CA2047975C - Device for multiphased pumping or compression and use thereof - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF DE POMPAGE OU DE COMPRESSION POLYPHASIQUE ET SON UTILISATION La présente invention concerne un dispositif de compression d'un fluide polyphasique comportant une phase liquide et une phase gazeuse, et son utilisation. Le dispositif comporte un carter, un impulseur ayant une section d'entrée et une section de sortie, ledit impulseur comportant un moyeu présentant une symétrie axiale d'axe Ox et un nombre n pales tournant autour dudit axe, ces pales ayant un bord d'attaque et un bord de fuite ledit fluide entre dans ledit impulseur par la section d'entrée et en sort par la section de sortie, ledit axe étant orienté dans le sens de progression dudit fluide, le nombre de pales tournantes étant égal ou supérieur à 2. Il se caractérise en ce qu'il comporte au moins un canal ou passage défini par deux pales successives dont la section orthoradiale (5x) est de la forme, à 5 % prés et de préférence à moins de 3 % près S(x) = a x2 + b(c - x2)1/2 + d sur une portion au moins de sa longueur, ladite portion étant comprise entre deux plans orthoradiaux, la variable x correspondant à l'abscisse selon ledit axe dont l'origine correspond sensiblement au plan radial passant par le bord d'attaque desdites pales, lesdits plans radiaux définissant ladite portion ayant pour abscisse x1 et x2, a, b, c et d étant des paramètres.The present invention relates to a device for compressing a multiphase fluid comprising a liquid phase and a gaseous phase, and its use. The device comprises a casing, an impeller having an inlet section and an outlet section, said impeller comprising a hub having an axial symmetry of axis Ox and a number n blades rotating around said axis, these blades having an edge of etching and a trailing edge said fluid enters said impeller through the inlet section and exits therefrom through the outlet section, said axis being oriented in the direction of progression of said fluid, the number of rotating blades being equal to or greater than 2 It is characterized in that it comprises at least one channel or passage defined by two successive blades whose orthoradial section (5x) is of the form, to 5% near and preferably to less than 3% near S (x) = a x2 + b (c - x2) 1/2 + d over at least a portion of its length, said portion being between two orthoradial planes, the variable x corresponding to the abscissa along said axis whose origin corresponds substantially in the radial plane passing through the leading edge of said blades, said radial planes defining said portion having abscissa x1 and x2, a, b, c and d being parameters.
Description
_1_ La présente invention concerne un dispositif destiné au pompage de fluides multiphasiques qui, avant pompage et dans les conditions de pression et de température considérées, sont constitués du mélange notamment d'un liquide et d'un gaz non dissous dans le liquide, ce liquide pouvant ou non étre saturé de gaz.
Le pompage d'un fluide multiphasique, par exemple, mais non exclusivement, un effluent disphasique pétrolier composé d'un mélange d'huile et de gaz, pose des problémes d'autant plus difficiles à
résoudre que, dans les conditions thermodynamiques du fluide diphasique avant pompage, la valeur du rapport volumétrique du gaz au liquide est plus grande.
On rappelle que le rapport volumétrique de gaz et de liquide, qui sera dénommé par ta suite en abrégé "rapport volumétrique" ou de GLR (de l'anglais "Gas Liquid Ratio"), est défini comme le rapport du volume de fluide à l'état gazeux au volume de fluide à l'état liquide, la valeur de ce rapport dépendant des conditions thermodynamiques du fluide diphasique.
Wuelle que soit la conception des pompes utilisées (pompes alternatives, pompes rotatives ou pompes à effet de trompe), de bons résultats sont obtenus lorsque la valeur du rapport volumétrique est nulle, car le fluide se comporte alors comme un fluide monophasique liquide. Ces matériels sont encore utilisables lorsque leurs conditions de fonctionnement ne laissent pas apparaitre de phénoménes susceptibles de permettre la vaporisation d'une partie importante du gaz dissous dans le liquide, ou lorsque la valeur du rapport volumétrique à l'entrée de la pompe est au plus égale à 0,2.
L'expérience montre qu'au delà de cette valeur, l'efficacité de ces appareils décroit très rapidement et ils ne sont pratiquement plus utilisables.
Pour améliorer le fonctionnement des appareils existants, on sépare la phase gazeuse de la phase liquide avant pompage et on traite chacune d'elles séparément dans des circuits distincts de pompage. La mise en oeuvre de circuits séparés n'est pas toujours S possible et de toute façon, complique les opérations de pompage.
C'est pourquoi on a essayé de développer des dispositifs de pompage adaptés non seulement à augmenter l'énergie totale du fluide diphasique, mais pouvant produire un fluide diphasique dont le rapport volumétrique à la sortie du dispositif a une valeur inférieure à celle du fluide avant pompage.
C'est ainsi que plusieurs profils d'aubage d'impulseur ont été décrits par exemple dans les demandes de brevets français _1_ The present invention relates to a device intended for pumping of multiphasic fluids which, before pumping and in the pressure and temperature conditions considered, are made up of the mixture in particular of a liquid and a gas not dissolved in the liquid, this liquid may or may not be saturated with gas.
Pumping a multiphase fluid, for example, but not exclusively, a disphasic petroleum effluent composed of a mixture of oil and gas, poses problems all the more difficult to solve that under the thermodynamic conditions of the fluid two-phase before pumping, the value of the volumetric ratio of gas to liquid is greater.
Remember that the volumetric ratio of gas and liquid, which will be referred to hereinafter as "report volumetric "or GLR (from English" Gas Liquid Ratio "), is defined as the ratio of the volume of fluid in the gaseous state to the volume of fluid in liquid state, the value of this ratio depending on thermodynamic conditions of the two-phase fluid.
Whatever the design of the pumps used (pumps pumps, rotary pumps or trumpet pumps), good results are obtained when the value of the volumetric ratio is null, because the fluid then behaves like a monophasic fluid liquid. These materials are still usable when their operating conditions do not reveal phenomena likely to allow the vaporization of a significant part of the gas dissolved in the liquid, or when the ratio value volumetric at the inlet of the pump is at most equal to 0.2.
Experience shows that beyond this value, the effectiveness of these devices decrease very quickly and they are practically no longer usable.
To improve the functioning of existing devices, the gas phase is separated from the liquid phase before pumping and treats each of them separately in separate circuits of pumping. The implementation of separate circuits is not always S possible and anyway, complicates pumping operations.
This is why we have tried to develop pumping adapted not only to increase the total energy of the fluid two-phase, but can produce a two-phase fluid whose ratio volumetric at the output of the device has a value lower than that fluid before pumping.
This is how several impeller blade profiles have have been described for example in French patent applications
2 157 437, 2 333 139 et 2 471 501.
Le dispositif selon l'invention est désigné sous le nom de cellule de compression, on peut aussi l'appeler cellule de pompage compression puisqu'il convient aussi bien aux liquides qu'aux mélanges gaz liquide ou qu'aux gaz. On conviant dans ce document de l'appeler cellule de compression.
La présente invention concerne un dispositif qui utilise notamment des pales, aubages ou ailettes particuliers permettant d'accroitre l'efficacité de pompage de fluides disphasiques dont les rapports volumétriques sont supérieurs à ceux de l'art antérieur. En particulier, le dispositif selon la présente invention permet de traiter des fluides polyphasiques quelqu'en soit le GLR avec une efficacité de compression qui peut ëtre supérieure à 40 % ou 50 % dans le domaine de fonctionnement le plus défavorable.
Une cellule de compression comprend généralement deux parties . un impulseur et un diffuseur. L'impulseur est des deux éléments, l°élément fondamental. L'impulseur est normalement monté sur un arbre tournant, claveté ou fretté sur cet arbre. Le diffuseur est statique et solidaire du corps de la machine. Le montage en série de plusieurs de ces cellules constitue la cellule hydraulique d'une pompe.
