FR3069290A1 - ROTODYNAMIC MACHINE COMPRISING AXIAL HELICO RADIO IMPELLERS WITH INTERFACIAL SLIDING CONTROL - Google Patents
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Abstract
Pompe diphasique comportant des impulseurs hélico radio axiaux dont la forme du carter en vis-à-vis des aubes est conçue pour le contrôle du glissement interfacial Le carter comporte, dans le plan méridien, au moins deux sections incurvées, une première concave pour la mise en accélération du liquide relativement au gaz et une seconde convexe pour maintenir la vitesse du liquide à une valeur sensiblement égale à celle du gaz. Elles sont situées, respectivement, côté entrée et sortie dudit impulseur. L'angle Alfa moyen du carter, dans le plan méridien, est compris entre 1 et 4 degrés. Il est défini par les deux côtés d'un triangle rectangle dont le côté opposé est égal à la différence des rayons extérieurs de sortie et d'entrée de l'impulseur et le côté adjacent est égal à la longueur axiale de l'impulseur. Le rayon intérieur du carter (rayon extérieur des aubes) est continuellement croissant de l'entrée vers la sortie.Two-phase pump comprising axial radiofrequency impellers whose casing shape vis-à-vis the blades is designed for interfacial sliding control The casing comprises, in the meridian plane, at least two curved sections, a first concave for the implementation in acceleration of the liquid relative to the gas and a second convex to maintain the speed of the liquid to a value substantially equal to that of the gas. They are located respectively on the input and output side of said impeller. The average angle Alfa of the casing, in the meridian plane, is between 1 and 4 degrees. It is defined by both sides of a right-angled triangle whose opposite side is equal to the difference of the outward and inward radius of the impeller and the adjacent side is equal to the axial length of the impeller. The inner radius of the casing (outer radius of the blades) is continually increasing from the inlet to the outlet.
Description
MACHINE ROTODYNAMIQUE COMPRENANT DES IMPULSEURSROTODYNAMIC MACHINE INCLUDING IMPELLERS
HELICO RADIO AXIAUX AVECHELICO RADIO AXIAL WITH
CONTROLE DU GLISSEMENT INTERFACIALINTERFACIAL SLIDE CONTROL
Domaine techniqueTechnical area
L’invention concerne une machine rotodynamique comportant un ou plusieurs impulseurs hélico radio axiaux avec contrôle du glissement interfacial qui peut être utilisée, d’une façon générale, pour la compression simultanée d’une phase liquide et d’une phase gazeuse. Ces applications se rencontrent, plus particulièrement, dans la production pétrolière, en pétrochimie ou en chimie.The invention relates to a rotodynamic machine comprising one or more axial radio helical impellers with interfacial slip control which can be used, in general, for the simultaneous compression of a liquid phase and a gaseous phase. These applications are encountered, more particularly, in petroleum production, in petrochemicals or in chemistry.
Art antérieurPrior art
On entend par mélange diphasique, un mélange composé de deux phases, un fluide relativement incompressible (liquide) et un fluide compressible (gaz) de moindre masse volumique, chaque phase étant insoluble dans l’autre. On désigne par taux de gaz (GLR), le rapport entre le débit volumique de la phase gazeuse et celui de la phase liquide. On désigne par rapport des masses volumiques (RoLG), le rapport entre la masse volumique de la phase liquide et celle de la phase gazeuse. On désigne par glissement interfacial, la différence de vitesses entre la phase gazeuse et la phase liquide. Par extension, mélanges multiphasiques et polyphasiques se rapportent à des mélanges composés de plusieurs phases liquides non miscibles et d’une phase gazeuse.By two-phase mixture is meant a mixture composed of two phases, a relatively incompressible fluid (liquid) and a compressible fluid (gas) of lower density, each phase being insoluble in the other. The ratio of gas flow rate (GLR) denotes the ratio between the volume flow rate of the gas phase and that of the liquid phase. The ratio between the density of the liquid phase and that of the gas phase is designated with respect to densities (RoLG). The difference in speeds between the gas phase and the liquid phase is designated by interfacial sliding. By extension, multiphase and multiphase mixtures refer to mixtures composed of several immiscible liquid phases and a gaseous phase.
Les machines de compression fonctionnent essentiellement selon deux principes : rotodynamique et volumétrique. Dans le premier cas (principalement, machines radiales et axiales), l’énergie communiquée à l’arbre de compression est transmisse au fluide, dans un premier temps, sous une forme cinétique (vitesse - partie mobile) puis, dans un second temps, convertie en énergie potentielle (pression - partie fixe). Dans le second cas (principalement, machines à vis, à pistons, à lobes et à membranes), l’énergie communiquée à l’arbre est convertie directement en énergie potentielle.Compression machines operate essentially on two principles: rotodynamics and volumetrics. In the first case (mainly, radial and axial machines), the energy communicated to the compression shaft is transmitted to the fluid, firstly, in kinetic form (speed - moving part) then, secondly, converted into potential energy (pressure - fixed part). In the second case (mainly screw, piston, lobe and membrane machines), the energy communicated to the shaft is directly converted into potential energy.
La partie mobile d’une machine rotodynamique est appelée roue ou impulseur tandis que la partie fixe est appelée diffuseur ou redresseur. On désigne par cellule hydraulique, l’ensemble constitué d’une partie fixe et d’une partie mobile.The moving part of a rotodynamic machine is called a wheel or impeller while the fixed part is called a diffuser or rectifier. The term “hydraulic cell” designates the assembly consisting of a fixed part and a mobile part.
Les parois latérales d’un canal hydraulique axial ou hélico radio axial sont constituées d’un carter (ou couvercle - Diamètre extérieur) et d’un moyeu (Diamètre intérieur) pour, respectivement, les parties les plus éloignées et les plus rapprochées de l’axe de rotation ainsi que d’un intrados et d’un extrados pour, respectivement, la partie interne et externe de deux aubes adjacentes. L’aire ortho radiale d’un canal est définie dans un plan radial par la surface comprise entre deux aubes adjacentes. L’aire orthogonale d’un canal est définie dans un plan normal à deux aubes adjacentes par la surface comprise entre ces deux aubes.The side walls of an axial hydraulic or helical radio axial channel consist of a housing (or cover - Outer diameter) and a hub (Inner diameter) for, respectively, the most distant and closest parts of the axis of rotation as well as a lower surface and an upper surface for, respectively, the internal and external part of two adjacent blades. The ortho-radial area of a channel is defined in a radial plane by the area between two adjacent blades. The orthogonal area of a channel is defined in a plane normal to two adjacent blades by the area between these two blades.
Le coefficient des pertes diphasiques (Phi) mesure le rapport entre les pertes de charge relatives à un écoulement diphasique (phases séparées) et celles relatives à un écoulement homogène (phases intimement mélangées s’apparentant à un écoulement monophasique) dans les mêmes conditions de débit volumique. De par l’existence de pertes interfaciales, ce coefficient est toujours supérieur à 1.The coefficient of two-phase losses (Phi) measures the ratio between the pressure losses relating to a two-phase flow (separate phases) and those relating to a homogeneous flow (intimately mixed phases similar to a single-phase flow) under the same flow conditions volume. Due to the existence of interfacial losses, this coefficient is always greater than 1.
