FR3152171A1 - Stator pour pompe comprenant des pales principales et des pales secondaires - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un stator de pompe comprenant un moyeu et un carter coaxiaux autour d’un axe longitudinal, une entrée axiale et une sortie axiale, une première série de pales principales (50) et une deuxième série de pales secondaires (60), les génératrices des pales principales (50) et secondaires (60) s’étendant sensiblement axialement, les pales secondaires (60) étant intercalées circonférentiellement entre les pales principales (50), les bords d’attaque des pales principales (50) étant sur un même premier plan transverse. De plus, les bords d’attaque des pales secondaires (60) sont positionnés sur un deuxième plan transverse parallèle au premier plan transverse, à une première distance prédéterminée du premier plan transverse, en direction de ladite sortie axiale, la première distance prédéterminée étant comprise entre 0,1 et 0,3 fois la longueur axiale (Lm) des pales principales (50). L’invention concerne également une pompe avec un tel stator. Figure 5 à publier

Description

Stator pour pompe comprenant des pales principales et des pales secondaires
L’invention concerne le domaine des dispositifs de compression ou de pompage de fluides et elle concerne plus particulièrement un stator d’un dispositif de compression ou de pompage de fluides.
Un dispositif de compression comprend généralement un ou plusieurs étages de compression. Chaque étage de compression comprend au moins une partie mobile avec une roue tournante (cette partie mobile est également appelée « rotor » ou « impulseur ») et au moins une partie fixe, un redresseur (également appelé « stator » ou « diffuseur »). Ces éléments peuvent être mis en place au sein d’un carter du dispositif de compression.
Le stator est placé en aval d’une roue tournante et a pour rôle de redresser l’écoulement du fluide sortant de la roue, l’écoulement étant entraîné en rotation par la roue tournante. Son but est de pouvoir alimenter l’étage de compression suivant (une autre roue tournante en aval du stator) ou d’utiliser le flux de fluide directement. Le stator sert à convertir l’énergie cinétique du fluide en énergie potentielle. Pour cela, le stator comprend généralement des pales.
Le stator est statique, c’est-à-dire fixe par rapport à l’enveloppe externe du dispositif de compression, alors que les roues tournantes sont mobiles en rotation autour d’un axe longitudinal. Le but de ces roues tournantes est d’augmenter l’énergie cinétique et l’énergie potentielle du fluide. Elles sont généralement fixées à un arbre rotatif et comprennent généralement des aubes.
Plus particulièrement, l’invention concerne une pompe et un stator de pompe destinés à pomper un fluide compressible, notamment du CO2.
LaFIG. 1est issue de la demande de brevet US2018/106270 AA. Elle montre un exemple de pompe multiphasique comprenant au moins un ou plusieurs étages de compression (laFIG. 1ne montre qu'un seul étage), chaque étage comprenant une roue tournante 1 et un stator 2. Les roues tournantes sont fixées au moyeu 10. Les roues tournantes 1 peuvent comprendre une pluralité de pales 3 et les stators 2 peuvent comprendre une pluralité de pales 4. Dans cette figure, le sens de l'écoulement du fluide est représenté par une flèche S.
En raison de la forme géométrique de certains dispositifs de compression, l'écoulement peut former, avec l'axe de rotation du dispositif, un très grand angle à la sortie dynamique de la roue tournante (par exemple, de l'ordre de 60 degrés à 70 degrés). La géométrie des stators cherche à limiter l’angle résiduel en sortie du stator, avec l’axe de rotation du dispositif.
La demande de brevet US2018/106270 AA concerne un stator de pompe. Le stator peut être en deux parties successives, situées axialement l’une derrière l’autre et séparées par une pièce intermédiaire formant une distance axiale entre ces deux parties successives. Toutefois, l’espace formé entre les pales amont de la partie amont du stator et les pales aval de la partie avale du stator génère des pertes de performances importantes.
La demande de brevet CN 115 388 038 A concerne un stator d’un compresseur centrifuge avec une entrée radiale et une sortie axiale. Le stator comprend deux séries de pales.
Le but de l’invention est de chercher à améliorer les performances du stator d’une pompe, telle qu’une pompe polyphasique, où le flux de fluide se dirige essentiellement axialement le long de la pompe et du stator, en limitant notamment les phénomènes de décollement, et ce plus particulièrement pour les fluides compressibles, tel que le CO2.
L’invention concerne un stator de pompe comprenant un moyeu et un carter coaxiaux autour d’un axe longitudinal, une entrée axiale pour l’introduction d’un fluide dans le stator et une sortie axiale pour l’évacuation du fluide du stator, une première série de pales principales et une deuxième série de pales secondaires, lesdites pales principales et secondaires s’étendant radialement du moyeu au carter, les génératrices des pales principales et secondaires s’étendant sensiblement axialement, les pales secondaires étant intercalées circonférentiellement entre les pales principales, les bords d’attaque des pales principales étant sur un même premier plan transverse. En outre, les bords d’attaque des pales secondaires sont positionnés sur un deuxième plan transverse parallèle au premier plan transverse, le deuxième plan transverse étant positionné axialement à une première distance prédéterminée du premier plan transverse, en direction de ladite sortie axiale, la première distance prédéterminée étant comprise entre 0,1 et 0,3 fois, de préférence entre 0,15 et 0,25 fois, la longueur axiale des pales principales.
De préférence, la longueur axiale des pales secondaires est inférieure ou égale à ladite longueur axiale des pales principales.
