FR3062178B1 - Pompe a barillet avec plateau oscillant - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une pompe à barillet (1) avec plateau oscillant (7), pour laquelle l'angle d'inclinaison du plateau rotatif (2) par rapport à l'arbre d'entraînement (5) est réglable au moyen d'une rotule à doigt (8).

Description

La présente invention concerne le domaine des pompes, en particulier pour le pompage haute pression, notamment pour des opérations de forage.

De nos jours, les pompes à vilebrequins sont les plus répandues dans l’ensemble des secteurs de l’industrie : les biens d’équipement, les industries pétrolière, gazière et agroalimentaire, le secteur automobile, le bâtiment (chauffage, puits, climatisation, pompes à eau, etc.) et plus spécifiquement pour le traitement de l’eau et des déchets (réseau d’eau et d’assainissement). Néanmoins, elles sont encore construites à partir de concepts datant des années 1930, et ne font l’objet que de très peu d’études de recherche et développement pour améliorer leurs performances, réduire leur coût de revient, minimiser les frais de maintenance ou diminuer leur empreinte environnementale. Ces pompes présentent des limites en termes de puissance, de couple pression / débit (limité par des « coups de bélier » générés par la pression sinusoïdale du vilebrequin), de poids, de rendement et de durée de vie. De plus, elles ne permettent pas d’avoir une cylindrée variable et manquent donc de flexibilité d’utilisation.

En outre, dans le domaine de la production d’hydrocarbures, on observe actuellement que les forages doivent atteindre des profondeurs de plus en plus importantes, ce qui implique de travailler avec des pressions d’injection toujours plus élevées. Les compagnies pétrolières ont donc besoin de pompes (par exemple pour l’injection de boues de forage) à très haute pression pour atteindre les profondeurs requises. Ces dernières doivent également être fiables, économiques, flexibles et compactes, afin de répondre aux demandes toujours plus exigeantes du secteur de l’énergie.

Une autre technologie de pompe volumétrique est la pompe à barillet. Majoritairement destinées au pompage à plus faible pression et débit (elles sont principalement utilisées dans le pompage des huiles hydrauliques), elles offrent de nombreux avantages : • Excellent rapport poids / puissance • Très bon rapport qualité / prix • Rendements mécaniques et volumétriques intéressants • Possibilité de cylindrée variable en réglant l’inclinaison du plateau

Les pompes conçues avec un barillet fonctionnent à l’aide d’un système de plateau tournant qui actionne les différents pistons les uns à la suite des autres. Lorsqu’un piston est en phase d’admission, le piston opposé est en mode refoulement, ce qui offre un flux constant en amont et aval de la pompe. La répartition des positions des pistons avec un guidage par le barillet assure une distribution des efforts progressive lors de la rotation de l’arbre entraîné par le moteur.

Il existe trois grandes architectures de pompe à barillet : • Les pompes à barillet fixe (figure 1) : dans cette configuration de pompe 1, où le barillet est fixe, c’est le plateau incliné 2 qui tourne (entraîné par l’arbre 5) afin de générer le mouvement des pistons 3 dans leurs chemises 4. La liaison entre les pistons 3 et le plateau 2 est alors assuré par des patins rotulés qui frottent sur le plateau 2. L’avantage ici est d’avoir une très faible inertie des pièces en rotation. • Les pompes à barillet rotatif (figure 2) : au sein de la pompe 1, c’est le plateau 2 qui est fixe et le barillet 6 portant les pistons 3 est en rotation, assurant ainsi le mouvement des pistons 3 dans leurs chemises 4. La liaison piston 3 - plateau 2 est assurée de la même manière que pour la première configuration. L’avantage de cette architecture est que l’on peut aisément rendre le plateau réglable en inclinaison et ainsi avoir la possibilité de cylindrée variable. En revanche, l’inertie des pièces en rotation augmente de façon non négligeable puisque le barillet et l’ensemble des pistons sont mis en rotation. • Les pompes à barillet avec plateau oscillant : le barillet est fixe dans cette architecture et l’on a deux plateaux, un premier plateau incliné est en rotation et transfère au second plateau uniquement le mouvement d’oscillation. Ainsi on peut lier les pistons au second plateau oscillant sans la nécessité d’éléments frottants, par exemple avec une bielle liée au piston et au plateau par des liaisons rotules. C’est la seule architecture adaptée au pompage haute pression du fait de l’absence d’éléments frottant (on en trouve d’ailleurs quelques-unes sur le marché de la géothermie). Elle offre également un excellent rendement mécanique.

