EP4717922A1

EP4717922A1 - Dispositif de compression ou de pompage comprenant un moyen de reduction de la vitesse tangentielle de l ecoulement de jeu

Info

Publication number: EP4717922A1
Application number: EP25202592.9A
Authority: EP
Inventors: Victor MOENNE LOCCOZ; Marine Dupoiron; Paul-Peter NAANOUH; Ted Ørjan Seim GUNDERSEN; Knut Harald Klepsvik; Svein-Arne Marthinussen
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; OneSubsea IP UK Ltd
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; OneSubsea IP UK Ltd
Priority date: 2024-09-26
Filing date: 2025-09-16
Publication date: 2026-04-01
Also published as: US20260085702A1; FR3166671A1

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de compression ou de pompage de fluide, de préférence de fluide polyphasique, comprenant un stator, un rotor et un arbre de rotor, chaque rotor étant solidaire de l'arbre de rotor, chaque rotor comprenant des pales s'étendant sensiblement radialement par rapport à l'axe longitudinal et l'un au moins est un rotor caréné. La pompe comprend un jeu entre un carénage du rotor caréné et le carter permettant un écoulement de jeu dans un sens inverse de l'écoulement du fluide à travers du rotor caréné. De plus, le stator comprend au moins un moyen de réduction (35) de la vitesse tangentielle du fluide arrivant de l'écoulement de jeu, positionné en vis-à-vis axial du carénage du rotor caréné et/ou dudit jeu, en amont du rotor caréné.

Description

Domaine technique

L'invention concerne le domaine des dispositifs de compression ou de pompage de fluides, plus particulièrement de compression ou de pompage de fluides polyphasiques. L'invention concerne plus particulièrement une pompe polyphasique qui peut notamment être utilisée dans des applications pétrolières ou d'injection et/ou de stockage de fluide dans un réservoir géologique.
Un dispositif de compression ou de pompage de fluides comprend généralement un ou plusieurs étages de compression. Chaque étage de compression comprend au moins une partie mobile avec une roue tournante (cette partie mobile est également appelée « rotor » ou « impulseur ») et au moins une partie fixe. La partie fixe peut comprendre un redresseur (également appelé « stator » ou « diffuseur »). Ces éléments peuvent être mis en place au sein d'un carter du dispositif de compression, la partie fixe comprenant également le carter. Le stator peut être intégré dans le carter.
Le stator peut être placé en amont et/ou en aval d'une roue tournante. Lorsqu'il est positionné en aval, il peut avoir pour rôle de redresser l'écoulement du fluide sortant de la roue, l'écoulement étant entraîné en rotation par la roue tournante. Son but est de pouvoir alimenter l'étage de compression suivant (une autre roue tournante en aval du stator) ou d'utiliser le flux de fluide directement. Un tel stator sert à convertir l'énergie cinétique du fluide en énergie potentielle. Pour cela, le stator comprend généralement des pales.
Le stator est statique alors que les roues tournantes sont mobiles en rotation autour d'un axe longitudinal. Le but de ces roues tournantes est d'augmenter l'énergie cinétique et l'énergie potentielle du fluide. Elles sont généralement fixées à un arbre rotatif et comprennent des aubes.
Plus particulièrement, l'invention concerne une pompe destinée à pomper un fluide, par exemple un fluide polyphasique.

Technique antérieure

Dans le domaine des pompes polyphasiques, la technologie des « rotors carénés » est en cours de développement depuis quelques années. Les demandes de brevet US 2011 / 0 280 706 A1 et EP 3 536 975 A1 concernent par exemple des pompes polyphasiques avec rotor caréné. Cette technologie consiste à ajouter un carénage externe enveloppant les aubes (ou pales) du rotor. Ce carénage du rotor permet d'améliorer la stabilité mécanique de l'assemblage. En effet, les forces de friction induites par l'écoulement passant entre ce carénage et le carter externe permettent d'amortir les vibrations.
Cependant, le fluide s'écoulant dans le jeu entre le carénage et le carter se déplace en sens inverse du fluide passant à travers les pales du rotor, constituant un écoulement secondaire. En outre, cet écoulement secondaire, aussi appelé écoulement de jeu entre le carénage et le carter, a une vitesse tangentielle élevée, connue sous le nom de « swirl » en anglais, signifiant « tourbillon », ce qui perturbe l'écoulement principal du fluide entrant dans le rotor. En d'autres termes, on appelle « écoulement de jeu », un écoulement dans le jeu entre deux pièces mécaniques assemblées, ici entre le carénage et le carter.
En effet, le fluide sortant de l'écoulement de jeu est mélangé au fluide arrivant par ailleurs vers l'entrée du rotor (passant par les pales). Ce mélange impacte donc directement l'angle d'incidence du fluide entrant dans le rotor et génère une réduction des performances.
La [Fig.1] illustre l'impact de la vitesse tangentielle résultant de l'écoulement de jeu sur le fluide arrivant au niveau du bord d'attaque des pales 20. La [Fig.1] représente une vue en développée dans un plan longitudinal du rotor.
U₁ représente la vitesse de la pale au niveau du bord d'attaque, U₂ la vitesse de la pale au niveau du bord de fuite. V₁ représente la vitesse absolue du fluide au niveau du bord d'attaque et V₂ la vitesse absolue du fluide au niveau du bord de fuite.
Ω correspond à la vitesse de rotation du rotor.
Le vecteur W₁ est le vecteur vitesse relative résultant des vitesses V₁ et U₁ au niveau du bord d'attaque ; le vecteur W₂ est le vecteur vitesse relative résultant des vitesses V₂ et U₂ au niveau du bord de fuite. L'angle β ₂ est l'angle formé entre le vecteur W₂ et le plan transversal représenté en pointillés au niveau du bord de fuite.
Le travail w par unité de masse généré par une telle machine s'écrit, en utilisant l'équation d'Euler, sous la forme :
$w = \vec{U_{2}} . \vec{V_{2}} - \vec{U_{1}} . \vec{V_{1}} = U_{2} V_{θ_{2}} - U_{1} V_{θ_{1}} = r_{2} Ω V_{θ_{2}} - r_{1} Ω V_{θ_{1}}$
Avec

V _{θ 1} la vitesse tangentielle absolue au niveau du bord d'attaque
V _{θ 2} la vitesse tangentielle absolue au niveau du bord de fuite
r₁, r₂ les rayons considérés au niveau du bord d'attaque et du bord de fuite respectivement.