Selon les régies classiques de construction des machines tournantes l'arbre est supporté en deux ou plusieurs points par des paliers solidaires des pivoteries mécaniques incluses dans le corps de pompe. La pompe comporte une aspiration et un refoulement.
Les cellules de compression peuvent être identiques ou de dimensions différentes.
Les cellules de compression sont définies essentiellement par leurs géométries.
La présente invention a pour objet un dispositif de compression d'un fluide polyphasique comportant une phase liquide et une phase gazeuse, ce dispositif comportant un carter, un impulseur ayant une section d'entrée et une section de sortie, ledit impulseur comportant un moyeu axysymétrique (présentant une symétrie axiale) d'axe Ox et un nombre n de pales tournant autour dudit axe, ces pales ayant un bord d'attaque et un bord de fuite. Ledit fluide entre dans ledit impulseur par la section d'entrée et en sort par la section de sortie, ledit axe étant orienté dans le sens de progression dudit fluide, le nombre d'ailettes tournantes étant égal ou supérieur à 2.
Le dispositif selon l'invention se caractérise en ce qu'il comporte au moins un canal ou passage défini par deux pales successives dont la section S(x) orthoradiale est de la forme, à S % prés et de préférence à moins de 3 % prés S(x) = a x2 + b(c - x2)1/2 + d sur une portion au moins de sa longueur, ladite portion étant comprise entre deux plans orthoradiaux, la variable x correspondant à
l'abscisse selon ledit axe dont l'origine correspond sensiblement au plan radial passant par le bord d'attaque desdites ailettes, lesdits 2,157,437, 2,333,139 and 2,471,501.
The device according to the invention is designated by the name of compression cell, we can also call it pumping cell compression since it is suitable for both liquids and mixtures liquid gas or gas. We invite in this document to call it compression cell.
The present invention relates to a device which uses in particular blades, blades or special fins allowing to increase the pumping efficiency of disphasic fluids whose volumetric ratios are greater than those of the prior art. In particular, the device according to the present invention allows treat multiphase fluids whatever the GLR with a compression efficiency which can be greater than 40% or 50% in the most unfavorable area of operation.
A compression cell generally comprises two parties. an impeller and a diffuser. The impeller is of both elements, the fundamental element. The impeller is normally mounted on a rotating shaft, keyed or hooped on this tree. The diffuser is static and integral with the machine body. The serial assembly of several of these cells constitute the hydraulic cell of a pump.
According to the classic rules of machine construction the shaft is supported at two or more points by bearings integral with the mechanical pivotings included in the body of pump. The pump has suction and discharge.
The compression cells can be identical or different dimensions.
Compression cells are basically defined by their geometries.
The present invention relates to a device for compression of a multiphase fluid comprising a liquid phase and a gas phase, this device comprising a casing, an impeller having an inlet section and an outlet section, said impeller having an axysymmetric hub (having axial symmetry) of axis Ox and a number n of blades rotating around said axis, these blades having a leading edge and a trailing edge. Said fluid enters said impeller through the inlet section and out through the section of exit, said axis being oriented in the direction of progression of said fluid, the number of rotating fins being equal to or greater than 2.
The device according to the invention is characterized in that it comprises minus a channel or passage defined by two successive blades, the section S (x) orthoradiale is of the form, near S% and preferably less than 3%
S (x) = a x2 + b (c - x2) 1/2 + d over at least a portion of its length, said portion being included between two orthoradial planes, the variable x corresponding to the abscissa along said axis whose origin corresponds substantially to radial plane passing through the leading edge of said fins, said
3 0 plans radiaux définissant ladite portion ayant pour abscisse x1 et x2, a, b, c et d étant des paramètres.
La valeur a pourra être égale à
a=---x?C.
n 30 radial planes defining said portion having abscissa x1 and x2, a, b, c and d being parameters.
The value a could be equal to a = --- x? C.
not
4 7L= 3,141... et n étant égal au nombre de pales de l'impulseur.
Les valeurs de b et c pourront être égales à
b n 27LM + sin B et c = A = (M - R1>2 00 c l2 + R32 _ R12 M =
2<R3 - R1) n : nombre de pales de l'impulseur, e : épaisseur de pale, Bc : angle de corde, l : longueur axiale des pales, R1 . rayon minimum des pales à l'entrée, RZ : rayon maximum des pales à l'entrée, R3 : rayon minimum des pales à la sortie.
La valeur d pourra être égale à
1 e d =_ - (R2 - M) C.?L(RZ + M) + - (M - R1 ) 2 n sin Bc Les pales pourront avoir des bords supérieurs s'inscrivant 2 0 dans un cylindre de révolution ayant pour axe de symétrie l'axe Ox.
La portion du canal pourra correspondre à toute la longueur du canal.
De préférence, les angles d'entrée des pales sont pour les angles intrados coprin entre 4° et 24° et de préférence entre 4° et 12°, et pour les angles extrados compris entre 2° et 23° et de préférence entre 2° et 11°.
Le creux des pales défini comme B M - B M
s e peut être compris entre 0° et 30° et de préférence entre 6° et 12°, 30 BSM étant l'angle moyen de sortie de la pale et BeM l'angle moyen d'entrée de la pale.
De préférence, l'épaisseur moyenne de la pale est comprise entre 3 et 5 mm en dehors des zones voisines des bords d'attaque et de fuite.
Le nombre des pales pourra étre compris entre 3 et 8, et de préférence entre 4 et 6, bornes comprises.
Les pales pourront présenter un angle de sortie intrados compris entre 4° et 54° et de préférence entre 10° et 24°, et pour l'angle extrados 2° à 58° et de préférence 8° à
23°.
Le profil moyen ou squelette desdites pales défini par l'intersection d'une pale d'épaisseur nulle et d'une surface cylindrique relativement audit axe pourra étre tel que l'angle que forme ce profil avec Ledit axe décroit de façon monotone depuis le bord d'attaque vers le bord de fuite et la courbe représentant la valeur de la courbure le long du profil de la pale en fonction de l'abscisse curviligne à une pente dont la valeur croit depuis le bord d'attaque vers le bord de fuite de la pale.
Ladite courbe pourra présenter un point d'inflexion.
Le dispositif selon l'invention pourra comporter un diffuseur à pales.
Ce diffuseur pourra comporter entre 8 et 30 pales et de préférence entre 15 et 25 pales.
La longueur axiale de l'impulseur rapportée à son diamètre extérieur pourra être comprise entre 0,10 et 0,40 et de préférence entre 0,15 et 0,20.
Le moyeu du diffuseur pourra présenter une forme de révolution autour de l'axe Ox, et la ligne considérée dans un plan axial générant cette forme de révolution pourra présenter au moins un point d'inflexion.
Cette ligne pourra présenter des tangentes parallèles audit axe aux deux extrémités de cette ligne correspondant aux entrée et sortie du diffuseur.
La présente invention concerne également l'utilisation d'au 3 0 moins un dispositif décrit ci-dessus, dans la constitution d'une pompe polyphasique ainsi que l'utilisation d'une telle pompe polyphasique pour effectuer des opérations de pompage d'effluent polyphasique ~~~ ~l~
pétrolier.
Tous les avantages du dispositif selon l'invention, qui est de conception simple, robuste et économiquement rentable, apparaîtront à la lecture de la description qui suit. illustrée par les figures S annexées parmi lesquelles - la figure 1 représente schématiquement et en coupe axiale, un mode particulier de réalisation d'une pompe utilisant le dispositif selon l'invention pour le pompage, d'un effluent diphasique, - la figure 2 montre un impulseur, vu en perspective, - la figure 3 représente en coupe un impulseur dont on a représenté
qu°une pale, - la figure 4 est une vue développée de la trace résultant de l'intersection de pales avec une surface cylindrique, - les figures 5 et 6 montrent respectivement le détail du bord d'attaque et de fuite d'une pale, - la figure 7 montre l'évolution de la section d'un passage en fonction de l'abscisse axiale, - les figures 8 et 9 représentent un redresseur, et - la figure 10 montre un autre mode de réalisation d'une pale ou aube du redresseur.