De manière avantageuse, les bords de fuite des pales secondaires forment un troisième plan transverse positionné à une deuxième distance prédéterminée d’un quatrième plan transverse formé par les bords de fuite des pales principales, la deuxième distance prédéterminée étant comprise entre -0,3 fois et +0,3 fois, de préférence entre -0,1 fois et +0,1 fois, ladite longueur axiale des pales principales, de préférence, la deuxième distance prédéterminée est nulle.
Avantageusement, les pales secondaires sont décalées, dans la direction circonférentielle, des pales principales les précédent directement dans la direction circonférentielle, d’un angle compris entre 0,2 et 0,5 fois, de préférence entre 0,25 et 0,35 fois, le décalage angulaire circonférentiel des pales principales.
Préférentiellement, le rapport entre la section de la sortie axiale et la section de l’entrée axiale de fluide est compris entre 0,5 et 2,5, de préférence entre 0,5 et 1,5.
Selon une configuration avantageuse de l’invention, le rapport entre ladite longueur axiale des pales principales et le rayon externe au bord d’attaque des pales principales est compris entre 0,36 et 1.80, de préférence entre 0,65 et 1,64.
Selon une variante préférée de l’invention, le diamètre externe des pales principales et/ou secondaires décroît de l’entrée axiale vers la sortie axiale.
Avantageusement, le diamètre interne des pales principales et/ou secondaires décroît de l’entrée axiale vers la sortie axiale.
Préférentiellement, les pales principales sont décalées deux à deux successivement dans la direction circonférentielle d’un écart angulaire circonférentiel vérifiant sensiblement :
Avec l’écart angulaire circonférentiel des pales principales, correspondant sensiblement à l’écart angulaire circonférentiel généré entre le bord d’attaque et le bord de fuite de chaque pale principale ;
ALR: le rapport entre ladite longueur axiale des pales principales et le rayon externe au bord d’attaque des pales principales
etaetbétant des valeurs prédéterminées.
L’invention concerne également une pompe, de préférence polyphasique, la pompe comprenant une enveloppe externe, une succession axiale de parties fixes et de parties rotatives à l’intérieur de l’enveloppe externe, une première ouverture d’entrée axiale pour l’entrée d’un fluide dans la pompe et une deuxième ouverture de sortie axiale pour la sortie du fluide de la pompe. Au moins une partie fixe comprend un stator tel que décrit précédemment, de préférence l’enveloppe externe correspondant au carter du stator.
De préférence, l’enveloppe externe comprend au moins une portion avec une surface interne de diamètre intérieur strictement décroissant, dans le sens de l’écoulement du fluide axialement à travers la pompe et préférentiellement, l’enveloppe externe comprend plusieurs portions avec, chacune, une surface interne de diamètre intérieur strictement décroissant, dans le sens de l’écoulement du fluide axialement à travers la pompe.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages du stator et/ou de la pompe selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
[Fig 1]
LaFIG. 1(déjà décrite) représente un exemple de pompe polyphasique selon l’art antérieur.
[Fig 2]
LaFIG. 2illustre un premier exemple de pompe selon l’invention.
[Fig 3]
LaFIG. 3illustre un deuxième exemple de pompe selon l’invention.
[Fig 4]
LaFIG. 4illustre une vue dans un plan longitudinal d’un stator de pompe selon l’invention.
[Fig 5]
LaFIG. 5illustre une vue développée le long de la direction circonférentielle d’un stator de pompe avec certains paramètres selon l’invention.
[Fig 6]
LaFIG. 6illustre une vue développée le long de la direction circonférentielle d’un stator de pompe avec des paramètres additionnels à ceux de laFIG. 5selon l’invention.
[Fig 7]
LaFIG. 7illustre une courbe de performance en fonction du décalage axial du bord d’attaque des pales secondaires par rapport au bord d’attaque des pales principales, d’un stator de pompe selon l’invention.
[Fig 8]
LaFIG. 8illustre une courbe de performance en fonction du décalage angulaire circonférentiel du bord d’attaque des pales secondaires par rapport au bord d’attaque des pales principales, d’un stator de pompe selon l’invention.
[Fig 9]
LaFIG. 9illustre en schéma a), les profils des moyeux et carter du stator de la pompe, le long de l’axe longitudinal, et en schéma b) le profil des pales, sur les parties en liaison avec le moyeu et avec le carter.
[Fig 10]
LaFIG. 10illustre une comparaison des champs de vitesse axiale d’un stator de l’art antérieur (a)) et de l’invention (b)) dans un plan longitudinal.
Les termes « axial » et « axialement » signifient généralement le long ou parallèlement à un axe longitudinal, tandis que les termes « radial » et « radialement » signifient généralement perpendiculairement à l’axe longitudinal. Par exemple, une longueur axiale fait référence à une distance mesurée le long ou parallèlement à l’axe longitudinal, et une longueur radiale correspond à une distance mesurée radialement, c’est-à-dire perpendiculairement à l’axe longitudinal. L’utilisation de « haut », « bas », « au-dessus », « en dessous » et des variantes de ces termes est faite pour des raisons de commodité, en référence aux figures, sans préjuger de de leur positionnement spatial en conditions d'utilisation, et ne nécessite aucune orientation particulière des composants.
Dans le présent document, le terme « dispositif de compression de fluide » désigne les compresseurs et les pompes destinés respectivement à comprimer ou à pomper un fluide. Ces dispositifs peuvent être des dispositifs de surface, sous-marins ou de fond (c’est-à-dire dans des formations souterraines).
Les termes « amont » et « aval » s’entendent dans le sens de l’écoulement du fluide passant dans le stator ou dans la pompe.