Si le fluide arrivant vers le bord d'attaque était orthogonal au plan transversal (représenté par le trait en pointillés), la vitesse V₁ serait horizontale sur la figure (telle que représentée par la flèche en pointillés). Cependant, ici, la vitesse V₁ forme un angle non nul par rapport à l'horizontal, telle que représentée par la flèche en trait continu. Cela est dû à l'angle δβ dû à la vitesse tangentielle du fluide arrivant de l'écoulement de jeu comme explicité précédemment. Ce fluide sortant de l'écoulement de jeu perturbe le fluide arrivant vers les pales. Ce phénomène est connu sous le nom de « pre-swirl », signifiant « pré-tourbillon » ou de « pré-rotation ». Ainsi, l'angle d'incidence du fluide par rapport au plan transversal (orthogonal à l'axe longitudinal) qui serait de β ₁ sans l'impact de l'écoulement de jeu est modifié en β ₁ + δβ. La modification de l'angle d'incidence du fluide impacte directement les performances de la turbomachine.
La demande de brevet US 2014 / 0 205 444 A1 propose des dispositifs anti-tourbillons positionnés dans le jeu afin de limiter les instabilités dynamiques du rotor. Toutefois, cela n'empêche pas une vitesse tangentielle en sortie du fluide de l'écoulement de jeu.
On connaît également la demande de brevet US2015/211543 A1 qui propose des dispositifs anti-tourbillons, positionnés au niveau de l'écoulement entre le carénage et le carter, pour réduire la vitesse tangentielle et les instabilités du rotor. Toutefois, cela n'empêche pas une vitesse tangentielle en sortie du fluide de l'écoulement de jeu.
La demande de brevet WO 2014/153 345 A1 concerne une pompe avec un piston d'équilibrage, qui ne comprend pas de pales. Ce piston d'équilibrage sert à contrecarrer la force de poussée pour des pompes polyphasiques avec une pression différentielle élevée. Un dispositif anti-tourbillons est positionné entre le piston d'équilibrage et le carter pour stabiliser le champ de pression, notamment lorsque la pompe a une pression différentielle importante.
La demande de brevet EP 3 913 227 A1 concerne une pompe polyphasique avec rotor caréné. Des dispositifs anti-tourbillons sont prévus sur le stator au niveau de l'écoulement de jeu ou au niveau de l'entrée du fluide dans l'écoulement de jeu pour freiner les tourbillons. Toutefois, cela n'empêche pas une vitesse tangentielle en sortie du fluide de l'écoulement de jeu.
Le but de l'invention consiste à réduire ou à éliminer la vitesse tangentielle du fluide sortant de l'écoulement de jeu d'un rotor caréné pour augmenter les performances du dispositif, tout en assurant la stabilité mécanique et la réduction des vibrations du dispositif.

Résumé de l'invention

L'invention concerne un dispositif de compression ou de pompage de fluide, de préférence de fluide polyphasique, comprenant une partie fixe, au moins un rotor et un arbre de rotor, chaque rotor étant solidaire de l'arbre de rotor, l'arbre de rotor étant configuré pour être entraîné en rotation autour d'un axe longitudinal, chaque rotor comprenant des pales s'étendant sensiblement radialement par rapport à l'axe longitudinal et au moins un de l'au moins un rotor étant un rotor caréné comprenant un carénage circonférentiel reliant les extrémités radiales périphériques des pales, la partie fixe comprenant au moins un stator et au moins une portion externe entourant chaque rotor, le dispositif comprenant un jeu entre la surface externe de chaque carénage circonférentiel du rotor caréné et la surface interne de la portion externe entourant ce rotor caréné, permettant un écoulement de jeu dans un sens inverse de l'écoulement du fluide à travers ce rotor caréné. De plus, le stator en amont du rotor caréné comprend un moyen de réduction de la vitesse tangentielle du fluide arrivant de l'écoulement de jeu, chaque moyen de réduction étant positionné en vis-à-vis axial du carénage du rotor caréné et/ou dudit jeu, en amont du rotor caréné dans le sens de l'écoulement à travers le rotor caréné.
De préférence, le dispositif comprend plusieurs stators et/ou plusieurs rotors, de préférence les stators et les rotors se succédant alternativement le long de l'axe longitudinal.
Avantageusement, chaque rotor comprend au moins une de pales, chaque série de pales comprenant des pales régulièrement réparties autour de l'arbre de rotor, préférentiellement chaque rotor comprend au moins deux séries de pales se succédant longitudinalement.
Préférentiellement, le dispositif comprend plusieurs rotors carénés.
De manière avantageuse, le carénage circonférentiel du rotor caréné s'étend longitudinalement sur une longueur permettant de couvrir au moins une des séries de pales, de préférence toutes les séries de pales et de manière encore préférée, la longueur du carénage est égale à la longueur du rotor concerné.
Préférentiellement, le carénage circonférentiel est circonférentiellement complet ou circonférentiellement incomplet avec au moins une ouverture.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen de réduction est formé par des cavités dans le stator pour réduire la vitesse tangentielle du fluide arrivant de l'écoulement de jeu, les cavités étant en vis-à-vis de la sortie du fluide de l'écoulement de jeu, les cavités étant réparties circonférentiellement sur le stator et séparées les unes des autres par des interfaces, préférentiellement certaines des interfaces comprenant des prolongements de pales du stator.
Préférentiellement, les cavités comprennent des rainures en créneaux ou de section triangulaire développées dans la direction circonférentielle.
Avantageusement, le nombre de cavités entre deux pales successives du rotor en vis-à-vis du moyen de réduction est compris entre 3 et 10.
De manière avantageuse, le rapport entre la hauteur des cavités et la hauteur des pales est compris entre 10% et 40%, préférentiellement entre 15% et 25%.
De manière préférée, le rapport entre la profondeur des cavités et la longueur longitudinale du rotor est compris entre 2% et 20%, préférentiellement entre 5% et 10%.
L'invention concerne aussi une pompe polyphasique comprenant un dispositif selon l'une des variantes ou combinaisons de variantes décrites précédemment.
L'invention concerne aussi l'utilisation du dispositif tel que décrit selon l'une des variantes ou combinaisons de variantes décrites précédemment ou de la pompe polyphasique décrite précédemment, pour l'extraction de pétrole ou de gaz d'un réservoir géologique et/ou pour l'injection d'un fluide dans un réservoir géologique.