Dans ce qui suit, on désignera par "fluide" soit un fluide monophasique gazeux ou exclusivement liquide dans lequel un gaz est totalement dissous, soit un fluide multiphasique comportant notamment une phase liquide et une phase gazeuse ainsi qu'éventuellement des particules solides par exemple du sable ou des particules visqueuses tel des agglomérats d'hydrates. La phase liquide peut évidemment être constituée de liquides de natures différentes, de même, la phase gazeuse peut être constituée de plusieurs gaz de natures différentes.
La figure 1 représente schématiquement et en coupe axiale un mode particulier, non limitatif, de réalisation d'un ensemble de pompage utilisant le dispositif selon l'invention. Cet ensemble est prévu pour le pompage d'un effluent polyphasique pétrolier.
Dans l'exemple de la figure 1 entre les orifices d'admis-sion 2 et d'évacuation 3 du dispositif de pompage et à l'intérieur du _ 7 _ carter 1, est placé au moins une cellule de compression selcn l'invention. Cette cellule est adaptée à augmenter l'énergie totale du fluide. Sur la figure 1, trois impulseurs référencés 17 à 19 sont visibles. Ce nombre n'est pas limitatif et dépend de l'augmentation de pression que l'on désire obtenir.
Ces éléments, qui seront décrits plus en détail ci-après, sont solidaires de l'arbre 6 sur lequel ils sont, par exemple, emmanchés à force, l'écartement entre les éléments étant maintenu par des entretoises 20 à 23.
De préférence, un diffuseur ou redresseur tel que les diffuseurs 24 à 26, est placé à la sortie de chaque impulseur, ce diffuseur étant solidaire du carter 1, par exemple, au moyen de vis de fixation 27 (symbolisés par des traits mixtes sur la figure).
Chaque couple d°impulseur et de diffuseur (17, 24; 19, 26) constitue avec une portion du carter une cellule de compression.
La référence 14 désigne un déflecteur.
Pour la clarté de la figure 1, les jeux entre les entretoises et les diffuseurs, les jeux entre les impulseurs et le carter et les jeux entre les impulseurs et les diffuseurs ont. été
considérablement augmentés, mais il faux comprendre que ces jeux sont réduits à leur valeur minimale compatible avec le fonctionnement mécanique de la pompe, de sorte que les fuites de fluide soient minimales et que, à la température de fonctionnement, les dilatations des différents composants du dispositif de pompage ne provoquent aucun coincement.
La figure 2 représente schématiquement, vu en perspective, un exemple non limitatif de réalisation d'un élément ou étage impulseur comportant essentiellement un moyeu 28 solidaire de l'arbre 6 qui, pendant le fonctionnement du dispositif, est entrainé en rotation dans le sens indiqué par la flèche r'. Deux pales 29 et 30 ont été représentées sur la figure 2, mais ce nombre n'est nullement limitatif. En général, on choisit un nombre de pales facilitant l'équilibrage statique et dynamique du rotor. La hauteur des pales est telle que la forme qu'elles délimitent pendant leur rotation est _ g _ s~ ~ r~ :n complémentaire de l'alésage du carter 1 qui, dans l'exemple illustré, est cylindrique.
Ces pales peuvent être rapportées et fixées par soudure au moyeu 2$, mais il est préférable da réaliser l'ensemble, moyeu et pales, par moulage ou fraisage.
L'impulseur et le redresseur sont du type hélicoaxial.
La figure 3 définit les dimensions d'un impulseur selon l'invention. Cette figure est schématique, seul le moyeu est en coupe, et la trace t d'une pale a été représentée.
RZ : est le rayon extérieur de l'impulseur donc de la cellule.
D2 : 2R2 est le diamètre extérieur de l'impulseur, c'est le diamètre nominal fréquemment utilisé.
R1 : est le rayon du moyeu cbté face d'entrée, à gauche sur la figure 3.
R3 : est le rayon du moyeu cbté face de sortie, droite sur la figure 1.
l . est la longueur selon l'axe de l'impulseur, c'est la distance entre la face d'entrée et la face de sortie.
P1PZ : P1P2 représente la courbe correspondant à l'intersection du moyeu avec un plan axial passant par l'axe de rotation Ox.
0x : est l'axe de rotation, 0 étant le point sur l'axe d'intersection avec la face d'entrée définie ci-avant.
en P1 : la tangente à la courbe P1P2 au point P1 est perpendiculaire à
la face d'entrée donc cette tangente est parallèle à l'axe Ox.
2S La partie hachurée de la figure 3 correspond au moyeu axisymétrique.
La figure 4 définit les pales de l'impulseur.
Sur le moyeu précédemment décrit sont enroulées des pales;
le nombre de pales n est de préférence toujours supérieur ou égal à 2.
Le nombre peut étre compris entre 3 et 8 et de préférence entre 4 et 6 notamment pour des impulseurs dont le diamétre extérieur des pales varie entre 100 et 400 mm.
La représentation la plus simple pour décrire la pale est de définir son tracé géométrique sur la surface développée de l'enveloppe cylindrique au rayon extérieur r, r peut être compris entre R3 et R2. Cette surface est représentée dans le plan (fig. 4).
On y retrouve - la trace C1C2 de la face d'entrée représentée par une droite 41, - la trace C'1C'2 de la face de sortie représentée par une droite 42.
Les deux traces droite 41, C1C2 et droite 42 C'1C'2 sont parallèles et distantes de l appelée (ci-dessus) Longueur de l'impulseur.
On retrouve sur cette figure 4 la trace de l°axe Ox, axe de rotation qui est orienté dans le sens allant de la face d'entrée vers la face de sortie. La flèche F' désigne le sens de progression des pales.
Les pales sont solidaires du moyeu. Elles sont géométriquement définies de la maniére suivante.
Chaque pale comporte deux faces, une face intrados 31 et une face extrados 32, un bord d°attaque ou point C1 (ou au point C2), un bord de fuite au point C'1 (ou au point C'2), et une épaisseur définie comme la distance entre l'intrados et l'extrados.
On définit les angles des pales de la manière suivante (voir figures 5 et 6) - L'angle d'entrée intrados eeI :angle de la~tangente en C1 (ou C2> à
l'intrados avec la trace 41 de la face d'entrée.
- L'angle d'entrée extrados BeE : angle de la tangente en C1 (ou C2) à
L'extrados avec la trace de la face d'entrée.
L'angle de sortie intrados BSI et l'angle de sortie extrados BSE sont définis de la même maniére par rapport aux points C'1 et C'2 et la trace 42 de la face de sortie.
On définit ensuite l'angle de corde Bc, comme pour tout profil, c'est l'angle de la corde C1C'1 ou C2C'2, droites rejoignant les points C1 et C'1 d'une part (ou C2 et C'2) et de la trace ou de la face de sortie. Ces différents angles sont définis à partir d'une direction parallèle à la droite 41 ou 42.
Sur la figure 5 la corde est confondue avec le profil de l'intrados au voisinage du bord de fuite.
La longueur de la corde C1C'1 est alors égale à la valeur l/sinBc, l et Bc tels que définis ci-dessus.
Soit n le nombre de pales, la relation longueur C1C2 = 2?CR2ln définit la distance orthoradiale, c°est-à-dire dans un plan perpendiculaire à l'axe Ox, entre deux pales.
On définit la forme de la pale proprement dite par les traces de l'intrados et de l'extrados dans ce plan de la figure 4.
La courbe de l°intrados reliant C1 à C'1 peut être définie par une équation de second degré en fonction de l'abscisse curviligne de la pale comptée à partir de C1; cette courbe est tangente à la trace de l'angle BeI ou point C1 et à la trace de l'angle BSI au point C' 1 .