Le bord d’attaque est le bord de la pale qui fait face au fluide. Ainsi, il sépare le fluide qui arrive en amont de la pale en deux flux, un qui passe d’un côté de la pale (à l’extrados par exemple) et l’autre qui passe sur le côté opposé (à l’intrados par exemple).
Le bord de fuite est le bord de la pale qui est à l’opposé du bord d’attaque. Au niveau du bord de fuite, les deux écoulements séparés par le bord d’attaque peuvent à nouveau se mélanger pour former un flux unique. En d’autres termes, le bord d’attaque est à l’extrémité amont de la pale et le bord de fuite est à l’extrémité avale de la pale.
La génératrice d’une pale est la ligne médiane de la pale c’est-à-dire la ligne située à égale distance de l’extrados et de l’intrados. Elle est généralement incurvée et s’étend sensiblement axialement.
L’extrados est la surface externe convexe d’une pale alors que l’intrados est la surface interne concave d’une pale.
Au sens de la présente description, un plan transverse est un plan orthogonal à l’axe longitudinal du stator ou de la pompe.
L’invention concerne un stator (également appelé « redresseur » ou « diffuseur ») de pompe, de préférence polyphasique, comprenant :
  • un moyeu (ou « moyeu interne ») et un carter (aussi appelé « moyeu externe ») coaxiaux autour d’un axe longitudinal,
  • une entrée axiale pour l’introduction d’un fluide dans le stator,
  • une sortie axiale pour l’évacuation du fluide du stator,
  • une première série de pales principales,
  • et une deuxième série de pales secondaires.
Ainsi, dans le stator de l’invention, le flux de fluide s’étend essentiellement axialement de l’entrée axiale vers la sortie axiale. Ce type de stator est donc adapté à des pompes, telles que des pompes dites « polyphasiques », c’est-à-dire aptes à pomper un fluide multiphasique.
Selon l’invention, les pales principales et secondaires s’étendent radialement du moyeu au carter et les génératrices des pales principales et secondaires s’étendent sensiblement axialement. Par « sensiblement axialement », on entend que les pales et leurs génératrices sont incurvées, et donc elles ne s’étendent bien entendu pas uniquement dans la direction axiale.
Les pales principales et secondaires peuvent de préférence ne pas avoir d’ouvertures, telles que des trous et/ou des rainures, de manière à limiter les pertes de performances du stator et de la pompe. Cela est d’autant plus vrai lorsque le but du stator est de convertir de l'énergie cinétique en énergie potentielle car les ouvertures peuvent générer des turbulences.
De plus, les pales secondaires sont intercalées circonférentiellement entre les pales principales. Ainsi, le stator de l’invention comprend autant de pales principales que de pales secondaires et comprend circonférentiellement une alternance de pales principales et de pales secondaires. Les pales secondaires, ainsi intercalées, permettent de limiter les décollements du fluide entre les pales principales.
En outre, les bords d’attaque des pales principales sont sur un même premier plan transverse : en d’autres termes, leurs projections sur l’axe longitudinal forment un unique point sur l’axe longitudinal. De la même manière, les bords d’attaque des pales secondaires sont positionnés sur un deuxième plan transverse parallèle au premier plan transverse. En d’autres termes, les projections des bords d’attaque des pales secondaires sur l’axe longitudinal forment également un unique point sur l’axe longitudinal.
Selon l’invention, le deuxième plan transverse est positionné axialement à une première distance prédéterminée du premier plan transverse, en direction de ladite sortie axiale, c’est-à-dire en aval du premier plan transverse. La première distance prédéterminée est comprise entre 0,1 et 0,3 fois, de préférence entre 0,15 et 0,25 fois, la longueur axiale des pales principales. Cela permet d’améliorer les performances du stator et donc de la pompe associée, en améliorant le coefficient de récupération de pression Cp, défini ainsi :
Avec
ΔP statique : différence de pression statique du fluide entre la sortie axiale et l’entrée axiale
P dynamique in : pression dynamique du fluide à l’entrée axiale
P s,out : pression statique du fluide à la sortie axiale
P s, in : pression statique du fluide à l’entrée axiale
P t, in : pression totale du fluide à l’entrée axiale.
Ainsi, le coefficient de récupération de pression Cptraduit les capacités du stator à transformer la pression dynamique due à l’énergie cinétique du fluide en pression statique.
Plus ce coefficient est grand, plus les performances du stator sont élevées.
La position des bords d’attaque des pales secondaires par rapport au bord d’attaque des pales principales permet de définir une zone de captage du stator, située entre le premier plan transverse et le deuxième plan transverse. Augmenter cette zone de captage permet d’augmenter la plage de fonctionnement potentielle du stator en réduisant sa sensibilité aux fortes incidences. En effet, les fortes incidences peuvent générer des décollements de fluide sur l’extrados de la pale, obstruant l’entrée du diffuseur. Avec une grande zone de captage, le fluide décollé peut plus facilement être transporté au sein du stator. Selon la viscosité du fluide, d’importants décollements peuvent être générés. C’est notamment le cas lorsque la viscosité est relativement faible, telle que la viscosité du CO2.
L’invention permet de maintenir également les capacités de redressement du stator, en réduisant la vitesse tangentielle du fluide sortant du rotor : la vitesse tangentielle du fluide est réduite en sortie du stator par rapport à son entrée dans le stator.
Ainsi, par rapport à une conception de stator sans pales secondaires, le stator de l’invention comporte moins de pales principales. En d’autres termes, le stator a sensiblement le même nombre total de pales mais comprend la moitié de ce nombre en pales principales et l’autre moitié en pales secondaires. Cela permet d’augmenter la zone de captage, en amont des pales secondaires, puis d’améliorer l’accompagnement de l’écoulement dans le stator grâce aux pales secondaires.
