FR2782755A1 - Turmomachine polyphasique a melange de phases ameliore et methode associee - Google Patents
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Abstract
Dispositif et méthode permettant de faire varier la pression d'un fluide polyphasique comportant au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse.Le dispositif comporte un carter, un moyeu, un arbre de rotation, des moyens permettant de faire varier la pression dudit fluide, les moyens comportent au moins deux pales délimitant un canal d'écoulement du fluide polyphasique.Il comporte aussi un ou plusieurs moyens disposés à l'intérieur d'un ou plusieurs canaux d'écoulement, ces moyens étant adaptés à générer un sillage turbulent à l'intérieur des canaux de façon à mélanger les phases liquides et gazeuse du fluide polyphasique.
Description
La présente invention concerne une turbomachine destinée à fournir ou
récupérer de l'énergie d'un fluide polyphasique, et notamment à faire varier sa pression, équipée de moyens ayant pour fonction d'améliorer le mélange des
différentes phases liquides et gazeuse soumises à la variation de pression.
Elle trouve son application notamment, mais non exclusivement, dans le domaine du pompage d'un fluide polyphasique, par exemple, un effluent diphasique
pétrolier composé d'un mélange d'huile et de gaz.
Elle peut aussi s'appliquer dans des dispositifs de détente des fluides
polyphasiques, avec récupération de travail mécanique.
Le pompage, mais aussi la détente d'un fluide polyphasique constitué d'au moins une phase liquide et d'une phase gazeuse, pose un problème difficile à résoudre. Par exemple, dans le cas de la compression d'un fluide polyphasique, l'expérience montre en effet que les performances des pompes centrifuges classiques
s'effondrent dès que le taux de gaz dépasse quelques pourcents.
Les pompes rotodynamiques classiques les mieux adaptées ne permettent pas de dépasser des taux de gaz de 20 à 25 % sans que les élévations de pressions chutent considérablement. Les autres types de pompes, telles que les pompes volumétriques alternatives ou à vis, les pompes à effet de jet,..., sont également
limitées dans leurs utilisations et leurs rendements énergétiques.
Différents dispositifs de pompage ont été développés dans l'art antérieur pour tenter d'améliorer les performances des pompes fonctionnant en écoulement polyphasique. Par exemple, les brevets français FR 2.157.437, 2.333.139, 2.471.501 et
2.665.224 divulguent des cellules hydrauliques pour des pompes axiales ou quasi-
axiales, qui présentent des géométries d'aubage et de canaux entre les aubes adaptées au pompage de fluides polyphasiques au moyen d'une géométrie et des profils d'aubages particuliers. Ces cellules assurent à la fois une limitation des accélérations et une bonne homogénéisation du fluide qui sont des éléments
indispensables à l'obtention de bonnes performances en écoulement diphasiques.
Les pompes sont composées d'une ou plusieurs cellules de ce type, montées en
étages successifs sur l'arbre de rotation.
Le brevet FR 2.743.113 décrit un dispositif comportant des aubages disposés en tandem, pour assurer le passage de la phase liquide de l'intrados à l'extrados et améliorer le mélange des phases liquides et gazeuse au niveau des canaux d'écoulement. Le brevet GB 2.287.288 montre un exemple de stator pour une pompe polyphasique axiale conçu pour alterner le sens de rotation de l'écoulement polyphasique entre la sortie du rotor et la sortie du stator, qui permettrait d'améliorer
le mélange des phases liquides et gazeuse.
Le brevet US 5.628.616 montre une autre variante o les impulseurs d'une pompe de type semi-radial ou mixed-flow comportent des ouvertures permettant la
recirculation des phases gazeuse et liquides afin d'assurer leur mélange.
La communication intitulée ", Innovative Solutions for Multiphase Pumping >, présentée en juin 1995 dans le cadre de la 7ème conférence internationale Multiphase 95 ", divulgue un compresseur de gaz humide contra-rotatif, comportant des impulseurs tournant en sens inverse autour d'un même axe de façon
à améliorer le mélange des phases gazeuse et liquides.
L'élévation de pression en écoulement polyphasique obtenu par de tels dispositifs atteint à titre d'exemple 30 à 80 % de l'élévation de pression qui serait obtenue avec un fluide monophasique dont la densité serait égale à la densité
moyenne du mélange.
L'obtention de bonnes performances avec une pompe polyphasique provient d'une large mesure de sa capacité à mélanger intimement les phases liquide et gazeuse. Toutefois, dans l'état de l'art actuel, I'écoulement polyphasique dans les cellules reste pratiquement parallèle aux surfaces des aubages, du carter et du
moyeu des cellules hydrauliques.