La courbe de L°extrados reliant C1 à C'1 peut être définie par une équation du quatrième degré en fonction de l'abscisse curviligne de la pale, comptée à partir de C1, cette courbe présente une tangente faisant un angle BeE au voisinage de C1 et BSE au voisinage de C'1.
Le squelette de la pale ou fibre moyenne de la pale peut être représentée par une équation du quatrième degré.
Les rayons de courbure Pm des pales sont aussi définis en fonction de l'abscisse curviligne. Ainsi sont définies les courbures 1/ P m et particulièrement la courbure de fibre moyenne.
Enfin on définit la courbe variation de la courbure en fonction de l'abscisse curviligne de la fibre moyenne appelée d(1/ P m)ds. La courbe d(1/~3m)/ds est une courbe croissante et continûment croissante avec un point d'inflexion. On pourra utiliser la forme du squelette décrite dans le brevet français FR 2 333 139.
L'épaisseur des pales est faible (pratiquement entre trois et cinq millimètres, pour certaines applications industrielles particulières les pales peuvent être de plus grande épaisseur) dans le cas où l'épaisseur de la pale n'est pas constante ou ne peut pas être considérée en tant que telle on pourra utiliser dans les formules qui suivent soit l'épaisseur réelle de la pale en fonction de l'abscisse soit utiliser une valeur fixe pour l'épaisseur de la pale, cette 2~~ ~~~~
épaisseur pourra être égale à l'épaisseur moyenne de la pale. Les pales sont généralement plus fines sur les bords d'attaque et sur les bords de fuite. On admet en technologie actuelle, pour des bords d'attaque et de fuite, des formes dont la trace dans le plan de la figure 4 sont des demi cercles de rayon de l'ordre de 1 mm (miminum 0,5 mm, maximum 2,5 mm>.
Le creux des pales est défini comme la différence des angles moyens (ou de la fibre moyenne) de sortie BsM et d'entrée BeM, plus précisément BSE et BSI étant définis à la sortie on a BSM = (BSE + BSI)/2 au ter ordre la précision étant de quelques pour-cent; de la même manière on a B M v (B I + B E) /2 e e e Le creux défini comme la différence B M - 8 M est une des s e caractéristiques de ces impulseurs.
IL est de préférence compris entre b et 12° d'angle mais ses valeurs peuvent couvrir le domaine 0-30° dans certains cas.
Les angles d'entrées sont aussi préférentiellement choisis entre des valeurs limitées - BeI : compris entre 4° et 24° de préférence 4° à
12°, ° BeE : compris entre 2° et 23° de préférence entre 2° et 11°
La distance orthoradiale entre les pales est définie comme étant la distance entre un point d'un intrados et un point de l'extrados de la pale précédente mesurée dans un plan orthoradial perpendiculaire à l'axe Ox (figure 4) (soit perpendiculaire au plan de la figure 4). On compte toujours cette distance sur les surfaces cylindriques d'axe Ox et toujours paramétrées en fonction de r rayon du cylindre référence 33, r Ccf. figure 2) est toujours plus petit que R2 rayon nominal mais peut aller jusqu'A des valeurs trés proches de R2.
- 12 - ~~~~ '~~'~
Au sens géométrique stricte et aussi au sens technologique et physique cette distance orthoradiate est égale pour tout plan orthoradiale d'abscisse x (compté sur Ox) â la valeur en un point M
quelconque S
2?Lr/n - elsin(BMcour) r : rayon du cylindre référence n : nombre de pales de l°impulseur e : épaisseur de la pale BMcour ' angle du squelette ou de la fibre moyenne pour un point couvrant désigné "cour"
Cette distance est aussi géométriquement égale, pour les réalisations pratiques industrielles é la distance orthoradiale entre deux pales positionnées telles que les fibres moyennes seraient confondues avec la corde de la pale, donc on a aussi distance = 2?Cr/n - e/sinB
c Une pompe hélicoaxiale est définie comme toutes les pompes ou tous les compresseurs par son débit volumétrique ou débit nominal.
- Les sections d'entrée et de sortie de l'impulseur pourront âtre notamment déterminées â partir des triangles des vitesses en appliquant entre autves les lois d'Eider en relations avec les conditions de fonctionnement nominales souhaitées.
La section orthoradiade définit le canal hydraulique.
Pour l'impulseur objet de cette invention on définit l'évolution de la section du canal hydraulique ou de cette section orthoradiale du canal compte tenu éventuellement de l'épaisseur radiale des pales. Cette évolution de section prend en compte les paramètres géométriques suivants (définis ci avant) - R2, R1, R3, l - n : nombre de pales - 8c : l'angle de coude - e : l'épaisseur de la pale, comme cela a été dit précédemment, cette ~3 y épaisseur peut être supposée nulle, constante ou non constante.
Dans le cas où l'épaisseur de ta pale est supposée nulle ou constante alors qu'elle ne l'est pas réellement il sera nécessaire d'admettre des écarts pratiques par rapport aux formulations proposées ci-dessus.
La section est définie par rapport â x point courant sur Ox, elle peut être définie aussi en fonction de l'abscisse curviligne de la corde du profil de la pale.
Les paramètres utilisés dans la formulation s'écrivent M = C2 +(R32 - R1z)~ /2(R3 - R1) A = (M - R1>2 - C2 + (R3 - R1)2~ 2/ ~2(R3 - R1)~ 2 1 S B = R22 - M2 - A
La section du canal hydraulique S1 pour une pale théorique d'épaisseur nulle s'écrit S1(x> _ (?C/n) Cx2 + 2M(A - x2)1/2 La section orthoradiale d'une pale S2 s'écrit S2(x) _ C2 - M -(A - x2)1/2 (e/sinec) s'écrit La section orthoradiale réelle d'un canal hydraulique S
S(x) = S1(x) - S2(x) donc S(x) _ (1/n) C?Cx2 + (A _ x2)1/2 (2 ~M + e/sinBc) + (R2 - M) (?L(R2 + M) + e/sinBc) (M R1)2 Dans le cas où tous les canaux ne sont pas identiques on pourra considérer n non comme le nombre de pales mais comme un paramétre lié à la section relative d'entrée de chacun des canaux.
La formulation en fonctian de L'abscisse curviligne d'un S point courant sur la corde du profil s'écrit simplement en remplaçant x par s/sinec où S est L'abscisse curviligne.
Selon ta présente invention la section orthoradiale d'au moins un passage évolue de la maniére indiquée par la formule donnant S(x). Néanmoins les écarts par rapport â cette formule peuvent étre inférieurs à 5 % ou de préférence inférieur à 3 % et cela entre deux plans orthoradiaux d'abscisse x1, x2 (cf. figure 7). Bien entendu il est préférable que la section d'un canal donnée par la formule ci-dessus soit respectée au mieux compte tenu notamment des tolérances de fabrication.
La distance x1, x2 de l'axe Ox pour laquelle la formule donnant la variation de la section orthoradiale est vérifiée dans les conditions de précision déjà indiquées précédemment, est égale au moins à 80 % de la longueur de l'impulseur et de préférence supérieure à 90 %.
2p Du fait de l'effilement des pales au bord d'attaque et au bord de fuite on pourra admettre, lorsque l'on souhaite que les formules donnant la variation de la section orthoradiale soient vérifiées au mieux, et sur la plus grande longueur possible du moyeu, qu'elles ne le soient tout de méme pas sur une certaine longueur de la pale aux deux extrémités de celles-ci. Ces longueurs, correspondant aux effilements de la pale, peuvent âtre déterminées en fonction de l'écart de l'épaisseur compté en pourcentage de l'épaisseur maximum (généralement situées au milieu de la longueur de la pale développée ou à l'épaisseur moyenne de la pale). Ci-aprés sont données ces longueurs rapportées à L'abscisse curviligne du squelette compté à
partir de l'abscisse curviligne lr.
a) lr = 3 Y. à partir du bord d'attaque oû la longueur nécessaire pour que l'épaisseur de la pale atteigne plus de 50 % de l'épaisseur moyenne, - 15 - ~~~~ ~~~ r~~
b) l = 3 % avant le bord de fuite où la longueur à partir de laquelle r l'épaisseur de la pale est inférieure à 50 % de L'épaisseur moyenne.