Liste des figures

D'autres caractéristiques et avantages du dispositif et/ou de la pompe selon l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.

[ Fig 1 ]
La [Fig.1] (déjà décrite) représente la composition des composantes de vitesses du fluide arrivant sur les pales du rotor du dispositif selon l'art antérieur.
[ Fig 2 ]
La [Fig.2] représente un mode de réalisation d'un dispositif de compression ou de pompage selon l'invention.
[ Fig 3 ]
La [Fig.3] représente différentes compositions de rotor caréné du dispositif de compression ou de pompage selon l'invention.
[ Fig 4 ]
La [Fig.4] représente l'effet du fluide arrivant de l'écoulement de jeu dans le moyen de réduction de la vitesse tangentielle d'un dispositif de compression ou de pompage selon l'invention.
[ Fig 5 ]
La [Fig.5] représente différentes variantes de moyen de réduction de la vitesse tangentielle d'un dispositif de compression ou de pompage selon l'invention.
[ Fig 6 ]
La [Fig.6] représente un premier exemple de stator avec un moyen de réduction de la vitesse tangentielle d'un dispositif de compression ou de pompage selon l'invention.
[ Fig 7 ]
La [Fig.7] représente un deuxième exemple de stator avec un moyen de réduction de la vitesse tangentielle d'un dispositif de compression ou de pompage selon l'invention.
[ Fig 8 ]
La [Fig.8] représente une comparaison des vitesses du fluide via simulations CFD autour d'un rotor non caréné selon l'art antérieur (a)), autour d'un rotor caréné selon l'art antérieur (b)) et autour d'un rotor caréné et d'un stator comprenant un moyen de réduction de la vitesse tangentielle d'un dispositif de compression ou de pompage selon l'invention (c)).
[ Fig 9 ]
La [Fig.9] représente des photographies d'un stator de l'art antérieur (a) et d'un stator comprenant un moyen de réduction de la vitesse tangentielle (b).
[ Fig 10 ]
La [Fig.10] représente la composition des composantes de vitesses du fluide arrivant sur les pales du rotor.
[ Fig 11 ]
La [Fig.11] représente un exemple d'un carénage circonférentiel incomplet d'un dispositif de compression ou de pompage selon l'invention.