Selon une variante de l’invention, la longueur axiale des pales secondaires peut être inférieure ou égale à ladite longueur axiale des pales principales. Cela permet de limiter la taille du stator et d’obtenir un bon compromis entre performances attendues du stator, sa compacité et donc son coût.
De préférence, les bords de fuite des pales secondaires peuvent former un troisième plan transverse positionné à une deuxième distance prédéterminée d’un quatrième plan transverse formé par les bords de fuite des pales principales et la deuxième distance prédéterminée peut alors être comprise entre -0,3 fois et +0,3 fois, de préférence entre -0,1 fois et +0,1 fois, ladite longueur axiale des pales principales. Avec des bords de fuite des pales principales et secondaires proches, on peut limiter l’encombrement et obtenir de bonnes performances.
De manière encore préférée, la deuxième distance prédéterminée peut être nulle. En d’autres termes, les bords de fuite des pales principales et secondaires sont sur un même plan transverse de manière à limiter l’encombrement du stator tout en maximisant ses performances.
Selon une configuration de l’invention, les pales secondaires peuvent être décalées angulairement, dans la direction circonférentielle, des pales principales les précédent directement dans la direction circonférentielle (la direction circonférentielle étant définie depuis l’intrados vers l’extrados, l’orientation des intrados et des extrados étant le même pour toutes les pales principales et secondaires), d’un angle compris entre 0,2 et 0,5 fois, de préférence entre 0,25 et 0,35 fois, le décalage angulaire circonférentiel des pales principales. En d’autres termes, les pales secondaires sont angulairement plus proches de l’extrados de la pale principale la précédent que de l’intrados de l’autre pale principale la suivant. Cette configuration permet également d’augmenter le coefficient de récupération de la pression Cpdéfini précédemment, en limitant notamment le potentiel décollement situé sur l’extrados de la pale principale.
De manière avantageuse, le rapport entre la section de la sortie axiale et la section de l’entrée axiale de fluide peut être compris entre 0,5 et 2,5, de préférence entre 0,5 et 1,5. En effet, une augmentation trop importante de la section de sortie entraînerait des décollements et donc des pertes de performances, alors qu’une réduction trop importante de la section de sortie réduit alors le potentiel de diffusion.
Avantageusement, le rapport entre ladite longueur axiale des pales principales et le rayon externe au bord d’attaque des pales principales peut être compris entre 0,36 et 1,80, de préférence entre 0,65 et 1,64, de manière à assurer un bon compromis entre performance et compacité. En effet, un rapport trop grand réduit la compacité et entraîne aussi d’importantes pertes par frottement sur les pales. Au contraire, un rapport trop petit améliore la compacité mais oblige une déviation trop importante sur une petite distance (avec une courbure importante), ce qui génère des décollements.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le diamètre externe des pales principales et/ou secondaires peut décroître de l’entrée axiale vers la sortie axiale. En diminuant le diamètre, la section de sortie est réduite, ce qui permet une meilleure compression du fluide. Cela est particulièrement avantageux avec les fluides compressibles tels que le CO2.
Avantageusement, le diamètre interne des pales principales et/ou secondaires peut décroître de l’entrée axiale vers la sortie axiale, de manière à ce que le diamètre interne côté sortie axiale soit compatible, c’est-à-dire sensiblement égal au diamètre interne de l’impulseur en aval du stator de manière à limiter les pertes de charge qui pourraient être générées par des changements brusques de section.
Préférentiellement, les pales principales peuvent être décalées deux à deux successivement dans la direction circonférentielle d’un écart angulaire circonférentiel vérifiant sensiblement :
Avec l’écart angulaire circonférentiel de chaque pale principale, correspondant sensiblement à l’écart angulaire circonférentiel généré entre le bord d’attaque et le bord de fuite de la pale considérée (la pale principale ici). ;
ALR: le rapport entre ladite longueur axiale des pales principales et le rayon externe au bord d’attaque des pales principales
etaetbétant des valeurs prédéterminées.aetbpeuvent être déterminées à partir de simulations numériques ou de tests expérimentaux. Par exemple, on peut avoira=1,16 etb=0,57.
La terminologie « vérifiant sensiblement » signifie « au plus près ». En effet, le nombre de pales est nécessairement un nombre entier et par conséquent, les équations précédentes ne peuvent être déterminées qu’au plus près, compte tenu de ce nombre entier.
En effet, de manière surprenante, cette formulation basée sur la linéarisation du paramètreOLen fonction du rapportALRpermet d’obtenir une position optimale, malgré de nombreux paramètres possibles pour l’optimisation et des simulations numériques et phénomènes complexes mis en jeu.
Avantageusement, les pales principales peuvent avoir des génératrices similaires, c’est-à-dire que les génératrices des différentes pales principales peuvent se superposer.
De préférence, les pales secondaires peuvent également avoir des génératrices similaires entre elles, c’est-à-dire que les génératrices des différentes pales secondaires peuvent se superposer.
De manière encore préférée, les pales principales et secondaires peuvent avoir des génératrices au moins partiellement similaires : par exemple lorsque le bord de fuite des pales secondaires est en amont du bord de fuite des pales principales, la génératrice des pales secondaires se superpose alors sur une partie de la génératrice des pales principales. A l’inverse, lorsque le bord de fuite des pales secondaires est en aval du bord de fuite des pales principales, la partie de la génératrice des pales secondaires située entre le deuxième plan transverse et le quatrième plan transverse se superpose alors sur une partie de la génératrice des pales principales.
