Groupe motopompe de mise en circulation d'un fluide corrosif
L'invention concerne un groupe motopompe pour la mise en circulation d'un fluide corrosif.
Dans certaines industries, et en particulier dans le cadre de l'industrie chimique et pétrochimique, on utilise des groupes motopompes pour la mise en circulation de fluides corrosifs qui peuvent être très agressifs vis-à-vis des parties internes métalliques du groupe motopompe venant en contact avec le fluide corrosif.
De tels groupes motopompes sont généralement réalisés sous la forme de groupes à axe horizontal, à rotor noyé et sans étanchéité dynami- que.
De tels groupes motopompes comportent une volute et une roue de pompe montée rotative autour de l'axe horizontal de la pompe à l'intérieur de la volute. La volute comporte des moyens de connexion à une conduite d'arrivée et à une conduite de refoulement du fluide dont le groupe assure la mise en circulation. La surface intérieure de la volute présente généralement une forme en colimaçon.
La roue de pompe présente généralement la forme d'un disque sur l'une des faces duquel sont prévues dès ailettes en spirale entre lesquelles sont réalisés des canaux de mise en circulation centrifuge du fluide dont on réalise le pompage.
L'entraînement en rotation de la roue de pompe à l'intérieur de la volute, autour de l'axe horizontal de rotation, est assuré de telle manière que le groupe motopompe ne comporte pas de joint d'étanchéité dynamique dont la tenue aux fluides corrosifs poserait des problèmes difficiles à résoudre, ce qui se traduirait par des risques de fuite dans certaines parties du groupe motopompe ou vers l'extérieur.
Les groupes motopompes pour fluides corrosifs sont donc très souvent réalisés de manière que la partie constituant la motopompe proprement dite soit séparée du moteur d'entraînement de la pompe par une paroi étan- che fixe.
Dans de tels groupes motopompes, la roue de pompe est entraînée en rotation par l'intermédiaire d'un arbre disposé suivant la direction de l'axe
horizontal ou vertical de la pompe dont une première extrémité est reliée à la roue de pompe et une seconde extrémité à un rotor magnétique qui est mis en rotation sans contact, par un moteur électrique constitué d'un stator fixé dans une partie du groupe motopompe et séparé du rotor magnétique par une paroi fixe appelée chemise de stator.
L'alimentation du stator permet de créer un champ magnétique tournant qui se referme à l'intérieur du rotor magnétique qui est ainsi entraîné en rotation à travers la chemise de stator qui sépare de manière totalement étanche la partie de la pompe comportant la volute, la roue de pompe, l'ar- bre d'entraînement et le rotor magnétique de la partie du groupe motopompe comportant le moteur électrique d'entraînement.
Lorsque le stator du moteur et le rotor magnétique constituent un moteur de type discoïde à champ axial, le rotor magnétique est soumis à une force d'attraction magnétique de direction axiale exercée vers le stator. Les efforts axiaux doivent donc être repris par des butées hydrodynamiques.
Dans le but de soulager les butées hydrodynamiques d'une partie ou de la totalité de la charge magnétique exercée vers le stator, pour autoriser des fonctionnements à faible vitesse ou avec une lubrification réduite, il est connu d'intégrer, au groupe motopompe, un compensateur magnétique axial, de manière à équilibrer l'attraction axiale magnétique exercée par le moteur.
On a proposé de prévoir un compensateur magnétique comportant des bobinages montés dans une partie du groupe motopompe solidaire du stator et une culasse magnétique montée dans une partie tournante du groupe motopompe. Un tel compensateur nécessite donc de prévoir le montage, l'alimentation électrique et la commande de bobinages supplémentaires dans la partie fixe du groupe motopompe et une culasse dans la partie tournante. La construction et la mise en oeuvre du groupe motopompe sont donc relativement complexes. En outre, certaines parties de la pompe viennent en contact, de manière permanente ou par intermittence, pendant le fonctionnement de la pompe, avec le fluide corrosif dont on assure la mise en circulation, pendant le fonctionnement du groupe motopompe.