L'objet de la présente invention concerne un dispositif et une méthode destinés à améliorer l'augmentation des gains de pression ou des diminutions de pression auxquels sont soumis un fluide polyphasique. Le dispositif est équipé d'un ou de plusieurs moyens mécaniques ayant pour fonction d'améliorer le mélange des phases
liquide et gazeuse soumises à la variation de pression.
L'objet de la présente invention s'applique à tous les types de pompes polyphasiques rotodynamiques et plus généralement à toutes les turbomachines hydrauliques polyphasiques, par exemple les compresseurs de gaz humides ou les
turbines en régime polyphasique.
La présente invention concerne un dispositif permettant de faire varier la pression d'un fluide polyphasique comportant au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse, le dispositif comportant un carter, un moyeu, un arbre de rotation, des moyens permettant de faire varier la pression du fluide (impulseur, diffuseur), les moyens comportant au moins deux pales (6i, 6i+1) délimitant un canal
d'écoulement du fluide polyphasique.
Il est caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs moyens disposés à l'intérieur d'un ou plusieurs canaux d'écoulement, les moyens étant adaptés à générer un sillage turbulent à l'intérieur des canaux de façon à mélanger les phases liquides
et gazeuse du fluide polyphasique.
Le ou les moyens permettent par exemple de générer un écoulement hélicoïdal
simple ou double ou multiple.
La ou les hélices créées peuvent présenter un angle ca tel que l'intensité de l'écoulement étant caractérisé par un rapport rmlx (X I -Vidv avec une valeur de S comprise entre 0,3 et 0,8 et de préférence entre 0,5 et 0,75; S caractérisant l'intensité de la rotation de l'écoulement, et plus précisément étant défini comme le rapport du flux du moment cinétique de rotation au flux de la quantité de
mouvement longitudinal.
Les moyens peuvent être un ou plusieurs " bourrelets - ayant une forme
hélicoïdale et disposé en hélice sur les parois des aubes et du moyeu.
Les bourrelets sont disposés par exemple à l'intérieur d'au moins un canal
d'écoulement d'un ou de plusieurs impulseurs et/ou diffuseurs.
La hauteur d'un bourrelet est par exemple comprise entre 1/5 et 1/10 de la largeur du ou des canaux d'écoulement, la largeur du ou des canaux d'écoulement
étant définie par exemple par la distance minimum entre deux pales successives.
Le dispositif destiné à communiquer de l'énergie à un fluide polyphasique se caractérisé en ce que les moyens peuvent être formés par une ou plusieurs rainures en hélice creusées sur une des parois au moins formant le canal d'écoulement et sur
au moins une partie de sa longueur.
La rainure a par exemple une profondeur comprise entre 1/20 et 1/10 de
l'épaisseur d'une pale formant le canal d'écoulement.
L'hélice est par exemple à pas variable.
La ou lesdites rainures sont par exemple positionnées au niveau d'au moins un
impulseur ou au moins un redresseur.
Le dispositif destiné à communiquer de l'énergie à un fluide polyphasique comporte par exemple au moins un des éléments suivants: une bande tordue, une pale auxiliaire, les éléments étant disposés dans un ou plusieurs des canaux d'écoulement. Le moyen est par exemple une bande tordue disposée à proximité de l'entrée
d'un ou de plusieurs canaux d'écoulement.
La présente invention concerne également une méthode pour améliorer le transfert d'énergie réalisé au sein d'un dispositif ayant pour fonction de faire varier la pression d'un fluide polyphasique comportant au moins une phase gazeuse et une phase liquide, le dispositif comportant un ou plusieurs canaux d'écoulement. La méthode selon l'invention est caractérisée en ce que l'on fait passer le fluide dans au moins un canal d'écoulement formé par au moins deux moyens permettant de faire varier la pression tels que des pales, un moyeu et un carter, ledit canal étant équipé de moyens mécaniques permettant de générer un sillage turbulent afin d'augmenter
le mélange des phases liquides et gazeuse.
On peut imposer à l'écoulement au moins une rotation hélicoïdale à l'intérieur du
canal de façon à augmenter le mélange des phases liquide et gazeuse.
L'écoulement est par exemple un écoulement hélicoïdal simple tel que le rapport calculé dans au moins une section transversale du canal, du flux cinétique au flux de quantité de mouvement longitudinale soit compris entre 0,3 et 0,8 et de préférence
entre 0,6 et 0,75.