Description des modes de réalisation

L'invention concerne un dispositif de compression ou de pompage de fluide, préférentiellement de fluide polyphasique. On appelle « fluide polyphasique » un fluide comprenant au moins deux phases : par exemple deux phases liquides séparables, une phase gazeuse et une phase liquide ou encore une phase liquide et une phase solide. Bien entendu, le fluide multiphasique peut comprendre plus de deux phases.
Le dispositif de l'invention comprend au moins un stator, au moins un rotor et un arbre de rotor. Chaque rotor est solidaire de l'arbre de rotor qui est lui-même configuré pour être entraîné en rotation autour d'un axe longitudinal. De ce fait, l'arbre de rotor peut entraîner chaque rotor en rotation, pour permettre le pompage ou la compression du fluide.
Chaque rotor comprend des pales s'étendant sensiblement radialement par rapport à l'axe longitudinal. Ainsi, le fluide arrive sensiblement dans l'axe longitudinal et il est pompé ou comprimé en passant à travers le rotor, en passant entre les pales du rotor.
De plus, au moins un rotor est un rotor caréné comprenant un carénage circonférentiel reliant les extrémités radiales périphériques des pales. En d'autres termes, le carénage circonférentiel forme une enveloppe externe d'un rotor caréné, solidaire de celui-ci. Cette enveloppe externe entoure les extrémités externes des pales. Ce carénage circonférentiel peut notamment être formé par un carénage cylindrique de section annulaire ou un carénage tubulaire.
Au sens de la présente description, des extrémités interne et externe sont relatives l'une de l'autre, l'extrémité interne étant relativement plus proche de l'axe longitudinal que l'extrémité externe (aussi appelée extrémité périphérique).
Le carénage circonférentiel peut être circonférentiellement complet ou incomplet (on tend par cela un anneau partiel). Un carénage circonférentiel complet signifie un carénage circonférentiel qui s'étend circonférentiellement tout autour du rotor en une seule partie, sans ouverture, alors qu'un carénage circonférentiel incomplet ne s'étend pas circonférentiellement tout autour du rotor : un carénage circonférentiel incomplet peut avoir au moins une ouverture (de préférence une petite ouverture) dans le carénage. Lorsque le carénage circonférentiel incomplet a seulement une unique ouverture, il peut être en une seule et unique partie. Lorsque le carénage circonférentiel incomplet a au moins deux ouvertures, il peut être en au moins deux parties distinctes séparées par les ouvertures.
La partie fixe comprend au moins une portion externe (une partie du carter) entourant chaque rotor. Cette portion externe permet de protéger l'utilisateur vis-à-vis des pièces tournantes d'une part, et permet également de contenir le fluide s'écoulant à travers le dispositif d'autre part.
Le dispositif selon l'invention comprend également un jeu entre la surface externe du carénage circonférentiel du rotor caréné (de chaque rotor caréné lorsque plusieurs rotors sont carénés) et la surface interne de la portion externe de stator entourant chaque rotor caréné. Ce jeu forme un espace sensiblement annulaire entre le rotor caréné et le carter. Ce jeu permet notamment au rotor de pouvoir tourner alors que le carter est fixe. Il entraîne cependant un écoulement de jeu dans un sens inverse de l'écoulement principal du fluide à travers chaque rotor caréné (c'est-à-dire de l'écoulement du fluide passant dans les pales du rotor caréné).
La partie fixe peut comprendre un carter (avec les différentes portions externes entourant chaque rotor) et au moins un stator.
En outre, le stator en amont du rotor caréné (de chaque rotor caréné lorsque le dispositif comprend plusieurs rotors carénés), dans le sens de l'écoulement principal du fluide dans le rotor caréné, comprend un moyen de réduction de la vitesse tangentielle du fluide arrivant de l'écoulement de jeu, chaque moyen de réduction étant positionné en vis-à-vis axial du carénage circonférentiel du rotor caréné concerné et/ou dudit jeu, en amont du rotor caréné dans le sens de l'écoulement à travers le rotor concerné (c'est-à-dire à travers les pales du rotor).
Par « le stator en amont du rotor caréné, dans le sens de l'écoulement principal du fluide dans le rotor caréné », on entend le stator qui précède le rotor dans le sens de l'écoulement principal, celui est qui juste devant le rotor concerné.
En permettant la réduction de la vitesse tangentielle du fluide sortant de l'écoulement de jeu et qui se mélange au fluide arrivant dans le rotor, on peut limiter l'impact de cette vitesse sur le fluide entrant dans le rotor. Cela permet donc d'améliorer les performances du dispositif de compression ou de pompage selon l'invention.
De plus, en positionnant le moyen de réduction en vis-à-vis du carénage et/ou du jeu, on limite les perturbations du fluide entrant dans le rotor et on peut ainsi également limiter les vibrations. Cela permet donc également d'améliorer la durée de vie du dispositif.
Avantageusement, le dispositif peut comprendre plusieurs stators et/ou plusieurs rotors, de préférence les stators et les rotors se succédant alternativement le long de l'axe longitudinal. Ainsi, il est possible de prévoir plusieurs étages de compression ou de pompage pour améliorer la performance du dispositif.
Selon une variante de l'invention, chaque rotor peut comprendre au moins une série de pales, chaque série de pales comprenant des pales régulièrement réparties autour de l'arbre de rotor sur un même plan transversal.
Selon un aspect de l'invention, chaque rotor peut comprendre au moins deux séries de pales, lesdites au moins deux séries de pales se succédant longitudinalement. En utilisant au moins deux séries de pales pour chaque rotor, les performances de compression ou de pompage peuvent être améliorées.
Par « plan transversal », on entend un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal.
L'une au moins des séries de pales des rotors peut être de forme hélicoïdale, et de préférence les séries de pales de chaque rotor sont de forme hélicoïdale.
Le dispositif peut comprendre plusieurs rotors carénés. Dans ce cas, chaque stator précédant juste en amont chaque rotor caréné dans le sens de l'écoulement principal du fluide dans le rotor caréné concerné peut comprendre un moyen de réduction de la vitesse tangentielle du fluide arrivant de l'écoulement de jeu, chaque moyen de réduction étant positionné en vis-à-vis axial du carénage circonférentiel du rotor caréné concerné et/ou dudit jeu, en amont du rotor caréné concerné dans le sens de l'écoulement principal à travers le rotor caréné concerné.
Selon un aspect de l'invention, le carénage circonférentiel du rotor caréné peut s'étendre longitudinalement sur une longueur permettant de couvrir au moins une des séries de pales, de préférence toutes les séries de pales, et, de manière encore préférée, la longueur du carénage est égale à la longueur du rotor concerné. En d'autres termes, le carénage peut être total lorsque sa longueur est égale à celle du rotor concerné, ou partiel lorsque sa longueur est strictement inférieure à celle du rotor concerné. Un carénage partiel permet de conserver un écoulement de jeu d'extrémité à l'intérieur du rotor générant du mélange et permettant l'homogénéisation d'un écoulement liquide/ gaz. Cela se fait au prix d'une réduction de l'amortissement généré par le carénage, la zone de forte friction fluide (carénage/carter) étant réduite.