Selon la présente invention le rapport entre la longueur de S l'impulseur à son diamétre extérieur peut étre compris entre 10 % et 4G % et de préférence entre 15 % et 25 %.
A la sortie d'un étage impulseur, le fluide est animé d'une vitesse ayant au moins une composante axiale et une composante circonférentielle. Comme il est bien connu des specialistes, l'utilisation d°un redresseur permet d'augmenter la pression statique en supprimant ou au moins en réduisant la composante circonférentielle de la vitesse d'écoulement du fluide. te redresseur pourra étre de tout type connu, avec des caractéristiques adaptées à celles de l'étage impulseur, comme il est indiqué ci-dessous en se référant aux figures 8 et 9.
La figure 8 montre, en coupe, un ensemble comprenant un impulseur (représenté en trait interrompu) et un redresseur (représenté en trait continu).
La figure 9 représente schématiquement la trace développée de l'intersection d'une ailette du redresseur avec une surface cylindrique de rayon r.
Le redresseur est constitué d'un manchon 34 qui porte au moins deux ailettes 35. Une bague 36 fixée sur les ailettes 35 permet la solidarisation du redresseur et du carter 1 par exemple au moyen de vis schématisées en 27.
Le diamètre extérieur du manchon 34 décroit progressivement depuis L'entrée vers la sortie sur une premiére portion M'N' pouvant représenter 30 % au moins de la longueur totale du redresseur mesurée parallèlement à l'axe et qui, elle, est égale à au moins 30 % du diamètre moyen Dm des pales à l'entrée du redresseur. Ainsi, la section de passage du fluide augmente selon une loi du premier ou du second degré lorsqu'on considère le sens de l'écoulement indiqué par les flèches.
~~n~~~
Les ailettes 35 ont un profil approprié qui permet le redressement de l'écoulement du fCuide. A l'entrée du redresseur, ce profil est sensiblement tangent à t°écoulement tandis qu'à la fin de la première portion M'N', le profil des ailettes est sensiblement tangent à un plan passant par l'axe du dispositif, l'angle d'inclinaison variant progressivement sur cette première portion.
Dans le but de simplifier la fabrication du redresseur, on donne à la première portion M'N' des ailettes un rayon de courbure constant.
La portion restante N'P' de l'ailette est disposée axialement et sur cette partie, le moyeu est cylindrique.
La section droite d'entrée d'un redresseur S est choisie e supérieure à la section de sortie Ss de l'étage impulseur précédent le redresseur de telle sorte que le rapport Se/Ss puisse avoir une valeur comprise entre 1 et 1,2 et, de préférence, entre 1,1 et 1,15, tandis que le rapport Ss/Se entre les sections droites entre la sortie et l'entrée du redresseur est supérieur à 1 et, de préférence, compris entre 2 et 3.
Dans ce qui précède, on a représenté un faible jeu axial entre le bord de fuite des pales de l'impulseur et le bord d'attaque des ailettes du redresseur, mais il est possible de les écarter l'un de l'autre à une distance qui sera établie par le technicien lors des essais de mise au point en fonction des conditions d'utilisation du dispositif.
Des modifications pourront étre apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, et comme le montre la figure 10, l'extrados de chaque ailette du redresseur pourra étre obtenu par usinage de portions de plans sécants.
Avantageusement le manchon pourra âtre constitué par une forme de révolution obtenue par la rotation d'une ligne plane 36 M', T', N', P' autour de l'axe Ox de ta cellule de compression, cette ligne comportant au moins deux parties. Une premiére partie M'T' correspond à un arc de cercle dont le centre est du méme côté que l'axe Ox relativement à cette ligne. Un deuxième partie T' et N' - 1' - 2~~"1~~~~
correspond également à un arc de cercle de préférence de même rayon que le premier arc M'T° mais dont le centre est situé de l'autre côté
de ladite ligne relativement au centre du cercle du premier arc M'T'.
Les deux arcs de cercle M'T' et T'N' se raccordent entre eux en T' avec de préférence des tangentes parallèles en ce point où, dans ce cas T° est un point d'inflexion de la courbe M'T'N'. La projection orthogonale sur l'axe Ox de L'arc M'T' pourra être égale à
la Longueur correspondante soit de l'arc T'N' soit de la courbe T'P'.
Les tangentes à la Ligne M'T'N'P' en M' et P' pourront être parallèles à l'axe Ox éventuellement comporter une troisième partie N'P' rectiligne paralléle à l'axe Ox. La ligne M'T'N'P' décrite précédemment l'a été dans un plan axial de la cellule de compression.
La longueur de l'impulseur et du diffuseur pourront être égales.
Sur la figure 7 deux courbes sont représentées elles correspondent à la variation de la section orthoradiale d'un canal de l'impulseur en fonction de l'abscisse sur l'axe Ox. L'origine de cet axe correspond à la face d'entrée de l'impulseur, cette face comportant la partie du bord d'attaque la plus en avant relativement à
l'écoulement des gaz.
Cette partie de cette courbe '37 se prolonge jusqu à
l'abscisse l correspondant à la longueur de l'impulseur, les abscisses x1 et x2 défissent ta zone x1, x2 à l'intérieur de laquelle la formulation donnée précédemment pour la variation de la section orthoradiale S(x> est respectée dans les conditions de précision déjà
indiquée précédemment dans ce texte.
x1 pourra être égal à l-x2 La longueur x1 pourra correspondre à la longueur pour laquelle l'épaisseur de la pale a atteint 80 ou 90 % de l'épaisseur moyenne. Généralement cette longueur pourra correspondre à 3 % de la longueur de l'abscisse curviligne.
De même x2 peut être déterminé comme étant le début de ta zone x2, l où l'épaisseur de la pale s'écarte de plus de 10 % ou 20 de l'épaisseur moyenne.
La tangente 38 à la courbe 37 en Se peut être horizontale.
Sur la figure 7 la tangente 39 à la courbe au point d'abscisse l a une pente négative.
La courbe 43 correspond à l'évolution de la section S orthoradiale d'un canal du diffuseur multipliée par nrlni où nR
correspond au nombre de pales ou ailettes du diffuseur et nI le nombre de pales ou ailettes de l'impulseur.
La courbe 43 est une courbe continue entre l'abscisse l et l3 et ne présente pas de point singulier. Cette courbe comporte un point d'inflexion 44.
De préférence l'abscisse de ce point d'inflexion peut être sensiblement égal à (l+l3)l2.
La tangente 45 à l'entrée du diffuseur correspondant à
l'abscisse l au jeu entre impulseur et diffuseur près est l'horizontal (L.a.d. paralléle à l'axe Ox). Il en est de même à la sortie du diffsueur la tangente 46 est parallèle à l'axe Ox.
La longueur l3-l correspond à la longueur axiale du diffuseur.
De préférence la section Ss de sortie du canal de l'impulseur sera strictement égale à la section d'entrée dans le diffuseur. 4 7L = 3.141 ... and n being equal to the number of blades of the impeller.
The values of b and c can be equal to bn 27LM + sin B and c = A = (M - R1> 2 00 vs l2 + R32 _ R12 M =
2 <R3 - R1) n: number of blades of the impeller, e: blade thickness, Bc: chord angle, l: axial length of the blades, R1. minimum radius of the blades at the entrance, RZ: maximum radius of the blades at the entry, R3: minimum radius of the blades at the outlet.
The value d can be equal to 1 st d = _ - (R2 - M) C.?L(RZ + M) + - (M - R1) 2 n sin Bc The blades may have upper edges that fit 2 0 in a cylinder of revolution having as axis of symmetry the axis Ox.
The portion of the canal may correspond to the entire length of the canal.