En particulier, la surface interne de la volute et la partie externe de la roue de pompe comportant les ailettes sont en contact avec le fluide corrosif qui se déplace à leur contact pendant le fonctionnement de la pompe.
Le corps de pompe porte, sur une surface interne, des coussinets de guidage rotatif d'une fusée solidaire de la partie tournante de la pompe et entourant l'arbre d'entraînement.
La fusée et les coussinets assurant le guidage rotatif de l'arbre d'entraînement de la pompe sont également en contact avec le fluide qui assure en particulier la lubrification des surfaces frottantes entre les coussinets et la fusée. La surface interne du corps de pompe dirigée vers les paliers de guidage rotatif de l'arbre de pompe et la surface extérieure du rotor magnétique peuvent être également en contact avec le fluide corrosif.
Les éléments correspondants du groupe motopompe comportant ces parties exposées au fluide corrosif doivent être réalisés en un matériau ré- sistant à l'attaque corrosive ou abrasive du fluide dont on assure le pompage. Il est donc nécessaire d'utiliser, pour réaliser ces éléments, des aciers ou alliages présentant des caractéristiques tout à fait spécifiques, suivant le type de liquide dont on assure le pompage.
La réalisation des éléments du groupe motopompe peut donc s'avérer coûteuse et nécessiter une technologie de fabrication particulière.
Généralement, la fusée et les coussinets des paliers de montage rotatif de l'arbre de pompe et les butées axiales de cet arbre de pompe sont réalisés en un matériau réfractaire de grande dureté résistant à l'abrasion et à la corrosion, tel que le carbure de silicium. Les joints d'étanchéité statiques entre les différentes parties du groupe motopompe sont généralement réalisés en polytétrafluoréthylène (PTFE) ou en des polymères spéciaux, dans le cas de certains fluides corrosifs.
La volute, la roue de pompe, le corps de pompe et le support du rotor magnétique sont réalisés en acier ou alliages spéciaux qui sont choisis pour leur résistance à la corrosion par le fluide dont on assure le pompage.
Les aimants du rotor magnétique doivent être également résistants à la corrosion par le fluide ou encore disposer d'une protection adéquate.
La conception et la réalisation des groupes motopompes pour fluides fortement corrosifs ou agressifs sont donc des opérations délicates et qui peuvent être coûteuses.
Le but de l'invention est de proposer un groupe motopompe de mise en circulation d'un fluide corrosif comprenant une volute, une roue de pompe montée rotative dans la volute autour d'un axe de rotation, un arbre d'entraînement disposé suivant l'axe de rotation à l'intérieur d'un corps de pompe, solidaire à une première extrémité, de la roue de pompe et, à une seconde extrémité, d'un rotor d'entraînement magnétique du groupe motopompe, un stator de moteur électrique d'entraînement en rotation du rotor d'entraînement magnétique séparé de la motopompe par une paroi étanche, ainsi qu'un compensateur magnétique d'efforts s'exerçant entre le stator de moteur électrique et le rotor d'entraînement magnétique, ce groupe motopompe pouvant être réalisé sous une forme simple en des matériaux classiques par des procédés facilement industrialisables et à moindre coût, tout en étant extrêmement résistants à un fluide corrosif d'une nature quelconque dont on assure la mise en circulation.
Dans ce but, le compensateur magnétique comporte une culasse magnétique fixée dans le corps de pompe et au moins un aimant permanent compensateur fixé dans le rotor d'entraînement magnétique et au moins une surface interne de la volute et une partie externe de la roue de pompe en contact avec le fluide corrosif ainsi qu'une surface du corps de pompe entourant l'arbre de pompe et une surface externe du rotor magnétique sont réalisées en un matériau rapporté résistant au fluide corrosif. De manière préférentielle, le groupe motopompe selon l'invention est un groupe motopompe dans lequel le rotor d'entraînement magnétique réalisé sous forme discoïde comporte une culasse magnétique en forme de disque sur laquelle est fixé au moins un aimant permanent moteur caractérisé par le fait qu'au moins un aimant permanent compensateur est fixé sur la culasse en forme de disque de manière que l'aimant permanent compensateur et l'aimant permanent moteur soient disposés de part et d'autre de la culasse en forme de disque et mis en série de façon qu'un flux magnétique traverse le rotor d'entraînement magnétique et se referme dans la culasse
magnétique du compensateur magnétique fixée dans le corps de pompe et dans une culasse magnétique de stator.