De préférence, chaque moyen de réduction peut être formé par des cavités dans le stator pour réduire la vitesse tangentielle du fluide arrivant de l'écoulement de jeu. Ces cavités peuvent être en vis-à-vis de la sortie du fluide de l'écoulement de jeu (donc en vis-à-vis du jeu et/ou du carénage, en amont du rotor dans le sens de l'écoulement dans le rotor). Les cavités sont ainsi au plus près de la sortie du fluide de l'écoulement de jeu. Ce positionnement permet de limiter au maximum les perturbations du fluide liées au fluide sortant de l'écoulement de jeu. Les cavités permettent de récupérer le fluide et d'arrêter (ou de limiter) la vitesse tangentielle du fluide sortant de l'écoulement de jeu.
Les cavités peuvent être réparties circonférentiellement sur le stator de manière à assurer une efficacité homogène de la réduction de la vitesse tangentielle tout autour du rotor et ainsi limiter les vibrations. Les cavités peuvent être séparées les unes des autres par des interfaces. Les interfaces peuvent par exemple former des parois radiales entre les cavités. La multiplication de cavités et d'interfaces permet de générer des tourbillons du fluide au sein des cavités, ce qui permet de réduire considérablement la vitesse tangentielle du fluide sortant de l'écoulement de jeu, avant qu'il ne vienne se mélanger avec le fluide entrant dans le rotor.
Préférentiellement, certaines des interfaces peuvent comprendre des prolongements de pales du stator (plus précisément des pales de la roue du stator).
Préférentiellement, les cavités peuvent comprendre des rainures en créneaux (de section rectangulaire dans un plan développé) ou de section triangulaire développées dans la direction circonférentielle. Ainsi, en vis-à-vis et en amont (dans le sens de l'écoulement du fluide dans les pales du rotor) du jeu et/ou du carénage, le stator peut comprendre une portion annulaire comprenant des rainures en créneaux ou triangulaires, séparées par des interfaces comme des parois radiales. Cette disposition permet de réduire la vitesse tangentielle du fluide sortant de l'écoulement de jeu.
Lorsque les cavités comprennent des rainures de forme triangulaire, de préférence de forme de triangle rectangle, on peut définir la profondeur d_sB et l'espacement w _sB de manière à respecter l'équation suivante où γ correspond à l'angle formé par le fluide sortant de l'écoulement de jeu par rapport à un plan orthogonal à la direction longitudinale :
$\tan γ = \frac{w_{SB}}{d_{SB}}$
Cela permet d'optimiser la réduction de la vitesse tangentielle.
Si l'on souhaite fixer la profondeur d_sB, l'espacement w_sB entre les cavités peut être déterminé en fonction du nombre de cavités N_SB autour du stator et en fonction du nombre de pales du stator N_s et du rayon extérieur R_ext du stator (rayon de la section de passage du fluide dans le stator) à partir de l'équation suivante :
$N_{SB} = ⌊\frac{2 π R_{ext}}{N_{S} w_{SB}}⌋$
Alternativement, si l'on souhaite fixer l'espacement w_sB entre les cavités, on peut calculer la profondeur d_sB.
De manière avantageuse, le nombre de cavités entre deux pales successives du rotor en vis-à-vis du moyen de réduction peut être compris entre 3 et 10. Cette configuration permet une réduction suffisante de la vitesse tangentielle.
Selon un aspect de l'invention, le rapport entre la hauteur des cavités et la hauteur des pales peut être compris entre 10% et 40%, préférentiellement entre 15% et 25%.
Avantageusement, le rapport entre la profondeur des cavités et la longueur longitudinale du rotor peut être compris entre 2% et 20%, préférentiellement entre 5% et 10%.
Ces différentes configurations offrent un bon compromis entre réduction suffisante de la vitesse tangentielle et complexité de réalisation.
L'invention concerne également une pompe polyphasique pour un fluide polyphasique, comprenant un dispositif tel que décrit selon l'une des variantes ou combinaisons de variantes de la présente description.
L'invention concerne en outre l'utilisation du dispositif tel que décrit selon l'une des variantes ou combinaisons de variantes décrites dans la présente description ou de la pompe polyphasique décrite précédemment, pour l'extraction de pétrole ou de gaz d'un réservoir géologique et/ou pour l'injection et/ou le stockage d'un fluide dans un réservoir géologique.
La [Fig.2] illustre, de manière schématique et non limitative, un exemple de dispositif de compression ou de pompage de fluide selon l'invention.
Le schéma a) représente une vue d'ensemble et le schéma b) représente un zoom au niveau de l'écoulement de jeu et du carénage.
Le dispositif de compression ou de pompage de fluide selon l'invention comprend un rotor 22 qui est un rotor caréné et une partie fixe. La partie fixe comprend une portion externe 30 (qui fait partie du carter) qui entoure le rotor caréné 22 et un stator avec une roue de stator 31 (la roue de stator 31 comprenant des pales de stator).
Le rotor caréné 22 comprend ici une série de pales 20 de forme hélicoïdale mais pourrait comprend plusieurs séries sans sortir du cadre de l'invention. Le rotor caréné 22 comprend également un carénage 21a circonférentiel qui entoure les pales. Ici le carénage 21a est un carénage total qui entoure la série de pales et dont la longueur axiale est égale à la longueur axiale du rotor. Mais le carénage pourrait alternativement être un carénage partiel.
Le dispositif comprend un jeu entre la surface externe du carénage 21a et la surface interne de la portion externe 30. Ce jeu entraîne un écoulement de jeu 23a. En effet, une partie du fluide sortant du rotor caréné 22 (étant passé à travers les pales 20 du rotor 22) est aspirée dans le jeu et circule en sens inverse de l'écoulement principal 24 du fluide passant par le rotor 22.
Le stator comprend ici en vis-à-vis du carénage 21a et du jeu, un moyen de réduction 35 de la vitesse tangentielle pour réduire cette vitesse du fluide sortant de l'écoulement de jeu. Ce moyen de réduction est positionné juste en amont du rotor caréné 22, dans le sens de l'écoulement principal du fluide dans le rotor caréné 22, c'est-à-dire dans les pales 20 du rotor caréné.
Le fluide sortant de l'écoulement de jeu 23a entre dans le moyen de réduction 35 de la vitesse tangentielle qui limite la vitesse tangentielle de ce fluide. Par ce biais, le fluide entrant dans le rotor via l'écoulement 24 est moins perturbé par le fluide sortant de l'écoulement de jeu.
La [Fig.3] illustre, de manière schématique et non limitative, trois variantes de dispositif de compression ou de pompage de fluide selon l'invention.
Dans chacune des trois variantes, le dispositif de compression ou de pompage de fluide comprend un rotor caréné 22 et une partie fixe. La partie fixe comprend une portion externe 30 (faisant partie du carter) qui entoure le rotor 22 et un stator avec une roue de stator 31 (qui comprend des pales de stator).
Le rotor caréné 22 comprend ici une série de pales 20 de forme hélicoïdale, mais pourrait comprendre plusieurs séries de pales sans sortir du cadre de l'invention.
Sur le schéma a), le rotor comprend également un carénage 21a circonférentiel qui entoure les pales. Le carénage 21a est un carénage total qui entoure la série de pales et dont la longueur axiale est égale à la longueur axiale du rotor. Le carénage 21a génère un écoulement de jeu 23a entre le carénage 21a et la portion externe 30.
Sur le schéma b), le rotor caréné 22 comprend également un carénage 21b circonférentiel qui entoure les pales. Le carénage 21b est un carénage partiel qui entoure la série de pales mais dont la longueur axiale est strictement inférieure à la longueur axiale du rotor 22. Le carénage 21b génère un écoulement de jeu 23b entre le carénage 21b et la portion externe 30.