Le rendement diphasique d’une machine (pompe ou compresseur) est le rapport entre l’énergie communiquée à un fluide ou un mélange de fluides et l’énergie transmise à l’arbre mettant en mouvement les impulseurs de la machine. L’efficacité diphasique de hauteur (respectivement, de rendement) est le rapport entre la hauteur manométrique (respectivement, l’énergie) communiquée à un mélange diphasique et celle communiquée à un mélange homogène monophasique dans les mêmes conditions de fonctionnement (vitesse, débit volumique, masse volumique, viscosité). De par l’existence de pertes interfaciales, l’efficacité diphasique est toujours inférieure à 1.The two-phase efficiency of a machine (pump or compressor) is the ratio between the energy communicated to a fluid or a mixture of fluids and the energy transmitted to the shaft setting in motion the impellers of the machine. The two-phase height (respectively, efficiency) efficiency is the ratio between the head (respectively the energy) communicated to a two-phase mixture and that communicated to a single-phase homogeneous mixture under the same operating conditions (speed, volume flow , density, viscosity). Due to the existence of interfacial losses, the two-phase efficiency is always less than 1.
Les machines rotodynamiques conçues pour la compression ou le pompage d’un fluide monophasique (compresseurs et pompes radiaux et axiaux) sont totalement inadaptées à la compression d’un mélange diphasique gaz liquide avec un fort contraste de masse volumique. Au-delà d’un taux de gaz de l’ordre de 5 % (variable selon le rapport des masses volumiques) le gaz constitue un goulot d’étranglement à l’entrée d’un impulseur. II en résulte une forte dégradation des performances, la hauteur manométrique et le rendement diphasiques tendant vers zéro.Rotodynamic machines designed for the compression or pumping of a monophasic fluid (compressors and radial and axial pumps) are totally unsuitable for the compression of a two-phase liquid gas mixture with a high density contrast. Beyond a gas rate of the order of 5% (variable according to the density ratio) the gas constitutes a bottleneck at the inlet of an impeller. This results in a sharp deterioration in performance, the head and the two-phase yield tending towards zero.
Dans les années 1980 (Brevets FR2474614, US4310335, WO8702117), une machine hélico axiale a été développée de façon à remédier à ce problème permettant la compression d’un mélange diphasique indépendamment du taux de gaz (d’une phase totalement gazeuse à une phase totalement liquide). Bien que cette invention ait apporté une grande amélioration dans la compression d’un mélange diphasique, cette machine présente deux défauts principaux : un rendement monophasique dégradé de l’ordre de 30 % par rapport à une machine monophasique classique ainsi qu’une dégradation progressive de l’efficacité diphasique au fur et à mesure que l’on s’éloigne des conditions monophasiques (efficacité minimale lorsque le GLR est compris entre 2 et 6). Cette dégradation s’accroît lorsque le rapport des masses volumiques (RoLG) augmente. Les rendements monophasiques et diphasiques d’une machine hélico axiale (type rotodynamique) sont également inférieurs à ceux d’une machine volumétrique diphasique.In the 1980s (Patents FR2474614, US4310335, WO8702117), an axial helical machine was developed so as to remedy this problem allowing the compression of a two-phase mixture regardless of the gas rate (from a fully gaseous phase to a phase completely liquid). Although this invention has brought a great improvement in the compression of a two-phase mixture, this machine has two main faults: a degraded single-phase efficiency of the order of 30% compared to a conventional single-phase machine as well as a progressive degradation of two-phase efficiency as one moves away from monophasic conditions (minimum efficiency when the GLR is between 2 and 6). This degradation increases as the density ratio (RoLG) increases. The monophasic and biphasic yields of a helical axial machine (rotodynamic type) are also lower than those of a volumetric two-phase machine.
Une machine hélico axiale présente cependant des avantages par rapport à une machine volumétrique : une meilleure résistance aux éléments abrasifs ou érosifs, une capacité à fonctionner sur une très longue durée quel que soit le taux de gaz, l’absence de vibrations et une moindre exigence en termes de maintenance.A helical axial machine, however, has advantages over a volumetric machine: better resistance to abrasive or erosive elements, an ability to operate for a very long time regardless of the gas rate, the absence of vibrations and a lower requirement in terms of maintenance.
Les performances diphasiques des machines radiales et hélico axiales peuvent s’analyser de la façon suivante :The two-phase performance of radial and helical axial machines can be analyzed as follows:
• Dans une machine radiale, la phase liquide plus dense, est expulsée radialement par la force centrifuge tandis que la phase gazeuse reste bloquée à l’entrée de l’impulseur. A l’inverse, dans une conduite fixe, horizontale, rectiligne et de section constante, le calcul et l’observation montrent que la phase gazeuse se déplace plus rapidement que la phase liquide, principalement, à cause d’une moindre densité et d’une moindre viscosité générant une moindre dissipation visqueuse. Le déplacement des phases dans un canal hélico axial (surface externe cylindrique) en rotation s’apparente à celui se produisant dans la conduite mentionnée ci-dessus où la phase liquide présente une moindre vitesse par rapport à la phase gazeuse. Cette différence de vitesse s’accroît lorsque les rapports des masses volumiques et des viscosités des phases s’accroissent.• In a radial machine, the denser liquid phase is expelled radially by centrifugal force while the gas phase remains blocked at the inlet of the impeller. Conversely, in a fixed, horizontal, rectilinear pipe with a constant section, calculation and observation show that the gas phase moves faster than the liquid phase, mainly because of a lower density and lower viscosity generating less viscous dissipation. The displacement of the phases in a helical axial channel (cylindrical outer surface) in rotation is similar to that occurring in the pipe mentioned above where the liquid phase has a lower speed compared to the gas phase. This difference in speed increases when the ratios of the densities and viscosities of the phases increase.
• De par sa conception, l’aube d’un impulseur hélico axial est peu incurvée générant un moindre coefficient de hauteur manométrique comparé à un impulseur radial.• By design, the blade of a helical axial impeller is slightly curved generating a lower coefficient of head height compared to a radial impeller.
• De par sa conception, l’aube d’un impulseur hélico axial est très allongée générant une très forte dissipation visqueuse conduisant à une diminution du rendement monophasique et, par conséquent, diphasique.• By design, the blade of a helical axial impeller is very elongated generating a very strong viscous dissipation leading to a decrease in monophasic and, therefore, diphasic efficiency.
• Le glissement interfacial à l’intérieur des impulseurs et des diffuseurs génère des angles d’incidence différents pour chaque phase en amont des bords d’attaque d’aube et, par conséquent, des pertes d’entrée qui n’existent pas pour les machines volumétriques.• The interfacial sliding inside the impellers and diffusers generates different angles of incidence for each phase upstream of the blade leading edges and, consequently, input losses which do not exist for the volumetric machines.
Des tentatives ont été entreprises à l’aide de machines hélico radio axiales (HRA) de façon à apporter de meilleures performances en comparaison de celles d’une machine hélico axiale (HA). Un exemple de machine HRA est présenté dans le brevet FR2899944. Plusieurs éléments peuvent expliquer les performances insuffisantes qui en résultent :Attempts have been made using axial radio helicopter (HRA) machines to provide better performance compared to that of an axial helicopter (HA) machine. An example of an HRA machine is presented in patent FR2899944. Several elements can explain the resulting insufficient performance:
- L’invention décrit l’angle Delta (formé dans un plan méridien entre le carter de l’impulseur et l’axe de rotation) variant entre -20 et +20 degrés à l’entrée de l’impulseur. Un angle négatif conduit à un refoulement du liquide vers l’entrée, par conséquent, à un ralentissement de la phase liquide donc à un accroissement du glissement interfacial, l’inverse de l’effet recherché. Un angle supérieur à quelques degrés conduit à une expulsion trop rapide du liquide vers le refoulement de l’impulseur comme dans le cas d’un impulseur radial (blocage du gaz en entrée de l’impulseur).- The invention describes the Delta angle (formed in a meridian plane between the impeller housing and the axis of rotation) varying between -20 and +20 degrees at the entrance of the impeller. A negative angle leads to a backflow of the liquid towards the entry, consequently, to a slowing down of the liquid phase therefore to an increase in the interfacial sliding, the reverse of the desired effect. An angle greater than a few degrees leads to too rapid expulsion of the liquid towards the delivery of the impeller as in the case of a radial impeller (blocking of the gas at the inlet of the impeller).