Dans ce cas, de manière préférentielle, le groupe motopompe comporte une pluralité d'aimants permanents moteurs et une pluralité d'aimants permanents compensateurs répartis autour de la culasse magnétique en forme de disque du rotor de manière que deux aimants permanents (moteurs ou compensateurs) adjacents aient des polarités opposées.
De préférence, le matériau rapporté sur les éléments de la pompe en contact avec le fluide corrosif est une matière plastique choisie pour sa ré- sistance aux fluides corrosifs.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un groupe motopompe suivant l'invention.
La figure 1 est une vue en coupe par un plan axial d'un groupe moto- pompe suivant l'invention.
La figure 2 est une vue agrandie des éléments de montage rotatif et des butées de maintien de l'arbre d'entraînement du groupe motopompe représenté sur la figure 1.
La figure 3 est une vue agrandie partielle du rotor magnétique d'en- traînement du groupe motopompe représenté sur la figure 1.
La figure 4A est une vue en perspective de la volute du groupe motopompe.
La figure 4B est une vue en coupe transversale suivant B-B de la figure 4C, de la volute représentée sur la figure 4A. La figure 4C est une vue en coupe axiale suivant C-C de la figure 4B, de la volute représentée sur la figure 4A.
La figure 5A est une vue en perspective de la roue de pompe, vue du côté des ailettes de pompage.
La figure 5B est une vue de face de la roue de pompe, du côté des ailettes de pompage.
La figure 5C est une vue de face de la roue de pompe, du côté opposé aux ailettes de pompage.
La figure 5D est une vue en coupe suivant D-D de la figure 5B.
Sur la figure 1 , on a représenté un groupe motopompe suivant l'invention, désigné de manière générale par le repère 1 qui comporte la motopompe proprement dite 1a à l'intérieur de laquelle circule le fluide dont on assure le pompage et un groupe moteur 1b comprenant le moteur électrique d'entraînement de la partie tournante de la pompe.
La motopompe 1a comporte, de manière générale, une volute 2 et un corps de pompe 3 constituant les parties fixes de la motopompe, une roue de pompe 4 montée rotative à l'intérieur de la volute 2, un rotor magnétique 5 d'entraînement de la roue de pompe en rotation et un arbre 6 reliant le ro- tor magnétique 5 et la roue de pompe 4, ainsi qu'un ensemble de paliers 7 entourant l'arbre de pompe 6.
L'ensemble moteur 1b comporte le moteur électrique 8 constitué sous la forme d'un stator 32 comportant une culasse en forme de disque 32a et des bobinages et un support de stator 9 par l'intermédiaire duquel sont assu- rées l'alimentation et la commande du moteur 8, par l'intermédiaire d'une boîte à bornes 10.
Le corps de pompe 3 qui est fixé sur le support de stator 9 est réalisé sous une forme générale annulaire et renferme la culasse 11 du compensateur magnétique axial réalisée sous la forme d'un enroulement de tôle annu- laire qui est monté entre deux parties du corps de pompe 3 assemblées entre elles et immobilisé dans le corps de pompe par des goupilles de direction radiale. Dans l'espace interne du corps de pompe 3, l'arbre 6 de la pompe, qui est disposé suivant l'axe horizontal 12 du groupe motopompe, est monté à l'intérieur d'une fusée tubulaire 13 montée rotative autour de l'axe 12 du groupe motopompe, par l'intermédiaire de coussinets 14 fixés à l'intérieur du corps de pompe 3. La fusée 13, qui est fixée, à l'une de ses extrémités, au rotor magnétique 5 est montée solidaire en rotation de la roue de pompe 4 avec une latitude de déplacement axial, grâce à une rondelle élastique.