L'écoulement hélicoiïdal a par exemple un sens inverse au sens de rotation des
parties mobiles du dispositif.
On génère, par exemple, au moins deux hélices à l'intérieur d'un même canal, les deux hélices ayant un sens de rotation inverse, ledit sens allant du carter vers le centre du canal d'écoulement. On peut faire varier le pas de l'hélice de manière à le réduire progressivement pour transformer l'énergie cinétique de translation de la phase liquide ou des phases
liquides en énergie de rotation et réduire ainsi leur vitesse d'écoulement longitudinale.
Le dispositif et la méthode selon l'invention verront avantageusement leur
utilisation pour le pompage d'un fluide polyphasique, tel qu'un effluent pétrolier.
Le dispositif et la méthode selon la présente invention vont permettre d'étendre les performances des machines adaptées à la compression ou à la détente d'un fluide
polyphasique vers celles qui sont obtenues à l'aide des machines monophasiques.
Dans le cas d'un dispositif de pompage polyphasique, le mouvement hélicoïdal que peut prendre un fluide permet d'augmenter l'élévation de pression fournie par chaque cellule de compression et d'améliorer ses performances globales. Dans le cas d'une application à une turbine, il conduit à une augmentation de la puissance
mécanique fournie à détente constante.
D'autres avantages et caractéristiques du dispositif selon l'invention seront
mieux compris à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif en se
référant aux figures annexées o: À la figure 1 représente une vue en perspective d'une cellule de compression selon l'art antérieur, les figures 2 et 4 représentent le comportement du fluide en écoulement dans les cellules hydrauliques de l'art antérieur, les figures 3A et 3B schématisent deux variantes de mouvement communiqués au fluide polyphasique en écoulement, et les figures 5, 6, 7 et 8 représentent différents moyens permettant d'imposer la structure d'écoulement du fluide pour améliorer le mélange des phases gazeuse et liquides. De manière à mieux faire comprendre le dispositif et la méthode selon
l'invention, la description qui suit, donnée à titre illustratif et nullement limitatif,
concerne un dispositif adapté à la compression d'un fluide polyphasique.
L'invention consiste à favoriser l'interaction entre les phases en créant des écoulements plus complexes que ceux réalisés selon l'art antérieur à l'intérieur d'un ou plusieurs canaux du dispositif de compression. L'écoulement peut être un simple
sillage turbulent ou de préférence une structure plus organisée.
De tels types d'écoulement permettent d'augmenter la longueur du trajet
moyen des particules fluides et ainsi l'interaction entre les phases précitées.
Le travail mécanique fourni par les impulseurs d'une pompe se transforme en énergie dans le fluide, plus précisément en enthalpie, proportionnellement au débit massique des phases, et se transmet donc essentiellement à la phase ou aux phases les plus denses. En absence d'interactions entre les phases ou si les interactions sont faibles, I'augmentation de pression, qui doit rester identique entre toutes les phases, est principalement fixée par la phase gazeuse. L'enthalpie excédentaire des phases denses se traduit essentiellement par une accélération de cette phase, avec un ralentissement corrélatif de la phase gazeuse. Pour obtenir des performances acceptables d'une pompe polyphasique, il est essentiel qu'un transfert d'énergie et de
quantité de mouvement se produisent entre les liquides et le gaz.
En favorisant le mélange des phases, on facilite le transfert de la quantité de mouvement de la phase liquide vers la phase gazeuse, et de fait le transfert d'énergie imprimé au fluide polyphasique ou la compression de ce dernier (ou taux de compression). Le mouvement généré dans un ou plusieurs canaux peut notamment être un
écoulement en forme d'hélice, I'hélice pouvant être plus ou moins complexe.
La figure 1 représente, vu en perspective, un exemple non limitatif d'un élément ou cellule de pompe polyphasique selon l'art antérieur comportant un
impulseur et un redresseur ou diffuseur disposés dans un carter 1.
L'impulseur 2 est solidaire d'un moyeu 4 solidaire lui-même de l'arbre de rotation 5 qui, pendant le fonctionnement du dispositif est entraîné en rotation dans le
sens indiqué par la flèche ?.
Le redresseur 3 est solidaire du carter 1 par des moyens habituellement
utilisés par l'Homme du métier.
