DE69626768T2

DE69626768T2 - Vorrichtung zum Pumpen oder Verdichten eines mehrphasigen Fluids mit einer Tandem Beschaufelung

Info

Publication number: DE69626768T2
Application number: DE69626768T
Authority: DE
Inventors: Christian Bratu; Florent Spettel; Regis Vilagines
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: US5885058A; FR2743113B1; BR9606214A; CN1392346A; EP0781929B1; EP0781929A1; DE69626768D1; NO312257B1; US6149385A; FR2743113A1; NO965610L; JPH09195985A; NO965610D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten mehrphasiger Fluide, die, bevor sie komprimiert werden und unter den betrachteten Druck- und Temperaturbedingungen, durch ein Gemisch, insbesondere eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase, die in der Flüssigkeit nicht gelöst ist, gebildet werden, wobei diese Flüssigkeit gegebenenfalls mit Gas gesättigt ist.
Die Kompressionsvorrichtung oder Kompressionszelle gemäß der Erfindung ist insbesondere geeignet, für das Pumpen eines mehrphasigen Fluids beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, eines mehrphasigen Erdölabstroms, der sich zusammensetzt aus einem Gemisch aus Wasser, Öl und Gas und gegebenenfalls Feststoffpartikeln. Das Pumpen eines solchen Abstroms bietet Probleme, die umso schwieriger zu lösen sind, je größer, unter den thermodynamischen Bedingungen, unter denen sich das Mehrphasenfluid vor dem Pumpen befindet, der Wert des volumetrischen Verhältnisses des Gases zur Flüssigkeit ist.
Erinnert sei daran, dass das volumetrische Verhältnis von Gas und Flüssigkeit, im weiteren abgekürzt "volumetrisches Verhältnis" oder GLR aus dem Englischen "Gas Liquid Ratio" genannt, definiert ist als das Verhältnis des Volumens des Fluids im gasförmigen Zustand zum Volumen des Fluids im flüssigen Zustand, wobei der Wert dieses Verhältnisses insbesondere eine Funktion der thermodynamischen Bedingungen des Mehrphasenfluids ist.
Unabhängig von der Konzeption der verwendeten Pumpen (Hubkolbenpumpen, Rotationspumpen oder Strahleffektpumpen) werden gute Ergebnisse erhalten, wenn der Wert des volumetrischen Verhältnisses des Fluids sehr gering, sogar nahe null, liegt, da das Fluid sich dann wie ein monophasiges flüssiges Fluid verhält. Diese Stoffe sind noch verwendbar, wenn ihre Funktionsbedingungen keine Phänomene erscheinen lassen, die es erlauben würden, die Verdampfung eines erheblichen Teils des in der Flüssigkeit gelösten Gases zuzulassen oder wenn der Wert des volumetrischen Verhältnisses am Eintritt der Pumpe höchstens gleich 0,2 ist. Die Erfahrung zeigt, dass oberhalb dieses Wertes die Wirksamkeit dieser Apparate sehr schnell abnimmt.
Um die Funktionsweise der existierenden Apparate zu verbessern, besteht eine Lösung darin, die flüssige Phase von der gasförmigen Phase vor dem Pumpen zu trennen und die Phasen getrennt in unterschiedlichen Kompressionskreisen zu behandeln, die jeweils so ausgelegt sind, dass sie einer im wesentlichen flüssigen Phase oder einer im wesentlichen gasförmigen Phase einen Kompressionswert geben. Die Verwirklichung getrennter Kreise ist jedoch nicht immer möglich und führt oft zu sehr platzraubenden Pumpsystemen, die teurer und komplizierter sind.
Darum hat man versucht, Pumpvorrichtungen zu entwickeln, die nicht nur geeignet sind, die Gesamtenergie des Mehrphasenfluids zu erhöhen, vielmehr auch in der Lage sind, ein Mehrphasenfluid zu erzeugen, bei dem der Wert des volumetrischen Verhältnisses am Austritt aus der Pumpvorrichtung geringer als der Wert, den es vor dem Pumpen hat, besitzt.