Preferably, the entry angles of the blades are for the underside angles between 4 ° and 24 ° and preferably between 4 ° and 12 °, and for the upper angles between 2 ° and 23 ° and preferably between 2 ° and 11 °.
The hollow of the blades defined as BM - BM
himself can be between 0 ° and 30 ° and preferably between 6 ° and 12 °, 30 BSM being the mean angle of exit of the blade and BeM being the mean angle blade entry.
Preferably, the average thickness of the blade is between 3 and 5 mm outside the areas near the leading and trailing edges.
The number of blades can be between 3 and 8, and preferably between 4 and 6, limits included.
The blades may have a lower exit angle between 4 ° and 54 ° and preferably between 10 ° and 24 °, and for the upper surface angle 2 ° to 58 ° and preferably 8 ° to 23 °.
The average profile or skeleton of said blades defined by the intersection of a zero thickness blade and a surface cylindrical relative to said axis may be such that the angle that forms this profile with said axis decreases monotonically from the leading edge toward the trailing edge and the curve representing the value of the curvature along the blade profile as a function of the curvilinear abscissa to a slope whose value increases from the edge of attack towards the trailing edge of the blade.
Said curve may have an inflection point.
The device according to the invention may include a paddle diffuser.
This diffuser may include between 8 and 30 blades and preferably between 15 and 25 blades.
The axial length of the impeller compared to its diameter outside may be between 0.10 and 0.40 and preferably between 0.15 and 0.20.
The diffuser hub may have a form of revolution around the Ox axis, and the line considered in a plane axial generating this form of revolution may have at least one inflection point.
This line may have tangents parallel to said audit axis at the two ends of this line corresponding to the entry and outlet of the diffuser.
The present invention also relates to the use of at least 3 0 minus a device described above, in the constitution of a pump multiphase as well as the use of such a multiphase pump to perform multiphase effluent pumping operations ~~~ ~ l ~
oil.
All the advantages of the device according to the invention, which is simple design, robust and economically profitable, will appear on reading the description which follows. illustrated by the figures S annexed among which - Figure 1 shows schematically and in axial section, a mode particular embodiment of a pump using the device according to the invention for pumping a two-phase effluent, FIG. 2 shows an impeller, seen in perspective, - Figure 3 shows in section an impeller which has been shown that a blade, - Figure 4 is a developed view of the trace resulting from the intersection of blades with a cylindrical surface, - Figures 5 and 6 respectively show the detail of the edge attack and flight of a blade, - Figure 7 shows the evolution of the section of a passage in function of the axial abscissa, FIGS. 8 and 9 represent a rectifier, and - Figure 10 shows another embodiment of a blade or blade rectifier.
In what follows, we will designate by "fluid" either a fluid monophasic gas or exclusively liquid in which a gas is fully dissolved, i.e. a multiphase fluid comprising in particular a liquid phase and a gas phase as well as possibly solid particles for example sand or viscous particles such as hydrate agglomerates. The liquid phase can obviously be made up of liquids of different natures, similarly, the phase gas can be made up of several gases of different natures.
Figure 1 shows schematically and in axial section a particular, nonlimiting, embodiment of a set of pumping using the device according to the invention. This set is intended for pumping a multiphase petroleum effluent.
In the example in Figure 1 between the inlet holes sion 2 and discharge 3 of the pumping device and inside the _ 7 _ casing 1, at least one selcn compression cell is placed the invention. This cell is adapted to increase the total energy of the fluid. In FIG. 1, three impellers referenced 17 to 19 are visible. This number is not limiting and depends on the increase in pressure that one wishes to obtain.
These elements, which will be described in more detail below, are integral with the shaft 6 on which they are, for example, force-fitted, the spacing between the elements being maintained by spacers 20 to 23.
Preferably, a diffuser or rectifier such as diffusers 24 to 26, is placed at the outlet of each impeller, this diffuser being secured to housing 1, for example, by means of screws attachment 27 (symbolized by dashed lines in the figure).
Each pair of impeller and diffuser (17, 24; 19, 26) constitutes with a portion of the housing a compression cell.
Reference 14 designates a deflector.
For the clarity of Figure 1, the clearances between the spacers and diffusers, the clearances between the impellers and the housing and the clearances between the impellers and the diffusers have. summer greatly increased, but it is wrong to understand that these games are reduced to their minimum value compatible with operation pump mechanics, so that fluid leaks are minimum and that, at operating temperature, the expansions of the various components of the pumping device do not cause any jamming.
FIG. 2 schematically represents, seen in perspective, a nonlimiting example of making an element or stage impeller essentially comprising a hub 28 integral with the shaft 6 which, during the operation of the device, is driven in rotation in the direction indicated by the arrow r '. Two blades 29 and 30 have been shown in Figure 2, but this number is by no means limiting. In general, we choose a number of blades to facilitate static and dynamic balancing of the rotor. The height of the blades is such that the shape they delimit during their rotation is _ g _ s ~ ~ r ~: n complementary to the bore of the casing 1 which, in the example illustrated, is cylindrical.
These blades can be attached and fixed by welding to hub 2 $, but it is preferable to realize the assembly, hub and blades, by molding or milling.
The impeller and the rectifier are of the helicoaxial type.
Figure 3 defines the dimensions of an impeller according to the invention. This figure is schematic, only the hub is in section, and the trace t of a blade has been shown.
RZ: is the outside radius of the impeller, therefore of the cell.
D2: 2R2 is the outside diameter of the impeller, this is the diameter nominal frequently used.
R1: is the radius of the hub on the input side, on the left in the figure 3.
R3: is the radius of the hub on the outlet side, right in the figure 1.
l. is the length along the axis of the impeller, this is the distance between the entry face and the exit face.
P1PZ: P1P2 represents the curve corresponding to the intersection of the hub with an axial plane passing through the axis of rotation Ox.
0x: is the axis of rotation, 0 being the point on the axis of intersection with the input face defined above.
in P1: the tangent to the curve P1P2 at point P1 is perpendicular to the entry face so this tangent is parallel to the axis Ox.
2S The hatched part of figure 3 corresponds to the hub axisymmetric.
Figure 4 defines the impeller blades.
On the previously described hub are wound blades;
the number of blades n is preferably always greater than or equal to 2.
The number can be between 3 and 8 and preferably between 4 and 6 especially for impellers with an outer diameter of the blades varies between 100 and 400 mm.
The simplest representation to describe the blade is to define its geometric layout on the developed surface of the cylindrical envelope at the outside radius r, r can be understood between R3 and R2. This surface is represented in the plan (fig. 4).
We find there the trace C1C2 of the input face represented by a straight line 41, - the trace C'1C'2 of the outlet face represented by a straight line 42.
The two right traces 41, C1C2 and right 42 C'1C'2 are parallel and distant from the called (above) Length of the impeller.
We find in this figure 4 the trace of the axis Ox, axis of rotation which is oriented in the direction going from the entry face towards the exit face. The arrow F 'indicates the direction of progression of the blades.
The blades are integral with the hub. They are geometrically defined in the following manner.
Each blade has two faces, a lower face 31 and an upper surface 32, a leading edge or point C1 (or at point C2), a trailing edge at point C'1 (or at point C'2), and a thickness defined as the distance between the lower and upper surfaces.
The angles of the blades are defined as follows (see figures 5 and 6) - The bottom entry angle eeI: angle of the ~ tangent in C1 (or C2> to the lower surface with trace 41 of the entry face.
- The BeE upper inlet angle: tangent angle in C1 (or C2) at The upper surface with the trace of the entrance face.
The BSI lower exit angle and the exit angle BSE upper surfaces are defined in the same way with respect to the points C'1 and C'2 and trace 42 of the exit face.
We then define the chord angle Bc, as for all profile, this is the angle of the rope C1C'1 or C2C'2, straight lines joining points C1 and C'1 on the one hand (or C2 and C'2) and of the trace or the exit face. These different angles are defined from a direction parallel to the right 41 or 42.