L'impulseur comporte des pales, aubes ou aubages 6i. Deux aubages consécutifs 6i; 6i+1, le carter 1 et le moyeu 4 délimitent un canal 7 de circulation ou
canal d'écoulement pour le fluide polyphasique en écoulement.
La flèche É donne le sens de l'écoulement.
Les caractéristiques géométriques des aubes et/ou des canaux de circulation du fluide peuvent présenter des caractéristiques géométriques et dimensionnelles telles que celles décrites dans l'un des brevets précités du demandeur français
FR 2.157.437, 2.333.139, 2.471.051 et 2.665.224 ou du brevet GB 2.287. 288.
La figure 2 schématise un diagramme d'écoulement secondaire des fluides dans une section droite des canaux, qui peut se présenter de manière naturelle du fait
de la rotation de l'impulseur 2.
Dans les pompes axiales ou quasi-axiales, la composante prépondérante de la vitesse d'écoulement du fluide polyphasique est parallèle à l'axe de rotation. Dans les parties tournantes de ces pompes, I'accélération relative du fluide circulant dans les canaux et l'accélération centrifuge produite par la rotation, sont à peu près équilibrées par l'accélération complémentaire de Coriolis donnée par le produit vectoriel 2 Q A V, avec Q2 le vecteur rotation instantané du rotor et W la vitesse relative des particules fluides par rapport à l'impulser. Cette accélération complémentaire est dirigée vers l'axe de la pompe lorsque l'on considère des orientations habituelles de
Q. et WV conduisant à l'augmentation de l'énergie dans le fluide.
L'équilibrage exact entre les différentes composantes d'accélération radiale n'est obtenu que pour une vitesse particulière W'qui est fonction de l'angle des vecteurs Q et IV, c'est-à-dire de l'angle local moyen du canal par rapport à l'axe de la pompe. La vitesse assurant l'équilibrage n'étant pas forcément la même tout au long du canal, les valeurs des angles des aubes peuvent être choisies dans les plages de valeurs données dans les brevets prémentionnés, afin de limiter l'amplitude
des accélérations.
Au voisinage de la paroi des aubages, la vitesse W' du fluide est ralentie dans l'épaisseur de la couche limite. L'accélération complémentaire de Coriolis est diminuée et l'accélération résultante est dirigée vers le carter de la pompe, introduisant un déséquilibre hydrodynamique dans le plan transversal aux canaux d'écoulement. Ce phénomène complémentaire assure un brassage naturel limité de l'écoulement. Le degré de rotation ainsi généré, représenté sur la figure 2, contribue à homogénéiser le fluide polyphasique, le déséquilibre des accélérations restant
confiné dans une épaisseur relativement faible de la couche limite.
Par exemple, avec le diamètre hydraulique Dh des canaux d'impulseurs réalisés selon les enseignements des brevets mentionnés précédemment, qui est compris entre 20 et 35 mm, la vitesse relative moyenne du fluide par rapport aux parois des canaux atteint dans des conditions habituelles d'utilisation de ces pompes, des vitesses au moins supérieures à 50 à 70 m/s. La viscosité cinématique des liquides pompés est par exemple comprise entre 1 et 100 cStockes. Dans de telles conditions, I'Homme de métier peut, en utilisant la théorie de la couche limite, déterminer l'épaisseur de déplacement qui correspond à la zone o le fluide est freiné par la présence de la paroi et qui est de l'ordre de quelques dizaines de microns à
environ un millimètre.
Un des moyens utilisés pour augmenter le transfert de la quantité de mouvement des phases liquides vers la phase gazeuse selon l'invention, consiste à
augmenter le volume de fluide mis en rotation à l'intérieur des canaux.
Par exemple, il est possible d'imposer de façon artificielle une rotation autour de la direction principale d'écoulement afin que les trajectoires fluides forment une hélice dans un repère lié au rotor. Différentes variantes de réalisation sont données
aux figures 3A, 3B et les moyens pour y parvenir aux figures 5 à 8.
Les figures 3A et 3B schématisent respectivement le ou les mouvements en hélice simple ou double obtenus par exemple en utilisant les moyens mécaniques prémentionnés dans un ou plusieurs canaux d'écoulement, dont certains exemples sont décrits aux figures 5 à 8. La disposition et le choix de ces moyens seront fonction du brassage du fluide à assurer pour obtenir une meilleure homogénéité des phases
gazeuse et liquides, et de la nature physique du fluide polyphasique pompe.
L'hélice simple ou double est obtenue artificiellement en provoquant une rotation autour de la direction principale d'écoulement à l'aide des moyens
mécaniques décrits ci-dessous.