Sur le schéma c), le rotor caréné 22 comprend également un carénage 21c circonférentiel partiel dont la longueur axiale est strictement inférieure à la longueur axiale du rotor 22 et qui situé dans la section de l'écoulement principal. Le carénage 21c génère un écoulement de jeu 23c entre le carénage 21c et la portion externe 30.
La [Fig.4] illustre, de manière schématique et non limitative, une vue développée dans un plan horizontal d'un dispositif de compression et de pompage selon l'invention.
Le dispositif comprend un rotor caréné avec un carénage 21.
Ω illustre la vitesse de rotation du rotor.
Le fluide passant par l'écoulement de jeu a une vitesse absolue V_TL composée d'une vitesse tangentielle V_θTL et d'une vitesse axiale V_ZTL .
Le stator juste en amont du rotor caréné comprend ici un moyen de réduction 35 de la vitesse tangentielle positionné pour capter le fluide sortant de l'écoulement de jeu (c'est-à-dire en amont du rotor caréné, le fluide circulant dans l'écoulement de jeu ayant un écoulement inverse au fluide passant à travers le rotor, et le sens « amont » s'entendant dans le sens de la circulation du fluide dans le rotor caréné). Ce moyen de réduction 35 est en vis-à-vis du carénage 21 et du jeu. De plus, ce moyen de réduction 35 comprend des cavités 36 en créneaux, de manière à ce que le fluide sortant de l'écoulement 25 de jeu entre dans ces cavités 36 pour dissiper la vitesse tangentielle.
Pour cela, comme visible sur la figure, les cavités 36 sont séparées par des parois radiales 37 qui viennent réduire la vitesse tangentielle du fluide.
Les cavités 36 s'étendent dans la direction longitudinale et radiale.
La [Fig.5] illustre, de manière schématique et non limitative, différents types de moyens de réduction du dispositif de compression et de pompage selon l'invention.
Les différents moyens de réduction 35 des schémas a) à c) montrent des vues en développée de ces moyens de réduction.
Le schéma a) comprend un moyen de réduction 35 avec des rainures en créneaux 36 (de section rectangulaire) ; le schéma b) comprend un moyen de réduction 35 avec des rainures de forme triangulaire 37 ; le schéma c) comprend un moyen de réduction 35 avec des rainures avec des portions courbées 38.
Chaque moyen de réduction 35 peut comprendre des cavités (créneaux, triangulaires ou formes complexes selon les schémas a) à c)) de hauteur h_sB, la hauteur s'entendant de la longueur dans la direction radiale, de profondeur d_sB, la profondeur s'entendant dans la direction longitudinale (selon l'axe longitudinal du dispositif de compression ou de pompage), et l'espacement entre les cavités w_sB.
Pour les cavités rectangulaires correspondant aux rainures en créneaux du schéma a), la profondeur d_sB correspond à la longueur longitudinale du rectangle et l'espacement w_sB peut correspondre à deux fois (mais une valeur différente pourrait être utilisée) la longueur circonférentielle des cavités.
Pour les cavités triangulaires du schéma b), la profondeur d_sB correspond à la profondeur maximale de la section du triangle. Lorsque le triangle est un triangle rectangle où l'angle droit forme une surface sensiblement longitudinale, cette surface est positionnée de telle sorte que le fluide sortant de l'écoulement de jeu arrive contre cette surface de manière à réduire significativement la vitesse tangentielle, la profondeur d_sB correspond à la longueur du côté du triangle rectangle orientée dans la direction longitudinale. L'espacement w_sB peut correspondre au côté situé dans la direction circonférentielle des cavités.
Pour les cavités de forme complexe (ici courbée) du schéma c), la profondeur d_sB correspond à la profondeur maximale de la cavité. Cette cavité de forme complexe peut comprendre une surface sensiblement longitudinale, cette surface longitudinale étant positionnée de telle sorte que le fluide sortant de l'écoulement de jeu arrive contre cette surface de manière à réduire significativement la vitesse tangentielle. La profondeur d_sB peut notammentcorrespondre à la longueur longitudinale de cette surface longitudinale.
La [Fig.6] illustre, de manière schématique et non limitative, une portion de partie fixe d'un dispositif de compression ou de pompage selon l'invention.
Cette partie fixe comprend un carter avec une portion externe 30 et un stator avec une roue 31 de stator. En outre, le stator comprend un moyen de réduction 35 de la vitesse tangentielle qui comprend des rainures en créneaux qui sont positionnées juste en amont du rotor caréné (dans le sens de l'écoulement du fluide à travers le rotor caréné), de manière à capter le fluide sortant de l'écoulement de jeu (écoulement en sens inverse de l'écoulement à travers le rotor caréné). Ces rainures sont en vis-à-vis du carénage du rotor caréné et/ou du jeu entre le carénage et la portion externe 30 du carter.
Les rainures en créneaux sont ici séparées par des parois radiales formant une interface entre les rainures en créneaux.
La [Fig.7] illustre, de manière schématique et non limitative, une autre portion de partie fixe d'un dispositif de compression ou de pompage selon l'invention.
Cette partie fixe comprend un carter avec une portion externe 30 et un stator avec une roue 31 de stator. En outre, le stator comprend un moyen de réduction 35 de la vitesse tangentielle qui comprend des rainures de forme triangulaire qui sont positionnées juste en amont du rotor caréné (dans le sens de l'écoulement du fluide à travers le rotor caréné), de manière à capter le fluide sortant de l'écoulement de jeu (écoulement en sens inverse de l'écoulement à travers le rotor caréné). Ces rainures sont en vis-à-vis du carénage du rotor et/ou du jeu entre le carénage et la portion externe 30 du carter.
Les rainures de forme triangulaire sont ici séparées par des interfaces (parois radiales) formant une interface entre les rainures en créneaux.
Sur les figures 6 et 7, on peut observer que le moyen de réduction 35 comprend également des continuités des pales de la roue de stator qui forment ainsi des interfaces.
La [Fig.11] illustre, de manière schématique et non limitative, une section dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du dispositif selon l'invention.
Le dispositif comprend un rotor 22 avec plusieurs pales 20 (quatre pales sur la figure mais le rotor pourrait comprendre un nombre différent de pales) et un stator qui comprend la partie externe 30.
Le rotor 20 comprend un carénage circonférentiel 21a autour des pales afin de former un rotor caréné. Ce carénage circonférentiel 21a est circonférentiellement incomplet car il comprend différentes parties séparées par des ouvertures 60. Dans cet exemple, le carénage circonférentiel incomplet comprend quatre parties distinctes séparées par quatre ouvertures, mais un autre nombre de parties/ouvertures pourrait être utilisé. Le carénage circonférentiel incomplet est ouvert ou caréné partiellement sur la circonférence. Alternativement, le carénage circonférentiel 21a pourrait également être constitué d'une seule partie dont les extrémités circonférentielles sont séparées par une seule ouverture.
Dans une autre alternative, le carénage circonférentiel 21a pourrait être un carénage circonférentiel complet : cela signifie que le carénage circonférentiel est alors une pièce unique qui couvre toute la circonférence autour du rotor 22, sans aucune ouverture.

