855938 A1 EP 2855938A1
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EP
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helical
stator
rotor
compensator
compensators
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    • 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
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    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/0021—Systems for the equilibration of forces acting on the pump
    • F04C29/0028—Internal leakage control
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    • F04C2240/10—Stators
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    • 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
    • F05C2251/02—Elasticity

Definitions

  • the present invention relates to a progressive cavity type volumetric pump architecture that significantly increases the reliability and performance of the pump in production.
  • the progressive cavity pump - hereinafter also referred to by the abbreviation PCP - was invented by René Moineau in 1930 and the operation of the industrial PCP currently used corresponds to the basic principles.
  • PCP according to the invention is presented as well as its operation and its capacity to improve the reliability and the performances in production.
  • the architecture of the traditional PCP comprises a helical metal rotor inside a helical stator, elastic (elastomer) or rigid (metal, composite materials).
  • FIG. 2A is an elongated section of a traditional PCP 1, with elastic helical stator, according to the state of the art.
  • Figure 2B is an enlarged view of Box B shown in Figure 2A.
  • the traditional PCP 1 with elastic stator consists of a helical metal rotor 2 rotating inside a helical stator 3, generally in elastomer, contained in a casing 5.
  • the geometry of the CFP leads to a set of
  • PCP is a volumetric pump capable of transporting various products: more or less viscous liquids, multiphase mixtures (liquid, gas, solid particles).
  • the stator 3 made of elastomer, has a radial thickness H1 at its concave parts and a radial thickness H2 at its convex portions.
  • the stator 3 with an outside diameter of 7 cm has the thicknesses H 1 of 2.5 cm and H 2 of 1.5 cm.
  • the rotor 2 in helical rotation exerts a strong compression on the elastomer of the stator 3. Taking into account the risks of damage on the stator 3, the reliability of the PCP is the major problem of the industrial application of these pumps.
  • stator elastomer 3 subjected to complex thermal, chemical and mechanical processes (pressure and dynamic forces), expands and thus increases the forces exerted by the rotor 2 on the stator 3.
  • the operation of the traditional PCP 1 comprises a tight contact, by interference between the rotor 2 and the elastomeric stator 3, which has two functions:
  • the rotor 2 exerts a compressive force P1 on the stator 3, which deforms by a height h1, generally called interference, over a length of the interference of L1.
  • the length L1 is about 4 cm.
  • the interference hl between the rotor 2 and the stator 3 ensures a quasi-sealing of the cavities 4, thus limiting leaks.
  • an initial interference hl is adopted between the rotor 2 and the stator 3; c 'is the result of a compromise between acceptable forces and relative sealing limiting leakage.
  • an initial interference hl of 0.5 mm is adopted.
  • stator 3 undergoes changes resulting in increased thickness Hl and 112 of the stator 3 and the interference hl between the rotor 2 and the stator 3.
  • thermodynamic processes cause the expansion of the stator 3.
  • the compression of the gas in the PCP causes the rise of the temperature, in particular in the part close to the discharge of the pump (high pressures),
  • the large thickness H1 of the stator 3 limits the outward evacuation of heat, which further contributes to the expansion of the stator 3.
  • stator elastomer 3 • The chemical reaction of the stator elastomer 3 with the pumped fluids (liquids and gases) often causes the stator 3 to swell.
  • interference hl is the critical parameter in the balance between the seal and the contact forces between the rotor 2 and the stator 3.
  • V the rotation speed of the rotor 2 (revolutions / minute).
  • the functions f (V) denote the influence of the rotational speed V of the rotor 2 on the compression forces P1 and shear Q1. and interference hl between the rotor 2 and the stator 3.
  • the analytical formulation demonstrates the correlation between the interference h1 and the compression forces P1 and shear Q1; for ease of interpretation, the other parameters are grouped together.
  • These contact surfaces S I are surfaces of the internal face of the elastomer of the stator 3 positioned facing a convex part of the rotor 2.
  • the traditional PCPs 1 must have an initial interference hl of the order of 0.5 mm to ensure the sealing of the cavities 4.
  • the stator undergoes the increase of the thicknesses H1 and H2 of the order 5 - 10%, and according to the characteristics of the elastomer, the interference increases of the order of 1 mm which means that it is multiplied by 2. Under these conditions the pressure forces P1 and the shear forces Q1 are multiplied by 2 as well.
  • the vibrations of the rotor 2 depend on the natural frequency of the rotor 2 and the rotational speed of the pump and they can be very important, especially at the resonance between the rotor 2 and the speed (frequency) of rotation.
  • the amplitude of the vibrations of the rotor 2, perpendicular to the X-X axis, causes the increase of the interference h1, and consequently the compression forces P1 and shear Q1 exerted on the stator 3 also increase.
  • the operating mode of the traditional PCP 1 concentrates the forces at the contact rotor 2 - stator 3, and often leads to the degradation of the stator 3.
  • the oil operator is obliged to remove the damaged pump from the well and replace it; it is a long operation, during which the well no longer produces, whose economic consequences are important.
  • the PCP 24 comprising a rigid helical stator (metal, composite materials) is shown in elongate section in FIG. 6.
  • This pump comprises a helical rotor 7 rotating inside the rigid helical stator 25; between the rotor 7 and the stator 25 there is a clearance 26.
  • the stator 25 made of a rigid material (metal, composite material) is mounted inside the housing 19; then, the helical rotor 7 is introduced into the rigid stator 25 with a clearance 26.
  • the architecture of this PCP is similar to that of the traditional PCP; the difference is that there is clearance 26 between the rotor 7 and the rigid stator.
  • This PCP 24 is used in particular for pumping viscous liquids (heavy oils); thus, the rotor 7 conveys the viscous liquid and a liquid film is formed in the clearance 26 between the rotor 7 and the rigid stator 25. Depending on the method of manufacture, this clearance is less than 1 mm.
  • the forces due to the vibrations and shocks are multiplied 6-8; the rotor 7 and the stator 25 can not withstand these forces for a long time.
  • the object of the present invention is to provide a more reliable PCP, having a longer operating time, so as to reduce production costs.
  • the present invention aims at a novel pump architecture with progressive cavities (PCP) to significantly increase the reliability and performance of the pump.
  • the present invention provides a progressive cavity pump comprising:
  • casing of cylindrical shape with a longitudinal axis; said casing being provided at one end with an inlet opening and at its opposite end with an outlet opening,
  • a helical stator contained inside said casing; said helical stator comprising a helical cylinder having a central axis coincident with the longitudinal axis of said housing;
  • a helical rotor capable of rotating inside said helical cylinder to move a fluid from the inlet opening to the outlet opening
  • said helical stator further comprises at least one compensator arranged in said housing, between the housing and said helical cylinder; said helical cylinder and said compensator being adapted to deform in a direction perpendicular to said longitudinal axis.
  • said compensators are deformable open or closed profiles whose shape, dimensions and materials used provide the elasticity necessary to compensate for the deformations of said helical stator.
  • said helical stator comprises an elastic layer fixed on an inner face of said helical cylinder.
  • said elastic layer has a thickness of between 0.5 centimeters and 2 centimeters, in particular from 0.5 to 1.5 centimeters.
  • said helical rotor is adapted to rotate at a rotation frequency, and in that said at least one compensator is able to decouple the eigenfrequencies of the helical rotor and helical stator assembly from the rotational frequency of the helical rotor.
  • said at least one compensator is defined by a coefficient of stiffness (Ko) which satisfies the following relation:
  • W is the rotation frequency of the helical rotor
  • M is the total mass of the helical rotor and the helical stator.
  • said at least one compensator is a closed profile.
  • At least said compensator has a section of elliptical shape.
  • said at least one compensator is an open profile.
  • said at least one compensator is arranged on a concave portion of said helical cylinder.
  • said at least one compensator is arranged on a convex portion of said helical cylinder.
  • said helical stator comprises a plurality of compensators uniformly distributed all along the casing.
  • said helical stator comprises a single helically shaped compensator arranged around said helical cylinder.
  • said compensators are made of a metal or a composite material.
  • the invention also relates to the application of a pump as mentioned above to pumping fluids, said fluids being liquid, viscous liquids or gases, and pumping multiphase mixtures consisting of liquids and gases with solid particles.
  • FIG. 1A is an axial section of the PCP pump 6 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is an enlarged view of the box B illustrated in FIG. 1 A.
  • FIG. 2A is an axial section of a pump having a conventional PCP 1 elastomer stator, known in the state of the art.
  • FIG. 2B is an enlarged view of the box B illustrated in FIG. 2A.
  • FIG. 2C is an axial section of a portion of the pump illustrated in FIG.
  • FIG. 2D is an enlarged view of the box D illustrated in FIG. 2C.
  • FIG. 3A is a view similar to the view illustrated in FIG. 2D for a PCP 6 (illustrated in FIGS. 1A and 1B) having an initial interference h3, between the rotor 7 and the elastic layer 9, before the production is put into production of the pump, and a diagram showing a spring system equivalent to said 9-compensator elastic layer assembly 1 January.
  • FIG. 3B is a view identical to the view illustrated in FIG. 3A after the production of the pump causing the interference h'3> h3 to increase, as well as a diagram representing a spring system equivalent to said elastic layer 9 - compensator assembly 11.
  • FIG. 4 is an axial section of a part of a CFP according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is an axial section of a portion of a PCP according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is an axial section of a part of a PCP comprising a rigid stator (metal, composite materials), known in the state of the art.
  • FIG. 7 is an axial section of a portion of a PCP according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 8 is a graph showing on the abscissa the ratio between the rotation frequency W of the helical rotor 7 and the vibration frequency WS of the helical rotor assembly 7 and. helical stator 8, and on the ordinate, the amplitude of the vibrations X: in a direction perpendicular to the central axis Y-Y of the helical stator 8.
  • the PCP pump 6, according to a first embodiment of the present invention illustrated in Figures 1A and 1B, comprises a casing 19 of cylindrical shape of longitudinal axis XX, a helical stator 8 contained in the housing 19 and a rotor helical 7 adapted to rotate in the helical stator 8.
  • the casing 19 is provided at one of its ends with an inlet opening 14 and at its opposite end with an outlet opening 15.
  • the helical rotor 7 is able to rotate within the stator coil 8 at a predetermined speed below after called rotational frequency, to move a fluid from the inlet opening 14 towards the outlet opening 15.