Der Stand der Technik beschreibt verschiedene Schaufelprofile, die es ermöglichen, dieses Ergebnis zu erhalten, insbesondere Patentschriften der Anmelderin FR 2 157 437, FR 2 333 139, FR 2 471 501 und FR 2 665 224, welche Schaufelprofile oder auch eine gewählte Geometrie für den Durchlassquerschnitt des Fluids festlegen, wie er durch zwei aufeinanderfolgende Beschaufelungen begrenzt ist. In sämtlichen Fällen betreffen diese Profile einfache Beschaufelungen, d. h. sie umfassen nur einen Teil im Unterschied zu Beschaufelungen, sogenannte "Tandembeschaufelungen", die für ein und die gleiche Gruppe wenigstens zwei Schaufeln umfassen.
Die Pumpleistungen für Mehrphasenfluid unter Verwendung sogenannter "einfacher Beschaufelungen", können verbessert werden.
So beschreibt der Stand der Technik beispielsweise im Artikel "Optimization for Rotor Blades of Tandem Design for Axial Flow Compressors", erschienen im journal of Engineering for Power, Band 102, Seite 369 im April 1980, die Verwendung von Verdichtervorrichtungen mit Schaufeln, die Tandemprofile haben.
Jedoch betrifft die Lehre dieses Standes der Technik allein die Verdichtung des monophasisigen Fluids, d. h. welches am Eintritt der Kompressionsvorrichtung im wesentlichen aus einer einzigen Phase, entweder der flüssigen Phase oder der gasförmigen Phase, gebildet ist. Die geometrischen Charakteristiken der Schaufeln vom Tandemtyp, beschrieben in diesem Dokument, sind besonders geeignet, die Verdichtung eines monophasigen Fluids, dessen Kompressionsverhalten jedoch nicht mit dem Verhalten eines Fluids verglichen werden kann, das mehrere Phasen umfasst, beispielsweise von Fluiden, die über wenigstens eine flüssige und wenigstens eine gasförmige Phase verfügen und die somit nicht für das Pumpen eines polyphasigen Fluids geeignet sind.
Es wurde gefunden, und dies ist eines der Ziele der vorliegenden Erfindung, dass man das Pumpen von Mehrphasenfluid verbessern kann, indem man Beschaufelungen vom Tandemtyp oder "Tandemschaufeln" mit einer geometrischen Konfiguration verwenden kann, die so ausgelegt ist, dass sie ein Mehrphasenfluid komprimiert, das über wenigstens eine flüssige Phase und wenigstens eine dampfförmige oder gasförmige Phase verfügt, wobei die Anteile dieser beiden Phasen über die Zeit variieren können.
Zur Erinnerung, und dies gilt für die folgende Beschreibung, definiert man das Skelett einer Schaufel als die Oberfläche an jedem äquidistanten Punkt von den Saugseiten- und Druckseitenflächen dieser Schaufel. Wenn man somit die Durchdringung einer Schaufel mit einer laufenden Fläche der Fluidströmung um diese Schaufel betrachtet, kann man ein Schaufelprofil vermittels der geometrischen Koordinaten der Wölbungslinie und des Verteilungsgesetzes der Schaufeldicke gemäß dieser Linie definieren.
Im Folgenden werden die Bezeichnungen wie folgt gewählt:
- Aij: bezeichnet eine Schaufel i in der Gruppe von Schaufeln j,
- aij: bezeichnet die Anströmkante einer Schaufel Aij,
- fij: die Abströmkante einer Schaufel Aij,
- Gj: bezieht sich auf eine Gruppe von Schaufeln,
- CTj: Gesamtsehne einer Gruppe von Schaufeln, die der Sehne entspricht, ausgehend von einer Gleitschaufel mit einem Profil äquivalent dem bestimmten Profil ausgehend von der Gesamtheit der Schaufeln,
- CFj: Sehne der ersten Schaufel einer Gruppe von Schaufeln,
- CRj: Sehne der zweiten Schaufel einer Gruppe von Schaufeln für Gruppen von Schaufeln, welche zwei Schaufeln umfassen, was aber, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, auf eine Zahl über 2 ausgedehnt werden kann,
- h die Tangentialverschiebung, die der Entfernung (fij, aij), projiziert auf die Umfangsrichtung (senkrecht zur Drehachse), entspricht,
- α der Winkel, der definiert ist an im wesentlichen koaxialen Zylindern von konstanten Radien, deren Achse mit der Drehachse der Maschine zusammenfällt. Auf diesen Flächen ist α der Winkel, den die Umfangsrichtung (senkrecht zur Drehachse) und die Tangente an einem beliebigen Punkt zur Kurve bildet, die durch das oben definierte Skelett gezogen ist.