Avec des génératrices qui ont ainsi des courbures similaires (entre pales principales et/ou secondaires), on limite les perturbations du flux et donc les pertes énergétiques.
L’invention concerne également une pompe, de préférence polyphasique, comprenant une enveloppe externe, une succession axiale d’étages de compression à l’intérieur de cette enveloppe externe. Chaque étage de compression comprend une partie fixe et une partie rotative. La pompe comprend également une première ouverture d’entrée axiale pour l’entrée d’un fluide dans la pompe et une deuxième ouverture de sortie axiale pour la sortie du fluide de la pompe. De plus, au moins une partie fixe (de préférence, chaque partie fixe) comprend un stator tel que décrit précédemment.
La pompe de l’invention permet aussi bien le pompage de fluide polyphasique que de fluide monophasique, notamment de fluide compressible, comprenant notamment du CO2. L’utilisation d’un stator tel que décrit précédemment permet d’améliorer les performances de la pompe.
L’enveloppe externe de la pompe peut servir de carter du stator. En d’autres termes, l’enveloppe externe de la pompe peut avantageusement correspondre au carter du stator décrit précédemment pour limiter le nombre de pièce et simplifier l’assemblage.
De préférence, l’enveloppe externe peut comprendre au moins une portion avec une surface interne de diamètre intérieur strictement décroissant, dans le sens de l’écoulement du fluide axialement à travers la pompe (c’est-à-dire que la portion a un diamètre interne strictement décroissant entre la première ouverture d’entrée axiale et la deuxième ouverture de sortie axiale). Cette portion de l’enveloppe externe peut notamment se trouver en vis-à-vis du stator de l’invention de manière à améliorer les performances de compression. Cela est particulièrement avantageux lorsque le fluide est compressible comme le CO2.
De préférence, l’enveloppe externe peut comprendre plusieurs portions avec chacune une surface interne de diamètre intérieur strictement décroissant, dans le sens de l’écoulement du fluide axialement à travers la pompe (c’est-à-dire que la portion a un diamètre interne strictement décroissant entre la première ouverture d’entrée axiale et la deuxième ouverture de sortie axiale). Ces portions de l’enveloppe externe peuvent notamment se trouver en vis-à-vis de chacun des stators de la pompe de manière à améliorer les performances de compression. Cela est particulièrement avantageux lorsque le fluide est compressible comme le CO2.
Par exemple, l’enveloppe externe peut comprendre une succession de cylindres, en vis-à-vis de chaque partie rotative, et de portions avec, chacune, une surface interne de diamètre intérieur strictement décroissant (c’est-à-dire que la portion a un diamètre interne strictement décroissant entre la première ouverture d’entrée axiale et la deuxième ouverture de sortie axiale), en vis-à-vis de chaque stator. Cette configuration est préférée pour comprimer efficacement les gaz compressibles comme le CO2.
LaFIG. 2illustre, de manière schématique et non limitative, un premier exemple de pompe polyphasique selon l’invention.
La pompe polyphasique 100 ainsi représentée dans un plan longitudinal avec Z(m), la position le long de l’axe longitudinal de la pompe et R(m) la position radiale, comprend plusieurs rotors mobiles Ro1, Ro2 et Ro3 et plusieurs stators fixes St1, St2 et St3. Ainsi, la pompe polyphasique 100 a ici trois étages de compression (mais pourrait comprendre un nombre différent d’étages de compression), chaque étage de compression comprenant un rotor suivi d’un stator.
La pompe polyphasique 100 comprend également une enveloppe externe 101 (dans lequel sont insérés les différents rotors Ro1, Ro2 et Ro3 et les différents stators St1, St2 et St3) , pouvant également servir de carter de stator. Dans cet exemple, l’enveloppe externe est formée par un cylindre de diamètre interne constant.
LaFIG. 3illustre, de manière schématique et non limitative, un deuxième exemple de pompe polyphasique selon l’invention.
La pompe polyphasique 100 ainsi représentée dans un plan longitudinal avec Z(m), la position le long de l’axe longitudinal de la pompe et R(m) la position radiale, comprend plusieurs rotors mobiles Ro1, Ro2 et Ro3 et plusieurs stators fixes St1, St2 et St3. Ainsi, la pompe polyphasique 100 a ici trois étages de compression (mais pourrait comprendre un nombre différent d’étages de compression), chaque étage de compression comprenant un rotor suivi d’un stator.
L’écoulement à travers la pompe débute par le rotor Ro1, puis par le stator St1, suivi par le rotor Ro2 puis par le stator St2. Le fluide traverse ensuite le rotor Ro3 puis le stator St3. Sur la figure, l’écoulement a donc lieu de la gauche vers la droite
La pompe polyphasique 100 comprend également une enveloppe externe 101 (dans lequel sont insérés les différents rotors Ro1, Ro2 et Ro3 et les différents stators St1, St2 et St3), pouvant également servir de carter de stator. Dans cet exemple, l’enveloppe externe est formée par un cylindre de diamètre interne décroissant entre l’entrée de la pompe et sa sortie. L’enveloppe externe comprend notamment des portions 102, en vis-à-vis de chaque stator St1, St2 et St3 dans lesquelles le diamètre interne décroit le long de l’axe longitudinal, dans le sens de déplacement de l’écoulement de fluide à travers la pompe. Cette configuration est particulièrement avantageuse pour les fluides très compressibles, comme le CO2. En effet, cette grande compressibilité génère une diminution de volume qui nécessite une diminution de section. Les rotors Ro1, Ro2 et Ro3 sont alors adaptés à la décroissance du débit volumique du fluide.