  • the coil stator 8 comprises an elastic layer 9 of small thickness, generally made of elastomer, a helical cylinder 10 having a central axis YY coincides with the longitudinal axis XX of the housing 19, and compensators 1 1 Own to deform to compensate for radial dimensional variations of the helical cylinder 10.
  • the helical cylinder 10 is generally made of metal or composite materials. It is suitable for transmitting the forces exerted by the rotor 7 on the elastic layer 9, towards the compensators 11.
  • the helical roll 10 has a face 17 facing the housing 19, hereinafter referred to as the outer face 17 and a face 16 facing the rotor 7, hereinafter referred to as the internal face 16.
  • the helical roll 10 comprises successively a diameter tightening followed by a widening of diameter forming on the outer face 17 and on the inner face 16 of the helical roll 10 a succession of concave portions 12 alternating with convex portions 13.
  • the elastic layer 9 has a constant thickness of between 0.5 centimeters and 2 centimeters, and preferably between 0.5 centimeters and 1.5 centimeters.
  • the elastic layer 9 is fixed on the inner face 16 of the helical cylinder 10.
  • the attachment can be by adhesion, gluing or scion a hot manufacturing method and / or mechanical fastening devices.
  • Compensators January 1 are deformable profiles, elastic. Compensators January 1 are adapted to deform in a direction perpendicular to said longitudinal axis (XX), on the one hand compensate for the expansion of the elastic layer 9 and on the other hand reduce vibration exerted by the helical rotor 7 of the layer elastic 9, when the helical rotor 7 rotates in the helical stator 8.
  • the dimension of the compensators January 1 is reduced in a direction perpendicular to said longitudinal axis (XX) to compensate for the expansion of the elastic layer 9, the helical cylinder 10 and the helical rotor 7 during the entire period during which the pump is subjected to thermal, chemical and pressure conditions, which cause this expansion.
  • the compensators 11 When the compensators 11 reduce the vibrations exerted by the helical rotor 7 on the elastic layer 9, the dimension of the compensators 11 will successively be reduced and widen in a direction perpendicular to said longitudinal axis (XX) at a frequency equal to the frequency of rotation of the helical rotor 7 to compensate for rotor vibration 7.
  • the compensators January 1 are closed profiles, elastic.
  • the compensators 11 have the shape of an aluminum shell filled with air.
  • the compensators 11 are constituted by an aluminum shell containing rubber.
  • the compensators 11 are shells made of composite materials.
  • the compensators 1 1 are arranged in the housing 19 between the helical cylinder
  • the compensators 1 1 are fixed against the inner wall of the housing 19 and against the concave portions 12 of the helical cylinder 10.
  • ring-shaped compensators 18 surrounding the helical cylinder 10 are also fixed between each end of the helical cylinder 10 and each end of the casing 19.
  • the compensators 11, 18 are fixed to the casing 19 and the helical cylinder 10, for example by fixing devices or by welding.
  • the dimensioning, the shape, the geometry and the thickness of the compensators 1 1 as well as the constituent materials of the compensators 11 are chosen so as to: - compensate for the expansions of the elastic layer 9 (elastomer), the rotor 7 and the helical cylinder 10
  • a compensator January 1 having an elliptical section whose axes measure 1.2 cm and 4 cm, manufactured in a 2 mm thick aluminum plate, provide a reduction of 70% of the forces exerted by the rotor 7 on the elastic layer 9.
  • Such a compensator January 1 having an elliptical section may be used in a housing 19 having an internal diameter of 7 cm (mentioned above).
  • the thickness of the elastic layer 9 elastomer may for example measure 1.5 cm and the helical cylinder 10 may be made in a metal plate having a thickness of about 2 mm.
  • compensators January 1 arranged in accordance with the invention ensure the ability of the pump to cope with the thermodynamic - chemical - dynamic operating conditions of the pump and thereby improve the reliability and performance of the PCP 6.
  • the PCP 6 according to the invention illustrated in FIGS. 2C and 2D is compared with the traditional PCP 1 illustrated in FIGS. 2A and 2B.
  • the elastomer stator 3 of the PCP traditional one is subject to thermodynamic processes - chemical - dynamics that cause swelling of the thick Hl, and increasing the interference hl.
  • the PCP 6 according to the present invention comprises:
  • This helical cylinder 10 transmits the forces exerted on the elastic layer 9 towards the compensators 11.
  • the compensators 11 are able to compensate for the deformation of the elastic layer 9 and thus to reduce the interference h3 and the compressive forces P2 and shear Q2.
  • the compensators 11 transmit the forces to the housing 19.
  • the compensators 11 contribute to the reduction of the dynamic forces generated by the vibrations of the rotor 7 on the elastic layer 9.
  • the vibratory properties of the compensators 11 depend on their shape, their size and the materials used.
  • the eigenfrequencies of the rotor 7 - helical stator 8 are controlled, and the resonance and the instability of the response are thus avoided. dynamic.
  • the compensators 1 1 reduce the vibratory components of the compression forces P2 and shear
  • the compensators 11 are capable of decoupling the eigenfrequencies of the helical rotor 7 and helical stator 8 from the rotational frequency of the helical rotor 7.
  • the rotor 2 of the traditional PCP 1 has instabilities when it rotates at 300 revolutions / minute.
  • the oil operator is obliged to reduce the rotational speed of the rotor 2 to 150 / minute, which reduces production.
  • the PCP 6 stabilizes the vibratory response of the rotor 7 which reinforces its capacity to produce at 300 rpm, thus ensuring economic conditions of production.
  • the operation of the PCP according to the present invention reduces the compression P2 and shear forces Q2, and thereby improves the reliability of the PCP 6.
  • the elastic layer 9 of the PCP 6 has a thickness H3 and an interference h3 with the helical rotor 7.
  • the mechanical equivalent system of the elastic layer assembly 9 - compensators 1 1 is constituted by two springs having different stiffnesses. Ks is the equivalent stiffness of the elastic layer 9 and Ko is the stiffness of the compensator 1 1.
  • the thermal-chemical-dynamic process causes the swelling of the elastic layer 9, the thickness of which becomes H '3> H 3, which leads to an increase in the interference h' 3> h 3 .
  • the compensators 11 are dimensioned to compensate for the swelling of the elastic layer 9 and to reduce the forces exerted on the elastic layer 9.
  • Their dimensioning is chosen so as to maintain the initial interference, that is to say say h'3 ⁇ h3.
  • this interference h '3 is kept quasi constant, the contact forces of the helical rotor 7 - elastic layer 9 are maintained at the required level. To do this, it is necessary to characterize the elasticity of the elastic layer assembly 9 - helical roll 10 - compensators 11.
  • r is the characteristic radius of the compensator 1 1.
  • the characteristic radius r is the average rays of the ellipse.
  • thermodynamic - chemical - dynamic process causes the swelling of the elastic layer 9, which causes an interference change of Ah:
  • the compensators 11 according to the invention are preferably chosen so that the swelling of the elastic layer 9 is compensated by the compression ⁇ of each compensator 1 1:
  • the compensators 11 compensate the deformations of the elastic layer 9 and the forces exerted on the elastomer of the elastic layer 9 remain at the initial level.
  • controlling the stiffness Ko compensators 1 1 facilitates the control of the dynamic response (including eigenfrequencies), and thus avoids the resonance with the vibration of the rotor 7.
  • the compensators 11 have, according to the present invention, a coefficient of stiffness Ko satisfying the following relation:
  • W is the rotation frequency of the helical rotor 7
  • M is the total mass of the helical rotor 7 and the helical stator 8.
  • the choice of the stiffness Ko compensators 1 1 ensures at the same time, the control of compressive forces and shear and vibration control.
  • the optimization of the compensators January 1 maintains the forces exerted by the helical rotor 7 on the elastic layer 9 within the required reliability limit.
  • the traditional PCP 1 with elastomer stator 3 concentrates at the level of the SI contact surface between the rotor 2 and the stator 3, the two functions: the relative sealing and the high contact forces (compression forces PI and shear forces Ql).
  • PCP 6 according to the present invention dissociates the two functions:
  • the operation of the PCP 6 according to the present invention leads to the reduction of the forces on the elastic layer 9 and to the improvement of the reliability of the pump.
  • Figure 4 shows an axial section of the PCP 20 according to a second embodiment of the invention.
  • the elements that are identical or similar to the first embodiment of the invention (FIGS. 1A and 1B) have been shown in FIG. 4 with the same references and will not be described a second time.
  • the compensators 21 are open elastic profiles (made of metal or of composite material), each placed between a concave portion 12 of the helical cylinder 10 and the casing 19.
  • the open compensators 21 are able to compensate for the deformations of the elastic layer 9 and to transmit the forces to the housing 19.
  • the compensators 21 are inverted U-shaped aluminum profiles, 1.2 cm high and 3 cm wide, whose thickness is of the order of 2mm.
  • said compensator 21 has a hollow pin shape having a top and an enlarged base; said vertex being arranged against said helical roll 10; said enlarged base being fixed against the inner face of said housing 19.
  • PCP 22 according to the third embodiment of the invention is illustrated in FIG.
  • FIG. 4 The elements that are identical or similar to the first embodiment of the invention (FIGS. 1A and 1B) have been shown in FIG. 4 with the same references and will not be described a second time.
  • this PCP 22 comprises a helical rotor 7 rotating inside the helical stator 8, the elements of which are:
  • the elastic layer 9 is fixed on the helical roll 10,
  • the compensators 23 are closed elastic shells quasi elliptical profile made of metal or composite material. They are arranged between the convex portion 13 of the helical cylinder 10 and the casing 19.
  • the compensators 23 according to this embodiment of the invention are similar to the compensators 1 1 according to the first embodiment of the invention but has a dimension according to an axis perpendicular to the longitudinal axis (XX) of the housing 19 less than the dimension along the same axis of the compensators 11 according to the first embodiment of the invention. They are therefore flatter than the compensators 11.
  • the compensators 23 are able to compensate for the deformations of the elastic layer 9 and to transmit the forces to the casing 19.
  • the compensators 23 are elliptical profiles aluminum plates, whose axes are 2 cm and 1 cm and the thickness is of the order of 1 - 2 mm.