La figure 3A schématise un exemple d'hélice simple pour lequel le sens
d'écoulement du fluide va dans un sens inverse au sens de rotation de l'impulseur.
L'expression hélice simple correspond à un mouvement hélicoïdal qui s'effectue dans un seul sens à l'intérieur des canaux Dans certains cas, pour compenser l'augmentation de pression plus faible du fait de ce mouvement hélicoïdal, la courbure de l'aube sera augmentée en conséquence. Sur la figure 3B, on a schématisé un exemple o il y a génération de deux hélices à l'intérieur d'un même canal. L'expression hélice double décrit deux mouvements hélicoïdaux générés au sein d'un même canal d'écoulement et en sens inverse. Selon un mode de réalisation dans les impulseurs. le mouvement imposé au fluide est de préférence orienté du carter au voisinage immédiat des aubages 6, 6+,1 vers le centre du canal pour bénéficier des tendances naturelles créées par
l'accélération complémentaire de Coriolis.
Les hélices de fluide ainsi formées peuvent présenter des pas variables, la variation de pas étant réalisée suivant l'axe d'écoulement du fluide à l'intérieur du canal. La distance entre deux points homologues de l'hélice diminue par exemple
progressivement, le long du canal de l'écoulement.
La figure 4 schématise une coupe longitudinale d'un impulseur montrant la répartition des phases gazeuse et liquides, ainsi que les vitesses résultant de l'effet des forces centrifuges. La phase gazeuse G légère est concentrée au centre du canal et les phases liquides L à la périphérie. Cette figure montre que la concentration de la phase gazeuse croît des parois vers le centre des canaux. Ce phénomène contribue à favoriser le transfert d'énergie et de quantité de mouvement par deux effets: la géométrie de l'écoulement permet d'augmenter la surface d'interaction, et donc les transferts d'énergie et de quantité de mouvement entre les phases, si on le compare à un écoulement habituel présentant uniquement un gradient de concentration transversal unidirectionnel, la partie centrale gazeuse de l'écoulement tend à se contracter dans la direction axiale si la rotation n'est pas trop rapide, ce qui implique un ralentissement du ou des liquides périphériques et une accélération du gaz, ce qui correspond à l'effet
recherché.
L'intensité de la rotation de l'écoulement peut être caractérisée par le rapport a-dimensionnel S: jJ =f,, (.w,.- vu,,)dxcly Sa 1.}f uIi cdvdv o u1 est la composante longitudinale de la vitesse, ux et uy ses composantes transversales (dans le plan de rotation), r= l-v Y+. les intégrales étant calculées sur une section droite transversale du canal et l'origine des axes étant située au
barycentre de la section.
Dans le cas o l'on réalise un écoulement en hélice double, le calcul de S
s'effectue sur une moitié de la section transversale du canal d'écoulement.
Ce rapport sans dimension caractérise en fait le rapport du flux du moment
cinétique au flux de la quantité de mouvement longitudinale.
On cherchera à travailler avec une valeur de S suffisamment importante pour augmenter la longueur d'interaction des phases liquides et gazeuse mais pas trop pour éviter que les forces centrifuges dues à cette rotation ne séparent les phases et aboutissent à l'effet contraire à celui recherche. Pour cela, les moyens mécaniques disposés à l'intérieur d'un canal d'écoulement, dont certains exemples sont donnés à titre illustratif aux figures 5 à 8 seront dimensionnés et disposés dans le canal
d'écoulement de manière à obtenir la valeur de S souhaitée.
La composante longitudinale de la vitesse u, est fixée par les conditions de fonctionnement nominal de la pompe, dépendant de sa vitesse de rotation et de ses caractéristiques géométriques générales. Le calcul de u1, bien connu de l'homme de
métier ne sera pas explicité.
La composante transversale de rotation ut = (ux2 + uy2) est habituellement nulle ou de faible valeur dans les pompes présentant les caractéristiques de l'art antérieur. Dans les dispositifs réalisés selon l'invention, la valeur de la composante transversale prend une valeur non nulle imposée par les moyens mécaniques
disposés dans les canaux.
De manière à obtenir les meilleures performances et à utiliser au mieux les spécificités de la présente invention, la géométrie et les dimensions des moyens mécaniques positionnes dans les canaux seront choisis pour imposer des vitesses de rotation ayant une composante de rotation ut dont la valeur est telle que le rapport S donné ci-dessus soit compris dans une intervalle variant de 0,3 et 0,8 et de
préférence entre 0,5 et 0,75.
