WO2007119010A1 - Pompe polyphasique compacte - Google Patents

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WO2007119010A1
WO2007119010A1 PCT/FR2007/000641 FR2007000641W WO2007119010A1 WO 2007119010 A1 WO2007119010 A1 WO 2007119010A1 FR 2007000641 W FR2007000641 W FR 2007000641W WO 2007119010 A1 WO2007119010 A1 WO 2007119010A1
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WO
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wheel
blades
channel
channels
machine according
Prior art date
Application number
PCT/FR2007/000641
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English (en)
Inventor
Philippe Pagnier
Abdul Rahman Akhras
Régis Vilagines
Jean Falcimaigne
Original Assignee
Ifp
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Publication date
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Priority to US12/297,503 priority patent/US8221067B2/en
Priority to AT07731306T priority patent/ATE483915T1/de
Priority to EP07731306A priority patent/EP2029895B1/fr
Publication of WO2007119010A1 publication Critical patent/WO2007119010A1/fr
Priority to NO20084463A priority patent/NO339603B1/no

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D31/00—Pumping liquids and elastic fluids at the same time
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/181—Axial flow rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/181—Axial flow rotors
    • F04D29/183—Semi axial flow rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape

Definitions

  • the present invention relates to the field of multiphase pumps for compressing a mixture of gas and possibly viscous liquid.
  • the current rotodynamic multiphase pumps consist of the succession of several compression stages, typically from five to fifteen stages.
  • Each stage is composed of a movable element, called a wheel or spinning wheel, and a fixed element called a rectifier.
  • the inlet and the outlet of each element are axial, which, by the very nature of this geometry, gives these pumps a privileged operating range corresponding to low values of the pressure gain per stage in the range of relatively high flow rates. .
  • This type of pump is therefore particularly well suited for high power compression stations.
  • the pressure gain of such pumps can be increased by increasing the number of stages or by increasing the speed of rotation, which, depending on the type of application, can unfortunately lead to problems of size or reliability of the machines. on industrial sites.
  • the present invention provides a multiphase rotodynamic pump which notably enables the compression of mixtures of gases and liquids in an operation area previously reserved for pumps of the double screw type or progressante cavity (Moineau pumps), while s 1 freeing problems inherent to positive displacement pumps.
  • the device according to the invention is a pump which can be multi-stage whose movable wheels comprise a small number of blades and have a quasi-axial inlet and a semi-radial outlet.
  • the present invention relates to a rotodynamic machine for compressing a multiphasic fluid comprising at least one gaseous phase and one liquid phase.
  • the machine according to the invention comprises at least one wheel rotatable about an axis and mounted in a housing and at least one fixed wheel secured to the housing.
  • Said movable wheel comprises a hub provided with at least two blades so as to form at least two channels delimited by the hub, the housing and two of said blades. And said channels having a centrifugal part.
  • the rotodynamic machine according to the invention is characterized in that the length of one of the channels defined as the ratio between the volume of a channel and the maximum orthoradial area of said channel is between 10 cm and 20 cm, the area orthoradial being measured between the leading edge and the trailing edge of the blades of the moving wheel in a plane perpendicular to the axis of rotation, and in that the ratio between the area of the largest channel orthoradial section and the area of the smallest channel orthoradial section is less than or equal to 3, preferably less than or equal to 2.
  • the moving wheel may have at least three channels, said channels having an orthoradial section of between 2 cm 2 minimum and 30 cm 2 maximum.
  • the moving wheel may have n equidistant blades distributed in the peripheral direction on an angular sector between 2 ⁇ / n radians and 4 ⁇ / n radians.
  • the angle ⁇ formed, in a tangential plane, by the projected tangent line to the mean direction of a channel of the moving wheel and the axis of rotation may be greater than 60 °, preferably 70 °.
  • the internal radius of the casing measured at the trailing edge of the blades of said movable wheel may be greater than said radius measured at the leading edge of the blades of said moving wheel.
  • the angle ⁇ formed in a meridian plane by the projected tangent line to the mean direction of a channel of the moving wheel and the axis of rotation may vary from a value between -20 ° to + 20 ° to leading edge of the blades of the moving wheel to a value between 0.1 ° and 70 ° at the trailing edge of the blades of the moving wheel.
  • the thickness of the blades of the moving wheel, measured in a plane perpendicular to the axis of rotation may be minimum at a radius less than 0.9 times the largest radius of the moving wheel measured in said plane.