Des exemples de pompes à barillet avec cylindrée variable, pour lesquels l’inclinaison du plateau rotatif est réglable sont décrits dans les demandes de brevet : US 2014/0186196, US 6,176,684, US 5,295,796. Pour les pompes décrites dans ces demandes de brevet, les systèmes de réglage de l’inclinaison sont soit un servo-piston, soit un système avec moteur électrique et cames, soit un système hydraulique. Ces systèmes sont complexes et ne donnent pas complètement satisfaction.

Pour pallier ces inconvénients, la présente invention concerne une pompe à barillet avec plateau oscillant, pour laquelle l’angle d’inclinaison du plateau rotatif par rapport à l’arbre d’entraînement est réglable au moyen d’une rotule à doigt. Ainsi, l’inclinaison du plateau est réglable de manière continue, ce qui permet une cylindrée variable. De plus, la pompe selon l’invention permet une bonne flexibilité grâce à la variation continue de la cylindrée unitaire, ainsi qu’une bonne fiabilité grâce à la possibilité de mise en fonctionnement progressive de la pompe. En outre la réalisation sous forme d’une pompe à barillet permet une conception compacte de la pompe.

Le dispositif selon l’invention L’invention concerne une pompe à barillet comprenant un carter et comprenant au sein dudit carter : - un arbre d’entraînement, - un plateau rotatif entraîné par ledit arbre d’entraînement, - un plateau oscillant entraîné en oscillation par ledit plateau rotatif, et ledit plateau oscillant étant en liaison pivot selon l’axe dudit plateau rotatif par rapport audit plateau rotatif, - un bloc cylindre comportant au moins deux chambres de compression répartis circonférentiellement, et - au moins deux pistons en translation respectivement dans lesdites chambres de compression dudit bloc cylindre, lesdits pistons étant entraînés par ledit plateau oscillant au moyen de bielles,

Ledit plateau rotatif est entraîné par ledit arbre d’entraînement au moyen d’une rotule à doigt, la position de ladite rotule à doigt déterminant l’inclinaison dudit plateau rotatif et dudit plateau oscillant par rapport audit arbre d’entraînement.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la pompe comporte une bielle de rappel, ladite bielle de rappel étant en liaison rotule avec ledit carter et ledit plateau oscillant.

Avantageusement, l’angle d’inclinaison dudit plateau rotatif et dudit plateau oscillant par rapport à l’axe dudit arbre d’entraînement est compris entre 70 et 90°.

Conformément à une mise en oeuvre, ledit plateau rotatif comporte une gorge dans laquelle se déplace le doigt de ladite rotule à doigt, ladite gorge étant sensiblement parallèle à l’axe dudit arbre d’entrainement.

Selon une option de réalisation, ladite pompe comporte des moyens de commande de l’inclinaison dudit plateau rotatif par rapport audit arbre d’entraînement.

Conformément à une première variante, l’énergie desdits moyens de commande provient d’une source extérieure à ladite pompe, en particulier au moyen d’un fluide sous pression.

Conformément à une deuxième variante, l’énergie desdits moyens de commande est prélevée sur ledit arbre d’entraînement.

De manière avantageuse, ledit bloc cylindre est fixe par rapport audit carter.

En outre, l’invention concerne une utilisation de ladite pompe à barillet selon l’une des caractéristiques précédentes pour une opération de forage, en particulier pour l’injection de boues de forage dans un puits de forage.

Présentation succincte des figures D'autres caractéristiques et avantages du dispositif 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.

La figure 1, déjà décrite, illustre une pompe à barillet fixe selon l’art antérieur.