Selon l'art antérieur, I'écoulement naturel hélicoïdal décrit ci-dessus est
caractérisé par des valeurs de S qui sont très faibles, bien inférieures à 0,1.
En faisant l'hypothèse que les vitesses ut et ui sont uniformes sur la section transversale de calcul, I'expression de S se simplifie en Ill tII/,/\.'! usr rb 1 S=- 2;rff rdd, avec r.,,,,.e.. (aire de la Section)
le rapport de ut/ul correspond à la tangente de l'angle ca de l'hélice.
S est donc proportionnel à la tangente de l'angle de l'hélice, la valeur du rapport de proportionnalité dépendant de la forme de la section du canal et de la
distribution de l'écoulement dans le canal.
De façon générale, on peut définir la tangente de l'angle par tg a _= k * S avec k: facteur de proportionnalité qui dépend notamment de la géométrie des aubes et des canaux ainsi que des caractéristiques de l'écoulement (nature, vitesse d'écoulement). La valeur de k peut être obtenue expérimentalement par des mesures de vitesse ou bien calculée en appliquant les outils logiciels connus de l'Homme du métier, tels que des méthodes d'éléments finis, ou tout autre moyen disponible dans
ce domaine technique.
Connaissant la valeur de k pour les canaux d'écoulement d'un diffuseur ou d'un impulseur dans lequel on souhaite générer un écoulement en forme d'hélice, (simple ou double) et en considérant les valeurs de S à obtenir, on définit la valeur de
l'angle a que doit posséder l'hélice.
En considérant une valeur de k égale à 1,2 et en cherchant à vérifier une valeur pour S comprise entre 0,3 et 0,8, on définira une hélice ayant un angle tel que la valeur de sa tangente est 0,6 < tg a < 0,9, et plus généralement 0,35 < tg (x < 1,0 Les dispositifs décrits peuvent être ainsi dimensionnés par approximations successives en déterminant à chaque fois, expérimentalement ou par le calcul, la valeur du facteur de proportionnalité k obtenu à l'étape i, puis en corrigeant les dimensions à l'étape i+1 pour obtenir l'angle a ou le nombre S dans l'intervalle désiré. La figure 5 montre une première variante de réalisation du dispositif selon l'invention, o les moyens utilisés pour créer une hélice ou un mouvement du fluide en forme d'hélice sont formés d'un bourrelet 11 disposé de manière hélicoïdale sur les parois des canaux, de préférence sur le moyeu et les aubages délimitant en partie
un canal d'écoulement.
Ce bourrelet peut être réalisé pratiquement par le dépôt d'un cordon d'une soudure sur le moyeu et sur les deux parois des pales délimitant le canal d'écoulement du fluide. Les dimensions du bourrelet et la manière (pas entre deux parties consécutives 11 b déposées sur le moyeu ou sur les parois, forme du bourrelet pour les trois parties 11a, 11b, 11c (non visible sur la figure) jointives déposées sur la première pale, le moyeu et la deuxième pale) dont il est déposé sont tels que l'on génère un mouvement en forme d'hélice ayant un angle (J. permettant d'obtenir la
valeur de S souhaitée.
La hauteur du bourrelet sera par exemple choisi dans une gamme de valeurs comprises entre 1/5 et 1/8 de la valeur de la largeur du canal d'écoulement dans lequel il se trouve déposé. La largeur du canal est définie comme étant la plus petite
distance entre deux pales consécutives.
La valeur du pas entre deux parties consécutives du bourrelet déposées sur le
moyeu ou sur les pales peut être variable comme il a été défini précédemment.
Le bourrelet peut être disposé sur une partie uniquement de la longueur des pales et du moyen délimitant en partie le canal d'écoulement ou sur sa totalité, en
considérant le sens de l'écoulement du fluide.
Une autre variante de réalisation consiste à former des rainures (non
représentées sur les figures) dans les parois précitées des pales et du moyeu.
De manière identique, les rainures ont des dimensions et une disposition
définies de manière à générer l'écoulement hélicoïdal souhaité et respecter l'angle c..
Pour des rainures, le creux des rainures pourra varier entre 1/10 et 1/20 de l'épaisseur de la paroi dans laquelle elle se trouve, en tenant compte de la tenue mécanique de l'ensemble. Le pas entre deux rainures consécutives disposées respectivement sur le moyeu ou les pales pourra être choisi pour obtenir une hélice à pas variable. Les parties jointives 1 2a, 1 2b et 1 2c des rainures au niveau des pales et du moyen par exemple seront telles qu'elles permettent d'obtenir un mouvement en hélice ayant un angle u. permettant d'obtenir la valeur de S souhaitée. L'utilisation de rainures apparaît comme étant mieux adaptée pour des pales
dites épaisses.