  • the machine according to the invention may comprise a plurality of mobile wheels attached to the same rotation shaft.
  • the fixed wheel may comprise a hub provided with at least two blades and the distance between the blades of the moving wheel and the blades of the fixed wheel, is limited to a maximum value of 6 millimeters.
  • the channels of a fixed wheel delimited by the hub, the casing and the walls of the blades may have a centrifugal part and a centripetal part.
  • Fixed wheels may have at least twice as many channels as moving wheels.
  • the pump according to the invention achieves compression performance similar to that of axial multiphase pumps, but with a rotation speed reduced by about 30%.
  • FIG. 1 represents, in axial section, a pump according to the invention
  • FIG. 2 is a developed view of the trace resulting from the intersection of the blades of a moving wheel with a surface of revolution
  • FIG. 3 represents, in axial section, a moving wheel
  • the pump shown in axial section in FIG. 1 comprises at least one compression cell according to the invention.
  • the pump members are mounted inside the casing 1 and around the rotating shaft 2 about the axis AA 1 .
  • the fluid to be compressed is introduced into the pump via the inlet orifice 3.
  • the circulation of the fluid introduced through the orifice 3 is adapted to the pump by a first wheel 5 which is fixed with respect to the casing 1,
  • the total energy of the fluid is increased by means of the compression cell composed by the mobile wheel 6 and the fixed wheel or rectifier 7.
  • the mobile wheel 6 is rotated by the shaft 2.
  • the rectifier 7 is fixed by 1.
  • the vanes or blades of the wheels 6 and 7 are shown diagrammatically in FIG. 2.
  • the vanes 20 are fixed on the hub 8 in rotation with the wheel 6. There is a gap between the end of the vanes 20 of the wheel. wheel 6 and the casing 1, allowing this wheel to turn freely in the casing 1 still.
  • the n blades 20 of a wheel 6 preferably extend over an angular portion equal to at least ⁇ radians.
  • vanes of the wheel 6 overlap partially so as to form channels in which the pumped fluid is forced to flow during a fraction of the rotation during its passage through the moving wheel 6.
  • the fixed wheel 7 is provided of vanes 21 integral with the hub 9 of the wheel 7 and the casing 1.
  • a moving wheel 6 therefore has a number of channels equal to the number of its blades 20.
  • These channels have a specific shape. More specifically, the inner radius of the channel, that is to say the outer radius of the hub 8 of the wheel 6, and the outer radius of the channel, that is to say the inner radius of the casing 1 at the level of the wheel 6, gradually increase from the inlet to the outlet of the wheel 6.
  • the height of the fluid section that is to say the span of the blades 20, measured in the plane perpendicular to the axis the rotation of the pump, between the hub 8 and the casing 1 is low and gradually decreases, from the inlet to the outlet of the wheel.
  • the passage section in a channel increases so as to overcome a too great deceleration of the fluid during its passage in the moving wheel 6.
  • the section of a channel of a moving wheel 6 can be defined by the features presented hereinafter.
  • the orthoradial section Sr of the channels is the area defined by the intersection between an interaubes channel of the wheel 6 with a plane perpendicular to the axis of rotation AA 'of the wheel.
  • the orthogonal section Sf of the channels is the area defined by the intersection between a channel interaubes and a plane perpendicular to the mean direction of the channel at the point considered.
  • the sections Sf are a good approximation of the normal sections offered to the fluid flowing in the channel between two successive blades of the wheel 6.
  • Figure 2 shows the geometric layout of the blades 20 on the developed surface of a revolution envelope.
  • the axis z represents the direction of the axis of rotation AA 1 and the axis R ⁇ represents the peripheral direction which is perpendicular to the axis AA 1 .
  • FIG. 2 shows the planes containing the orthoradial Sr and orthogonal Sf sections of a channel.
  • ⁇ is the angle formed in the meridian plane (plane defined by the radius and the axis of rotation A-A ') by the projected the straight line ⁇ tangent to the mean direction of the channel and the axis of rotation AA 'and, respectively, ⁇ is the angle formed in the tangential plane (plane defined by the peripheral direction and the axis of rotation A-
  • ⁇ on the meridian plane or on the tangential plane is carried out in a direction perpendicular to the plane considered.
  • FIG. 2 represents an angle ⁇ formed by the line ⁇ and the axis of rotation.
  • FIG. 3 which shows a mobile wheel 6 viewed in an axial section, the angle ⁇ formed by the line ⁇ and the axis of rotation can be read.