La figure 2, déjà décrite, illustre une pompe à barillet rotatif selon l’art antérieur.

La figure 3 illustre une pompe selon un mode de réalisation de l’invention.

La figure 4 illustre schématiquement une pompe selon un mode de réalisation de l’invention.

La figure 5 illustre une rotule à doigt selon un mode de réalisation de l’invention dans trois positions.

La figure 6 représente des courbes de la pression en fonction du débit pour une pompe selon l’invention pour différents rapports de boite de vitesse avec un plateau incliné de 87° par rapport à l’axe de l’arbre d’entraînement.

La figure 7 représente des courbes de la pression en fonction du débit pour une pompe selon l’invention pour différents rapports de boite de vitesse avec un plateau incliné de 70° par rapport à l’axe de l’arbre d’entraînement.

Description détaillée de l'invention

La présente invention concerne une pompe à barillet avec un plateau oscillant. La pompe à barillet a pour but de pomper un fluide (par exemple : eau, huile, gaz, boues de forage, etc.) au moyen d’un déplacement linéaire de plusieurs pistons. Ce type de pompe présente l’avantage d’être compacte, d’avoir des rendements mécaniques et volumétriques intéressants, un excellent rapport poids/puissance. De plus, les pompes à barillet avec un plateau oscillant sont adaptées au pompage haute pression.

La pompe à barillet selon l’invention comporte un carter et comporte au sein d’un carter : - un arbre d’entraînement : celui-ci est entraîné en rotation, par rapport au carter par une source d’énergie extérieure, notamment une machine motrice (par exemple thermique ou électrique), en particulier au moyen d’une transmission (par exemple une boîte de vitesses), - un plateau rotatif entraîné par l’arbre d’entraînement : le plateau rotatif est incliné par rapport à l’arbre d’entraînement ; l’inclinaison du plateau rotatif génère un mouvement d’oscillation du plateau rotatif ; le plateau rotatif possède un mouvement de rotation et un mouvement d’oscillation par rapport au carter, - un plateau oscillant entraîné en oscillation par le plateau rotatif : le plateau oscillant est en liaison pivot selon l’axe du plateau rotatif par rapport au plateau rotatif ; le plateau rotatif transmet uniquement le mouvement d’oscillation au plateau oscillant et ne transmet pas le mouvement de rotation, - un bloc cylindre (appelé barillet), comportant au moins deux chambres de compression (appelés également chemises) réparties circonférentiellement (en d’autres termes les chambres de compression sont réparties selon un cercle), et - au moins deux pistons en translation respectivement dans les chambres de compression, les pistons sont entraînés par le plateau oscillant au moyen de bielles (les bielles relient, au moyen de liaisons rotules, le plateau oscillant et les pistons de manière à transformer le mouvement d’oscillation en mouvement de translation des pistons), et la translation des pistons au sein des chambres de compression réalisent le pompage du fluide.

Selon l’invention, le plateau rotatif est entraîné par l’arbre d’entraînement au moyen d’une rotule à doigt, la position de la rotule à doigt déterminant l’inclinaison des deux plateaux (rotatif et oscillant) par rapport à l’arbre d’entraînement. On rappelle qu’une liaison rotule à doigt est une liaison entre deux éléments (ici l’arbre d’entraînement et le plateau rotatif), qui dispose de quatre degrés de liaisons et deux degrés de mouvements relatifs ; seulement deux rotations relatives sont possibles, les trois translations et la dernière rotation étant liées. D’une manière générale, il s'agit d'une rotule dotée d'un doigt faisant obstacle à une rotation. Pour l’invention, le doigt de la liaison rotule permet le réglage de l’inclinaison des plateaux par rapport à l’arbre d’entraînement. En effet, la pompe comprend des moyens pour commander la rotule à doigt, et donc l’inclinaison des plateaux par rapport à l’arbre d’entraînement.