Le début de l'hélice ainsi formé est disposé de préférence au voisinage de
l'entrée du canal.
La figure 6 montre une autre variante de réalisation o les moyens sontformés par une ou plusieurs bandes 13 tordues en hélice qui sont disposées à l'intérieur d'un
ou plusieurs canaux d'écoulement.
En dénommant 3 I'angle de torsion de la bande, la valeur de 3 est choisie pour
être identique à la valeur de l'angle c( permettant d'obtenir la valeur de S souhaitée.
Une bande peut avoir une longueur " I -choisie pour être supérieure ou égale
à 14 de tour de l'hélice générée.
Dans le cas o il n'y a qu'une bande dans le canal, elle peut être placée par exemple au voisinage de l'entrée en considérant le sens d'écoulement du fluide polyphasique. La bande a une forme et une géométrie telle qu'elle s'étend sur au
moins une partie de la longueur de ce canal.
De telles bandes hélicoïdales sont efficaces pour générer des écoulements tournants. Ces moyens assurent une mise en rotation du fluide dans un seul sens. Cette variante de réalisation sera utilisée préférentiellement dans les stators ou parties
tournantes du dispositif de compression.
Pour réaliser un écoulement en double rotation tel que décrit à la figure 3B, il est possible de procéder en disposant à l'intérieur du canal d'écoulement, un moyen
tel que décrit à la figure 7.
Le canal d'écoulement est pourvu d'un aubage 14 circonférentiel de petite taille, disposé au niveau de la section d'entrée, dont la section transversale est appropriée pour dévier le fluide près du carter à proximité des aubages et vers le moyeu dans la partie centrale des canaux. Cet aubage de petite taille est désignée
comme une aube auxiliaire.
L'aubage 14 peut comporter au moins trois parties, 14a, 14b, 14c, les parties 14a, 14c les plus proches du carter étant sensiblement égales au quart de la largeur 1 comprise entre deux aubes successives 6, 6.l, et la partie 13b à la moitié de cette largeur. La forme et la dimension données aux parties 14a et 14c est telle que la déviation du fluide en écoulement se fait par exemple vers le carter alors que la forme
donnée à la partie 14b permet de dévier le fluide vers le moyeu.
De cette manière ou génère les deux hélices ayant un sens inverse à l'intérieur
d'un même canal d'écoulement.
La déviation du fluide correspond au changement de direction du fluide entre la direction d'écoulement qu'il possède à l'entrée du canal d'écoulement et la direction
qu'il possède à l'extrémité des parties précitées de l'aube.
Une autre variante de réalisation du dispositif selon l'invention est décrit à la
figure 8.
Dans cet exemple des aubes 15 dites - aubes intermédiaires, qui présentent notamment comme particularité d'être plus courtes que les aubes principales sont disposées par exemple dans le tiers antérieur de la longueur du canal d'écoulement et possèdent un rapport d'élancement longueur/hauteur d'environ 1 et peut être
inférieur à 1.
Ces aubes présentent une section transversale profilée au bord d'attaque mais pas au bord de fuite. De telles aubes sont habituellement utilisées par l'Homme de
métier pour obtenir un sillage important.
Sans sortir du cadre de l'invention, il est possible de disposer à l'intérieur d'un ou plusieurs canaux d'écoulement du fluide tout moyen physique ayant pour fonction de brasser artificiellement l'écoulement. Les moyens peuvent présenter une forme plus ou moins complexe et être disposés dans la partie antérieure du canal d'écoulement par exemple. (on considère toujours le sens d'écoulement du fluide polyphasique) Sans sortir du cadre de l'invention, toutes les variantes de réalisation données pour les impulseurs peuvent s'appliquer au niveau des redresseurs ou stators parties
fixes des cellules hydraulique.
Claims (15)
1 - Dispositif permettant de faire varier la pression d'un fluide polyphasique comportant au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse, ledit dispositif comportant un carter (1), un moyeu (4), un arbre de rotation (5), des moyens (2, 3) permettant de faire varier la pression dudit fluide, lesdits moyens comportant au moins deux pales (6i, 6i+1) délimitant un canal d'écoulement (7) du fluide polyphasique, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs moyens (11a, 11b, 13, 14, 15) disposés à l'intérieur d'un ou plusieurs canaux d'écoulement, lesdits moyens étant adaptés à générer un sillage turbulent à l'intérieur des canaux de façon à
mélanger les phases liquides et gazeuse du fluide polyphasique.