  • the angle ⁇ can be greater than 60 °, preferably 70 °, between the leading edge and the trailing edge of the wheel vane 6.
  • the angle ⁇ can be limited in the regions close to the inlet and the outlet of the wheel 6.
  • the leading edge of the vanes of the wheel 6 is placed in an area where ⁇ is included between -20 degrees and +20 degrees in order to obtain a substantially axial directional flow at the entrance of the wheel.
  • ⁇ is included between -20 degrees and +20 degrees in order to obtain a substantially axial directional flow at the entrance of the wheel.
  • ⁇ can be between 0.1 degrees and 70 degrees in order to avoid purely centrifugal flows at the exit of the moving wheels.
  • the area of the sections Sr and Sf varies so as to offer the gas-liquid mixture flowing through the wheel 6, channels of suitable length and equivalent hydraulic diameter.
  • the compression performance of the gas and liquid mixtures is optimized in a Sr and Sf variation range of between 2 cm 2 and 30 cm 2 , preferably between 2 cm 2 and 20 cm 2 , any point located between the inlet section and the outlet section of the wheel 6.
  • Suitable characteristics for the Sr and Sf sections can be obtained by choosing judiciously, on the one hand, the number and thickness of the blades and, on the other hand, the shape of the fluid vein in the meridian plane.
  • the thickness of the blades 20 is defined so as to confer orthogonal sections of oblong shape to the channels of the wheel 6.
  • This geometry makes it possible to improve the mixing of a two-phase fluid in the channels of the moving wheel.
  • Different geometries are shown in Figures 4 to 7 and listed in a nonlimiting manner and only by way of examples of possible embodiments of the blades of the movable wheel 6 of the multiphase pump according to the invention.
  • Figures 4 to 7 show blade profiles located between the hub 8 and the casing 1, seen in a plane perpendicular to the axis of rotation AA 1 .
  • the minimum thickness of the profiles is indicated by the reference E. In FIGS.
  • FIG. 6 represents a blade profile with a thin foot without connection fillet from the blade to the hub 8.
  • the minimum thickness E is located at the connection of the blade to the hub 8.
  • these geometries can be defined by means of a law of thickness of the blade in the radial direction.
  • This law of thickness in the radial direction makes it possible to define the surface of the blades in all points from a law of nominal thickness of the blade established for example, but in a nonlimiting manner, as a function of the geometrical coordinate ( z / L) to the end of the blades or the hub.
  • the fluid circulates in channels delimited by the hub 9, the casing 1 and the blades 21.
  • the machine according to the invention It is important to minimize the diffusion of the flows in the non-vanes between the moving wheels and the fixed wheels.
  • inter-blade channels of the wheel 7 having original shapes.
  • the fixed wheel has a triple curvature vane. More specifically, an inter-blade channel of the wheel 7 comprises a first centrifugal portion, followed by a second centripetal portion.
  • the inner radius of the channel that is to say the outer radius of the hub of the wheel 7 and the outer radius of the channel, that is to say the inner radius of the casing 1 increase, then on the second part, the radius of the hub and the radius of the casing gradually decrease.
  • the wingspan increases progressively from the entrance to the exit of the fixed wheel 7
  • the section of a channel of the wheel 7 can be defined analogously to the moving wheel channels 6.
  • the trailing edge of the vanes of the wheel 6 is located at a distance el from the leading edge of the vanes of the wheel 7.
  • the trailing edge of the vanes of the wheel 7 is situated at a distance e2 from the edge of the wheel. attack of the blades of the next wheel.
  • these distances el and e2, commonly called gaps are constant over the height of the blading.
  • all the gaps can be in the range [0.1 mm; 6 mm].
  • the pump according to the invention may comprise a plurality of compression cells arranged successively along the shaft 2.
  • the pressurized fluid After passing through the different compression cells, the pressurized fluid is discharged from the pump via the discharge orifice 4.
  • the multiphase pump according to the invention finds a favorable application in the compression of mixtures of gas and liquid whose viscosity can be significant. It is therefore an attractive solution for the compression of petroleum effluents, especially for heavy crudes.
  • the semi-radial multiphase pump also called mixed, can be used on land, on isolated oil fields or in deep sea underwater version, and more generally on isolated sites requiring low maintenance.
  • the pump according to the invention is also attractive for applications on offshore platforms.
  • its use, with a relatively low rotational speed can allow the use of a fixed speed motor, significantly less expensive and more reliable than variable speed drive systems.