In Figure 5 the rope is confused with the profile of the lower surface near the trailing edge.
The length of the rope C1C'1 is then equal to the value l / sinBc, l and Bc as defined above.
Let n be the number of blades, the length relationship C1C2 = 2? CR2ln defines the orthoradial distance, that is to say in a plane perpendicular to the Ox axis, between two blades.
We define the shape of the blade itself by the traces of the lower and upper surfaces in this plane of Figure 4.
The curve of the lower surface connecting C1 to C'1 can be defined by a second degree equation as a function of the curvilinear abscissa the blade counted from C1; this curve is tangent to the trace of the angle BeI or point C1 and trace of the angle BSI at the point It's 1.
The curve of L ° upper surface connecting C1 to C'1 can be defined by a fourth degree equation as a function of the abscissa curvilinear of the blade, counted from C1, this curve presents a tangent making an angle BeE in the vicinity of C1 and BSE at neighborhood of C'1.
The blade skeleton or medium blade fiber can be represented by a fourth degree equation.
The radii of curvature Pm of the blades are also defined in function of the curvilinear abscissa. So the curvatures are defined 1 / P m and particularly the curvature of medium fiber.
Finally we define the curve curve variation in function of the curvilinear abscissa of the average fiber called d (1 / P m) ds. The curve d (1 / ~ 3m) / ds is an increasing curve and continuously increasing with an inflection point. We can use the shape of the skeleton described in French patent FR 2 333 139.
The thickness of the blades is small (practically between three and five millimeters, for certain industrial applications the blades may be thicker) in the case where the thickness of the blade is not constant or cannot be considered as such we can use in formulas which either follow the actual thickness of the blade as a function of the abscissa either use a fixed value for the thickness of the blade, this 2 ~~ ~~~~
thickness may be equal to the average thickness of the blade. The blades are generally thinner on the leading edges and on the trailing edges. We admit in current technology, for edges of attack and flight, forms whose trace in the plane of the Figure 4 are semicircles of radius of the order of 1 mm (min 0.5 mm, maximum 2.5 mm>.
The hollow of the blades is defined as the difference of mean angles (or mean fiber) of exit BsM and entry BeM, more precisely BSE and BSI being defined at the output we have BSM = (BSE + BSI) / 2 at ter order the accuracy being a few percent; of the same so we have BM v (BI + BE) / 2 eee The dip defined as the difference BM - 8 M is one of the himself characteristics of these impellers.
It is preferably between b and 12 ° angle but its values can cover the 0-30 ° range in some cases.
The entry angles are also preferably chosen between limited values - BeI: between 4 ° and 24 ° preferably 4 ° to 12 °, ° BeE: between 2 ° and 23 ° preferably between 2 ° and 11 °
The orthoradial distance between the blades is defined as being the distance between a point on a lower surface and a point on the extrados of the previous blade measured in an orthoradial plane perpendicular to the Ox axis (Figure 4) (i.e. perpendicular to the plane of Figure 4). We always count this distance on surfaces cylindrical with axis Ox and always configured as a function of r radius of cylinder reference 33, r Ccf. figure 2) is always smaller than R2 nominal radius but can go up to values very close to R2.
- 12 - ~~~~ '~~' ~
In the strict geometric sense and also in the technological sense and physics this orthoradiate distance is equal for any plane orthoradial of abscissa x (counted on Ox) at the value at a point M
any S
2? Lr / n - elsin (BMcour) r: radius of the reference cylinder n: number of blades of the impeller e: blade thickness BMcour 'skeleton or average fiber angle for a point covering designated "courtyard"
This distance is also geometrically equal, for practical industrial achievements at the orthoradial distance between two blades positioned such that the medium fibers would be confused with the blade chord, so we also have distance = 2? Cr / n - e / sinB
vs A helical pump is defined like all pumps or all compressors by its volumetric flow or nominal flow.
- The impeller inlet and outlet sections can especially determined from the triangles of the velocities in applying among others the laws of Eider in relation to nominal operating conditions desired.
The orthoradiade section defines the hydraulic channel.
For the impeller object of this invention we define the evolution of the section of the hydraulic channel or of this section orthoradial of the canal possibly taking into account the thickness radial blades. This section evolution takes into account the following geometric parameters (defined above) - R2, R1, R3, l - n: number of blades - 8c: the elbow angle - e: the thickness of the blade, as said previously, this ~ 3 y thickness can be assumed to be zero, constant or not constant.
In the case where the thickness of your blade is assumed to be zero or constant while it is not actually it will necessary to admit practical deviations from formulations proposed above.
The section is defined with respect to x current point on Ox, it can also be defined according to the curvilinear abscissa of the blade of the blade profile.
The parameters used in the formulation are written M = C2 + (R32 - R1z) ~ / 2 (R3 - R1) A = (M - R1> 2 - C2 + (R3 - R1) 2 ~ 2 / ~ 2 (R3 - R1) ~ 2 1 SB = R22 - M2 - A
The section of the hydraulic channel S1 for a theoretical blade of zero thickness is written S1 (x> _ (? C / n) Cx2 + 2M (A - x2) 1/2 The orthoradial section of a S2 blade is written S2 (x) _ C2 - M - (A - x2) 1/2 (e / sinec) writes The actual orthoradial section of a hydraulic channel S
S (x) = S1 (x) - S2 (x) therefore S (x) _ (1 / n) C? Cx2 + (A _ x2) 1/2 (2 ~ M + e / sinBc) + (R2 - M) (? L (R2 + M) + e / sinBc) (M R1) 2 In the case where all the channels are not identical, we may consider n not as the number of blades but as a parameter linked to the relative input section of each channel.
The formulation in function of the curvilinear abscissa of a S current point on the profile chord is written simply by replacing x by s / sinec where S is the curvilinear abscissa.
According to your present invention, the orthoradial section of least one passage evolves in the manner indicated by the formula giving S (x). However, deviations from this formula can be less than 5% or preferably less than 3% and this between two orthoradial planes of abscissa x1, x2 (cf. figure 7). Of course he is better than the section of a channel given by the formula above is respected as well as possible taking into account in particular the tolerances Manufacturing.
The distance x1, x2 from the axis Ox for which the formula giving the variation of the orthoradial section is checked in the precision conditions already indicated above, is equal to less than 80% of the length of the impeller and preferably greater 90%.
2p Due to the tapering of the blades at the leading edge and at trailing edge we can admit, when we want the formulas giving the variation of the orthoradial section be checked as well as possible, and over the greatest possible length of the hub, that they are not all the same over a certain length of the pale at both ends of these. These lengths, corresponding when the blade tapers, can be determined according to thickness deviation counted as a percentage of maximum thickness (usually located in the middle of the length of the developed blade or the average thickness of the blade). Below are given these lengths referred to the curvilinear abscissa of the skeleton counted at from the curvilinear abscissa lr.
a) lr = 3 Y. from the leading edge where the length necessary for that the thickness of the blade reaches more than 50% of the thickness average, - 15 - ~~~~ ~~~ r ~~
b) l = 3% before the trailing edge where the length from which r the thickness of the blade is less than 50% of the thickness average.
According to the present invention the ratio between the length of S the impeller at its outside diameter may be between 10% and 4G% and preferably between 15% and 25%.
At the outlet of an impeller stage, the fluid is animated by a speed having at least one axial component and one component circumferentially. As is well known to specialists, the use of a rectifier increases the static pressure by removing or at least reducing the circumferential component of the fluid flow rate. the rectifier could be any known type, with characteristics adapted to those of the impeller stage, as indicated below with reference to Figures 8 and 9.
Figure 8 shows, in section, an assembly comprising a impeller (shown in broken lines) and a rectifier (shown in solid lines).
Figure 9 schematically represents the developed trace of the intersection of a stator fin with a surface cylindrical with radius r.
The rectifier consists of a sleeve 34 which carries the minus two fins 35. A ring 36 fixed on the fins 35 allows the connection of the rectifier and the casing 1 for example by means of screws shown in 27.