LaFIG. 4illustre, de manière schématique et non limitative, une vue dans un plan longitudinal d’un stator selon l’invention. Z(m) représente la position de long de l’axe longitudinal.
Les bords d’attaque 10 des pales principales sont positionnés en amont des bords d’attaque 20 des pales secondaires (le fluide s’écoulant de la gauche vers la droite) et les bords de fuite 30 des pales secondaires sont positionnés en amont des bords de fuite 40 des pales principales (alternativement, les bords de fuite 30 des pales secondaires pourraient être en aval des bords de fuite 40 des pales principales ou être positionnés sur le même plan transverse que les bords de fuite 40 des pales principales).
Le stator comprend une section d’entrée A1 et une section de sortie A2.
et représentent respectivement le rayon au moyeu en entrée du stator, le rayon au carter en entrée du stator, le rayon au moyeu en sortie du stator, et le rayon au carter en sortie du stator.
représente la longueur axiale du stator.
La figure 5 illustre, de manière schématique et non limitative, une vue développée d’un stator selon l’invention. Z(m) représente la position de long de l’axe longitudinal et représente l’évolution azimutale du stator.
La zone de captage ZC est la zone située entre le premier plan transverse défini par les bords d’attaque des pales principales 50 et le deuxième plan transverse défini par les bords d’attaque des pales secondaires 60. Elle correspond donc à la zone grisée.
Le premier plan transverse est défini par la position zLEm qui correspond à la position le long de l’axe longitudinal des bords d’attaque des pales principales 50.
Le deuxième plan transverse est défini par la position zLEs qui correspond à la position le long de l’axe longitudinal des bords d’attaque des pales secondaires 60.
Les bords de fuite des pales secondaires 60 définissent un troisième plan transverse correspondant à la position zTEs le long de l’axe longitudinal.
Les bords de fuite des pales principales 50 définissent un quatrième plan transverse correspondant à la position zTEm le long de l’axe longitudinal.
Le stator représenté comprend donc une succession circonférentielle de pales principales 50 et de pales secondaires 60 (une seule partie des pales est représentée ; bien entendu, le stator comprend autant de pales principales 50 que de pales secondaires 60 et le nombre de pales principales 50 et secondaires 60 dépend de l’application choisie.
Les pales principales 50 ont une longueur axiale Lmet les pales secondaires 60 ont une longueur axiale Ls, qui est ici strictement inférieure à la longueur axiale Lmdes pales principales 50.
Les génératrices (représentée par les lignes courbes en pointillés) des pales principales 50 sont similaires : elles peuvent se superposer. Les génératrices des pales secondaires 60 peuvent se superposer aux génératrices des pales principales 50 sur leur longueur axiale Ls entre le deuxième plan transverse et le troisième plan transverse défini par les bords de fuite des pales secondaires 60.
En outre, les pales principales sont définies par l’écart angulaire entre le bord d’attaque et le bord de fuite de chaque pale principale 50 et le stator est défini par le recouvrement angulaire, , qui est l’écart entre le bord de fuite d’une pale principale 50 et le bord d’attaque de la pale principale 50 suivante (directement dans la direction circonférentielle, de l’intrados des pales vers l’extrados).
Ce recouvrement angulaire , est défini, de manière surprenante, par une équation linéaire en fonction du paramètreALRqui est le rapport entre la longueur axiale des pales principales et le rayon externe en entrée (au bord d’attaque) des pales principales, comme exprimé ci-dessous :
Avec par exemplea= 1.16 etb=-0.57
peut être positif lorsqu’il est dirigé vers (+) : dans ce cas, il y a bien un recouvrement partiel des pales principales 50. Il peut également être négatif lorsqu’il est dirigé vers (-) : dans ce cas, il n’y a pas de recouvrement des pales principales mais au contraire un décalage.
En effet, les simulations numériques ont montré que cette linéarisation permet d’obtenir un optimum, malgré la présence de nombreux paramètres influents pour ces simulations multi-paramètres complexes.
L’écart angulaire entre deux pales principales successives directement (écart entre les génératrices de ces deux pales) peut être défini comme suit :
La figure 6 illustre, de manière schématique et non limitative, une vue développée d’un stator selon l’invention avec d’autres paramètres. Z(m) représente la position de long de l’axe longitudinal et X=r représente l’évolution azimutale du stator, r étant la position radiale et θ l’angle circonférentiel.
Le premier plan transverse est défini par la position zLEm qui correspond à la position le long de l’axe longitudinal des bords d’attaque des pales principales 50.
Le deuxième plan transverse est défini par la position zLEs qui correspond à la position le long de l’axe longitudinal des bords d’attaque des pales secondaires 60.
Les bords de fuite des pales secondaires 60 définissent un troisième plan transverse correspondant à la position zTEs le long de l’axe longitudinal.
Les bords de fuite des pales principales 50 définissent un quatrième plan transverse correspondant à la position zTEm le long de l’axe longitudinal.
Le stator représenté comprend donc une succession circonférentielle de pales principales 50 et de pales secondaires 60 (une seule partie des pales est représentée ; bien entendu, le stator comprend autant de pales principales 50 que de pales secondaires 60 et le nombre de pales principales 50 et secondaires 60 dépend de l’application choisie).
Les pales principales 50 ont une longueur axiale Lmet les pales secondaires 60 ont une longueur axiale Ls, qui est ici strictement inférieure à la longueur axiale Lmdes pales principales 50 (mais cette longueur axiale Lsdes pales secondaires pourrait être supérieure ou égale à la longueur axiale Lmdes pales principales).