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Abstract

Machine rotodynamique 'pour comprimer un fluide multiphasique comportant au moins une phase gazeuse et une phase liquide. La machine comporte au moins une roue mobile (6) en rotation autour d'un axe A-A1 et montée dans un carter (1) et au moins une roue fixe (7) solidaire du carter (1). La roue mobile (6) comporte un moyeu muni d'au moins deux pales (20) de manière à former au moins deux canaux délimités par le moyeu (8), le carter (1) et deux desdites pales (20). Les canaux possèdent une partie centrifuge. La longueur d'un des canaux définie comme le rapport entre le volume d'un canal et l'aire orthoradiale maximum dudit canal, mesurée dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, est comprise entre 10 cm et 20 cm et le rapport entre l'aire de la section orthoradiale de canal la plus grande et l'aire de la section orthoradiale de canal la plus petite est inférieur ou égal à 3.

Description

POMPE POLYPHASIQUE COMPACTE
La présente invention concerne le domaine des pompes polyphasiques permettant la compression d'un mélange de gaz et de liquide éventuellement visqueux.
Les pompes polyphasiques rotodynamiques actuelles, par exemple décrites par le document FR 2 665 224 sont constituées par la succession de plusieurs étages de compression, typiquement de cinq à quinze étages. Chaque étage est composé d'un élément mobile, nommé roue ou rouet, et d'un élément fixe appelé redresseur. L'entrée et la sortie de chaque élément sont axiales, ce qui, par la nature même de cette géométrie, confère à ces pompes, un domaine de fonctionnement privilégié correspondant à de faibles valeurs du gain pression par étage dans la gamme des débits relativement élevés. Ce type de pompe est donc particulièrement bien adapté pour des stations de compression de forte puissance. Le gain de pression de telles pompes peut être accru en augmentant le nombre d'étages ou en augmentant la vitesse de rotation, ce qui, selon le type de l'application, peut malheureusement conduire à des problèmes d'encombrement ou de fiabilité des machines sur les sites industriels.
Pour les applications correspondant à des débits faibles et des gains de pression élevés, le concept généralement le plus utilisé pour la compression des mélanges de gaz et de liquide, est la pompe volumétrique du type à double vis. Cette technologie requiert, cependant, des opérations de maintenance mécanique relativement fréquentes pouvant limiter son usage sur des sites isolés ou difficilement accessibles comme les grands fonds marins ou les puits pétroliers. La présente invention propose une pompe polyphasique rotodynamique qui permet notamment de réaliser la compression de mélanges de gaz et de liquides dans un domaine de fonctionnement précédemment réservé aux pompes du type à double vis ou à cavité progressante (pompes Moineau), tout en s1 affranchissant des problèmes inhérents aux pompes volumétriques. Le dispositif selon l'invention est une pompe qui peut être multiétagée dont les roues mobiles comportent un nombre restreint d'aubages et présentent une entrée quasi axiale et une sortie semi-radiale.
De manière générale, la présente invention concerne une machine rotodynamique pour comprimer un fluide multiphasique comportant au moins une phase gazeuse et une phase liquide. La machine selon l'invention comporte au moins une roue mobile en rotation autour d'un axe et montée dans un carter et au moins une roue fixe solidaire du carter. Ladite roue mobile comporte un moyeu muni d'au moins deux pales de manière à former au moins deux canaux délimités par le moyeu, le carter et deux desdites pales. Et lesdits canaux possédant une partie centrifuge. La machine rotodynamique selon l'invention est caractérisée en ce que la longueur d'un des canaux définie comme le rapport entre le volume d'un canal et l'aire orthoradiale maximum dudit canal est comprise entre 10 cm et 20 cm, l'aire orthoradiale étant mesurée entre le bord d'attaque et le bord de fuite des pales de la roue mobile dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, et en ce que le rapport entre l'aire de la section orthoradiale de canal la plus grande et l'aire de la section orthoradiale de canal la plus petite est inférieur ou égal à 3, de préférence inférieur ou égal à 2.
Selon l'invention, la roue mobile peut posséder au moins trois canaux, lesdits canaux ayant une section orthoradiale comprise entre 2 cm2 au minimum et 30 cm2 au maximum. La roue mobile peut posséder n pales équidistantes réparties dans la direction périphérique sur un secteur angulaire compris entre 2π/n radians et 4π/n radians.