- La forme du carter de l’impulseur présente une forme concave (angle Delta croissant de l’entrée vers la sortie) ne permettant pas un contrôle du glissement en tout point de la direction axiale. Une égalité des vitesses des deux phases ne peut être obtenue sur une large zone avec une forme strictement concave.- The shape of the impeller housing has a concave shape (increasing Delta angle from the inlet to the outlet) which does not allow sliding control at any point in the axial direction. The speeds of the two phases cannot be equal over a large area with a strictly concave shape.
- L’angle Delta est décrit selon des intervalles de quelques dizaines de degrés (entre - 20 et + 20 à l’entrée et entre 0.1 et 70 en sortie) alors que la sensibilité à l’accélération radiale devrait conduire à des angles 10 à 100 fois plus faibles que les valeurs extrêmes citées plus haut (20 et 70).- The Delta angle is described at intervals of a few tens of degrees (between - 20 and + 20 at the input and between 0.1 and 70 at the output) while the sensitivity to radial acceleration should lead to angles 10 to 100 times lower than the extreme values mentioned above (20 and 70).
L’objet de la présente invention est précisément d’améliorer les performances liées à la conception des machines hélico axiales et hélico radio axiales de l’art antérieur.The object of the present invention is precisely to improve the performance linked to the design of the helical axial and helical radio axial machines of the prior art.
Résumé de l’inventionSummary of the invention
L’invention concerne une machine rotodynamique pour comprimer un mélange multiphasique comportant au moins une phase gazeuse et une phase liquide, ladite machine comportant au moins un impulseur en rotation autour d’un axe et monté dans un carter et au moins un diffuseur solidaire du carter, ledit impulseur comportant au moins deux aubes de façon à former au moins deux canaux délimités par le moyeu, le carter et les deux dites aubes, caractérisé en ce que • ledit carter comporte, dans le plan méridien, au moins deux sections avec chacune une forme incurvée dans le plan méridien, une première partie concave située côté entrée dudit impulseur pour la mise en accélération du liquide relativement au gaz et une seconde partie convexe située côté sortie dudit impulseur pour maintenir la vitesse du liquide à une valeur sensiblement égale à celle du gaz, l’angle Alfa moyen du carter est compris entre 1 et 4 degrés, ledit angle Alfa étant compris dans un plan méridien et formé par la tangente au carter et l’axe de rotation (axe z) et ledit angle Alfa moyen étant défini par les deux côtés d’un triangle rectangle dont le côté opposé est égal à la différence des rayons extérieurs de sortie et d’entrée de l’impulseur et le côté adjacent est égal à la longueur axiale de l’impulseur, le rayon intérieur du carter (rayon extérieur des aubes) étant continuellement croissant de l’entrée vers la sortie.The invention relates to a rotodynamic machine for compressing a multiphase mixture comprising at least one gas phase and one liquid phase, said machine comprising at least one impeller rotating around an axis and mounted in a casing and at least one diffuser integral with the casing , said impeller comprising at least two blades so as to form at least two channels delimited by the hub, the casing and the two said blades, characterized in that • said casing comprises, in the meridian plane, at least two sections each with a curved shape in the meridian plane, a first concave part located on the inlet side of said impeller for accelerating the liquid relative to the gas and a second convex part located on the outlet side of said impeller to maintain the speed of the liquid at a value substantially equal to that of gas, the mean Alfa angle of the casing is between 1 and 4 degrees, said Alfa angle being in a plane m eridian and formed by the tangent to the casing and the axis of rotation (z axis) and said mean angle Alfa being defined by the two sides of a right triangle whose opposite side is equal to the difference of the outer radii of exit and d the inlet of the impeller and the adjacent side is equal to the axial length of the impeller, the inside radius of the casing (outside radius of the blades) being continuously increasing from the inlet towards the outlet.
Selon un mode de réalisation l’angle Alfa définissant la forme du carter dans un plan méridien est égal localement aux valeurs suivantes : 0.2, 4.0, 3.5, 1.5 et 0.3 degrés, respectivement, aux positions axiales suivantes : 0.0, 0.4, 0.6, 0.8 et 1.0, ces dernières valeurs représentant le rapport entre la distance axiale à l’entrée et la longueur axiale de l’impulseur, les valeurs d’angle pouvant varier selon un intervalle de 50 pourcent et ces valeurs variant sensiblement de façon linéaire dans les positions axiales intermédiaires.According to one embodiment, the angle Alfa defining the shape of the casing in a meridian plane is locally equal to the following values: 0.2, 4.0, 3.5, 1.5 and 0.3 degrees, respectively, at the following axial positions: 0.0, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0, the latter values representing the ratio between the axial distance at the inlet and the axial length of the impeller, the angle values being able to vary according to an interval of 50 percent and these values varying appreciably linearly in the positions intermediate axial.
Selon un mode de réalisation, à l’entrée dudit impulseur, l’angle Béta de l’aube, formé dans le plan tangentiel à un cylindre de révolution, par le projeté de la droite tangente à l’aube avec la droite située dans un plan radial tangente à un cylindre de révolution, est compris entre 4 et 30 degrés.According to one embodiment, at the entry of said impeller, the beta angle of the blade, formed in the plane tangential to a cylinder of revolution, by the projection of the line tangent to the blade with the line located in a radial plane tangent to a cylinder of revolution, is between 4 and 30 degrees.
Selon un mode de réalisation, à la sortie dudit impulseur, l’angle Béta de l’aube est compris entre 10 et 60 degrés cet angle variant de façon continue et croissante de l’entrée vers la sortie dans un intervalle de plus ou moins 10 pourcent.According to one embodiment, at the exit of said impeller, the beta angle of the blade is between 10 and 60 degrees, this angle varying continuously and increasing from the entry towards the exit in an interval of plus or minus 10 percent.
Selon un mode de réalisation, ledit redresseur comporte aux moins deux aubes, la hauteur des dites aubes à l’entrée dudit redresseur étant égale à la hauteur des aubes en sortie d’impulseur dans un intervalle de dix pourcent et celle en sortie dudit redresseur étant égale à celle à l’entrée de l’impulseur dans un intervalle de dix pourcent.According to one embodiment, said rectifier comprises at least two blades, the height of said blades at the inlet of said rectifier being equal to the height of the blades at the outlet of the impeller in an interval of ten percent and that at the outlet of said rectifier being equal to that at the impeller input within ten percent.