Um die vorgenannte Verbesserung zu erreichen, verwendet die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung Tandembeschaufelungen, welche Schaufeln (pales) umfassen, die durch ein oder mehrere Profile oder Schaufeln (aubes) gebildet sind.
Wenn beispielsweise die Schaufel oder Gruppe von Schaufeln Gj zwei Schaufeln A1j und A2j umfasst, so ist die erste Schaufel (aube), genannt beispielsweise Hauptschaufel, diejenige, die als erste mit dem im Strömungszustand befindlichen Fluid oder der Fluidpartikel in Kontakt kommt und die zweite Schaufel wird beispielsweise Hilfsschaufel genannt.
Die besonderen geometrischen Charakteristiken jeder dieser Schaufeln sowie deren Anordnung bezüglich einander ermöglichen es, die Verdichtung eines Mehrphasenfluids zu optimieren und wenigstens einen Teil der flüssigen Phase rückzumischen, der aus einer ersten Gruppe von Schaufeln stammt, und zwar mit wenigstens einem Teil der gasförmigen Phase, die aus der vorherigen Schaufelgruppe stammt. Man begünstigt so das Aufeinandertreffen eines Teiles wenigstens der gasförmigen Phase, die benachbart der saugseitigen Fläche und wenigstens eines Teils der flüssigen Phase strömt, die auf der Seite der druckseitigen Fläche zirkuliert.
Die verschiedenen eine Schaufel (pale) bildenden Beschaufelungen (aubes) können sich völlig getrennt voneinander befinden oder eine Schaufel (aube) umgehen, in der Öffnungen oder Durchgangsschlitze angeordnet sind, wobei jeder der durch diese Öffnungen getrennten Teile einer Schaufel ähnlich sein kann.
Somit betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verdichten oder Pumpen eines Mehrphasenfluids, das wenigstens eine flüssige Phase und wenigstens eine gasförmige Phase umfasst, wobei die Vorrichtung wenigstens ein hohles Gehäuse (1) mit wenigstens einer Einlassöffnung (2) und wenigstens einer Auslassöffnung (3) für dieses Fluid, wenigstens einen Rotor, der sich im Inneren dieses Gehäuses gemäß einer Drehachse Ox drehen kann und einen Impulsgeber, der über zwei Gruppen von Schaufeln verfügt, umfasst, die je eine erste Schaufel und eine zweite Schaufel umfassen, wobei der Impulsgeber fest bezüglich des Rotors ist und die Laufschaufeln des Impulsgebers eine Anströmkante aij und eine Abströmkante fij haben, wobei der Winkel α, den die Tangente an die Kurve des Skeletts bildet - dieser Winkel gerechnet ausgehend von der Anströmkante aij wenigstens einer der ersten und zweiten Laufschaufeln bezogen auf die Umfangs- und Tangentialrichtung der Vorrichtung - zwischen 0 und 45º liegt, die Vorrichtung einen Gleichrichter mit zwei Gruppen von Schaufeln, je mit einer dritten und einer vierten Schaufel, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristiken und die Positionierung der Schaufeln des Impulsgebers bestimmt werden als Funktion wenigstens eines aus den folgenden vier Parametern gewählten Parameters:
- Parameter 1: die Tangentialverschiebung h, bezogen auf die Teilung t, ausgedrückt in Form des Verhältnisses h/t, wo t die Teilung entsprechend der Entfernung zwischen den beiden Abströmkanten f&sub2;&sub1; und f&sub2;&sub2; entsprechend den zweiten Schaufeln jeder Schaufelgruppe ist, der Wert des Parameters 1 im Intervall zwischen 0,95 und 1,05 liegend,
- Parameter 2: das Verhältnis der Axialüberdeckung rj und der Gesamtsehne CTj entsprechend einer Gruppe von Schaufeln im Intervall der Werte zwischen 0,0 und 0,15 liegend,
- Parameter 3: Sehnenverhältnis RCj = (CFj/CRj), definiert für eine Schaufelgruppe durch das Verhältnis der Sehne CFj der ersten Schaufel zum Wert der Sehne der zweiten Schaufel CRj für eine Gruppe von Schaufeln, zwischen 0,5 und 1,5 liegend und
- Parameter 4: das Wölbungsverhältnis zwischen Φj definiert durch den Wert der Wölbung ΦFj der ersten Schaufel zum Wert der Wölbung ΦRj der zweiten Schaufel ein und der gleichen Schaufelgruppe, zwischen 0,5 und 1 liegend.