L'angle β formé, dans un plan tangentiel, par le projeté de la droite tangente à la direction moyenne d'un canal de la roue mobile et par l'axe de rotation peut être supérieur à 60°, de préférence à 70°.
Le rayon interne du carter mesuré au bord de fuite des pales de ladite roue mobile peut être supérieur audit rayon mesuré au bord d'attaque des pales de ladite roue mobile. L'angle δ formé dans un plan méridien par le projeté de la droite tangente à la direction moyenne d'un canal de la roue mobile et l'axe de rotation peut varier d'une valeur comprise entre -20° à +20° au bord d'attaque des pales de la roue mobile jusqu'à une valeur comprise entre 0,1° et 70° au bord de fuite des pales de la roue mobile. L'épaisseur des pales de la roue mobile, mesurée dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, peut être minimum à un rayon inférieur à 0,9 fois le plus grand rayon de la roue mobile mesuré dans ledit plan.
La machine selon l'invention peut comporter plusieurs roues mobiles attachées à un même arbre de rotation. La roue fixe peut comporter un moyeu muni d'au moins deux pales et la distance entre les pales de la roue mobile et les pales de la roue fixe, est limitée à une valeur maximale de 6 millimètres.
Les canaux d'une roue fixe délimités par le moyeu, le carter et les parois des pales peuvent posséder une partie centrifuge et une partie centripète.
Les roues fixes peuvent posséder au moins deux fois plus de canaux que les roues mobiles. La pompe selon l'invention permet d'atteindre des performances de compression similaires à celles des pompes polyphasiques axiales, mais avec une vitesse de rotation réduite de 30 % environ.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels :
- la figure 1 représente, en coupe axiale, une pompe suivant l'invention, - la figure 2 est une vue développée de la trace résultant de l'intersection des pales d'une roue mobile avec une surface de révolution,
- la figure 3 représente, en coupe axiale, une roue mobile,
- les figures 4 à 7 schématisent différents profils de pale.
La pompe représentée en coupe axiale sur la figure 1 comporte au moins une cellule de compression selon l'invention. Les organes de la pompe sont montés à l'intérieur du carter 1 et autour de l'arbre tournant 2 autour de l'axe A-A1. Le fluide à comprimer est introduit dans la pompe par l'orifice d'admission 3.
La circulation du fluide introduit par l'orifice 3 est adapté à la pompe par une première roue 5 qui est fixe par rapport au carter 1,
Ensuite l'énergie totale du fluide est augmentée au moyen de la cellule de compression composée par la roue mobile 6 et la roue fixe ou redresseur 7. La roue mobile 6 est entraînée en rotation par l'arbre 2. Le redresseur 7 est fixe par rapport au carter 1. Les aubages ou pales des roues 6 et 7 sont schématisés sur la figure 2. Les aubages 20 sont fixés sur le moyeu 8 en rotation de la roue 6. Il existe un jeu entre l'extrémité des aubages 20 de la roue 6 et le carter 1, permettant à cette roue de tourner librement dans le carter 1 immobile. En suivant la direction périphérique, les n pales 20 d'une roue 6 s'étendent préférentiellement sur une portion angulaire égale à ^y radians, au moins. Ainsi les aubes de la roue 6 se recouvrent partiellement de manière à former des canaux dans lesquels le fluide pompé est forcé de s'écouler pendant une fraction de la rotation lors de son passage à travers la roue mobile 6. La roue fixe 7 est munie d'aubes 21 solidaires du moyeu 9 de la roue 7 et du carter 1.
Au niveau de la roue 6, le fluide circule dans des canaux délimités par le moyeu de la roue 6, le carter 1 et deux aubes successives 20 fixées sur le moyeu 8. Une roue mobile 6 possède donc un nombre de canaux égal au nombre de ses pales 20. Ces canaux ont une forme spécifique. Plus précisément, le rayon intérieur du canal, c'est-à-dire le rayon extérieur du moyeu 8 de la roue 6, et le rayon extérieur du canal, c'est-à-dire le rayon intérieur du carter 1 au niveau de la roue 6, augmentent progressivement de l'entrée vers la sortie de la roue 6. Néanmoins, la hauteur de la section fluide, c'est-à-dire l'envergure des aubages 20, mesurée dans le plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la pompe, entre le moyeu 8 et le carter 1 est faible et diminue progressivement, de l'entrée vers la sortie de la roue. Ainsi, globalement, la section de passage dans un canal augmente de façon à s'affranchir d'une décélération trop importante du fluide lors de son passage dans la roue mobile 6.