Brève description des figuresBrief description of the figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description, donnée à titre illustratif et nullement limitatif, faite ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will be better understood and will appear clearly on reading the description, given by way of illustration and in no way limiting, made below with reference to the drawings among which:
- La figure 1 représente en coupe méridienne, deux impulseurs selon l’invention d’un compresseur (pompe) polyphasique avec un diffuseur entre ces deux impulseurs,- Figure 1 shows in meridian section, two impellers according to the invention of a multiphase compressor (pump) with a diffuser between these two impellers,
- Les figures 2 et 3 représentent la variation du coefficient de pertes diphasiques, Phi, en fonction du GLR et du RoLG pour un canal rectiligne en rotation avec, respectivement, un angle nul (figure 2) et un angle positif (figure 3) par rapport à l’axe de rotation,- Figures 2 and 3 show the variation of the two-phase loss coefficient, Phi, as a function of GLR and RoLG for a rectilinear channel in rotation with, respectively, a zero angle (Figure 2) and a positive angle (Figure 3) by relative to the axis of rotation,
- La figure 4 définit les axes x, y et z, un plan radial, un plan tangent à un cylindre de révolution et l’angle Béta d’un canal dans ce plan tangent. L’angle Béta d’une aube est formé, dans un plan tangentiel, par le projeté de la droite tangente à la direction moyenne d’un canal et l’axe x. L’axe x situé dans un plan radial (normal à l’axe de rotation) est tangent à un cylindre de révolution. L’axe y situé dans un plan méridien (passant par l’axe de rotation) est perpendiculaire à l’axe de rotation. L’axe z parallèle à l’axe de rotation est normal aux deux autres axes. Les axes x, y et z constituent un système orthogonal.- Figure 4 defines the axes x, y and z, a radial plane, a plane tangent to a cylinder of revolution and the beta angle of a channel in this tangent plane. The beta angle of a dawn is formed, in a tangential plane, by the projection of the straight line tangent to the mean direction of a channel and the x axis. The x axis located in a radial plane (normal to the axis of rotation) is tangent to a cylinder of revolution. The axis y located in a meridian plane (passing through the axis of rotation) is perpendicular to the axis of rotation. The z axis parallel to the axis of rotation is normal to the other two axes. The x, y and z axes constitute an orthogonal system.
- La figure 5 définit un triangle de vitesses dans un plan tangent à un cylindre de révolution,FIG. 5 defines a triangle of speeds in a plane tangent to a cylinder of revolution,
- La figure 6 définit l’angle Alfa d’inclinaison du carter d’un impulseur par rapport à l’axe de rotation,FIG. 6 defines the angle Alfa of inclination of the casing of an impeller with respect to the axis of rotation,
- La figure 7 représente la variation des angles Alfa et Beta en fonction de la position axiale dans le cadre d’une application,- Figure 7 represents the variation of the angles Alfa and Beta according to the axial position within the framework of an application,
- La figure 8 représente la variation des diamètres extérieur et intérieur en fonction de la position axiale ainsi que les cinq sections définissant la forme du diamètre extérieur, etFIG. 8 represents the variation of the outside and inside diameters as a function of the axial position as well as the five sections defining the shape of the outside diameter, and
- Les figures 9 et 10 représentent la variation de l’efficacité diphasique en fonction du GLR et du RoLG, respectivement, pour un impulseur conventionnel et pour un impulseur selon l’invention.- Figures 9 and 10 show the variation of the two-phase efficiency as a function of GLR and RoLG, respectively, for a conventional impeller and for an impeller according to the invention.
Description détailléedetailed description
La présente invention concerne une machine rotodynamique représentée par la figure 1 et, plus particulièrement, une forme de carter (ou diamètre extérieur, 6) d’impulseur 2 de compression diphasique dans un plan méridien dudit impulseur associé à un angle Alfa dudit carter selon la direction axiale de façon à ce que de l’entrée jusqu’à la sortie de l’impulseur, la vitesse du liquide soit aussi proche que possible de celle du gaz limitant de ce fait les pertes énergétiques interfaciales (dissipation sous forme de chaleur) à l’interface des phases gaz et liquide et limitant, par voie de conséquence, les pertes énergétiques à l’entrée du diffuseur par une meilleure adaptation de l’angle d’entrée des aubes du diffuseur 3 aux angles d’incidence des phases liquide et gazeuse. Ce processus est appelé contrôle du glissement interfacial ou contrôle de la vitesse des phases dans l’impulseur, l’objet de ce contrôle étant de réduire le glissement à une valeur aussi proche que possible de zéro. Ce contrôle est exercé par la composante selon la direction de l’écoulement de la force centrifuge exercée sur les fluides (résultante de trois composantes) perpendiculairement à l’axe de la rotation.The present invention relates to a rotodynamic machine represented by FIG. 1 and, more particularly, a form of casing (or external diameter, 6) of impeller 2 of two-phase compression in a meridian plane of said impeller associated with an angle Alfa of said casing according to the axial direction so that from the inlet to the outlet of the impeller, the speed of the liquid is as close as possible to that of the gas, thereby limiting the interfacial energy losses (dissipation in the form of heat) at the interface of the gas and liquid phases and consequently limiting the energy losses at the inlet of the diffuser by a better adaptation of the angle of entry of the blades of the diffuser 3 to the angles of incidence of the liquid phases and gas. This process is called interfacial slip control or phase speed control in the impeller, the purpose of this control being to reduce the slip to as close to zero as possible. This control is exerted by the component according to the direction of flow of the centrifugal force exerted on the fluids (resulting from three components) perpendicular to the axis of rotation.
Ce mode de contrôle du glissement interfacial permet l’utilisation d’aubes d’impulseur plus incurvées que par les techniques antérieures permettant une augmentation du rendement et du coefficient de pression monophasiques. II en résulte, en diphasique, une augmentation du rendement, du coefficient de pression ainsi que de l’efficacité.This mode of interfacial slip control allows the use of more curved impeller vanes than by previous techniques allowing an increase in efficiency and in the monophasic pressure coefficient. As a result, in two-phase, an increase in efficiency, pressure coefficient as well as efficiency.
Avant d’expliciter les caractéristiques de l’impulseur selon l’invention, quelques rappels sont donnés pour expliquer le comportement d’un fluide diphasique.Before explaining the characteristics of the impeller according to the invention, a few reminders are given to explain the behavior of a two-phase fluid.
L’invention portant sur un impulseur de compression diphasique avec contrôle du glissement interfacial sera mieux comprise par la description d’un écoulement diphasique dans un canal rectiligne soumis à une rotation, le canal étant situé dans un plan méridien passant par l’axe de rotation et à distance constante de l’axe au cours de la rotation. Le canal est d’aire (perpendiculairement à l’écoulement) constante maintenant une vitesse constante de chaque phase entre l’entrée et la sortie du canal. Les caractéristiques de l’écoulement sont présentées, ci-dessous, pour une inclinaison nulle et non nulle du canal par rapport à l’axe de rotation.The invention relating to a two-phase compression impeller with interfacial slip control will be better understood by the description of a two-phase flow in a rectilinear channel subjected to rotation, the channel being located in a meridian plane passing through the axis of rotation. and at constant distance from the axis during rotation. The channel is of constant area (perpendicular to the flow) maintaining a constant speed of each phase between the inlet and the outlet of the channel. The characteristics of the flow are presented below for a zero and non-zero inclination of the channel relative to the axis of rotation.
Comme pour un canal au repos, lorsque l’inclinaison du canal en rotation est nulle (Distances de l’entrée et de la sortie du canal à l’axe de rotation égales), la vitesse du liquide est inférieure à celle du gaz, l’écart s’accroissant avec le rapport des masses volumiques RoLG. Les pertes énergétiques interfaciales sont mesurées par le facteur Phi pour une même condition de fonctionnement (débit volumique, vitesse de rotation) pour plusieurs valeurs de RoGL et en fonction du GLR. Le facteur Phi 26 est représenté sur la figure 2. Il est maximum lorsque le GLR 25 est compris entre 2 et 2.5 (quelle que soit la valeur de RoLG). Le facteur Phi est maximum lorsque le rapport RoLG est le plus élevé soit quarante (21 Courbe avec triangles) et minimum lorsque ce rapport est le plus faible soit cinq (24 - Courbe avec carrés). Il augmente de façon continue de la valeur minimum à la valeur maximum de RoLG. Les valeurs intermédiaires de RoLG représentées sont de dix, 23 et de vingt, 22.As for a channel at rest, when the inclination of the rotating channel is zero (Distances of the inlet and outlet of the channel to the axis of rotation equal), the speed of the liquid is lower than that of the gas, l increasing gap with the ratio of RoLG densities. The interfacial energy losses are measured by the factor Phi for the same operating condition (volume flow, rotation speed) for several values of RoGL and as a function of GLR. The factor Phi 26 is shown in Figure 2. It is maximum when the GLR 25 is between 2 and 2.5 (regardless of the value of RoLG). The factor Phi is maximum when the RoLG ratio is the highest, ie forty (21 Curve with triangles) and minimum when this ratio is the lowest, ie five (24 - Curve with squares). It increases continuously from the minimum value to the maximum value of RoLG. The intermediate RoLG values shown are ten, 23 and twenty, 22.