Exemples

La [Fig.8] illustre des comparaisons de la vitesse tangentielle à l'entrée du rotor (dans le sens de l'écoulement du fluide à travers le rotor) en mètre par seconde pour des dispositifs selon l'art antérieur et selon l'invention, issus de modélisations. La [Fig.8] est une vue en coupe dans un plan longitudinal.
Le schéma a) illustre un rotor non caréné (sans carénage) de l'art antérieur. Le schéma b) illustre un rotor caréné de l'art antérieur et le schéma c) illustre un rotor caréné avec un stator comprenant un moyen de réduction 35 de la vitesse tangentielle positionné en amont du rotor caréné et en vis-à-vis du carénage et du jeu entre le carénage et la portion externe du carter.
On observe une réduction significative de la vitesse tangentielle grâce au moyen de réduction de la vitesse tangentielle sur le schéma c) par rapport au schéma b).
De plus, avec un moyen de réduction comprenant des rainures en créneaux selon l'invention, une augmentation de la pression de 2,9% et une augmentation du rendement hydraulique de 2,1% ont été observées en comparaison avec la solution de rotor caréné de l'art antérieur (sans moyen de réduction en vis-à-vis du carénage et/ou du jeu et en amont du rotor).
Avec un moyen de réduction comprenant des rainures de forme triangulaire selon l'invention, une augmentation de la pression de 8% et une augmentation du rendement hydraulique de 1.2% ont été observées en comparaison avec la solution de rotor caréné de l'art antérieur (sans moyen de réduction en vis-à-vis du carénage 21 et/ou du jeu et en amont du rotor).
En outre, des tests expérimentaux ont été réalisés pour comparer un rotor caréné d'un dispositif de l'art antérieur (sans moyen de réduction en vis-à-vis du carénage et/ou du jeu et en amont du rotor) et un rotor caréné avec moyen de réduction en vis-à-vis du carénage et/ou du jeu et en amont du rotor d'un dispositif selon l'invention.
La [Fig.9] illustre en schéma a) un stator d'un dispositif de l'art antérieur comprenant une roue 31 de stator, sans moyen de réduction en vis-à-vis du carénage et/ou du jeu et en amont du rotor caréné et en schéma b) un stator d'un dispositif selon l'invention comprenant une roue 31 de stator, et un moyen de réduction 35 en vis-à-vis du carénage et/ou du jeu et en amont du rotor caréné. Le moyen de réduction 35 comprend ici des rainures de forme triangulaire (triangle rectangle).
Les schémas a) et b) sont des photographies des deux stators testés.
Bien entendu, les autres paramètres des deux dispositifs sont sensiblement identiques (notamment les données géométriques). Les deux dispositifs diffèrent donc seulement en ce qui concerne le moyen de réduction 35 présent dans le dispositif de l'invention et absent pour le dispositif de l'art antérieur.
La [Fig.10] illustre des images prises pendant les tests réalisés pour un dispositif selon l'invention avec un moyen de réduction comprenant des rainures de forme triangulaire. Une faible quantité de gaz (environ 5% de fraction volumique de gaz) a été injectée pour servir de traceur pour les photos et vidéos réalisées pendant les tests. Le schéma a) est une image à un débit représentant 60% du débit nominal du dispositif selon l'invention, ce qui correspond sensiblement à la valeur numérique de 59.3° trouvée par les simulations numériques, et le schéma b) est une image à un débit représentant 100% du débit nominal du dispositif selon l'invention. La vitesse de rotation du rotor est de 2 000 tours par minutes pour les deux images des schémas a) et b).
Les flèches 40a et 40b ainsi que les tourbillons 41 ont été ajoutés sur ces images pour faciliter la compréhension. Les flèches 40a et 40b représentent respectivement la direction de l'écoulement dans l'écoulement de jeu. Les flèches 40a sont inclinées d'environ 41% par rapport à l'axe longitudinal et les flèches 40b sont inclinées d'environ 60% par rapport à l'axe longitudinal. Cela montre que le fluide sortant de l'écoulement de jeu a une vitesse tangentielle non nulle (résultant de la rotation du rotor et du débit traversant le rotor).
Les tourbillons 41 dans les rainures de forme triangulaire du moyen de réduction montrent comment la vitesse tangentielle est réduite par l'effet des tourbillons générés.