La fusée 13 et les coussinets 14 constituent deux paliers hydrodyna- miques ayant des surfaces en vis-à-vis entre lesquelles on assure la circulation d'un fluide.
De plus, la fusée 13 comporte, à ses extrémités, deux décrochements définissant des surfaces de retenue axiales coopérant avec des butées hy-
drodynamiques 15 situées à chacune des extrémités du corps de pompe et de la fusée pour assurer le maintien axial de la fusée et de l'arbre de pompe. Le rotor magnétique 5 est constitué par un corps en forme de disque 16 sur lequel sont montés des aimants permanents 17 et 17' de part et d'au- tre du disque, les aimants permanents moteurs 17 étant destinés à coopérer avec le stator 32 du moteur électrique 8 pour la mise en rotation du rotor 5 et, par son intermédiaire, de la roue de pompe 4 et les aimants permanents compensateurs 17' avec la culasse magnétique 11 du compensateur magnétique pour compenser les forces de direction axiale exercées sur le rotor magnétique 5 par le stator 32 du moteur 8.
Les aimants permanents moteurs 17 et les aimants permanents compensateurs 17' sont montés de part et d'autre du corps (ou culasse magnétique) 16 en forme de disque du rotor 5 et disposés de manière adjacente autour de la culasse magnétique 16 en forme de disque, deux aimants mo- teurs 17 ou deux aimants compensateurs 17' adjacents étant de polarités opposées. Chacun des aimants moteurs 17 est mis en série avec un aimant compensateur 17'.
Le corps de pompe 3 est traversé, dans sa partie supérieure, par un canal d'injection de fluide 18 communiquant avec un espace ou entrefer mé- nagé entre une face du rotor magnétique 5 et le corps de pompe 3, dans sa partie contenant la culasse magnétique 11 du compensateur. Le canal 18 permet d'injecter un fluide propre destiné à lubrifier les paliers 7, lorsque le fluide dont on assure le pompage est chargé de particules qui peuvent être abrasives. L'extrémité débouchante du canal 18 sur la surface extérieure du corps de pompe 3 est fermée par une plaque de fermeture 19 fixée sur le corps de pompe 3 par des goujons.
Selon l'invention, toutes les parties du groupe motopompe susceptibles de venir en contact avec le fluide corrosif dont on assure le pompage sont réalisées en un matériau résistant au contact corrosif et/ou abrasif du fluide dont on assure le pompage.
Selon un mode de réalisation préférentiel, le matériau constituant les parties du groupe motopompe en contact avec le fluide corrosif et/ou abrasif
est un polymère à forte résistance à la corrosion et à l'abrasion et par exemple le PFA (perfluoroalcoxy).
La volute 2 du groupe motopompe qui sera décrite plus en détail en regard des figures 4A, 4B et 4C est revêtue intérieurement par une couche 20 de PFA.
La roue de pompe 4 qui sera décrite plus en détail en regard des figures 5A à 5D comporte une partie externe 21 en matière plastique PFA qui peut être réalisée par moulage et usinage de finition sur un corps en acier, comme il sera décrit plus loin. La surface du corps de pompe 3 est recouverte par une couche de protection en PFA 22 qui est réalisée en particulier de manière à protéger parfaitement la culasse 11 du compensateur d'efforts axiaux.
Le rotor magnétique 5 est entouré, sur toute sa surface externe susceptible de venir en contact avec le fluide corrosif, par une couche 23 de PFA.
En particulier, comme il est visible sur les figures 1 et 3, la couche de PFA 23 entoure complètement les aimants permanents 17 et 17' fixés sur le corps 16 en forme de disque, du rotor magnétique 5.
Comme il est visible sur les figures 1 et 2, seuls parmi les éléments du groupe motopompe susceptibles de venir en contact avec le fluide, la fusée 13, les coussinets 14 et les butées 15 ne sont pas revêtus extérieurement de matière plastique PFA.
Comme dans le cas des groupes motopompes suivant l'art antérieur, ces éléments sont réalisés en carbure de silicium et du fluide est envoyé au contact des surfaces en vis-à-vis les unes des autres de ces éléments de palier et de butée pour assurer la lubrification et un fonctionnement hydrodynamique.