L’inclinaison est dite « négative » lorsque la distance du canal à l’axe de rotation est plus grande à l’entrée qu’à la sortie du canal. Dans cette configuration, la composante selon la direction du canal de la force centrifuge créée par la mise en rotation du canal est dirigée de la sortie vers l’entrée du canal freinant l’entraînement du liquide vers la sortie du canal. Il en résulte une augmentation du facteur Phi correspondant à une augmentation du facteur de glissement entre phases.The inclination is said to be "negative" when the distance from the channel to the axis of rotation is greater at the entrance than at the exit of the channel. In this configuration, the component in the direction of the channel of the centrifugal force created by the rotation of the channel is directed from the outlet to the inlet of the channel slowing the entrainment of the liquid towards the outlet of the channel. This results in an increase in the factor Phi corresponding to an increase in the slip factor between phases.
Lorsque l’inclinaison est positive (distance du canal à l’axe de rotation plus petite à l’entrée qu’à la sortie du canal), la vitesse du liquide est accélérée par rapport à celle du gaz (composante de la force centrifuge, dans la direction du canal, dirigée de l’entrée vers la sortie du canal). Le facteur Phi est représenté sur la figure 3 en fonction du GLR 33 dans le cas d’une inclinaison de 0.4 degré. Ce facteur est maximum lorsque le GLR est compris entre 1.5 et 2. II est considérablement diminué, pour toutes les valeurs de GLR et de RoLG par rapport à la figure 2 indiquant une vitesse de la phase liquide relativement proche de celle de la phase gazeuse bien que la première soit encore légèrement inférieure à la seconde. Les valeurs extrêmes de RoLG sont représentées pour des valeurs de quarante, 31 (FIG.3) et de cinq, 32.When the inclination is positive (distance from the channel to the axis of rotation smaller at the entry than at the exit of the channel), the speed of the liquid is accelerated compared to that of the gas (component of the centrifugal force, in the direction of the canal, directed from the entrance to the exit of the canal). The Phi factor is shown in Figure 3 as a function of GLR 33 in the case of an inclination of 0.4 degrees. This factor is maximum when the GLR is between 1.5 and 2. It is considerably reduced, for all the values of GLR and RoLG compared to FIG. 2 indicating a speed of the liquid phase relatively close to that of the gaseous phase well that the first is still slightly lower than the second. The extreme values of RoLG are shown for values of forty, 31 (FIG. 3) and five, 32.
Pour atteindre une égalité quasi parfaite entre les vitesses des phases liquide et gazeuse, il faut utiliser une inclinaison de 0.5 degré (non représentée ici pour des raisons de simplification). Dans ce dernier cas, l’écoulement diphasique (phases séparées) s’écoule de façon similaire à un écoulement homogène monophasique. II en résulte que les pertes interfaciales sont minimum et le coefficient de pertes Phi est voisin de 1. Lorsqu’un canal rectiligne en rotation est situé dans un plan méridien passant par l’axe de rotation (section précédente) seule la force centrifuge générée par la rotation du canal est présente, les vecteurs représentant les vitesses d’écoulement de chaque phase du mélange diphasique étant situés dans un plan passant par l’axe de rotation. II n’y a pas dans ce cas d’effet Coriolis.To achieve almost perfect equality between the speeds of the liquid and gas phases, an inclination of 0.5 degrees must be used (not shown here for reasons of simplification). In the latter case, the two-phase flow (separate phases) flows similarly to a homogeneous single-phase flow. As a result, the interfacial losses are minimum and the loss coefficient Phi is close to 1. When a rectilinear channel in rotation is located in a meridian plane passing through the axis of rotation (previous section) only the centrifugal force generated by the rotation of the channel is present, the vectors representing the flow velocities of each phase of the two-phase mixture being located in a plane passing through the axis of rotation. There is no Coriolis effect in this case.
La figure 4 définit un plan radial 42 normal à l’axe z de rotation 45, un plan tangent 43 à un cylindre de révolution 41 de rayon R, 40, l’axe x 44 situé à la fois dans un plan radial 42 et dans un plan tangent 43, l’axe y 46 normal aux axes x et z ainsi que l’angle Béta 50 formé par la tangente 49 au projeté 48 dans le plan tangent de la direction du canal et par l’axe x 44. La génératrice 47 représente la ligne de tangence entre le plan tangent 43 et le cylindre de révolution 41.FIG. 4 defines a radial plane 42 normal to the axis of rotation 45, a tangent plane 43 to a cylinder of revolution 41 of radius R, 40, the x axis 44 located both in a radial plane 42 and in a tangent plane 43, the y axis 46 normal to the x and z axes as well as the beta angle 50 formed by the tangent 49 to the projected 48 in the tangent plane of the direction of the channel and by the x axis 44. The generator 47 represents the line of tangency between the tangent plane 43 and the cylinder of revolution 41.
La figure 5 définit le triangle de vitesses d’un écoulement projeté sur un plan tangent 43 à un cylindre de révolution en tout point d’un canal hélicoïdal. Dans ce triangle, les vitesses W 53 et V 52 désignent, respectivement, les vitesses relative (par rapport au canal) et absolue (par rapport à un repère fixe) de l’écoulement. U 51 est la vitesse d’entraînement du canal. Wx 55 etFIG. 5 defines the triangle of velocities of a flow projected on a tangent plane 43 to a cylinder of revolution at any point of a helical channel. In this triangle, the speeds W 53 and V 52 denote, respectively, the relative (relative to the channel) and absolute (relative to a fixed reference) velocity of the flow. U 51 is the drive speed of the channel. Wx 55 and
Vx 54 désignent les vitesses W et V projetées selon l’axe x 44 et Wz 56, la vitesse W projetée selon l’axe z 45.Vx 54 denote the W and V speeds projected along the x 44 axis and Wz 56, the W speed projected along the z 45 axis.
Deux forces centrifuges et une force centripète (Coriolis) sont générées par la rotation du canal et le déplacement du fluide dans le canal compte tenu de la composante non nulle dans le plan radial de la vitesse de déplacement Wx. Ces trois forces, F1, F2 et F3, toutes perpendiculaires à l’axe de rotation, sont dues :Two centrifugal forces and a centripetal force (Coriolis) are generated by the rotation of the channel and the displacement of the fluid in the channel taking into account the nonzero component in the radial plane of the speed of displacement Wx. These three forces, F1, F2 and F3, all perpendicular to the axis of rotation, are due:
- A la mise en rotation du canal ; F1=Omg2*R, centrifuge,- When the channel is rotated; F1 = Omg 2 * R, centrifugal,
- Au déplacement du fluide dans une direction transverse par rapport à un plan méridien (plus précisément de la composante de la vitesse W dans le plan radial) ; F2=|Wx|2/R, centrifuge,- The displacement of the fluid in a transverse direction relative to a meridian plane (more precisely of the component of the speed W in the radial plane); F2 = | Wx | 2 / R, centrifugal,
- A la force de Coriolis ; F3=2*Omg2*|Wx|, centripète,- To the force of Coriolis; F3 = 2 * Omg 2 * | Wx |, centripetal,
Où Omg est la vitesse angulaire de rotation, R la distance du canal à l’axe de rotation. Les forces F1, F2 et F3 s’exercent dans la direction y 46. La somme des forces F1 et F2 est supérieure (en valeur absolue) ou égale à F3. Par conséquent, la résultante des forces F1+F2+F3 est toujours dirigée dans la direction des forces centrifuges. F1+F2 est égal à F3 seulement lorsque |Wx|=Omg*R.Where Omg is the angular speed of rotation, R the distance from the channel to the axis of rotation. The forces F1, F2 and F3 are exerted in the direction y 46. The sum of the forces F1 and F2 is greater (in absolute value) or equal to F3. Consequently, the result of the forces F1 + F2 + F3 is always directed in the direction of the centrifugal forces. F1 + F2 is equal to F3 only when | Wx | = Omg * R.