  • PCP 27 according to the fourth embodiment of the invention is illustrated in FIG. 7.
  • FIG. 7 The elements that are identical or similar to the first embodiment of the invention (FIGS. 1A and 1B) have been represented in FIG. 7 with the same references and will not be described a second time.
  • the helical stator 28 comprises a rigid helical cylinder 29 and compensators 11 placed between the rigid helical cylinder 29 and the casing 19.
  • the helical cylinder 29 is not covered with an elastic layer such as in the other embodiments of the invention.
  • the helical cylinder 29 is made of a metallic material or a composite material.
  • the compensators January 1 provide the necessary elasticity to the dynamic contact between the helical rotor 7 and the helical stator 28.
  • the sizing of the compensators 1 1 according to the relation (12) mentioned above, leads to a stiffness Ko capable of adapting the dynamic properties (especially the natural frequencies) of the helical system 7 - helical stator 28 in order to avoid shocks, resonance and dynamic instability.
  • the arrangement of the compensators 11 in the helical stator 28 of the PCP 27 illustrated in FIG. 7 significantly modifies the eigenfrequencies of the helical stator 28 and distances the coupling with the rotational frequency of the helical rotor 7. Under these conditions, the vibration forces are reduced. They are divided by 6 - 8 compared to the previous case.
  • the vibratory response of the PCP 27 comprising compensators January 1, remains within the limits required for optimum operation of the pump.
  • the compensators 11 provide the necessary elasticity to the dynamic contact (vibrations) between the helical rotor 7 and the helical stator 28, and transmit the forces to the casing 19.
  • the compensators 11 are aluminum elliptical profiles of diameters 5 and 1.5 cm, the thickness of which is of the order of 2 mm.
  • the helical stator 8, 28 comprises a plurality of compensators 11, 18, 21, 23 regularly distributed all along the housing 19.
  • the helical stator 8 comprises a single helically shaped compensator arranged around said helical cylinder 10.
  • the compensators are constituted by bellows or springs.
  • thermodynamic - chemical - dynamic process causes the increase of the stator volume, which results in excessive forces capable of damaging the stator.
  • the present invention proposes the architecture of a pump comprising a helical stator, making it possible to separate the two functions:
  • the rotor contact - elastic layer ensures a relative tightness between the cavities
  • the present invention makes it possible to reduce the dynamic forces (vibrations, shocks) exerted by the rotor on the elastic layer (elastomer) or on the rigid helical cylinder (metal, composite materials).
  • the PCP of the present invention comprises compensators capable of ensuring the decoupling of the vibrations of the rotor relative to the elastic elements (elastomer) or rigid (metal, composite materials) of the stator, to improve the dynamic reliability and performance PCP.
  • the PCP 6 comprising a helical stator according to the present invention, has an operating time 2 times greater than that of the traditional PCP 1; it is a significant technical and economic advantage. References.
  • the patent EP0220318 A1 describes a progressive cavity engine for oil drilling. Drilling mud is the driving fluid. To do this, after the motor is installed the drilling tool that transmits to the motor strong longitudinal vibrations capable of damaging the elastomer stator. These strong longitudinal vibrations are due to the penetration forces of the drilling tool into the rock.
  • this patent provides for a system "energy absorber” (Energieabsorber 10, Figure 1 of the patent). Similar to a hydraulic bearing, the “energy absorber” dissipates energy from longitudinal vibrations through a hydraulic labyrinth. In fact, the viscous friction of the flow liquid in the hydraulic labyrinth damps the longitudinal vibrations by dissipating the energy; it is an absorber that dissipates the energy by hydraulic friction (figures 3,4,5 of the patent).
  • the chemical composition of the drilling mud does not produce swelling of the stator elastomer. Therefore, the problem of swelling of the stator of the petroleum pumping PCP does not arise in the case of the drill motor.
  • liquid of the energy absorber (hydraulic labyrinth) is incompressible; this device can not compensate for the transverse swelling of the elastic stator or the transverse vibrations.
  • the PCP object of the present invention comprises compensators ( Figures 1A and 1B) capable of compensating, by their elasticity, the transverse deformations of the stator.
  • the stator swellings are due to the operating conditions of the pump in the oil well in production: aggressive liquids and gases, high temperatures and pressures.
  • Compensators are elastic elements, made of metal or composite materials, deforming to compensate for variations in stator volume (swelling of the elastic layer) and transverse vibrations of the rotor.
  • hydraulic labyrinth hydraulic energy absorber
  • US Patent 2006/0153724 A1 describes a progressive cavity drilling motor comprising a stator consisting of two layers of elastomer, whose mechanical properties are different.
  • thermodynamic - chemical - dynamic effect generates deformations of the stator elastomer (swellings).
  • Oil drilling is quite different; the Liquid drilling motor is made up of the drilling mud under pressure injected from the surface.
  • the patent describes a stator comprising two layers of elastomer. Under these conditions, the thermodynamic - chemical - dynamic effect of petroleum pumping results in differential deformations of the elastomer stator.
  • FIG. 8 is a graph showing on the abscissa the ratio between the rotation frequency W of the helical rotor 7 and the vibration frequency W 3 of the helical rotor 7 and helical stator 8, and in ordinate, the amplitude of the X3 ⁇ 4 vibrations according to a perpendicular to the central axis YY of the helical stator 8.
  • the helical rotor 7 When the helical rotor 7 is rotated, it causes the helical cylinder 10 to vibrate in a plane passing through the central axis YY, the movement being the combination of a straight trajectory with a rotation ..
  • the graph of FIG. 8 obtained analytically from a pump according to the invention makes it possible to observe that when the ratio between the rotation frequency W of the helical rotor 7 and the vibration frequency W 3 of the helical rotor assembly 7 and helical stator 8 is greater than 3, the rotation frequency of the helical rotor 7 is decoupled from that of the helical roll 10.
  • the ratio of the rotation frequency VV of the helical rotor 7 and the vibration frequency W 3 of the helical rotor assembly 7 and the helical stator 8 is greater than 3.
  • the stiffness Ko of a compensator is equal to the sum M of the total mass of the helical rotor assembly 7 and helical stator 8, multiplied by the square of the vibration frequency W3 of the assembly helical rotor 7 and helical stator 8.
  • W is the rotation frequency of the helical rotor 7
  • M is the total mass of the helical rotor 7 and the helical stator 8.
  • the choice of the stiffness Ko of the compensators 11 makes it possible to decouple the eigenfrequencies of the helical rotor assembly 7 and the helical stator 8 from the rotation frequency of the helical rotor 7.
  • the helical cylinder 10 is rigid in all the described embodiments.
  • Said defotmable compensators are elastic structures made of metallic materials or composite materials, whose mechanical properties (elasticity, hysteresis) and high resistance to cyclic fatigue forces (Wohler curve) ensure a good reliability of the pump.
  • the distribution of said deformable compensators along the pump may be: continuous or discontinuous, uniform or non-uniform, constant or variable density, constant or variable stiffness. Indeed, during vibration, the helical rotor-helical stator assembly deforms along the pump; for example, the arrow is bigger towards the ends. To compensate for the deformations of ends, we adapt the distribution of the compensators; for example, greater density towards the ends of the pump.
  • FIG. 8 shows the vibratory behavior of PCP with compensators 11; the vibrations X 3 of the rotor-stator assembly have the frequency W 3 and the rotation of the rotor is carried out at the frequency W.
  • the deformable compensators 1 1 provide several functions:
  • the stiffness Ko is the criterion for dimensioning the deformable compensators 1 1.
  • Ko stiffness determines dimensions, shape (geometry) and materials (elasticity and resistance to cyclic forces).
  • the compensators 11 provide a strong reduction of vibration forces on the rotor-stator assembly and significantly improves the reliability of the pump.
  • the materials of the compensators are metal (steel, aluminum) and composite materials.
  • Compensators are elastic structures, which deform to compensate for the movements (vibrations) of the rotor-stator assembly.
  • the mechanical properties of the required materials are: elasticity (linear and hysteresis) and the ability to withstand a large number of cyclic fatigue forces (Wohler curve).
  • Metal materials (steel, aluminum) have these properties.
  • composite materials there is a great variety of structures of great resistance and with a good behavior with cyclic stresses (Wohler curve).

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Abstract

L'invention concerne une pompe à cavités progressives (6) comportant un carter (19), un stator hélicoïdal (8) comprenant un cylindre hélicoïdal (10) et un rotor hélicoïdal (7) propre à tourner à l' intérieur dudit cylindre hélicoïdal (10). Le stator hélicoïdal (8) comporte en outre au moins un compensateur (11) agencé dans ledit carter ( 19), entre le carter (19) et ledit cylindre hélicoïdal (10); ledit cylindre hélicoïdal (10) et ledit compensateur (11) étant propres à se déformer selon une direction perpendiculaire à l' axe longitudinal (X-X) du carter.

Description

POMPE A CAVITES PROGRESSIVES
La présente invention porte sur une architecture de pompe volumétrique de type à cavités progressives permettant l'augmentation significative de la fiabilité et des performances de la pompe en production.
La pompe à cavités progressives - désignée également ci-après par l'abréviation PCP - a été inventée par René Moineau en 1930 et le fonctionnement des PCP industrielles utilisées actuellement correspond aux principes de base.
Afin de décrire l'architecture de la PCP selon la présente invention, on commence par montrer le fonctionnement de la PCP traditionnelle en soulignant les processus qui conditionnent la fiabilité et les performances de cette pompe.
Ensuite, on présente la PCP selon l'invention ainsi que son fonctionnement et sa capacité d'améliorer la fiabilité et les performances en production.
L'architecture de la PCP traditionnelle comporte un rotor métallique hélicoïdal à l'intérieur d'un stator hélicoïdal, élastique (en élastomère) ou rigide (métallique, en matériaux composites).
La figure 2A est une section longiligne d'une PCP 1 traditionnelle, avec stator hélicoïdal élastique, selon l'état de la technique. La figure 2B est une vue agrandie de l'encadré B illustré sur la figure 2A.
Comme visible sur les figures 2A et 2B, la PCP traditionnelle 1 avec stator élastique est constituée d'un rotor métallique hélicoïdal 2 tournant à l'intérieur d'un stator hélicoïdal 3, généralement en élastomère, contenu dans un carter 5. La géométrie de la PCP conduit à un ensemble de
cavités isolées 4 de volume constant, définies entre le rotor 2 et le stator 3, que le rotor 2 déplace de l'aspiration ou entrée (basse pression) vers le refoulement ou sortie (haute pression).