La section d'un canal d'une roue mobile 6 peut être définie par les caractéristiques présentées ci-après.
La section orthoradiale Sr des canaux est l'aire définie par l'intersection entre un canal interaubes de la roue 6 avec un plan perpendiculaire à l'axe de rotation A-A' de la roue. La variation de Sr entre l'entrée et la sortie de la roue mobile 6 peut être définie par une fonction de la coordonnée géométrique (z/L) mesurée suivant l'axe de rotation, avec z=0 dans la section d'entrée de la roue, c'est-à-dire au niveau des bords d'attaque de la roue 6 et z=L dans la section de sortie de la roue, c'est-à-dire au niveau des bords de fuite de la roue 6.
La section orthogonale Sf des canaux est l'aire définie par l'intersection entre un canal interaubes et un plan perpendiculaire à la direction moyenne du canal au point considéré. Les sections Sf sont une bonne approximation des sections normales offertes au fluide s'écoulant dans le canal entre deux aubes successives de la roue 6.
La figure 2 représente le tracé géométrique des pales 20 sur la surface développée d'une enveloppe de révolution. L'axe z représente la direction de l'axe de rotation A-A1 et l'axe Rθ représente la direction périphérique qui est perpendiculaire à l'axe A-A1. On a représenté sur la figure 2 les plans contenant les sections orthoradiale Sr et orthogonale Sf d'un canal.
Pour toute section Sf, on peut définir un couple d'angles (δ,β) où δ est l'angle formé dans le plan méridien (plan défini par le rayon et l'axe de rotation A-A') par le projeté de la droite Δ tangente à la direction moyenne du canal et l'axe de rotation A-A' et, respectivement, β est l'angle formé dans le plan tangentiel (plan défini par la direction périphérique et l'axe de rotation A-
A') par le projeté de la droite Δ et l'axe de rotation A-A'. Le projeté de la droite
Δ sur le plan méridien ou sur le plan tangentiel est effectué selon une direction perpendiculaire au plan considéré.
La figure 2 représente un angle β formé par la droite Δ et l'axe de rotation. Sur la figure 3 qui représente une roue mobile 6 vue selon une coupe axiale, on peut lire l'angle δ formé par la droite Δ et l'axe de rotation.
Les sections Sr et Sf, ainsi que les angles δ et β doivent vérifier des critères de dimensiόnnement pour obtenir une pompe suivant l'invention.
Une caractéristique importante est que l'angle β peut être supérieur à 60°, de préférence 70°, entre le bord d'attaque et le bord de fuite de l'aubage de la roue 6. En outre, l'angle δ peut être limité dans les régions proches de l'entrée et de la sortie de la roue 6. De préférence, on place le bord d'attaque des aubages de la roue 6 dans une zone où δ est compris entre -20 degrés et +20 degrés afin d'obtenir un écoulement de direction sensiblement axiale à l'entrée de la roue. Compte tenu de la grande variété de formes possibles des bords d'attaque des pales de la roue 6, il peut être avantageux de choisir des valeurs négatives de l'angle δ au niveau de la section d'entrée de la roue 6. Une telle disposition est originale car elle correspond à une roue mobile 6 dans laquelle la direction de l'écoulement est globalement centripète dans la région d'entrée puis devient progressivement globalement centrifuge. Du point de vue de l'homme de l'art, cette caractéristique est défavorable aux performances de compression des fluides monophasiques, gazeux ou liquides, elle n'est donc jamais rencontrée dans les turbomachines usuelles. Dans le cas des pompes suivant l'invention, elle a cependant l'intérêt de permettre l'obtention de canaux de longueur suffisante, propices à la compression des mélanges gaz- liquides, dans un encombrement axial minimum.
En outre, on peut choisir préférentiellement de placer le bord de fuite des aubages de la roue 6 dans une zone où δ peut être compris entre 0,1 degrés et 70 degrés afin d'éviter les écoulements purement centrifuges en sortie des roues mobiles.
Corrélativement, l'aire des sections Sr et Sf, varie de façon à offrir au mélange gaz-liquide s'écoulant à travers la roue 6, des canaux de longueur et de diamètre hydraulique équivalent adaptés. Des expérimentations ont montré que la performance de compression des mélanges de gaz et de liquides est optimisée dans un domaine de variation de Sr et Sf, compris entre 2 cm2 et 30 cm2, de préférence entre 2 cm2 et 20 cm2, en tout point situé entre la section d'entrée et la section de sortie de la roue 6. On peut obtenir des caractéristiques appropriées pour les sections Sr et Sf, en choisissant judicieusement, d'une part, le nombre et l'épaisseur des aubes et, d'autre part, la forme de la veine fluide dans le plan méridien.