Les génératrices (représentée par les lignes courbes en pointillés) des pales principales 50 sont similaires : elles peuvent se superposer. Les génératrices des pales secondaires 60 peuvent se superposer aux génératrices des pales principales 50 sur leur longueur axiale Ls entre le deuxième plan transverse et le troisième plan transverse défini par les bords de fuite des pales secondaires 60.
En outre, les pales secondaires 60 sont définies par les décalages axiaux des bords d’attaque et des bords de fuite respectivement par rapport aux bords d’attaque et aux bords de fuite des pales principales 50. Ainsi, on peut définir ces décalages axiaux et par
De plus, les pales secondaires 60 sont également définies par le décalage de la distance circonférentielle entre l’extrados de la pale principale et l’intrados de la pale intermédiaire et les pales principales sont également définies par la distance circonférentielle inter-pale principales .
Les études numériques ont montré que les résultats optimaux sont obtenus pour les critères suivants :
  • et de préférence
  • et de préférence
  • et de préférence
LaFIG. 7illustre, de manière schématique et non limitative, la courbe du coefficient de récupération de pression Cp en fonction du paramètre SLES défini précédemment en description de laFIG. 6.
La courbe Ref représente la courbe du coefficient de récupération Cp pour un stator de l’art antérieur (sans pales secondaires, avec uniquement des pales principales). Les caractéristiques des pales principales sont identiques à celles utilisées pour l’invention (mis à part le nombre de pales qui est le double du nombre de pales principales).
Les points Sim représentent les résultats issus des simulations numériques du stator de l’invention et la courbe FC représente la courbe passant au mieux par les points Sim.
La courbe Ref+10 en pointillé représente une augmentation de 10% du coefficient de récupération de pression Cp de la courbe Ref. On observe que cette augmentation d’au moins 10% est obtenue lorsque le paramètre SLES est compris entre 0,1 et 0,3 et que l’augmentation est maximale lorsque le paramètre SLES est entre 0,15 et 0.25.
Cette augmentation n’impacte peu ou pas l’angle de sortie du fluide, ce qui signifie que les performances de redressement du flux de fluide sont conservées.
LaFIG. 8illustre, de manière schématique et non limitative, la courbe du coefficient de récupération de pression Cp en fonction du paramètre SCP défini précédemment en description de laFIG. 6.
La courbe Ref représente la courbe du coefficient de récupération pour un stator de l’art antérieur (sans pales secondaires, avec uniquement des pales principales). Les caractéristiques des pales principales sont identiques à celles utilisées pour l’invention (mis à part le nombre de pales qui est le double du nombre de pales principales).
Les points CFD_Values représentent les résultats issus des simulations numériques du stator de l’invention et la courbe en noir représente la courbe passant au mieux par les points CFD_Values.
On observe sur cette figure un gain obtenu lorsque le paramètre SCP est inférieur à 0,5 et un gain plus intéressant lorsqu’il se situe entre 0,25 et 0,35.
LaFIG. 9illustre, de manière schématique et non limitative, des exemples de profils moyeu et carter et des profils de pales d’un stator selon l’invention.
Le schéma a) illustre les profils du moyeu P1 (courbe en noir) et du carter P2 (en gris plus clair) en fonction de la position Z(m) le long de l’axe longitudinal et en fonction de la position radiale R(m).
Le schéma b) illustre le profil des pales principales au niveau du moyeu P1 et au niveau du carter P2, en fonction de la position Z(m) le long de l’axe longitudinal et en fonction de la position circonférentielle X(m) qui dépend de l’angle d’azimut et de la position radiale.
Les données géométriques des différents paramètres définis dans la présente description et fixées par ces profils des pales principales sont regroupées dans le tableau suivant.
(rad) (m) (m)
P1 0.840 0.143 0.110 0.77
P2 0.604 0.143 0.110 0.77
Le stator de l’invention comprend par exemple ici 13 pales principales et 13 pales secondaires.
Les pales secondaires sont définies par les paramètres suivants, également définis préalablement dans la présente description.
0.2 0. 0.3
Le stator de l’invention, notamment avec les paramètres décrits précédemment pour laFIG. 9a été comparé à un stator de l’art antérieur pour lequel les pales principales sont identiques par leurs caractéristiques et pour lequel le nombre de pales principales est le double de celui du nombre de pales principales du stator de l’invention.
Les simulations numériques ont les conditions d’entrée suivantes :
  • Le fluide est du CO2;
  • La pression d’entrée dans le stator est de 23 bar (soit 2,3 106Pa) ;
  • La densité du fluide est de : 1061,89 ;
  • La viscosité du fluide est de : 1,5567 ;
  • L’angle de l’écoulement à l’entrée du stator est de : 71,14° ;
  • Le débit massique en entrée du stator est de : 31,7 .
Le coefficient de pression représente la capacité du stator à transformer la pression dynamique de l’écoulement en pression statique. L’angle de sortie donne une information sur sa capacité à redresser l’écoulement (le ramener dans la direction axiale) pour l’étage suivant de la pompe.
L’ajout de pales secondaires permet une augmentation du coefficient de récupération de la pression Cp de plus de 38%, passant de 0,52 à 0,72, traduisant ainsi la bonne capacité du stator à transformer la pression dynamique de l’écoulement en pression statique. L’angle de sortie du fluide reste dans une plage de +/-10% par rapport à la version de l’art antérieur sans pales secondaires, ce qui permet d’assurer un redressement de l’écoulement suffisant.