En ce sens la PCP est une pompe volumétrique, capable d'assurer le transport des divers produits : liquides plus ou moins visqueux, mélanges polyphasiques (liquide, gaz, particules solides).
Le stator 3, en élastomère, présente une épaisseur radiale Hl au niveau de ses parties concaves et une épaisseur radiale H2 au niveau de ses parties convexes. Par exemple, le stator 3 de diamètre extérieur de 7 cm comporte les épaisseurs Hl de 2,5 cm et H2 de 1,5 cm.
Pour s'assurer que la PCP 1 comprime les fluides (liquides et gaz) avec une quasi-étanchéité entre les cavités 4, le rotor 2 en rotation hélicoïdale exerce une forte compression sur l'élastomère du stator 3. Compte tenu des risques de dommage sur le stator 3, la fiabilité des PCP est le problème majeur de l'application industrielle de ces pompes.
Par exemple, l'industrie pétrolière utilise les PCP dans les puits profonds, pour pomper les mélanges d'huile, d'eau et de gaz, chargés de particules solides. Dans les conditions de pompage au fond du puits, l'élastomère du stator 3 soumis aux processus thermiques, chimiques et mécaniques complexes (pression et forces dynamiques), se dilate et augmente ainsi les forces exercées par le rotor 2 sur le stator 3.
En conséquence, la durée de fonctionnement en production des PCP traditionnelles se réduit considérablement.
A l'aide du schéma des figures 2 A et 2B on peut décrire le comportement du stator 3 de la PCP traditionnelle, soumis aux forces exercés par le rotor 2 en mouvement hélicoïdal.
Le fonctionnement de la PCP 1 traditionnelle comporte un contact serré, par interférence entre le rotor 2 et le stator 3 en élastomcre, qui cumule deux fonctions :
- la relative étanchéité nécessaire au pompage des cavités 4, de l'aspiration (basse pression) au refoulement (haute pression)
- la concentration et la transmission des forces à travers le stator 3 vers le carter 5.
Ainsi, afin de limiter les fuites entre les cavités 4, le rotor 2 exerce une force de compression PI sur le stator 3, qui se déforme d'une hauteur hl, généralement appelée interférence, sur une longueur de l'interférence de Ll. Dans le cas mentionné précédemment, la longueur Ll est d'environ 4 cm.
Par conséquent, l'interférence hl entre le rotor 2 et le stator 3 assure une quasi- étanchéité des cavités 4, limitant ainsi les fuites.
En même temps, le mouvement hélicoïdal du rotor 2 engendre une force de cisaillement Ql sur le stator 3. Plus l'interférence hl est grande, plus les forces de compression PI et les forces de cisaillement Ql sont importantes, et le risque de dommage sur le stator 3 est grand. En pratique, on adopte une interférence initiale hl entre le rotor 2 et le stator 3 ; c'est le résultat d'un compromis entre des efforts acceptables et une relative étanchéité limitant les fuites. Par exemple, pour le stator 3 de diamètre extérieur de 7 cm, mentionné précédemment , on adopte une interférence initiale hl de 0,5 mm.
Cependant, compte tenu des conditions au fond d'un puits pétrolier, le stator 3 subit des changements entraînant l'augmentation des épaisseurs Hl et 112 du stator 3 et de l'interférence hl entre le rotor 2 et le stator 3.
Plusieurs phénomènes peuvent conduire à l'augmentation des épaisseurs Hl et H2 du stator 3 et de l'interférence hl .
• Tout d'abord, les processus thermodynamiques engendrent la dilatation du stator 3. En particulier,
- les produits pétroliers au fond du puits ont souvent des températures élevées,
- la compression du gaz dans la PCP entraîne la montée de la température, notamment dans la partie proche du refoulement de la pompe (hautes pressions),
- le frottement entre le rotor 2 et le stator 3 conduit aussi à l'augmentation de la température,
- la forte épaisseur H1 du stator 3 limite l'évacuation de la chaleur vers l'extérieur, ce qui contribue encore à la dilatation du stator 3.
• La réaction chimique de l'élastomère du stator 3 avec les fluides pompés (liquides et gaz) engendre souvent le gonflement du stator 3.
• Compte tenu de la pression dans la pompe, la présence du gaz conduit au gonflement du stator 3 ; en effet, le gaz sous pression pénètre dans l'élastomère et agit sur le stator 3 lors des variations de pression dans la pompe.
• Enfin, le mouvement hélicoïdal et les vibrations du rotor 2 engendrent des forces dynamiques sur le stator 3, en fonction entre autres de l'interférence hl.
Dans ces conditions l'interférence hl est le paramètre déterminant dans l'équilibre entre l'étanchéité et les forces de contact entre le rotor 2 et le stator 3.
L'analyse de l'impact de l'interférence hl sur les forces de compression PI et de cisaillement Ql montre le risque de dommage sur le stator 3.
Pour ce faire, on adopte les notations :
- E, le module d'élasticité de l'élastomère (stator 3)
R, le rayon du rotor 2 (figure 2A) C, les constantes
V, la vitesse de rotation du rotor 2 (tours / minute).
En général, on désigne par les fonctions f(V) l'influence de la vitesse V de rotation du rotor 2. sur les forces de compression PI et de cisaillement Ql. et sur l' interférence hl entre le rotor 2 et le stator 3.
Ainsi, la formulation analytique met en évidence la corrélation entre l'interférence hl et les forces de compression PI et de cisaillement Ql ; afin de faciliter l'interprétation, les autres paramètres sont regroupés.
Comme visible sur la figure 2B, la force de compression PI exercée par le rotor 2 engendre l'interférence hl avec le stator 3.
Le modèle visco-élastique (Bowden) conduit aux expressions ( 1, 2), reliant la force de compression PI et l'interférence hl :
L'approximation linéaire (modèle élastique, Boussinesq ) facilite l'interprétation ( les expressions 3,4 )
Les relations (1 ,2,3,4) montrent que les forces de compression PI sont importantes quand l'interférence hl est grande. De plus, ces forces sont concentrées dans un volume situé dans le proche voisinage de la surface de contact S I (figure 2B).
Par conséquent, le gonflement du stator 3 augmente l'interférence hl et conduit à des forces de compression PI importantes concentrées au niveau de surfaces de contact SI . Ces surfaces de contact S I, illustrées sur les figures 2A et 2B, sont des surfaces de la face interne de l'élastomère du stator 3 positionnées en regard d'une partie convexe du rotor 2.
Les relations (3,4) décrivent la compression élastique (Boussinesq) du stator 3 sous l'effet des forces de compression PI . Si on note la raideur du stator en élastomère Ks, on constate que le comportement du stator 3 est équivalent à la réponse d'un ressort élastique, à vitesse du rotor V constante :
Le mouvement hélicoïdal du rotor 2 engendre une force de cisaillement Q 1 qui dépend aussi de l'interférence hl (figure 2B). L'approche élasto-plastique (Hill) conduit à la relation
Les forces de cisaillement Ql exercées sur le stator 3 sont fonction de l'interférence hl, Ql = F(hl) ; plus l'interférence hl est grande, plus le risque d'endommager le stator est fort. Or comme mentionné précédemment, les PCP traditionnelles 1 doivent comporter une interférence initiale hl de l'ordre de 0,5 mm pour assurer l'étanchéité des cavités 4. Compte tenu de conditions de production au fond du puits pétrolier (thermodynamiques - chimiques- dynamiques), le stator subit l'augmentation des épaisseurs Hl et H2 de l'ordre 5 - 10 %, et en fonction des caractéristiques de l'élastomère, l'interférence augmente de l'ordre de 1 mm ce qui signifie qu'elle est multipliée par 2. Dans ces conditions les forces de pression Pl et les forces de cisaillement Ql sont multipliées par 2 aussi. Quant aux forces dynamiques exercées par la rotation hélicoïdale du rotor 2 sur le stator 3, elles dépendent de la vitesse V de rotation de la pompe; pour produire (les débits et les pressions) dans des conditions économiques, les PCP tournent à la vitesse de 200 - 500 tours / minute. Compte tenu des conditions de pompage dans le puits, la durée de fonctionnement du stator 3 en élastomère se réduit significativement ; l'expérience montre que la moyenne est de 1 an, mais on rencontre des stators endommagés après 1-3 mois de fonctionnement.
Les vibrations du rotor 2 dépendent de la fréquence propre du rotor 2 et de la vitesse de rotation de la pompe et elle peuvent être très importantes, notamment à la résonance entre le rotor 2 et la vitesse (fréquence) de rotation. L'amplitude des vibrations du rotor 2, perpendiculaires à l'axe X-X, engendre l'augmentation de l'interférence hl,et par conséquent, les forces de compression Pl et de cisaillement Ql exercées sur le stator 3 augmentent aussi.
Ainsi, le mode de fonctionnement de la PCP traditionnelle 1 concentre les efforts au niveau du contact rotor 2 - stator 3, et entraîne souvent la dégradation du stator 3. Du point de vue pratique, l'opérateur pétrolier est obligé de sortir la pompe endommagée du puits et de la remplacer; c'est une opération longue, pendant laquelle le puits ne produit plus, dont les conséquences économiques sont importantes.
Plus récente, la PCP 24 comportant un stator hélicoïdal rigide (métallique, matériaux composites) est présentée, en section longiligne dans la figure 6. Cette pompe comporte un rotor hélicoïdal 7 tournant à l'intérieur du stator hélicoïdal rigide 25; entre le rotor 7 et le stator 25 il y a un jeu 26.
Du point de vue pratique, le stator 25 fabriqué dans un matériau rigide (métal, matériaux composite) est monté à l'intérieur du carter 19; ensuite, on introduit le rotor hélicoïdal 7 à l'intérieur du stator 25 rigide, avec un jeu 26. L'architecture de cette PCP est semblable à celle de la PCP traditionnelle; la différence consiste dans le fait qu'il y a un jeu 26 entre le rotor 7 et le stator 25 rigide.