Comme il est visible sur les figures 4A, 4B et 4C, la volute 2 de la pompe comporte un corps creux 24 réalisé en fonte à graphite sphéroïdal, par coulée et usinage de finition, sur la surface interne duquel est fixé un revêtement de protection en matière plastique PFA 20.
Le corps 24 de la volute 2 en fonte à graphite sphéroïdal comporte une embase 24a, un conduit d'entrée 24b définissant un flasque de raccor-
dément à un conduit d'arrivée de fluide corrosif et un conduit de sortie 24c comportant une partie d'extrémité constituant un flasque de raccordement à une conduite d'évacuation de liquide corrosif, ainsi qu'une chambre interne 25 dont la paroi présente une forme en colimaçon, comme il est visible en particulier sur la figure 4B.
De plus, le corps 24 de la volute 2 est traversé, à sa partie inférieure, au-dessus de l'embase 24a, par un canal de vidange 26 qui peut être fermé par une plaque fixée sur le corps de la volute par des goujons.
Comme il est visible en particulier sur les figures 4B et 4C, la paroi de la chambre 25, en forme de colimaçon, la surface interne des conduits 24b et 24c et du canal de vidange 26 sont revêtues d'une couche 20 de PFA dont l'épaisseur est comprise entre 2 et 5 mm et de préférence de l'ordre de
3 mm.
Le corps 24 de la volute définit également un flasque 24d de fixation de la volute sur le corps de pompe 3, par l'intermédiaire de goujons.
La surface interne du corps 24 de la volute est usinée de manière à assurer un accrochage efficace de la couche de matière plastique 20, par exemple pour présenter des gorges 27 dans lesquelles pénètre la matière plastique PFA qui est déposée à l'état chaud et liquide ou pâteux sur la sur- face intérieure du corps 24 de la volute 2.
Le dépôt de la matière plastique 20 sur la surface interne du corps de la volute 2 est réalisé par injection, un ou plusieurs injecteurs étant introduits dans la volute qui est réalisée sous forme ouverte. De manière à faciliter le retrait des outillages d'injection de la matière plastique, la forme en colima- çon de la paroi interne de la chambre de la volute a été simplifiée par rapport aux formes données généralement à cette paroi de la chambre de la volute.
Comme il est visible en particulier sur les figures 5A, 5B, 5C et 5D, la roue de pompe 4 comporte un corps métallique 28 en acier au carbone ayant la forme générale d'un disque présentant des ouvertures traversantes 29 et un moyeu à sa partie centrale.
Le moyeu comporte une ouverture ayant une partie taraudée permettant d'assurer l'assemblage de l'arbre 6 et de la fusée 13 avec la roue de pompe 4.
La partie externe 21 de la roue de pompe de forme complexe est ré- alisée en une matière plastique qui peut être par exemple le PFA, par surmoulage de la matière plastique, dans un moule, sur le corps 28 de la roue de pompe.
La forme du moule est prévue de manière à réaliser des ailettes 30 en forme de spirale sur l'une des faces de la roue de pompe dirigée vers l'ouverture du conduit d'entrée 24b de la volute et des nervures 31 sur la face opposée de la roue de pompe 4. Pendant le moulage par injection de matière plastique liquide dans un moule, la matière plastique pénètre dans les ouvertures 29 traversant la partie en forme de disque du corps 28 de la roue de pompe. Après moulage et solidification de la matière plastique, on réalise généralement un léger usinage de finition de la surface de la partie externe de la roue de pompe et en particulier des ailettes en spirale 30.
Comme il est visible en particulier sur les figures 1 et 2, le corps de pompe 3 est usiné sur sa surface intérieure suivant la forme de gorges d'ac- crochage de la couche de matière plastique 22, de la même manière que la paroi de la chambre 25 de la volute.
La matière plastique 22 qui peut être du PFA est déposée à l'état liquide, par injection sur les surfaces intérieures du corps de pompe de forme globalement cylindrique, sur la surface intérieure du canal d'injection de fluide 18 et sur les surfaces frontales du corps de pompe 3 dirigées respectivement vers la volute 2 et le rotor magnétique 5.