Il apparaît dans cette section que la force centrifuge s’exerçant sur le fluide est non seulement dépendante d’Omg et de R mais également de W et de Béta. C’est cette dernière observation qui est mise en œuvre dans le canal hélico radio axial d’un impulseur.It appears in this section that the centrifugal force exerted on the fluid is not only dependent on Omg and R but also on W and Beta. It is this last observation that is implemented in the axial radio helical channel of an impeller.
La machine de compression / pompage diphasique représentée sur la figure 1 est constituée d’au moins un impulseur hélico radio axial 2 détaillé ci-après suivi d’un redresseur 3. L’impulseur comprend des aubes 4 et 12 montées sur un moyeu 5 lequel est monté sur un arbre d’entraînement 16. L’intérieur des aubes constitue un canal dans lequel se déplace un fluide.The two-phase compression / pumping machine shown in FIG. 1 consists of at least one axial radio helical impeller 2 detailed below followed by a rectifier 3. The impeller comprises vanes 4 and 12 mounted on a hub 5 which is mounted on a drive shaft 16. The interior of the blades constitutes a channel in which a fluid moves.
Les canaux sont fermés (flasque monté sur l’extérieur de l’impulseur, le couvercle) ou ouverts, comme représenté sur la figure 1, la partie fixe en vis à vis de l’impulseur constituant la partie supérieure des canaux (le carter - 6). Dans ce dernier cas, de façon à limiter la fuite de fluide entre deux canaux, la distance radiale 13 entre l’extrémité des aubes et le carter est de l’ordre de quelques dixièmes de mm. Les flèches 14 et 15 représentent la direction de l’écoulement depuis l’entrée du premier impulseur jusqu’à la sortie du dernier impulseur (figure 1) ou redresseur (diffuseur).The channels are closed (flange mounted on the outside of the impeller, the cover) or open, as shown in Figure 1, the fixed part opposite the impeller constituting the upper part of the channels (the casing - 6). In the latter case, in order to limit the leakage of fluid between two channels, the radial distance 13 between the end of the blades and the casing is of the order of a few tenths of mm. Arrows 14 and 15 represent the direction of flow from the inlet of the first impeller to the outlet of the last impeller (Figure 1) or rectifier (diffuser).
La forme géométrique des aubes 12 dans un plan orthogonal (coupe perpendiculaire à une aube ou à un écoulement) est conçue, de la façon connue de l’homme du métier, de façon à apporter une résistance mécanique suffisante aux aubes (Forces appliquées par le fluide et résultantes de la rotation). Les bords d’attaque et de fuite des aubes sont conçus de façon à minimiser le blocage hydraulique et à réduire les pertes entre parties fixes et mobiles (redresseur et impulseur).The geometric shape of the blades 12 in an orthogonal plane (section perpendicular to a blade or to a flow) is designed, in a manner known to those skilled in the art, so as to provide sufficient mechanical resistance to the blades (Forces applied by the fluid and resulting from rotation). The leading and trailing edges of the blades are designed to minimize hydraulic blockage and reduce losses between fixed and moving parts (rectifier and impeller).
Un impulseur est suivi d’un redresseur constituant à eux deux une cellule hydraulique. Plusieurs cellules hydrauliques sont montées en série de l’entrée vers la sortie de la machine de compression diphasique de façon à satisfaire les besoins en hauteur manométrique (Elévation de pression). Les impulseurs et les redresseurs sont séparés par des intervalles 10 de l’ordre du mm pour limiter les fuites entre les éléments fixes et tournants, tout comme l’intervalle 11 séparant un redresseur de l’axe de rotation. Les tuyauteries et volutes d’entrée et de sortie sont conçues comme il est connu de l’homme du métier.An impeller is followed by a rectifier which together form a hydraulic cell. Several hydraulic cells are mounted in series from the inlet to the outlet of the two-phase compression machine so as to meet the requirements in terms of head (pressure rise). The impellers and the rectifiers are separated by intervals 10 of the order of mm to limit leaks between the fixed and rotating elements, as is the interval 11 separating a rectifier from the axis of rotation. The inlet and outlet pipes and volutes are designed as is known to those skilled in the art.
Le diamètre extérieur et la hauteur des aubes à l’entrée d’un impulseur ainsi que la vitesse de rotation définissent le débit volumique comme il est connu de l’homme du métier.The outside diameter and height of the blades at the inlet of an impeller as well as the speed of rotation define the volume flow rate as is known to those skilled in the art.
La forme globale des canaux est conçue différemment dans le cadre de l’invention par comparaison avec un canal strictement hélico axial (HA) ou un canal hélico radio axial (HRA) sans contrôle du glissement interfacial :The overall shape of the channels is designed differently within the framework of the invention by comparison with a strictly helical axial channel (HA) or a helical radio axial channel (HRA) without controlling the interfacial sliding:
- Canal d’impulseur HA conventionnel (ou HRA) sans contrôle du glissement interfacial - Dans ce type de canaux, on privilégie le mélange des phases autant que le GLR, le RoLG, les viscosités et la tension de surface le permettent. Cela est généralement possible lorsque le GLR est inférieur à 2 (cette valeur dépend du RoLG). Ce mélange est facilité en concevant les canaux de façon à ce que les accélérations dans un système orthogonal soient toutes aussi faibles que possible (dans les directions, respectivement, longitudinale à l’écoulement, transversale et radiale aux aubes). II en résulte des canaux extrêmement longs conduisant à de fortes pertes visqueuses, une vitesse moyenne du liquide inférieure à celle du gaz en sortie d’impulseur conduisant à de fortes pertes en entrée de diffuseur. Dans le cas d’un impulseur HA, le diamètre extérieur est constant. Sur la figure 6, la composante dans le plan méridien de l’écoulement, au niveau du carter, s’effectue selon une direction 63 parallèle à l’axe de rotation z 45. Par ailleurs, ces impulseurs utilisent une forme concave du moyeu, retardant l’expulsion de la phase liquide du moyeu vers le carter. Cette conception du moyeu apporte une inhomogénéité dans la variation d’aire de l’entrée vers la sortie de l’impulseur générant une inhomogénéité de la vitesse d’écoulement.- Conventional HA impeller channel (or HRA) without interfacial slip control - In this type of channel, the mixing of phases is preferred as much as GLR, RoLG, viscosities and surface tension allow. This is generally possible when the GLR is less than 2 (this value depends on the RoLG). This mixing is facilitated by designing the channels so that the accelerations in an orthogonal system are all as small as possible (in the directions, respectively, longitudinal to the flow, transverse and radial to the blades). This results in extremely long channels leading to high viscous losses, an average speed of the liquid lower than that of the gas at the outlet of the impeller leading to high losses at the inlet of the diffuser. In the case of an HA impeller, the outside diameter is constant. In FIG. 6, the component in the meridian plane of the flow, at the casing, takes place in a direction 63 parallel to the axis of rotation z 45. Furthermore, these impellers use a concave shape of the hub, delaying the expulsion of the liquid phase from the hub to the housing. This design of the hub brings inhomogeneity in the variation of area from the inlet to the outlet of the impeller generating an inhomogeneity of the flow speed.