Cette PCP 24 est utilisée notamment pour le pompage des liquides visqueux (huiles lourdes); ainsi, le rotor 7 transporte le liquide visqueux et un film liquide se forme dans le jeu 26 entre le rotor 7 et le stator rigide 25. En fonction du mode de fabrication, ce jeu est inférieur à 1 mm.
Par conséquent, sans contact entre le rotor 7 et le stator 25, la PCP 24 pompe des liquides visqueux (huiles lourdes).
Compte tenu du fait qu'il y a ce jeu 26, la rotation du rotor hélicoïdal 7 à des vitesses de 200 - 500 tours/minute, engendre des vibrations (résonance, vibrations instables) et des chocs entre le rotor 7 et le stator 25.
Par exemple, si les fréquences propres du rotor 7 et/ou du stator rigide 25 sont du même ordre de grandeur que celle de la vitesse de rotation (vitesses de 200-500 tours par minute), les forces dues aux vibrations et chocs sont multipliées par 6-8; le rotor 7 et le stator 25 ne peuvent pas résister longtemps à ces forces.
La réponse dynamique de la PCP 24 avec stator rigide 25 risque d'endommager le rotor 7 et/ou le stator 25. Dans ces conditions, l'opérateur pétrolier doit procéder au remplacement de la pompe, ce qui est une opération lourde avec des conséquences économiques importantes.
Le but de la présente invention est de proposer une PCP plus fiable, présentant une durée de fonctionnement plus longue, de manière à réduire les coûts de production. A cet effet, la présente invention a pour objectif une nouvelle architecture de pompe à cavités progressives (PCP) permettant d'augmenter notablement la fiabilité et les performances de la pompe.
A ces fins, la présente invention propose une pompe à cavités progressives comportant :
- un carter de forme cylindrique d'axe longitudinal; ledit carter étant pourvu, à une extrémité, d'une ouverture d'entrée et à son extrémité opposée, d'une ouverture de sortie,
- un stator hélicoïdal contenu à l'intérieure dudit carter ; ledit stator hélicoïdal comprenant un cylindre hélicoïdal ayant un axe central confondu avec l'axe longitudinal dudit carter;
- un rotor hélicoïdal propre à tourner à l'intérieur dudit cylindre hélicoïdal pour déplacer un fluide de l'ouverture d'entrée vers l'ouverture de sortie,
caractérisée en ce que ledit stator hélicoïdal comporte en outre au moins un compensateur agencé dans ledit carter, entre le carter et ledit cylindre hélicoïdal; ledit cylindre hélicoïdal et ledit compensateur étant propres à se déformer selon une direction perpendiculaire audit axe longitudinal.
Ainsi, les dits compensateurs sont des profils ouverts ou fermés déformables dont la forme, les dimensions et les matériaux utilisés assurent l'élasticité nécessaire à la compensation des déformations du dit stator hélicoïdal.
Selon des modes de réalisation nullement limitatifs,
- ledit stator hélicoïdal comporte une couche élastique fixée sur une face intérieure dudit cylindre hélicoïdal.
- ladite couche élastique présente une épaisseur comprise entre 0.5 centimètre et 2 centimètres, en particulier de 0.5 à 1 ,5 centimètre.
- ledit rotor hélicoïdal est propre à tourner à une fréquence de rotation, et en ce que ledit au moins compensateur est apte à découpler les fréquences propres de l'ensemble rotor hélicoïdal et stator hélicoïdal de la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal.
- ledit au moins compensateur est défini par un coefficient de raideur (Ko) qui satisfait la relation suivante :
Dans laquelle :
- W est la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal,
- M est la masse totale du rotor hélicoïdal et du stator hélicoïdal. - ledit au moins compensateur est un profil fermé.
- ledit au moins compensateur présente une section de forme elliptique.
- ledit au moins compensateur est un profil ouvert.
- ledit au moins compensateur est agencé sur une portion concave dudit cylindre hélicoïdal.
- ledit au moins compensateur est agencé sur une portion convexe dudit cylindre hélicoïdal.
- ledit stator hélicoïdal comporte plusieurs compensateurs régulièrement répartis tous le long du carter.
- ledit stator hélicoïdal comporte un unique compensateur de forme hélicoïdale agencé autour dudit cylindre hélicoïdal.
- lesdits compensateurs sont fabriqués dans un métal ou dans un matériau composite.
L'invention concerne également l'application d'une pompe telle que mentionnée ci-dessus au pompage des fluides, lesdits fluides étant liquides, liquides visqueux ou gaz, et au pompage de mélanges polyphasiques constitués de liquides et de gaz avec des particules solides.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, non limitative, en se référant aux dessins sur lesquels:
-La figure 1 A est une section axiale de la pompe PCP 6 selon un premier mode de réalisation de la présente invention.
- La figure 1B est une vue agrandie de l'encadré B illustré sur la figure 1 A.
-La figure 2A est une section axiale d'une pompe ayant un stator en élastomère de la PCP 1 traditionnelle, connue dans l'état de la technique.
- La figure 2B est une vue agrandie de l'encadré B illustré sur la figure 2A.
- La figure 2C est une section axiale d'une partie de la pompe illustrée sur la figure 1.
- La figure 2D est une vue agrandie de l'encadré D illustré sur la figure 2C.
- La figure 3A est une vue similaire à la vue illustrée sur la figure 2D pour une PCP 6 (illustrée sur les figures 1A et 1B ) ayant une interférence initiale h3 , entre le rotor 7 et la couche élastique 9, avant la mise en production de la pompe, ainsi qu'un schéma représentant un système à ressort équivalent audit ensemble couche élastique 9- compensateur 1 1. - La figure 3B est une vue identique à la vue illustrée sur la figure 3A après la mise en production de la pompe entraînant l'augmentation de l'interférence h'3 > h3, ainsi qu'un schéma représentant un système à ressort équivalent audit ensemble couche élastique 9- compensateur 11.
- La figure 4 est une section axiale d'une partie d'une PCP selon un second mode de réalisation de l'invention.
- La figure 5 est une section axiale d'une partie d'une PCP selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
- La figure 6 est une section axiale d'une partie d'une PCP comportant un stator rigide (métallique , matériaux composites ), connue dans l'étal de la technique.
- La figure 7 est une section axiale d'une partie d'une PCP selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; et
- La figure 8 est un graphe représentant en abscisse le rapport entre la fréquence de rotation W du rotor hélicoïdal 7 et la fréquence de vibration WS de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et. stator hélicoïdal 8, et en ordonnée, l'amplitude des vibrations X : selon une direction perpendiculaire à l'axe central Y-Y du stator hélicoïdal 8.
La pompe PCP 6, selon un premier mode de réalisation de la présente invention illustré sur les figures 1 A et 1 B, comporte un carter 19 de forme cylindrique d'axe longitudinal X-X, un stator hélicoïdal 8 contenu dans le carter 19 et un rotor hélicoïdal 7 propre à tourner dans le stator hélicoïdal 8.
Le carter 19 est pourvu, à une de ses extrémités d'une ouverture d'entrée 14 et à son extrémité opposée, d'une ouverture de sortie 15.
Le rotor hélicoïdal 7 est propre à tourner à l'intérieur du stator hélicoïdal 8 à une vitesse prédéfinie ci-apres appelée fréquence de rotation, pour déplacer un fluide de l'ouverture d'entrée 14 vers l'ouverture de sortie 15.
Le stator hélicoïdal 8. comporte une couche élastique 9 de faible épaisseur, généralement en élastomère, un cylindre hélicoïdal 10 ayant un axe central Y-Y confondu avec l'axe longitudinal X-X du carter 19, et des compensateurs 1 1 propres à se déformer pour compenser les variations dimensionnelle radiale du cylindre hélicoïdal 10.
Le cylindre hélicoïdal 10 est en général réalisé en métal ou en matériaux composites. Il est propre à transmettre les forces exercées par le rotor 7 sur la couche élastique 9, vers les compensateurs 1 1. Le cylindre hélicoïdal 10 présente une face 17 en regard du carter 19, ci-après appelée face externe 17 et une face 16 en regard du rotor 7, ci après appelée face interne 16.
Le cylindre hélicoïdal 10 comporte successivement un resserrement de diamètre suivi d'un élargissement de diamètre formant sur la face externe 17 et sur la face interne 16 du cylindre hélicoïdal 10 une succession de portions concaves 12 alternées à des portions convexes 13.
La couche élastique 9 présente une épaisseur constante comprise entre 0.5 centimètre et 2 centimètres, et de préférence comprise entre 0.5 centimètre et 1.5 centimètre.
La couche élastique 9 est fixée sur la face interne 16 du cylindre hélicoïdal 10. La fixation peut se faire par adhésion, par collage ou scion une méthode de fabrication à chaud et/ou par des dispositifs mécaniques d'accrochage.
Les compensateurs 1 1 sont des profils déformables, élastiques. Les compensateurs 1 1 sont propres à se déformer selon une direction perpendiculaire audit axe longitudinal (X-X) pour ,d'une part compenser la dilatation de la couche élastique 9 et d'autre part réduire les vibrations exercées par le rotor hélicoïdal 7 sur la couche élastique 9, lorsque le rotor hélicoïdal 7 tourne dans le stator hélicoïdal 8.
Lorsque les compensateurs 11 compensent la dilatation de la couche élastique 9, la dimension des compensateurs 1 1 se réduit selon une direction perpendiculaire audit axe longitudinal (X-X) pour compenser la dilatation de la couche élastique 9, du cylindre hélicoïdal 10 et du rotor hélicoïdal 7 pendant toute la durée au cours de laquelle la pompe est soumise à des conditions thermiques, chimiques et pression, qui occasionnent cette dilatation.
Lorsque les compensateurs 11 réduisent les vibrations exercées par le rotor hélicoïdal 7 sur la couche élastique 9, la dimension des compensateurs 11 va successivement se réduire et s'élargir selon une direction perpendiculaire audit axe longitudinal (X-X) à une fréquence égale à la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7, pour compenser les vibrations du rotor 7.
Selon le premier mode de réalisation de l' invention, les compensateurs 1 1 sont des profils fermés, élastiques. Par exemple, les compensateurs 11 ont la forme d'une coque en aluminium remplie d'air. En variante, les compensateurs 11 sont constitués par une coque en aluminium contenant du caoutchouc.
Selon une autre variante, les compensateurs 11 sont des coques en matériaux composites.