Ainsi, l’inclinaison des plateaux rotatif et oscillant est réglable de manière continue, ce qui permet une cylindrée variable. En effet, l’inclinaison des plateaux influe sur la course des pistons. De plus, la pompe selon l’invention permet une bonne flexibilité grâce à la variation continue de la cylindrée unitaire. En outre, la pompe selon l’invention permet une bonne fiabilité grâce à la possibilité de mise en fonctionnement progressive de la pompe : par exemple, lors du démarrage, l’angle d’inclinaison peut être faible, et par la suite, il peut être augmenté en fonction des conditions souhaitées (débit et pression du fluide). Cette fiabilité ne peut pas être obtenue avec une pompe dont l’inclinaison des plateaux est fixe, ou pour laquelle l’inclinaison ne peut pas varier de manière continue.

Les plateaux peuvent avoir sensiblement la forme de disque. Toutefois, les plateaux peuvent avoir n’importe quelle forme. Seules les chambres de compression (et les pistons) sont réparties sur un cercle.

Avantageusement, la pompe selon l’invention peut comporter un nombre de pistons compris entre trois et quinze, de préférence entre cinq et onze. Ainsi, un nombre élevé de pistons offre un flux continu en amont et en aval de la pompe.

Ainsi grâce à ce système, le mouvement de rotation en entrée (arbre d’entraînement) est transformé dans un premier temps en mouvement d’oscillation (plateau oscillant) et dans un deuxième temps dans un mouvement de translation, c’est-à-dire un mouvement de va et vient (pistons). Le mouvement de va et vient des pistons dans les chambres de compression assure le pompage du fluide.

De manière classique, la pompe comporte en outre une entrée et une sortie du fluide à pomper. Le fluide passe par l’entrée de la pompe, entre dans une chambre de compression, est comprimé, puis refoulé de la pompe par la sortie au moyen du piston.

De plus, classiquement, les liaisons pivots sont formées par des paliers ou des roulements, favorisant le mouvement relatif des éléments.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le réglage de l’inclinaison peut se faire en déplaçant le doigt de la rotule dans une gorge réalisée dans le plateau rotatif, l’axe de la gorge pouvant être parallèle à celui de l’axe de rotation de l’arbre d’entraînement.

Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, le réglage continu de l’inclinaison (par exemple le déplacement du doigt dans la gorge) peut être assuré de différentes manières, par exemple, au moyen d’un fluide sous pression acheminé à la rotule à doigt au moyen d’un circuit spécifique.

Selon une conception de l’invention, l’énergie nécessaire au réglage de l’inclinaison (par exemple le déplacement du doigt dans la gorge) peut être prélevée de l’énergie utilisée pour l’arbre d’entrée. Alternativement, l’énergie nécessaire au réglage de l’inclinaison peut provenir d’une source externe (par exemple un moteur électrique).

De préférence, le bloc cylindre (ou barillet) est fixe par rapport au carter. Ainsi, l’apport d’énergie pour réaliser le pompage est réalisé au niveau de l’arbre d’entraînement uniquement, par la rotation de celui-ci ; le nombre de pièces en rotation est ainsi restreint.

Conformément à une option de réalisation de l’invention, la pompe comporte en outre une bielle de rappel. La bielle de rappel est disposée entre le plateau oscillant et le carter. La bielle de rappel est en liaison rotule avec le carter et avec le plateau oscillant. La bielle de rappel permet d’empêcher le mouvement de rotation du plateau oscillant autour de son axe. Ainsi, le plateau oscillant est animé uniquement d’un mouvement d’oscillation.

Le plateau oscillant n’ayant pas de mouvement de rotation, aucun élément frottant ne peut être interposé entre le plateau oscillant et les bielles transmettant le mouvement aux pistons.

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’angle d’inclinaison du plateau rotatif par rapport à la direction axiale de l’arbre d’entraînement est compris entre 70° et 90°. En d’autres termes, le plateau rotatif (et a fortiori le plateau oscillant) est incliné d’un angle compris entre 0 et 20° par rapport à une direction radiale de l’arbre d’entraînement.

Les figures 3 et 4 illustrent, schématiquement et de manière non limitative, une pompe à barillet selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 3 est une vue tridimensionnelle, dans laquelle le carter et les chambres de compression ne sont pas représentés. La figure 4 est un schéma cinématique de la pompe. Sur ces figures, un seul piston 3 est représenté. Toutefois, la pompe selon l’invention comporte au moins deux pistons, ceux-ci sont répartis circonférentiellement au sein d’un bloc cylindre.