- Canal d’impulseur HRA selon l’invention, avec contrôle du glissement interfacial - Dans ce type de canaux, on combine, à la fois, le mélange des phases lorsque le GLR est relativement faible (inférieur à 1) et le contrôle du glissement interfacial lorsque la séparation des phases est inéluctable. Le contrôle des phases repose sur une mise en accélération de la phase liquide à l’aide de la composante dans la direction de l’écoulement de la résultante des forces centrifuges et centripète. Sur la figure 6, la composante dans le plan méridien de l’écoulement, au niveau du carter 61, s’effectue selon une direction 62 faisant un angle Alfa 64 avec l’axe de rotation z 45. Cette accélération est contrôlée, par la forme du carter, de façon à éviter une vitesse du liquide trop importante par rapport à celle du gaz comme cela se produit dans un impulseur radial ou HRA de forte pente. Selon ce principe de fonctionnement il n’est plus nécessaire de minimiser l’accélération dans le sens de l’écoulement (liée au changement d’aire) ni celle transverse aux aubes permettant l’usage d’aubes plus incurvées que dans le cadre du paragraphe précédent. Par ailleurs, la forme du moyeu est déterminée par une variation d’aire orthogonale régulière de l’entrée vers la sortie (limitation des pertes par diffusion) plutôt que par la création d’une force centripète pour retarder l’expulsion du liquide vers le carter.- HRA impeller channel according to the invention, with interfacial slip control - In this type of channels, we combine, at the same time, the mixture of phases when the GLR is relatively low (less than 1) and the slip control interfacial when phase separation is unavoidable. The phase control is based on an acceleration of the liquid phase using the component in the direction of flow of the resultant of centrifugal and centripetal forces. In FIG. 6, the component in the meridian plane of the flow, at the level of the casing 61, takes place in a direction 62 making an angle Alfa 64 with the axis of rotation z 45. This acceleration is controlled, by the shape of the housing, so as to avoid a speed of the liquid too high compared to that of the gas as that occurs in a radial impeller or HRA of steep slope. According to this operating principle, it is no longer necessary to minimize the acceleration in the direction of flow (linked to the change in area) or that transverse to the blades allowing the use of more curved blades than in the context of the previous paragraph. Furthermore, the shape of the hub is determined by a regular variation in orthogonal area from the inlet to the outlet (limitation of losses by diffusion) rather than by the creation of a centripetal force to delay the expulsion of the liquid towards the casing.
De la conception d’un impulseur avec contrôle du glissement pariétal, il résulte plusieurs avantages :The design of an impeller with parietal slip control results in several advantages:
a. Des pertes interfaciales dans l’impulseur fortement réduitesat. Significantly reduced interface losses in the impeller
b. Des pertes diphasiques à l’entrée du redresseur et des pertes interfaciales dans le redresseur réduitesb. Reduced two-phase losses at the input of the rectifier and reduced interfacial losses in the rectifier
c. Des pertes visqueuses (monophasiques et diphasiques) dans le canal d’impulseur réduitesvs. Reduced viscous losses (monophasic and biphasic) in the impeller channel
d. Un coefficient de pression augmenté (monophasique et diphasique). Les items a et b mentionnés ci-dessus conduisent à une augmentation de l’efficacité diphasique indépendamment d’une amélioration des performances monophasiques.d. An increased pressure coefficient (single-phase and two-phase). Items a and b mentioned above lead to an increase in two-phase efficiency independently of an improvement in single-phase performance.
Les items c et d mentionnés ci-dessus conduisent, en monophasique comme en diphasique, à une augmentation, à la fois, du rendement et du taux de compression. Ces améliorations s’ajoutent aux performances listées dans le paragraphe précédent concernant, strictement, l’amélioration de l’efficacité diphasique (Items a et b).Items c and d mentioned above lead, in monophasic as in diphasic, to an increase, at the same time, of the output and the compression ratio. These improvements are in addition to the performances listed in the previous paragraph concerning, strictly, the improvement of the two-phase efficiency (Items a and b).
Ces performances sont obtenues par l’invention définie de la façon suivante et selon la figure 7 représentant la variation des angles Béta 71 et Alfa 72 en degrés 74 en fonction de la position axiale 73, en mètre, et selon la figure 8 représentant la variation des diamètres extérieur 6 et intérieur 5, en mètre, en fonction de la position axiale 82, en mètre (II convient de noter que sur les figures 7 et 8 les dimensions de longueur sont relatives à une application particulière donnée à titre d’exemple - Diamètre extérieur moyen de l’impulseur de 0.25 m) :These performances are obtained by the invention defined as follows and according to FIG. 7 representing the variation of the angles Beta 71 and Alfa 72 in degrees 74 as a function of the axial position 73, in meters, and according to FIG. 8 representing the variation outside 6 and inside 5 diameters, in meters, as a function of the axial position 82, in meters (It should be noted that in FIGS. 7 and 8 the length dimensions relate to a particular application given by way of example - Average external diameter of the impeller of 0.25 m):
- Le carter 6 comprend, dans le plan méridien, de l’entrée vers la sortie au moins deux sections avec chacune une forme incurvée, une première partie concave 84 (sommet dirigé vers l’axe de rotation) située côté entrée dudit impulseur pour la mise en accélération du liquide relativement au gaz et une seconde partie convexe 86 (sommet dirigé vers l’extérieur de l’impulseur) située côté sortie dudit impulseur servant au maintien de l’accélération du liquide par rapport au gaz.- The casing 6 comprises, in the meridian plane, from the inlet to the outlet at least two sections each with a curved shape, a first concave portion 84 (vertex directed towards the axis of rotation) located on the inlet side of said impeller for the acceleration of the liquid relative to the gas and a second convex part 86 (vertex directed towards the outside of the impeller) situated on the outlet side of said impeller serving to maintain the acceleration of the liquid relative to the gas.
- Au niveau du carter 6 et à l’entrée de l’impulseur, par conséquent, en amont de la section concave, la section 83 est sensiblement parallèle à l’axe de rotation. Au niveau du carter 6 et en sortie de l’impulseur, par conséquent, en aval de la section convexe, la section 87 est sensiblement parallèle à l’axe de rotation. Les dérivées en fonction de la position axiale des équations décrivant les formes concave et convexe sont égales au niveau de chaque raccordement aussi bien au niveau de l’amont (entre 83 et 84), de l’aval (entre 86 et 87) que dans la partie intermédiaire (85, entre 84 et 86) de façon à limiter les pertes résultant d’une discontinuité de forme ou de variation de forme.- At the casing 6 and at the inlet of the impeller, therefore, upstream of the concave section, the section 83 is substantially parallel to the axis of rotation. At the casing 6 and at the outlet of the impeller, therefore, downstream of the convex section, the section 87 is substantially parallel to the axis of rotation. The derivatives as a function of the axial position of the equations describing the concave and convex shapes are equal at the level of each connection as well at the level of upstream (between 83 and 84), downstream (between 86 and 87) as in the intermediate part (85, between 84 and 86) so as to limit the losses resulting from a discontinuity in shape or variation in shape.
- L’angle moyen Alfa 64 du carter, dans le plan méridien, est compris entre 1 et 4 degrés (préférentiellement 2 degrés), ledit angle Alfa étant défini par les deux côtés d’un triangle rectangle dont le côté opposé est égal à la différence des rayons de sortie et d’entrée de l’impulseur et le côté adjacent est égal à la longueur axiale de l’impulseur.- The mean Alfa 64 angle of the housing, in the meridian plane, is between 1 and 4 degrees (preferably 2 degrees), said Alfa angle being defined by the two sides of a right triangle whose opposite side is equal to the difference of the exit and entry radii of the impeller and the adjacent side is equal to the axial length of the impeller.