Avantageusement, l'épaisseur des pales 20 est définie de manière à conférer des sections orthogonales de forme oblongue aux canaux de la roue 6. Cette géométrie permet d'améliorer le mélange d'un fluide biphasique dans les canaux de la roue mobile. Différentes géométries sont représentées par les figures 4 à 7 et listées de façon non limitative et uniquement à titre d'exemples de réalisations possibles des pales de la roue mobile 6 de la pompe polyphasique suivant l'invention. Les figures 4 à 7 représentent des profils de pales situées entre le moyeu 8 et le carter 1, vus dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation A-A1. L'épaisseur minimum des profils est indiquée par la référence E. Sur les figures 4 et 5, on utilise, par exemple, un aubage de type "champignon", c'est-à-dire dont l'épaisseur mesurée en bout d'aube dans une section orthogonale est supérieure à l'épaisseur de l'aube mesurée à un rayon inférieur. La figure 6 représente un profil de pale à pied mince sans congé de raccordement de l'aube au moyeu 8. L'épaisseur minimum E est située au niveau du raccordement de l'aube au moyeu 8. Alternativement, on peut mettre en oeuvre des congés de raccordement entre le moyeu de la roue et les aubes possédant une forme non circulaire ou une forme circulaire avec un rayon important, comme représenté par la figure 7. Le rayon de ces congés de raccordement peut atteindre une valeur maximum égale à l'envergure de la pale.
Au stade de la conception des aubes des roues mobile 6 de la pompe suivant l'invention, ces géométries peuvent être définies au moyen d'une loi d'épaisseur de l'aubage dans la direction radiale. Cette loi d'épaisseur dans la direction radiale permet de définir la surface des aubages en tous points à partir d'une loi d'épaisseur nominale de l'aube établie par exemple, mais de façon non limitative, en fonction de la coordonnée géométrique (z/L) à l'extrémité des aubes ou au moyeu. On définit ainsi une méthode originale de génération de la géométrie des aubes de la roue 6 bien adaptée à la conception des pompes polyphasiques suivant l'invention.
A titre d'exemple d'illustration des modes de réalisation possibles de la roue 6, on peut utiliser la loi d'épaisseur nominale au carter (notée ecarter) d'un profil elliptique décrit suivant la direction axiale en fonction de la coordonnée
géométrique (z/L) par une équation de la forme ,
Figure imgf000011_0001
avec A, B, z0 et e0 des nombres réels positifs, couplée avec une loi d'épaisseur radiale sous la forme e(r*)= (r*-k)2 pour définir ecarter l'épaisseur de l'aubage au carter puis l'épaisseur de l'aubage en tout point de la roue 6 en fonction de la variable r*= (r-R u)/(Rcarter-R u) et du paramètre k, compris entre 0 et 1 .
Au niveau de la roue 7, le fluide circule dans des canaux délimités par le moyeu 9, le carter 1 et les aubes 21. Afin de favoriser l'écoulement des mélanges de gaz et de liquide à travers la machine suivant l'invention, il est important de limiter au minimum la diffusion des écoulements dans les parties non aubées entre les roues mobiles et les roues fixes. Cela confère à la machine suivant l'invention des canaux inter-aubes de la roue 7 ayant des formes originales. De préférence, la roue fixe présente un aubage à triple courbure. Plus précisément un canal inter-aubes de la roue 7 comporte une première partie centrifuge, suivie d'une deuxième partie centripète. En d'autres termes, sur la première partie, le rayon intérieur du canal, c'est-à-dire le rayon extérieur du moyeu de la roue 7 et le rayon extérieur du canal, c'est-à-dire le rayon intérieur du carter 1 augmentent, puis sur la deuxième partie, le rayon du moyeu et le rayon du carter diminuent progressivement. L'envergure des aubages augmente progressivement de l'entrée vers la sortie de la roue fixe 7 La section d'un canal de la roue 7 peut être définie de façon analogue aux canaux de roue mobile 6.