Le gain important obtenu pour le coefficient de récupération de la pression Cp est directement imputable à une modification de la topologie de l’écoulement dans le stator de l’invention grâce au décalage des bords d’attaque des pales secondaires, en aval des bords d’attaque des pales principales.
LaFIG. 10illustre des vues dans un plan longitudinal du champ de vitesse axiale pour le stator de l’art antérieur (schéma (a)) et pour le stator de l’invention (schéma (b)).
Sur le schéma (a), on observe des zones 210 et 220 à faible vitesse liées à des décollements de l’écoulement.
On peut observer sur le schéma b), une réduction massive des zones à faible vitesse (et donc une réduction des décollements de l’écoulement) grâce à l’utilisation des pales secondaires selon l’invention.

Claims (11)

  1. Stator (St1,St2, St3) de pompe comprenant un moyeu et un carter coaxiaux autour d’un axe longitudinal, une entrée axiale (A1) pour l’introduction d’un fluide dans le stator et une sortie axiale (A2) pour l’évacuation du fluide du stator, une première série de pales principales (50) et une deuxième série de pales secondaires (60), lesdites pales principales (50) et secondaires (60) s’étendant radialement du moyeu au carter, les génératrices des pales principales (50) et secondaires (60) s’étendant sensiblement axialement, les pales secondaires (60) étant intercalées circonférentiellement entre les pales principales (50), les bords d’attaque (10) des pales principales (50) étant sur un même premier plan transverse, caractérisé en ce que les bords d’attaque (20) des pales secondaires (60) sont positionnés sur un deuxième plan transverse parallèle au premier plan transverse, le deuxième plan transverse étant positionné axialement à une première distance prédéterminée (δzLE) du premier plan transverse, en direction de ladite sortie axiale (A2), la première distance prédéterminée (δzLE) étant comprise entre 0,1 et 0,3 fois, de préférence entre 0,15 et 0,25 fois, la longueur axiale (Lm) des pales principales (50).
  2. Stator (St1,St2, St3) de pompe selon la revendication 1, dans lequel la longueur axiale (Ls) des pales secondaires (60) est inférieure ou égale à ladite longueur axiale (Lm) des pales principales (50).
  3. Stator (St1,St2, St3) de pompe selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les bords de fuite (30) des pales secondaires (60) forment un troisième plan transverse positionné à une deuxième distance prédéterminée (δzTE) d’un quatrième plan transverse formé par les bords de fuite (40) des pales principales (50), la deuxième distance prédéterminée (δzTE) étant comprise entre -0,3 fois et +0,3 fois, de préférence entre -0,1 fois et +0,1 fois, ladite longueur axiale (Lm) des pales principales (50), de préférence, la deuxième distance prédéterminée (δzTE) est nulle.
  4. Stator (St1,St2, St3) de pompe selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les pales secondaires (60) sont décalées, dans la direction circonférentielle, des pales principales (50) les précédent directement dans la direction circonférentielle, d’un angle compris entre 0,2 et 0,5 fois, de préférence entre 0,25 et 0,35 fois, le décalage angulaire circonférentiel (Δθmis) des pales principales (50).
  5. Stator (St1,St2, St3) de pompe selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le rapport entre la section de la sortie axiale (A2) et la section de l’entrée axiale (A1) de fluide est compris entre 0,5 et 2,5, de préférence entre 0,5 et 1,5.
  6. Stator (St1,St2, St3) de pompe selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le rapport entre ladite longueur axiale (Lm) des pales principales (50) et le rayon externe au bord d’attaque des pales principales est compris entre 0,36 et 1.80, de préférence entre 0,65 et 1,64.
  7. Stator (St1,St2, St3) de pompe selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le diamètre externe des pales principales (50) et/ou secondaires (60) décroît de l’entrée axiale (A1) vers la sortie axiale (A2).
  8. Stator (St1,St2, St3) de pompe selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le diamètre interne des pales principales (50) et/ou secondaires (60) décroît de l’entrée axiale (A1) vers la sortie axiale (A2).
  9. Stator (St1,St2, St3) de pompe selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les pales principales (50) sont décalées deux à deux successivement dans la direction circonférentielle d’un écart angulaire circonférentiel vérifiant sensiblement :

    et
    Avec l’écart angulaire circonférentiel des pales principales, correspondant sensiblement à l’écart angulaire circonférentiel généré entre le bord d’attaque et le bord de fuite de chaque pale principale (50) ;
    ALR: le rapport entre ladite longueur axiale (Lm) des pales principales (50) et le rayon externe au bord d’attaque des pales principales (50)
    etaetbétant des valeurs prédéterminées.
  10. Pompe (100), de préférence polyphasique, comprenant une enveloppe externe (101), une succession axiale de parties fixes et de parties rotatives (Ro1, Ro2, Ro3) à l’intérieur de l’enveloppe externe (101), une première ouverture d’entrée axiale pour l’entrée d’un fluide dans la pompe et une deuxième ouverture de sortie axiale pour la sortie du fluide de la pompe, dans laquelle au moins une partie fixe comprend un stator (St1, St2, St3) selon l’une des revendications précédentes, de préférence l’enveloppe externe (101) correspondant au carter du stator.
  11. Pompe (100) selon la revendication précédente, dans laquelle l’enveloppe externe (101) comprend au moins une portion (102) avec une surface interne de diamètre intérieur strictement décroissant, dans le sens de l’écoulement du fluide axialement à travers la pompe (100), de préférence l’enveloppe externe (101) comprend plusieurs portions (102) avec chacune une surface interne de diamètre intérieur strictement décroissant, dans le sens de l’écoulement du fluide axialement à travers la pompe (100).
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