Le rayon du carter est continuellement croissant de l’entrée vers la sortie de l’impulseur. Un élément supplémentaire à l’invention consiste en une accentuation de la forme incurvée des aubes de façon à augmenter, par rapport à une hydraulique HA conventionnelle, la différence entre les angles de sortie et d’entrée des aubes (Béta) et à réduire la longueur des aubes. Cette action permet d’augmenter, à la fois, le coefficient de pression et le rendement. Ces améliorations de performance sont obtenues en monophasique comme en diphasique (polyphasique).The radius of the housing is continuously increasing from the inlet to the outlet of the impeller. An additional element of the invention consists in accentuating the curved shape of the blades so as to increase, compared to a conventional HA hydraulics, the difference between the angles of exit and entry of the blades (Beta) and to reduce the blade length. This action increases both the pressure coefficient and the efficiency. These performance improvements are obtained in monophasic as in diphasic (polyphasic).
Le nombre d’aubes n est choisi de façon à ce que la distance orthogonale entre deux aubes adjacentes approxime, au milieu de la distance axiale, la hauteur des aubes mesurée par la distance séparant le carter du moyeu dans une direction radiale à l’axe de rotation. Cependant, le nombre d’aubes peut être supérieur ou inférieur d’une unité au nombre n d’aubes comme il est défini ci-dessus. Les aubes sont montées préférentiellement radialement au moyeu.The number of blades n is chosen so that the orthogonal distance between two adjacent blades approximates, in the middle of the axial distance, the height of the blades measured by the distance separating the casing from the hub in a direction radial to the axis of rotation. However, the number of vanes can be one or more units less than the number n of vanes as defined above. The vanes are preferably mounted radially to the hub.
L’angle Béta des aubes varie préférentiellement de façon linéaire entre l’entrée et la sortie de l’impulseur.The beta angle of the blades preferably varies linearly between the inlet and the outlet of the impeller.
Le rapport entre le diamètre extérieur à l’entrée et la longueur axiale de l’impulseur est compris entre 4 et 6 mais il est, préférentiellement, égal à 5.The ratio between the outside diameter at the inlet and the axial length of the impeller is between 4 and 6 but it is preferably equal to 5.
L’aire orthogonale entre deux aubes augmente de façon continue et croissante de l’entrée vers la sortie et dans un rapport compris entre 1.5 et 2.1 (préférentiellement 1.8) entre les aires de sortie et d’entrée.The orthogonal area between two blades increases continuously and increasing from the inlet to the outlet and in a ratio between 1.5 and 2.1 (preferably 1.8) between the outlet and inlet areas.
A l’entrée, le diamètre extérieur de l’impulseur, la hauteur des aubes et l’angle Béta sont définis comme il est connu de l’homme du métier en fonction des données relatives au débit volumique du mélange polyphasique et à la vitesse de rotation.At the inlet, the external diameter of the impeller, the height of the blades and the beta angle are defined as is known to the person skilled in the art as a function of the data relating to the volume flow rate of the multiphase mixture and the speed of rotation.
Les lois de variation des angles Alfa et Beta ainsi que de la variation d’aire orthogonale définissent les diamètres extérieur et intérieur ainsi que la forme des aubes en tout point de l’impulseur.The laws of variation of the angles Alfa and Beta as well as of the variation of orthogonal area define the outside and inside diameters as well as the shape of the blades at any point of the impeller.
Les performances résultant de l’invention sont données dans le cas d’une application particulière ne limitant pas le cadre de l’invention, figures 7 à 10.The performances resulting from the invention are given in the case of a particular application which does not limit the scope of the invention, FIGS. 7 to 10.
- L’angle Béta 71 moyen est de 8 degrés à l’entrée et de 32 degrés à la sortie des aubes. Il évolue de façon linéaire le long de la direction axiale.- The average Beta 71 angle is 8 degrees at the entry and 32 degrees at the exit of the blades. It evolves linearly along the axial direction.
- Au niveau du couvercle, l’angle Alfa (72) prend les valeurs comme indiqué ci-dessous.- At the level of the cover, the Alfa angle (72) takes the values as shown below.
Où « Dist Fraction » représente la distance à l’entrée en fraction de la longueur axiale et où « Forme Carter » indique la forme approximative du carter dans la zone comprenant cette position (Linéaire, Concave ouWhere "Dist Fraction" represents the distance to the input as a fraction of the axial length and where "Shape Carter" indicates the approximate shape of the housing in the area including this position (Linear, Concave or
Convexe).Convex).
Les efficacités diphasiques d’un impulseur Hélico Radio Axial sans et avec contrôle du glissement interfacial sont présentées, respectivement, sur les figures 9 et 10. Les résultats sont les suivants :The two-phase efficiencies of a Helico Radio Axial impeller without and with interfacial slip control are presented, respectively, in Figures 9 and 10. The results are as follows:
- L’efficacité diphasique est minimum pour les deux types d’impulseur et pour tous les rapports de masses volumiques RoLG pour un GLR voisin de 2.- The two-phase efficiency is minimum for the two types of impeller and for all the RoLG density ratios for a GLR close to 2.
- Pour un grand rapport de masses volumiques RoLG (valeur de 40), l’efficacité diphasique est augmentée de façon importante de 0.23 (HA conventionnel - 91 figure 9) à 0.60 (HRA selon l’invention - 101 figure 10).- For a large density ratio RoLG (value of 40), the two-phase efficiency is significantly increased from 0.23 (conventional HA - 91 figure 9) to 0.60 (HRA according to the invention - 101 figure 10).
- Pour un rapport plus faible de masses volumiques RoLG (valeur de 5), l’efficacité diphasique est augmentée de 0.63 (HA conventionnel - 94 figure 9) à 0.80 (HRA selon l’invention -104 figure 10).- For a lower density ratio RoLG (value of 5), the two-phase efficiency is increased from 0.63 (conventional HA - 94 figure 9) to 0.80 (HRA according to the invention -104 figure 10).
Il apparaît à travers cet exemple numérique que le contrôle du glissement interfacial est considérablement plus efficace lorsque le rapport de masses volumiques RoLG est élevé c'est-à-dire aussi lorsque la séparation des phases est inéluctable.It appears through this numerical example that the control of the interfacial slip is considerably more effective when the ratio of densities RoLG is high, that is to say also when the separation of the phases is inevitable.
Variation du coefficient de pression selon la présente application particulière : Le coefficient de pression est augmenté de 0.50 (HA conventionnel) à 0.60 (HRA selon l’invention) permettant une réduction du nombre d’étages de compression de l’ordre de 20 % pour une hauteur manométrique donnée.Variation of the pressure coefficient according to this particular application: The pressure coefficient is increased from 0.50 (conventional HA) to 0.60 (HRA according to the invention) allowing a reduction in the number of compression stages of the order of 20% for a given head.
Claims (10)
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| EP0917905A1 (en) * | 1997-11-19 | 1999-05-26 | Institut Francais Du Petrole | Device and process for the diphase compression of a soluble gas within a solvent |
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-
2017
- 2017-07-19 FR FR1700769A patent/FR3069290B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0917905A1 (en) * | 1997-11-19 | 1999-05-26 | Institut Francais Du Petrole | Device and process for the diphase compression of a soluble gas within a solvent |
| FR2787836A1 (en) * | 1998-12-28 | 2000-06-30 | Inst Francais Du Petrole | Two-phase helico-radial-axial impulsor with curved profile, comprises one or more blades mounted on hub, with cover mounted outside blades |
Also Published As
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