Pour la pompe 1 selon le mode de réalisation illustré, l’arbre d’entraînement 5 est monté en rotation dans un carter 11. La rotation de l’arbre d’entraînement 5 est réalisée par une source extérieure non représentée, par exemple une machine électrique et une boîte de vitesses. L’arbre d’entraînement 5 entraîne le plateau rotatif 2 au moyen d’une liaison rotule à doigt 8. La position de la rotule à doigt permet de régler l’inclinaison du plateau rotatif 2 par rapport à l’arbre d’entraînement 5. Le plateau rotatif 2 est lié à un plateau oscillant 7 par une liaison pivot selon l’axe du plateau rotatif. La pompe 1 comporte en outre une bielle de rappel 9 disposée entre le plateau oscillant 7 et le carter 11 au moyen de liaisons rotules. La bielle de rappel 9 empêche la rotation du plateau oscillant 7 autour de son axe. La pompe 1 comporte un piston 3 animé d’un mouvement de translation (mouvement de va et vient) au sein d’une chambre de compression 4. La chambre de compression 4 appartient au bloc cylindre (barillet) fixe par rapport au carter 11. Le mouvement de va et vient du piston 3 est réalisé au moyen d’une bielle 10 qui relie le plateau oscillant 7 et le piston 3 au moyen de liaisons rotules. Ce mouvement de va et vient du piston 3 au sein de la chambre de compression 4 permet de pomper le fluide.

La figure 5 représente, schématiquement et de manière non limitative, une rotule à doigt dans trois positions selon un mode de réalisation de l’invention, afin d’illustrer les mouvements relatifs entre le plateau rotatif et l’arbre d’entraînement. Sur cette figure, le plateau rotatif 2 est représenté de manière partielle : seule la partie centrale du plateau rotatif 2 est illustrée. La rotule à doigt 8 entre l’arbre d’entraînement 5 et le plateau rotatif 2 est formée d’une liaison rotule entre deux parties sphériques, et par un doigt 12 qui se déplace dans une gorge 13 formée dans le plateau rotatif 2. La gorge 13 est parallèle à l’axe de l’arbre d’entraînement 5. Ainsi, seules deux rotations entre le plateau rotatif 2 et l’arbre d’entraînement sont autorisées. On remarque que le réglage de la position du doigt 12 dans la gorge 13 permet de régler l’angle d’inclinaison du plateau rotatif 2 par rapport à l’arbre d’entraînement 5. L’invention concerne également l’utilisation de la pompe selon l’invention pour une opération de forage, en particulier pour l’injection de boues de forage dans un puits de forage. En effet, la pompe selon l’invention est bien adaptée à cette utilisation, par sa flexibilité, sa compacité, et sa résistance aux hautes pressions.

Par exemple la pompe selon l'invention peut être dimensionnée pour fonctionner jusqu’à des pressions de l’ordre de 1500 bars, c’est-à-dire 150 MPa. En outre, la pompe selon l’invention peut être dimensionnée pour fonctionner à des débits variant de 30 à 600 m3/h.

Exemple

Les caractéristiques et avantages du système selon l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de l’exemple d’application ci-après.

Cet exemple concerne une pompe à barillet selon l’invention pour lequel l’arbre d’entraînement est lié à une machine motrice au moyen d’une boîte de vitesse avec huit rapports. Il s’agit d’une pompe à barillet de 2500 HP (environ 1900 kW) comportant cinq pistons. Le tableau 1 indique la vitesse de rotation de l’arbre d’entraînement en fonction du rapport de la boîte de vitesses :

Tableau 1

Au travers de cet exemple, on montre notamment l’impact de l’angle d’inclinaison des plateaux sur la pression et le débit pour une pompe à barillet selon l’invention.