The outer diameter of the sleeve 34 gradually decreases from the entrance to the exit on a first portion M'N 'which can represent at least 30% of the total length of the rectifier measured parallel to the axis and which is equal to at least 30% of the mean diameter Dm of the blades at the inlet of the rectifier. So the fluid passage cross section increases according to a law of the first or of the second degree when we consider the direction of flow indicated by the arrows.
~~ n ~~~
The fins 35 have an appropriate profile which allows the recovery of the flow of fluid. At the entrance of the rectifier, this profile is substantially tangent to t ° flow while at the end of the first portion M'N ', the profile of the fins is substantially tangent to a plane passing through the axis of the device, the angle inclination gradually varying over this first portion.
In order to simplify the manufacture of the rectifier, gives the first portion M'N 'of the fins a radius of curvature constant.
The remaining N'P 'portion of the fin is arranged axially and on this part, the hub is cylindrical.
The input straight section of a rectifier S is chosen e greater than the output section Ss of the impeller stage preceding the rectifier so that the Se / Ss ratio can have a value between 1 and 1.2 and preferably between 1.1 and 1.15, while that the Ss / Se ratio between the straight sections between the outlet and input of rectifier is greater than 1 and preferably included between 2 and 3.
In the above, a small axial clearance has been shown between the trailing edge of the impeller blades and the leading edge rectifier fins, but it is possible to move them apart the other at a distance to be established by the technician during development tests according to the conditions of use of the device.
Modifications can be made without necessarily depart from the scope of the present invention. For example, and like the shown in Figure 10, the upper surface of each fin of the rectifier may be obtained by machining portions of intersecting planes.
Advantageously, the sleeve may be made up of a form of revolution obtained by the rotation of a flat line 36 M ', T ', N', P 'around the Ox axis of your compression cell, this line with at least two parts. A first part M'T ' corresponds to an arc of a circle whose center is on the same side as the Ox axis relative to this line. A second part T 'and N' - 1 '- 2 ~~ "1 ~~~~
also corresponds to an arc of circle preferably of the same radius than the first arc M'T ° but whose center is located on the other side of the said line relative to the center of the circle of the first arc M'T '.
The two arcs of circle M'T 'and T'N' connect between them in T 'with preferably tangents parallel at this point where, in this case T ° is an inflection point of the curve M'T'N '. The orthogonal projection on the Ox axis of L'arc M'T 'could be equal to the corresponding Length either of the arc T'N 'or of the curve T'P'.
The tangents to the Line M'T'N'P 'in M' and P 'can be parallel to the Ox axis possibly include a third part N'P 'straight parallel to the Ox axis. The M'T'N'P 'line described previously was in an axial plane of the compression cell.
The length of the impeller and the diffuser may be equal.
In Figure 7 two curves are shown they correspond to the variation of the orthoradial section of a channel the impeller as a function of the abscissa on the axis Ox. The origin of this axis corresponds to the input face of the impeller, this face having the leading part of the leading edge relatively to gas flow.
This part of this '37 curve extends to the abscissa l corresponding to the length of the impeller, the abscissas x1 and x2 define your area x1, x2 inside which the formulation given previously for the variation of the section orthoradiale S (x> is respected in the precision conditions already indicated earlier in this text.
x1 could be equal to l-x2 The length x1 could correspond to the length for which the thickness of the blade has reached 80 or 90% of the thickness average. Generally this length may correspond to 3% of the length of the curvilinear abscissa.
Likewise x2 can be determined as the start of your zone x2, l where the thickness of the blade deviates by more than 10% or 20 of the average thickness.
The tangent 38 to the curve 37 in Se can be horizontal.
In Figure 7 the tangent 39 to the curve at point the negative slope.
Curve 43 corresponds to the evolution of the section S orthoradiale of a diffuser channel multiplied by nrlni where nR
corresponds to the number of blades or fins of the diffuser and nI the number blades or blades of the impeller.
Curve 43 is a continuous curve between the abscissa l and 13 and has no singular point. This curve has a inflection point 44.
Preferably the abscissa of this inflection point can be substantially equal to (l + l3) l2.
The tangent 45 at the inlet of the diffuser corresponding to the abscissa l at the clearance between impeller and near diffuser is the horizontal (Lad parallel to the Ox axis). It is the same at the end of the diffsueur the tangent 46 is parallel to the axis Ox.
The length l3-l corresponds to the axial length of the Streamer.
Preferably the outlet section Ss of the the impeller will be strictly equal to the entry section in the Streamer.
Claims (30)
S(x) = a x2 + b(c - x2)1/2 + d sur une portion au moins de la longueur dudit canal, ladite portion étant comprise entre deux plans orthoradiaux, la variable x correspondant à un abscisse selon ledit axe dont l'origine correspond sensiblement à un plan radial passant par le bord d'attaque desdites pales, lesdits plans radiaux définissant ladite portion ayant pour abscisse x1 et x2, a, b, c et d étant des paramètres.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la section orthoradiale S (x) est définie à moins de 2, characterized in that it comprises at least one channel defined by two of said blades which are successive and have an orthoradial section S (x) defined, to within 5%, by the following relationship:
S (x) = a x2 + b (c - x2) 1/2 + d over at least a portion of the length of said channel, said channel portion being between two orthoradial planes, the variable x corresponding to an abscissa along said axis whose the origin corresponds substantially to a passing radial plane by the leading edge of said blades, said radial planes defining said portion having the abscissa x1 and x2, a, b, c and d being parameters.
2. Device according to claim 1, in where the orthoradial section S (x) is defined less than
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que:
a = .pi./n~ où
.pi.= 3,141... et n étant égal au nombre de pales de l'impulseur. 3% close.
3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that:
a = .pi. / n ~ where .pi. = 3,141 ... and n being equal to the number of blades of the impeller.
b = (1/n) [2.pi.M + e/sinB c] et c = A = (M - R1)2 où
M = (L2 + R 3 2 - R 1 2)/[2(R3 - R1)]
n : nombre de pales de l'impulseur, e : épaisseur de pale, B c : angle de corde, L : longueur axiale des pales, R1 : rayon minimum des pales à l'entrée, R2 : rayon maximum des pales à l'entrée, R3 : rayon minimum des pales à la sortie. 4. Device according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that:
b = (1 / n) [2.pi.M + e / sinB c] and c = A = (M - R1) 2 where M = (L2 + R 3 2 - R 1 2) / [2 (R3 - R1)]
n: number of blades of the impeller, e: blade thickness, B c: chord angle, L: axial length of the blades, R1: minimum radius of the inlet blades, R2: maximum radius of the blades at the entrance, R3: minimum radius of the blades at the outlet.
d = (1/n) [(R2 - M) (.pi.(R2 + M) + e/sinB c) - (M - R 1)2] où
M = (L2 + R3 2 - R 1 2)/[2(R3 - R1)]
n : nombre de pales de l'impulseur, e : épaisseur de pale, B c : angle de corde, L : longueur axiale des pales, R1 : rayon minimum des pales à l'entrée, R2 : rayon maximum des pales à l'entrée, R3 : rayon minimum des pales à la sortie. 5. Device according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that:
d = (1 / n) [(R2 - M) (.pi. (R2 + M) + e / sinB c) - (M - R 1) 2] where M = (L2 + R3 2 - R 1 2) / [2 (R3 - R1)]
n: number of blades of the impeller, e: blade thickness, B c: chord angle, L: axial length of the blades, R1: minimum radius of the inlet blades, R2: maximum radius of the blades at the entrance, R3: minimum radius of the blades at the outlet.
au moins de la longueur de l'impulseur. 9. Device according to claim 8, in which the portion of the channel corresponds to a length of 90%
at least the length of the impeller.
et 23° 10. Device according to any one of Claims 1 to 9, characterized in that the blades have entry angles for lower surface angles between 4 ° and 24 °, and for upper surface angles between 2 °
and 23 °
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