Les compensateurs 1 1 sont agencés dans le carter 19 entre le cylindre hélicoïdal
10 et le carter 19. En particulier, selon le premier mode de réalisation de l'invention illustré sur les figures 1 A et 1B, les compensateurs 1 1 sont fixés contre la paroi interne du carter 19 et contre les portions concaves 12 du cylindre hélicoïdal 10.
Avantageusement, des compensateurs 18 en forme d'anneau entourant le cylindre hélicoïdal 10 sont également fixés entre chaque extrémité du cylindre hélicoïdal 10 et chaque extrémité du carter 19.
Les compensateurs 11,18 sont fixés au carter 19 et au cylindre hélicoïdal 10, par exemple par des dispositifs de fixation ou par une soudure.
Le dimensionnement, la forme, la géométrie et l'épaisseur des compensateurs 1 1 ainsi que les matériaux constitutifs des compensateurs 11 sont choisis de manière à : - compenser les dilatations de la couche élastique 9 (élastomère), du rotor 7 et du cylindre hélicoïdal 10
- réduire les vibrations générées par le couplage entre la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7 et la fréquence propre de l'ensemble stator hélicoïdal 8 - rotor 7.
Par exemple, un compensateur 1 1 ayant une section de forme elliptique, dont les axes mesurent 1,2 cm et 4 cm, fabriqué dans une plaque en aluminium d'épaisseur 2 mm, assurent une réduction de 70 % des forces exercées par le rotor 7 sur la couche élastique 9. Un tel compensateur 1 1 ayant une section de forme elliptique peut être utilisé dans un carter 19 ayant un diamètre intérieur mesurant 7 cm (mentionné précédemment).
Dans ce carter 19, l'épaisseur de la couche élastique 9 en élastomère peut par exemple mesurer 1,5 cm et le cylindre hélicoïdal 10 peut être réalisé dans une plaque métallique ayant une épaisseur d'environ 2 mm.
Par conséquent, les compensateurs 1 1 agencés conformément à l'invention, assurent la capacité de la pompe à faire face aux conditions thermodynamiques - chimiques - dynamiques de fonctionnement de la pompe et d'améliorer ainsi la fiabilité et les performances de la PCP 6. Afin d'évaluer l'efficacité des compensateurs 1 1 , on compare la PCP 6 selon l'invention illustrée sur les figures 2C et 2D avec la PCP 1 traditionnelle illustrée sur les figures 2A et 2B.
Comme visible sur les figures 2A et 2B, le stator en élastomère 3 de la PCP 1 traditionnelle est soumis aux processus thermodynamique - chimique - dynamiques, qui entraînent le gonflement de la forte épaisseur Hl, et l'augmentation de l'interférence hl .
Ce processus conduit ainsi à des forces de compression PI et de cisaillement Ql importantes, s'exerçant sur la surface de contact S I, entre le rotor hélicoïdal 2 et le stator hélicoïdal 3. Ce qui conduit au risque de dégradation du stator hélicoïdal 3, en élastomère.
Comme visible sur figures 2C et 21), la PCP 6 selon la présente invention, comporte :
- la couche élastique 9 de faible épaisseur H3, par exemple de l'ordre de 1 ,5 cm, généralement en élastomère
- une interférence ente le rotor hélicoïdal 7 et la couche élastique 9, référencée ci-après h3
- le cylindre hélicoïdal 10 sur lequel est fixée la couche élastique 9.
Ce cylindre hélicoïdal 10 transmet les forces exercées sur la couche élastique 9 vers les compensateurs 11. Les compensateurs 1 1 sont capables de compenser la déformation de la couche élastique 9 et de réduire ainsi l'interférence h3 et les forces de compression P2 et de cisaillement Q2. Les compensateurs 11 transmettent les forces au carter 19.
En même temps, les compensateurs 11 contribuent à la réduction des forces dynamiques, engendrées par les vibrations du rotor 7 sur la couche élastique 9. Les propriétés vibratoires des compensateurs 11 dépendent de leur forme, de leur dimensionnement et des matériaux utilisés. Par le choix d'une certaine forme ou l'utilisation d'un certain matériau des compensateurs 1 1 on contrôle les fréquences propres de l'ensemble rotor 7 - stator hélicoïdal 8 , et on évite ainsi la résonance et l'instabilité de la réponse dynamique. Dans ces conditions, les compensateurs 1 1 réduisent les composantes vibratoires des forces de compression P2 et de cisaillement Ainsi, les compensateurs 11 sont aptes à découpler les fréquences propres de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8 de la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7.
Par exemple, il est courant de constater sur champ pétrolier que le rotor 2 de la PCP 1 traditionnelle présente des instabilités lorsqu'il tourne à 300 tours / minute. Pour éviter la dégradation de la PCP 1 traditionnelle engendrée par ces instabilités, l'opérateur pétrolier est obligé de réduire la vitesse de rotation de du rotor 2 à 150 tous/ minute, ce qui réduit la production.
Grâce aux compensateurs 1 1, la PCP 6 stabilise la réponse vibratoire du rotor 7 ce qui conforte sa capacité de produire à 300 tours / minute, assurant ainsi des conditions économiques de production.
11 en résulte que le fonctionnement de la PCP selon la présente invention, réduit les forces de compression P2 et de cisaillement Q2, et améliore ainsi la fiabilité de la PCP 6.
Comme visible sur la figure 3A, avant la mise en production de la pompe, la couche élastique 9 de la PCP 6 présente une épaisseur H3 et une interférence h3 avec le rotor hélicoïdal 7. Le système équivalent mécanique de l'ensemble couche élastique 9 - compensateurs 1 1 est constitué par deux ressorts ayant des raideurs différentes. Ks est la raideur équivalente de la couche élastique 9 et Ko est la raideur du compensateur 1 1.
Après la mise en production de la pompe, le processus thermique - chimique- dynamique engendre le gonflement de la couche élastique 9 dont l'épaisseur devient H'3 > H3, ce qui entraîne l'augmentation de l'interférence h' 3 > h3.
Comme visible sur la figure 3B, après la mise en production de la pompe; la dimension du compensateur selon une direction perpendiculaire à l'axe X-X se réduit pour compenser l'augmentation de l'interférence.
En conséquence, les compensateurs 11 sont dimensionnés pour compenser le gonflement de la couche élastique 9 et pour réduire les forces s'exerçant sur la couche élastique 9. Leur dimensionnement est choisi de manière à maintenir l'interférence initiale, c'est-à-dire h'3 ~ h3. Lorsque cette interférence h'3 est maintenu quasi- constante, les forces de contact de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 - couche élastique 9 sont maintenues au niveau requis. Pour ce faire, il faut caractériser l'élasticité de l'ensemble couche élastique 9 - cylindre hélicoïdal 10 - compensateurs 11.
La formule (5) de la réponse du stator en élastomère conduit à la raideur équivalente Ks (figures 3A et 3B),
La déformation Xo du compensateur 11 sous l'effet de la force de compression P2 met en évidence la raideur de la structure Ko :
où Eo et 1 sont le module d'élasticité et le moment d'inertie du compensateur 1 1 , r est le rayon caractéristique du compensateur 1 1. Par exemple, dans le cas du compensateur 11 de forme elliptique le rayon caractéristique r est la moyenne des rayons de l'ellipse.
Comme mentionné, après la mise en production de la pompe (figure 3B) le processus thermodynamique - chimique - dynamique engendre le gonflement de la couche élastique 9 ce qui entraîne un changement Ah de Γ interférence :
Les compensateurs 11 selon l'invention, sont choisis de préférence de manière à ce que le gonflement de la couche élastique 9 soit compensé par la compression ΔΧο de chaque compensateur 1 1 :
ce qui signifie que Ah est minimal si h'3≈ h3 :
et alors l'interférence initiale h3 est pratiquement maintenue inchangée malgré le gonflement de la couche élastique 9. Les compensateurs 11 compensent les déformations de la couche élastique 9 et les forces exercées sur l'élastomère de la couche élastique 9 restent au niveau initial.
Aussi, le contrôle de la raideur Ko des compensateurs 1 1 facilite la maîtrise de la réponse dynamique (notamment les fréquences propres), et évite ainsi la résonance avec les vibrations du rotor 7.
A cette fin, les compensateurs 11 présentent selon la présente invention un coefficient de raideur Ko qui satisfait la relation suivante :
Dans laquelle :
- W est la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7,
- M est la masse totale du rotor hélicoïdal 7 et du stator hélicoïdal 8.
Le choix de la raideur Ko des compensateurs 1 1 assure en même temps, la maîtrise des forces de compression et de cisaillement et le contrôle des vibrations.
Compte tenu des conditions thermodynamiques - chimiques- dynamiques (vibrations), l'optimisation des compensateurs 1 1 maintient les forces exercées par le rotor hélicoïdal 7 sur la couche élastique 9 dans la limite de fiabilité requise.
Comme mentionné, la PCP traditionnelle 1 avec stator 3 en élastomère, concentre au niveau de la surface de contact S I entre le rotor 2 et le stator 3, les deux fonctions : la relative étanchéité et les forces de contact élevés (forces de compression PI et forces de cisaillement Ql).
La PCP 6 selon la présente invention, dissocie les deux fonctions :
- Γ étanchéité est maintenue au niveau du contact rotor hélicoïdal 7 - couche élastique 9,
-les forces sont reprises par les compensateurs 11 et transmises au carter 19.
Le fonctionnement de la PCP 6 selon la présente invention conduit à la réduction des forces sur la couche élastique 9 et à l'amélioration de la fiabilité de la pompe.
La figure 4 représente une section axiale de la PCP 20 selon un second mode de réalisation de l'invention. Les éléments identiques ou similaires au premier mode de réalisation de l'invention ( figures 1A et 1B )ont été représentés sur la figure 4 avec les mêmes références et ne seront pas décrits une seconde fois.
Selon cette variante de réalisation, les compensateurs 21 sont des profils élastiques ouverts (métalliques ou en matériau composite), chacun placé entre une partie concave 12 du cylindre hélicoïdal 10 et le carter 19.
Les compensateurs 21 ouverts sont capables de compenser les déformations de la couche élastique 9 et de transmettre les efforts au carter 19.