2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou lesdits moyens
permettent de générer un écoulement hélicoïdal simple ou double ou multiple.
3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la ou les hélices créées présentent un angle c. tel que l'intensité de l'écoulement étant caractérisé par un rapport J' (,t, - v)ilv 1,,J} w d2cxclx' ].... ff /',' 2dYd/
avec une valeur de S comprise entre 0,3 et 0,8 et de préférence entre 0, 5 et 0,75.
4 - Dispositif selon l'une des revendications 2 à 3, destiné à communiquer de l'énergie
à un fluide polyphasique caractérisé en ce que lesdits moyens sont un ou plusieurs bourrelets - (l1 a, 11b, 11c) ayant une forme hélicoïdale et disposés en hélice sur
les parois des aubes et du moyeu.
5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits bourrelets sont disposés à l'intérieur d'au moins un canal (7) d'écoulement d'un ou de plusieurs
impulseurs (2) et/ou diffuseurs (3).
6 - Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la hauteur
d'un bourrelet est comprise entre 1/5 et 1/10 de la largeur du ou des canaux d'écoulement. 7 - Dispositif selon la revendication 2, destiné à communiquer de l'énergie à un fluide polyphasique caractérisé en ce que lesdits moyens sont formés par une ou plusieurs rainures en hélice creusées sur une des parois au moins formant le canal
d'écoulement et sur au moins une partie de sa longueur.
8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la rainure a une profondeur comprise entre 1/20 et 1/10 de l'épaisseur d'une pale formant le canal d'écoulement.
9 - Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la ou
lesdites rainures sont positionnées au niveau d'au moins un impulseur ou au moins
un redresseur.
- Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 9, caractérisé en ce que ladite
hélice est à pas variable.
11 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, destiné à communiquer de
l'énergie à un fluide polyphasique comportant au moins un des éléments suivants: une bande tordue (13), une pale auxiliaire (14), lesdits éléments étant disposés dans
un ou plusieurs desdits canaux d'écoulement (7).
12 - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit moyen est une bande tordue (13) disposée à proximité de l'entrée d'un ou de plusieurs canaux d'écoulement. 13 - Méthode pour améliorer le transfert d'énergie réalisé au sein d'un dispositif ayant pour fonction de faire varier la pression d'un fluide polyphasique comportant au moins une phase gazeuse et une phase liquide, ledit dispositif comportant un ou plusieurs canaux d'écoulement, caractérisée en ce que l'on fait passer ledit fluide dans au moins un canal d'écoulement (7) formé par au moins deux moyens permettant de faire varier la pression tels que des pales (6i, 6i+1), un moyeu (4) et un carter (1), ledit canal étant équipé de moyens mécaniques (11 a, 1 1 b, 13, 14, 15) permettant de générer un sillage turbulent afin d'augmenter le mélange des phases liquides et gazeuse.
14 - Méthode selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'on impose audit écoulement au moins une rotation hélicoïdale à l'intérieur du canal de façon à
augmenter le mélange des phases liquide et gazeuse.
- Méthode selon la revendication 13, caractérisée en ce que ledit écoulement est un écoulement hélicoïdal simple tel que le rapport calculé dans au moins une section transversale du canal, du flux cinétique au flux de quantité de mouvement
longitudinale soit compris entre 0,3 et 0,8 et de préférence entre 0,6 et 0,75.
16 - Méthode selon la revendication 15, caractérisée en ce que ledit écoulement
hélicoïdal a un sens inverse au sens de rotation des parties mobiles du dispositif.
17 - Méthode selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'on génère au moins deux hélices à l'intérieur d'un même canal, les deux hélices ayant un sens de rotation
inverse, ledit sens allant du carter vers le centre du canal d'écoulement.
18 - Méthode selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisée en ce que l'on fait
varier le pas de l'hélice de manière à le réduire progressivement pour transformer I'énergie cinétique de translation de la phase liquide ou des phases liquides en
énergie de rotation et réduire ainsi leur vitesse d'écoulement longitudinale.
19 - Utilisation du dispositif selon les revendications 1 à 12 ou de la méthode selon les
revendications 13 à 18 pour le pompage d'un fluide polyphasique.
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