En particulier, la couche de matière plastique 22 permet de protéger efficacement la culasse magnétique 11 fixée entre les deux parties du corps de pompe 3. Comme représenté sur les figures 1 et 3, le corps 16 du rotor magnétique 5 est réalisé sous la forme d'une pièce métallique en acier au carbone magnétique traversée par des ouvertures et comportant à sa partie centrale un moyeu présentant une ouverture taraudée et des logements de goupilles
pour la fixation de la partie d'extrémité de l'arbre 6 du groupe motopompe et de la fusée 13 des paliers.
Le rotor magnétique 5 est entièrement entouré de la couche de matière plastique 23, à l'exception de l'ouverture de passage de l'extrémité de l'arbre 6 et de la fusée 13 assurant la liaison entre le rotor magnétique 5 et la roue de pompe 4.
Comme il est visible sur la figure 1 , après réalisation de chacun des éléments de la pompe, on réalise l'assemblage du groupe motopompe 1a et sa fixation sur le support de stator 1b qui est fermé par une chemise de sta- tor 33 sur sa face d'assemblage avec le groupe motopompe proprement dit
1a.
Comme il est visible sur la figure 1 , l'assemblage des différents éléments du groupe de pompe proprement dit est réalisé avec interposition de joints 34 en matière plastique qui sont tous des joints statiques. De même, l'assemblage du groupe motopompe proprement dit 1a et du support de stator 9 est réalisé avec interposition d'un joint 34' intercalé entre la surface revêtue de matière plastique du corps de pompe 3 dirigée vers le support de stator 9 et la chemise de stator 33.
Le groupe motopompe ne comporte donc que des joints statiques en matière plastique ou élastomère, la matière plastique des joints étant également choisie pour sa résistance aux fluides corrosifs et/ou abrasifs dont on assure le pompage.
Le groupe motopompe suivant l'invention est donc protégé efficacement contre l'attaque par le fluide dont on assure le pompage, dans toutes ses parties exposées.
En outre, la réalisation de pièces complexes telles que la roue de pompe est fortement facilitée par l'utilisation d'une méthode de moulage ou de surmoulage, en particulier d'une matière plastique.
Lors du fonctionnement du groupe motopompe, le champ magnétique généré par le stator du moteur électrique 8 rencontre le flux magnétique produit par le rotor magnétique 5 comportant les aimants permanents 17 et 17' en série et se refermant dans la culasse magnétique 11 du compensateur et dans la culasse magnétique 32a du stator 32 du moteur électrique 8,
sous forme de boucles de flux. On obtient ainsi simultanément la mise en rotation de la partie tournante de la motopompe et la compensation d'effort axial.
L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut utiliser, pour protéger les éléments du groupe moto-pompe, à la place de PFA, toute autre matière plastique résistant à l'action corrosive et/ou abrasive d'un fluide dont on assure le pompage. Le choix de la matière plastique est dicté en particulier par le degré d'agressivité du fluide dont on assure le pompage et par la température de ce fluide. Au lieu d'une matière plastique, on peut utiliser tout autre type de matériau résistant à l'action corrosive ou à l'action abrasive d'un fluide dont on assure le pompage.
On peut par exemple utiliser des matières réfractaires pour réaliser le revêtement ou certaines parties externes des éléments du groupe moto- pompe.
On peut également utiliser des métaux ou alliages qui sont déposés comme revêtements sur des parties internes des éléments du groupe motopompe ou encore moulés ou surmoulés pour constituer des parties externes de ces éléments venant en contact avec le fluide dont on assure le pom- page.
L'invention peut s'appliquer à tout groupe motopompe à entraînement magnétique à travers une cloison de séparation entre le moteur d'entraînement de la pompe et le groupe motopompe proprement dit.
L'invention s'applique en particulier aux groupes motopompes utilisés dans l'industrie chimique pour le pompage de fluides agressifs et en particulier corrosifs.