Le bord de fuite des aubages de la roue 6 est situé à une distance el du bord d'attaque des aubages de la roue 7. De même, le bord de fuite des aubages de la roue 7 est situé à une distance e2 du bord d'attaque des aubages de la roue suivante. Selon l'invention, ces distances el et e2, nommées couramment jeux d'entrefer, sont constantes sur la hauteur de l'aubage. Avantageusement, tous les jeux d'entrefer peuvent être compris dans l'intervalle [0,1 mm ; 6 mm]. La pompe selon l'invention peut comporter plusieurs cellules de compression disposées successivement le long de l'arbre 2.
Après passage à travers les différentes cellules de compression, le fluide sous pression est évacué de la pompe par l'orifice d'évacuation 4.
La pompe polyphasique selon l'invention, trouve une application favorable dans la compression de mélanges de gaz et de liquide dont la viscosité peut être importante. Elle constitue donc une solution attrayante pour la compression d'effluents pétroliers, en particulier pour les bruts lourds. En outre, la pompe polyphasique semi-radiale, également appelée mixte, peut être utilisée à terre, sur des champs pétroliers isolés ou en mer profonde en version sous-marine, et plus généralement sur des sites isolés exigeant une maintenance faible. Par sa compacité, la pompe selon l'invention est également attractive pour des applications sur des plates-formes en mer. Enfin, son utilisation, avec une vitesse de rotation relativement faible, peut permettre l'emploi d'une motorisation à vitesse fixe, nettement moins onéreuse et plus fiable que les systèmes d'entraînement à vitesse variable.

Claims

REVENDICATIONS
1) Machine rotodynamique pour comprimer un fluide multiphasique comportant au moins une phase gazeuse et une phase liquide, ladite machine comportant au moins une roue mobile en rotation autour d'un axe et montée dans un carter et au moins une roue fixe solidaire du carter, ladite roue mobile comportant un moyeu muni d'au moins deux pales de manière à former au moins deux canaux délimités par le moyeu, le carter et deux desdites pales, lesdits canaux possédant une partie centrifuge, caractérisée en ce que la longueur d'un des canaux définie comme le rapport entre le volume d'un canal et l'aire orthoradiale maximum dudit canal est comprise entre 10 cm et 20 cm, l'aire orthoradiale étant mesurée entre le bord d'attaque et le bord de fuite des pales de la roue mobile dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, et en ce que le rapport entre l'aire de la section orthoradiale de canal la plus grande et l'aire de la section orthoradiale de canal la plus petite est inférieur ou égal à 3.
2) Machine selon la revendication 1, dans laquelle ladite roue mobile possède au moins trois canaux, lesdits canaux ayant une section orthoradiale comprise entre 2 cm2 au minimum et 30 cm2 au maximum.
3) Machine selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle ladite roue mobile possède n pales équidistantes réparties dans la direction périphérique sur un secteur angulaire compris entre 2π/n radians et 4π/n radians. 4) Machine selon la revendication 3, dans laquelle l'angle β formé, dans un plan tangentiel, par le projeté de la droite tangente à la direction moyenne d'un canal de la roue mobile et par l'axe de rotation est supérieur à 60°.
5) Machine selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le rayon interne du carter mesuré au bord de fuite des pales de ladite roue mobile est supérieur audit rayon mesuré au bord d'attaque des pales de ladite roue mobile.
6) Machine selon la revendication 5, dans laquelle l'angle δ formé dans un plan méridien par le projeté de la droite tangente à la direction moyenne d'un canal de la roue mobile et l'axe de rotation varie d'une valeur comprise entre - 20° à +20° au bord d'attaque des pales de la roue mobile jusqu'à une valeur comprise entre 0,1° et 70° au bord de fuite des pales de la roue mobile.
7) Machine selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle l'épaisseur des pales de la roue mobile, mesurée dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation est minimum à un rayon inférieur à 0,9 fois le plus grand rayon de la roue mobile mesuré dans ledit plan.
8) Machine selon l'une des revendications 1 à 7, comportant plusieurs roues mobiles attachées à un même arbre de rotation.
9) Machine selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle ladite roue fixe comporte un moyeu muni d'au moins deux pales et dans laquelle la distance entre les pales de la roue mobile et les pales de la roue fixe, est limitée à une valeur maximale de 6 millimètres. 10) Machine selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle les canaux d'une roue fixe délimités par le moyeu, le carter et les parois des pales possèdent une partie centrifuge et une partie centripète.
11) Machine selon l'une des revendications 9 et 10, dans laquelle les roues fixes possèdent au moins deux fois plus de canaux que les roues mobiles.
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