Claims

Dispositif de compression ou de pompage de fluide, de préférence de fluide polyphasique, comprenant une partie fixe, au moins un rotor (22) et un arbre de rotor, chaque rotor (22) étant solidaire de l'arbre de rotor, l'arbre de rotor étant configuré pour être entraîné en rotation autour d'un axe longitudinal, chaque rotor (22) comprenant des pales (20) s'étendant sensiblement radialement par rapport à l'axe longitudinal et au moins un de l'au moins un rotor étant un rotor caréné comprenant un carénage (21, 21a, 21b, 21c) circonférentiel reliant les extrémités radiales périphériques des pales (20), la partie fixe comprenant au moins un stator et au moins une portion externe (30) entourant chaque rotor (22), le dispositif comprenant un jeu entre la surface externe de chaque carénage (21, 21a, 21b, 21c) circonférentiel du rotor caréné et la surface interne de la portion externe (30) entourant ce rotor caréné, permettant un écoulement de jeu (23a, 23b, 23c) dans un sens inverse de l'écoulement du fluide à travers ce rotor caréné, caractérisé en ce que le stator en amont du rotor caréné comprend un moyen de réduction (35) de la vitesse tangentielle du fluide arrivant de l'écoulement de jeu, chaque moyen de réduction (35) étant positionné en vis-à-vis axial du carénage (21, 21a, 21b, 21c) du rotor caréné (22) et/ou dudit jeu, en amont du rotor caréné (22) dans le sens de l'écoulement à travers le rotor caréné.
Dispositif selon la revendication 1, comprenant plusieurs stators et/ ou plusieurs rotors, de préférence les stators et les rotors se succédant alternativement le long de l'axe longitudinal.
Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque rotor (22) comprend au moins une série de pales (20), chaque série de pales comprenant des pales (20) régulièrement réparties autour de l'arbre de rotor, préférentiellement chaque rotor comprend au moins deux séries de pales se succédant longitudinalement.
Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant plusieurs rotors carénés.
Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le carénage (21, 21a, 21b, 21c) circonférentiel du rotor caréné s'étend longitudinalement sur une longueur permettant de couvrir la série ou au moins une des séries de pales, de préférence toutes les séries de pales et de manière encore préférée, la longueur du carénage (21, 21a, 21b, 21c) est égale à la longueur du rotor concerné.
Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le carénage circonférentiel est circonférentiellement complet ou circonférentiellement incomplet avec au moins une ouverture.
Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque moyen de réduction (35) est formé par des cavités dans le stator pour réduire la vitesse tangentielle du fluide arrivant de l'écoulement de jeu (23a, 23b, 23c), les cavités étant en vis-à-vis de la sortie du fluide de l'écoulement de jeu, les cavités étant réparties circonférentiellement sur le stator et séparées les unes des autres par des interfaces, préférentiellement certaines des interfaces comprenant des prolongements de pales du stator.
Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel les cavités comprennent des rainures en créneaux (36) ou de forme triangulaire (37) développées dans la direction circonférentielle.
Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel le nombre de cavités entre deux pales successives du rotor en vis-à-vis du moyen de réduction est compris entre 3 et 10.
Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel le rapport entre la hauteur des cavités et la hauteur des pales est compris entre 10% et 40%, préférentiellement entre 15% et 25%.
Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10, dans lequel le rapport entre la profondeur des cavités et la longueur longitudinale du rotor est compris entre 2% et 20%, préférentiellement entre 5% et 10%.
Pompe polyphasique comprenant un dispositif selon l'une des revendications précédentes.
Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 11 ou de la pompe polyphasique selon la revendication 12, pour l'extraction de pétrole ou de gaz d'un réservoir géologique et/ou pour l'injection d'un fluide dans un réservoir géologique.