Par exemple, pour la PCP de 7 cm de diamètre extérieur, les compensateurs 21 sont des profils en aluminium en forme de U inversé, de 1,2 cm de hauteur et 3 cm de largeur, dont l'épaisseur est de l'ordre de 2mm.
Par exemple, lesdits compensateur 21 présentent une forme de pion creux ayant un sommet et une base élargie; ledit sommet étant agencé contre ledit cylindre hélicoïdal 10; ladite base élargie étant fixée contre la face interne dudit carter 19.
La PCP 22 selon le troisième mode de réalisation l'invention est illustrée sur la figure 5.
Les éléments identiques ou similaires au premier mode de réalisation de l'invention (figures 1 A et 1 B) ont été représentés sur la figure 4 avec les mêmes références et ne seront pas décrits une seconde fois.
En particulier, cette PCP 22 comporte un rotor hélicoïdal 7 tournant à l'intérieur stator hélicoïdal 8, dont les éléments sont :
- la couche élastique 9 est fixée sur le cylindre hélicoïdal 10,
- les compensateurs 23 sont des coques élastiques fermés de profil quasi - elliptiques réalisé en métal ou en matériau composite. Ils sont agencés entre la partie convexe 13 du cylindre hélicoïdal 10 et le carter 19. Les compensateurs 23 selon ce mode de réalisation de l'invention sont similaires aux compensateurs 1 1 selon le premier mode de réalisation de l'invention mais présente une dimension selon un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal (X-X) du carter 19 inférieure à la dimension selon un même axe des compensateurs 11 selon le premier mode de réalisation de l'invention. Us sont donc plus plats que les compensateurs 11.
Les compensateurs 23 sont capables de compenser les déformations de la couche élastique 9 et de transmettre les efforts au carter 19. Par exemple, pour une PCP 22, de 7 cm diamètre extérieur, les compensateurs 23 sont des profils elliptiques plats en aluminium, dont les axes sont de 2 cm et 1 cm et l'épaisseur est de l'ordre de 1 - 2 mm.
La PCP 27 selon le quatrième mode de réalisation l'invention est illustrée sur la figure 7.
Les éléments identiques ou similaires au premier mode de réalisation de l'invention (figures 1 A et lB)ont été représentés sur la figure 7 avec les mêmes références et ne seront pas décrits une seconde fois.
Selon ce mode de réalisation, le stator hélicoïdal 28 comporte un cylindre hélicoïdal rigide 29 et des compensateurs 11 placés entre le cylindre hélicoïdal rigide 29 et le carter 19. En particulier, le cylindre hélicoïdal 29 n'est pas recouvert d'une couche élastique comme dans les autres modes de réalisation de l'invention.
Le cylindre hélicoïdal 29 est réalisé dans un matériau métallique ou un matériau composite.
Avantageusement, les compensateurs 1 1 assurent l'élasticité nécessaire au contact dynamique entre le rotor hélicoïdal 7 et le stator hélicoïdal 28.
Le dimensionnement des compensateurs 1 1 suivant la relation (12) mentionnée précédemment ,conduit à une raideur Ko capable d'adapter les propriétés dynamiques (notamment les fréquences propres) du système hélicoïdal 7 - stator hélicoïdal 28 afin d'éviter les chocs, la résonance et l'instabilité dynamique.
Pour la PCP 24 avec stator rigide 25 connue de l'état de la technique et illustré sur la figure 6, si la fréquence propre du couple rotor hélicoïdal 7- stator rigide 25 est proche de la fréquence de rotation (vitesse 200 - 500 tours/minute) les forces dues aux vibrations et chocs sont multipliées par 6-8 et le risque d'endommagement de la pompe est évident.
L'agencement des compensateurs 11 dans le stator hélicoïdal 28 de la PCP 27 illustrée sur la figure 7 modifie notablement les fréquences propres du stator hélicoïdal 28 et éloigne le couplage avec la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7 . Dans ces conditions, les forces de vibrations sont réduites. Elles sont divisées par 6 - 8 par rapport au cas précédent. La réponse vibratoire de la PCP 27 comportant des compensateurs 1 1 , reste dans les limites requises à un fonctionnement optimum de la pompe. Les compensateurs 11 assurent l'élasticité nécessaire au contact dynamique (vibrations) entre le rotor hélicoïdal 7 et le stator hélicoïdal 28, et transmettent les forces au carter 19.
Par exemple, pour la PCP 27 de 7 cm de diamètre , les compensateurs 1 1 sont des profils elliptiques en aluminium , de diamètres 5 et 1,5 cm , dont l'épaisseur est de l'ordre de 2 mm.
Selon les modes de réalisation illustrés sur les figures 1A, 4, 5 et 7, le stator hélicoïdal 8, 28 comporte plusieurs compensateurs 11, 18, 21, 23 régulièrement répartis tous le long du carter 19.
Selon une variante de l'invention non représentée, le stator hélicoïdal 8 comporte un unique compensateur de forme hélicoïdale agencé autour dudit cylindre hélicoïdal 10.
En variante, les compensateurs sont constitués par des soufflets ou des ressorts.
En conclusion, on constate que la PCP traditionnelle 1 (avec stator en élastomère) cumule, au niveau du contact rotor - stator , deux fonctions :
- une relative étanchéité limitant les fuites entre les cavités
- la concentration des forces de contact et leur transfert vers le carter
Ainsi, comme il a été exposé, le processus thermodynamique - chimique - dynamique entraînent l'augmentation du volume du stator, ce qui se traduit par des efforts excessifs capables d'endommager le stator.
Les statistiques montrent que la durée de fonctionnement de ces pompes dans les puits pétroliers, est de l'ordre d'un an, mais on rencontre des stators endommagés après 1-3 mois de fonctionnement.
La présente invention propose l'architecture d'une pompe comportant un stator hélicoïdal, permettant de dissocier les deux fonctions :
- le contact rotor - couche élastique assure une relative étanchéité entre les cavités
- l'augmentation du volume de la couche élastique et les forces résultantes, sont reprises par les compensateurs; les
forces sont maîtrisées dans la limite requise et sont ensuite transmises au carter.
La présente invention permet de réduire les forces dynamiques (vibrations, chocs) exercées par le rotor sur la couche élastique (élastomère) ou sur le cylindre hélicoïdal rigide (métallique, matériaux composites). Ainsi, la PCP de la présente invention comporte des compensateurs capables d'assurer le découplage des vibrations du rotor par rapport aux éléments élastiques (élastomère) ou rigides (métallique, matériaux composites) du stator, permettant d'améliorer la fiabilité dynamique et les performances des PCP.
Exemple.
La PCP 1 traditionnelle. Pour produire un puits pétrolier on utilise une PCP traditionnelle ; compte tenu des conditions de pompage dans le puits, F interférence initiale rotor - stator est de hl = 0.5 mm.
L'évolution des conditions de fonctionnement conduit à l'augmentation de l'interférence ; on constate couramment un gonflement du stator de 5 % de son épaisseur , et l'interférence augmente hl = 1 mm.
En conséquence, la nouvelle interférence et les forces exercées sur le stator élastique sont deux fois plus grandes. Compte tenu du comportement du stator, dont Γ élastomère est soumis aux forces cycliques (courbe de Wohler), la durée de fonctionnement du stator est divisée par 2.
La PCP 6 selon la présente invention, pendant la production du puits, les compensateurs compensent le gonflement du stator et l'interférence initiale hl = 0.5 mm est maintenue sans changement significatif ; les forces restent dans la limite acceptable.
Ainsi, la PCP 6 comportant un stator hélicoïdal selon la présente invention, a une durée de fonctionnement 2 fois supérieure à celle de la PCP 1 traditionnelle ; c'est un avantage technique et économique significatif. Références.
1. Le brevet EP0220318 Al décrit un moteur à cavités progressives pour le forage pétrolier. La boue de forage constitue le liquide moteur. Pour ce faire, après le moteur on installe l'outil de forage qui transmet au moteur des fortes vibrations longitudinales capables d'endommager le stator en élastomère. Ces fortes vibrations longitudinales sont dues aux efforts de pénétration de l'outil de forage dans la roche.
Afin de réduire l'effet des vibrations longitudinales, ce brevet prévoit un système "absorbeur d'énergie " (Energieabsorber 10, figure 1 du brevet). Semblable à un palier hydraulique, l'"absorbeur d'énergie" dissipe l'énergie des vibrations longitudinales à travers un labyrinthe hydraulique. En effet, le frottement visqueux du liquide d'écoulement dans le labyrinthe hydraulique amortie les vibrations longitudinales en dissipant l'énergie ; c'est un absorbeur qui dissipe l'énergie par frottement hydraulique (figures 3,4,5 du brevet).
La composition chimique de la boue de forage ne produit pas le gonflement de l'élastomère du stator. Par conséquent, le problème du gonflement du stator de la PCP de pompage pétrolier ne se pose pas dans le cas du moteur de forage.
Aussi, le liquide de l'absorbeur d'énergie (labyrinthe hydraulique) est incompressible ; ce dispositif ne peut pas compenser le gonflement transversal du stator élastique ou les vibrations transversales.
La PCP objet de la présente invention, comprend des compensateurs (figures 1A et 1 B ) capables de compenser, par leur élasticité, les déformations transversales du stator. En effet, les gonflements du stator sont dus aux conditions du fonctionnement de la pompe dans le puits pétrolier en production : liquides et gaz agressifs, hautes températures et pressions.
Ainsi, on constate que les conditions de fonctionnement du moteur de forage n'ont rien de commun avec le pompage pétrolier.
Les compensateurs sont des éléments élastiques, en métal ou matériaux composites, se déformant pour compenser les variations de volume du stator (gonflements de la couche élastique) et les vibrations transversales du rotor.
Par conséquent, ils n'ont rien d'un labyrinthe hydraulique (absorbeur hydraulique d'énergie) dont le rôle est de dissiper l'énergie des vibrations longitudinales du forage dans la roche.
L'architecture et le fonctionnement de la PCP comportant un stator hélicoïdal avec des compensateurs, sont très différents du moteur de forage comportant un système d'absorbeur d'énergie hydraulique, présenté par ce brevet.
2. Le brevet US 2006 / 0153724 Al décrit un moteur de forage à cavités progressives comportant un stator constitué de deux couches d'élastomère, dont les propriétés mécaniques sont différentes.