La figure 6 représente des courbes de la pression P (en bars) en fonction du débit D (en m3/h) pour une pompe selon l’invention pour différents rapports de boite de vitesse (indiqués 1 st, 2nd, 3rd, 8th) avec un plateau incliné de 87° par lapport à l’axe de l’arbre d’entraînement (c’est-à-dire avec un angle de 3° pa rapport à une direction radiale de l’arbre d’entraînement).

La figure 7 représente des courbes de la pression en fonction du débit pour une pompe selon l’invention (pour la même pompe que celle utilisée pour la figure 6) pour différents rapports de boite de vitesse (indiqués 1 st, 2nd, 3rd, ..., 8th) avec un plateau incliné de 70° par rapport à l’arbre d’entraînement (c’est-à-dire avec un angle de 20° par rapport à une direction radiale de l’arbre d’entraînement).

On remarque qu’un angle d’inclinaison des plateaux (rotatif et oscillant) proche de 90° permet des pressions plus élevées que pour un angle d’inclinaison des plateaux proche de 70°. De plus, un angle d’inclinaison des plateaux pOche de 70° permet des débits plus élevés que pour un angle d’inclinaison des plateaux proche de 90° (grâce à la cylindrée variable). Il est donc possible d’adapter l’inclinaison des plateaux en fonction des conditions de pompage souhaitées (pressions, débits). On constate également, grâce aux différents rapports de la boîte de vitesse, que la vitesse de rotation de l’arbre d’entraînement influe sur la pression et le débit du fluide : la pression est plus élevée à faible vitesse et le débit est plus élevé à vitesse élevée.

Claims (9)

1. Revendications 1 ) Pompe à barillet comprenant un carter (11 ) et comprenant au sein dudit carter (11): - un arbre d’entraînement (5), - un plateau rotatif (2) entraîné par ledit arbre d’entraînement (5), - un plateau oscillant (7) entraîné en oscillation par ledit plateau rotatif (2), et ledit plateau oscillant (7) étant en liaison pivot selon l’axe dudit plateau rotatif (2) par rapport audit plateau rotatif (2), - un bloc cylindre comportant au moins deux chambres de compression (4) répartis circonférentiellement, et - au moins deux pistons (3) en translation respectivement dans lesdites chambres de compression (4) dudit bloc cylindre, lesdits pistons (3) étant entraînés par ledit plateau oscillant (7) au moyen de bielles (10), caractérisé en ce que ledit plateau rotatif (2) est entraîné par ledit arbre d’entraînement (5) au moyen d’une rotule à doigt (8), la position de ladite rotule à doigt (8) déterminant l’inclinaison dudit plateau rotatif (2) et dudit plateau oscillant (7) par rapport audit arbre d’entraînement (5).
2. 2) Pompe selon la revendication 1, dans laquelle la pompe comporte une bielle de rappel (9), ladite bielle de rappel (9) étant en liaison rotule avec ledit carter (11) et ledit plateau oscillant (7).
3. 3) Pompe selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’angle d’inclinaison dudit plateau rotatif (2) et dudit plateau oscillant (7) par rapport à l’axe dudit arbre d’entraînement (5) est compris entre 70 et 90°.
4. 4) Pompe selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ledit plateau rotatif (2) comporte une gorge (13) dans laquelle se déplace le doigt (12) de ladite rotule à doigt (8), ladite gorge (13) étant sensiblement parallèle à l’axe dudit arbre d’entrainement (5).
5. 5) Pompe selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite pompe (1) comporte des moyens de commande de l’inclinaison dudit plateau rotatif par rapport audit arbre d’entraînement (5).
6. 6) Pompe selon la revendication 5, dans laquelle l’énergie desdits moyens de commande provient d’une source extérieure à ladite pompe (1), en particulier au moyen d’un fluide sous pression.
7. 7) Pompe selon la revendication 5, dans laquelle l’énergie desdits moyens de commande est prélevée sur ledit arbre d’entraînement (5).
8. 8) Pompe selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ledit bloc cylindre est fixe par rapport audit carter (11).
9. 9) Utilisation de ladite pompe à barillet (1) selon l’une des revendications précédentes pour une opération de forage, en particulier pour l’injection de boues de forage dans un puits de forage.