Comme mentionné précédemment, pendant le pompage dans un puits pétrolier l'effet thermodynamique - chimique - dynamique engendre des déformations de l'élastomère du stator (gonflements). Le forage pétrolier est tout à fait différent ; le liquide du moteur de forage est constitué de la boue de forage sous pression injectée de la surface.
Les conditions de fonctionnement du pompage dans un puits pétrolier et le forage sont très différentes.
Le brevet décrit un stator comportant deux couches en élastomère. Dans ces conditions, l'effet thermodynamique - chimique - dynamique du pompage pétrolier engendre des déformations différentielles du stator en élastomère.
Le risque de dommages engendrés par le rotor sur le stator à deux couches d'élastomère, reste entier.
Par conséquent, l'utilisation du stator à deux couches d'élastomère dans le pompage pétrolier présente une fiabilité et une durée de fonctionnement réduites.
L'architecture et le fonctionnement de la PCP comportant un stator hélicoïdal avec des compensateurs, sont très différents du moteur de forage comportant un stator en élastomère à deux couches, présenté par ce brevet.
La figure 8 est un graphe représentant en abscisse le rapport entre la fréquence de rotation W du rotor hélicoïdal 7 et la fréquence de vibration W3 de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8, et en ordonnée, Γ amplitude des vibrations X¾ selon une direction perpendiculaire à l'axe central Y-Y du stator hélicoïdal 8. Lorsque le rotor hélicoïdal 7 est entraîné en rotation, il provoque la vibration du cylindre hélicoïdal 10 dans un plan passant par l'axe central Y-Y, le mouvement étant la combinaison d'une trajectoire rectiligne avec une rotation..
Lorsque la fréquence de vibration W3 de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8 est égale à la fréquence de rotation W du rotor hélicoïdal 7, l'ensemble stator hélicoïdal 8 et rotor hélicoïdal 7 vibrent en résonnance. Ce qui conduit à une détérioration rapide de la pompe.
Le graphe de la figure 8 obtenu analytiquement à partir d'une pompe selon l'invention, permet de constater que lorsque le rapport entre la fréquence de rotation W du rotor hélicoïdal 7 et la fréquence de vibration W3 de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8 est supérieure à 3, la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7 est découplée de celle du cylindre hélicoïdal 10.
Ainsi, afin que le stator hélicoïdal 8 ne vibre plus en résonnance avec la rotation du rotor hélicoïdal 7, il est souhaitable que le rapport entre la fréquence de rotation VV du rotor hélicoïdal 7 et la fréquence de vibration W3 de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8 soit supérieur à 3.
Par ailleurs, il est connu que la raideur Ko d'un compensateur est égale à la somme M de la masse totale de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8, multipliée par le carré de la fréquence de vibration W3 de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8.
En combinant les relations (14) et ( 15), on obtient la relation suivante :
Dans laquelle :
- W est la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7,
- M est la masse totale du rotor hélicoïdal 7 et du stator hélicoïdal 8.
Ainsi, le choix de la raideur Ko des compensateurs 11 permet de découpler les fréquences propres de Γ ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8 de la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7.
Le cylindre hélicoïdal 10 est rigide dans l'ensemble des modes de réalisation décrits. Avantageusement, il est possible de disposer des compensateurs tout le long de la pompe selon une distribution; déterminée en fonction de la déformée du rotor hélicoïdal 7 au long de la pompe (modes propres de vibration).
Lesdits compensateurs défotmables sont des structures élastiques fabriquées en matériaux métalliques ou matériaux composites, dont les propriétés mécaniques (élasticité, hystérésis) et la grande résistance aux forces cycliques de fatigue (courbe de Wohler) assurent une bonne fiabilité de la pompe.
La distribution desdits compensateurs déformables au long de la pompe peut être : continue ou discontinue, uniforme ou non-uniforme, de densité constante ou variable, de raideur constante ou variable. En effet, pendant les vibrations, l'ensemble rotor hélicoïdal-stator hélicoïdal se déforme au long de la pompe ; par exemple, la flèche est plus grande vers les extrémités. Pour compenser les déformations des extrémités, on adapte la distribution des compensateurs; par exemple, une plus grande densité vers les extrémités de la pompe.
Dans ces conditions, le mouvement d'ensemble rotor hélicoïdal-stator hélicoïdal est solidaire, ce qui élimine le risque de chocs, les déphasages et les instabilités entre le rotor hélicoïdal et le stator hélicoïdal. La figure 8 montre le comportement vibratoire de la PCP avec compensateurs 11 ; les vibrations X3 de l'ensemble rotor-stator ont la fréquence W3 et la rotation du rotor s'effectue à la fréquence W.
Par conséquent, il suffit de dimensionner la raideur Ko des compensateurs 11 pour réduire significativement les vibrations de la pompe PCP (figure 8).
Les compensateurs déformables 1 1 assurent plusieurs fonctions :
- compensent les mouvements (vibrations) de l'ensemble rotor-stator ;
- compensent les déformations de l'ensemble rotor-stator au long de la pompe ;
- contrôlent les vibrations de la pompe PCP et assurent ainsi l'amélioration de la fiabilité et l'augmentation des performances hydrauliques.
Comme le montre la figure 8, la raideur Ko est le critère de dimensionnement des compensateurs déformables 1 1 . La raideur Ko détermine les dimensions, la forme (la géométrie) et les matériaux (élasticité et résistance aux forces cycliques).
En effet, avec la raideur Ko, les compensateurs 11 assurent une forte réduction des forces vibratoires sur l'ensemble rotor-stator et améliore significativement la fiabilité de la pompe.
Les matériaux des compensateurs sont le métal (acier, aluminium) et les matériaux composites. Les compensateurs sont des structures élastiques, qui se déforment pour compenser les mouvements (vibrations) de l'ensemble rotor-stator. Les propriétés mécaniques des matériaux requises sont : élasticité (linéaire et hystérésis) et la capacité de résister à un grand nombre d'efforts cycliques de fatigue (courbe de Wôhler).
Les matériaux métalliques (acier, aluminium) ont ces propriétés. Dans les matériaux composites, il y a une grande variété de structures de grande résistance et avec un bon comportement aux sollicitations cycliques (courbe de Wôhler).

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Pompe à cavités progressives (6, 20, 22, 27) comportant :
- un carter ( 19) de forme cylindrique d'axe longitudinal (X-X) ; ledit carter ( 19) étant pourvu, à une extrémité, d'une ouverture d'entrée ( 14) et à son extrémité opposée, d'une ouverture de sortie ( 15),
- un stator hélicoïdal (8, 28) contenu à l'intérieur dudit carter ( 19) ; ledit stator hélicoïdal (8,28) comprenant un cylindre hélicoïdal (10, 29) ayant un axe central (Y-Y) confondu avec l'axe longitudinal (X-X) dudit carter ( 19);
- un rotor hélicoïdal (7) propre à tourner à l'intérieur dudit cylindre hélicoïdal
( 10, 29) pour déplacer un fluide de l'ouverture d'entrée (14) vers l'ouverture de sortie ( 15),
Caractérisée en ce que ledit stator hélicoïdal (8, 28) comporte en outre au moins un compensateur (1 1 , 18. 21 , 23) agencé dans ledit carter (19), entre le carter ( 19) et ledit cylindre hélicoïdal ( 10, 29); ledit cylindre hélicoïdal ( 10, 29) et ledit compensateur ( 1 1 , 18, 21 , 23) étant propres à se déformer selon une direction perpendiculaire audit axe longitudinal (X-X).
2. - Pompe à cavités progressives (6, 20, 22, 27) selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ledit rotor hélicoïdal (7) est propre à tourner à une fréquence tle rotation, et en ce que ledit au moins compensateur (11, 18, 21. 23) est apte à découpler les fréquences propres de Γ ensemble rotor hélicoïdal (7) et stator hélicoïdal (8,28) de la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal (7) ; ledit au moins compensateur ( 1 1 , 18, 21 , 23) est défini par un coefficient de raideur (Ko) qui satisfait la relation suivante :
Dans laquelle :
- W est la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7,
- M est la masse totale du rotor hélicoïdal (7)et du stator hélicoïdal (8,28).
3.- Pompe à cavités progressives (6, 22, 27) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ledit au moins compensateur (1 1 , 18, 23) est un profil fermé.
4.- Pompe à cavités progressives (6, 22, 27) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit au moins compensateur (1 1, 18, 23) présente une section de forme elliptique.
5.- Pompe à cavités progressives (20) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ledit au moins compensateur (21) est un profil ouvert.
6. - Pompe à cavités progressives (6, 20, 27) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit au moins compensateur ( 11 , 18, 21) est agencé sur une portion concave( 12) dudit cylindre hélicoïdal ( 10).
7. - Pompe à cavités progressives (22) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit au moins compensateur (23) est agencé sur une portion convexe ( 13) dudit cylindre hélicoïdal (10).
8.- Pompe à cavités progressives (6, 20, 22, 27) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit stator hélicoïdal (8,28) comporte plusieurs compensateurs (1 1, 18, 21, 23) régulièrement répartis tous le long du carter (19).
9.- Pompe à cavités progressives (6, 20, 22, 27) selon Tune quelconques des revendications 1 à 7 , caractérisée en ce que ledit stator hélicoïdal (8,28) comporte un unique compensateur de forme hélicoïdale agencé autour dudit cylindre hélicoïdal ( 10,29).
10.- Pompe à cavités progressives (6, 20, 22, 27) selon l'une quelconques des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que lesdits compensateurs (11 , 18, 21, 23) sont fabriqués dans un métal ou dans un matériau composite.
1 1.- Pompe à cavités progressives (6, 20. 22) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que ledit stator hélicoïdal (8) comporte une couche élastique (9) fixée sur une face intérieure dudit cylindre hélicoïdal (10).
12. - Pompe à cavités progressives (6, 20, 22) selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite couche élastique (9) présente une épaisseur comprise entre 0.5 centimètre et 2 centimètres, en particulier de 0.5 à 1 ,5 centimètre.
13. Application de la pompe à cavités progressives (6, 20, 22, 27) telle que revendiquée dans l'une quelconque des revendications 1 à 12, au pompage des fluides, lesdits fluides étant liquides, liquides visqueux ou gaz, et au pompage de mélanges poly-phasiques constitués de liquides et de gaz avec des particules solides.
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