Als Erinnerung und in der folgenden Beschreibung definiert man das Skelett einer Schaufel (aube) als die Oberfläche, die an jedem Punkt äquivalent den saugseitigen und druckseitigen Flächen dieser Schaufel ist. Betrachtet man die Überschneidung einer Schaufel mit einer Strömungsfläche um die Schaufel, so kann man ein Schaufelprofil vermittels geometrischer Koordinaten der Krümmungslinie und des Verteilungsgesetzes der Schaufeldicke gemäß dieser Linie beschreiben.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, die beispielsweise wenigstens einen Impulsgeber mit zwei Beschaufelungen oder Gruppen von Schaufeln G&sub1;, G&sub2; umfasst, die je eine erste Schaufel A1j und eine zweite Schaufel A2j umfassen.
Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die geometrischen Charakteristiken der ersten und/oder der zweiten Schaufel jeder der Schaufelgruppen Gj und die Positionierung der verschiedenen Schaufelgruppen eine bezüglich der anderen bestimmt werden als Funktion wenigstens eines Parameters, der gewählt ist unter den folgenden vier Parametern:
- Parameter 1: die Tangentialverschiebung h, bezogen auf die Teilung t, ausgedrückt in Form des Verhältnisses h/t, wo t die Teilung entsprechend der Entfernung zwischen den beiden Abströmkanten f&sub2;&sub1; und f&sub2;&sub2; entsprechend den zweiten Schaufeln A&sub2;&sub1; und A&sub2;&sub2; jeder der Gruppen von Schaufeln G&sub1; und G&sub2; ist; dabei liegt der Wert des Parameters 1 im Intervall [0,95; 1,05],
- Parameter 2: das Verhältnis der axialen Überdeckung rj und der Gesamtsehne CTj entsprechend einer Gruppe von Schaufeln Gj, die im Intervall der Werte [0,0; 0,15] liegt,
- Parameter 3: das Sehnenverhältnis RCj = (CFj/CRj), definiert für eine Gruppe von Schaufeln Gj bezüglich des Wertes der Sehne CFj der ersten Schaufel zum Wert der Sehne der zweiten Schaufel CRT für eine Gruppe von Schaufeln, zwischen [0,5; 1,5] liegend,
- Parameter 4: das Verhältnis der Wölbung Φj, definiert durch den Wert der Wölbung ΦFj der ersten Schaufel zum Wert der Wölbung ΦRj der zweiten Schaufel ein und der gleichen Gruppe, zwischen [0,5; 1] liegend.
Die Vorrichtung umfasst wenigstens einen Gleichrichter mit zwei Beschaufelungen oder Gruppen von Schaufeln G&sub1;, G&sub2;, die je eine erste Schaufel A1j und eine zweite Schaufel A2j umfassen. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die geometrischen Charakteristiken der ersten und/oder der zweiten Schaufeln jeder der Gruppen von Schaufeln Gj und die Positionierung der verschiedenen Schaufelgruppen bezüglich einander bestimmt sind als Funktion wenigstens eines Parameters, gewählt aus den folgenden vier Parametern:
- Parameter 1: die Tangentialverschiebung h, bezogen auf die Teilung t, ausgedrückt in Form des Verhältnisses h/t, wo t die Teilung entsprechend der Entfernung zwischen den beiden Abströmkanten f&sub2;&sub1; und f&sub2;&sub2; entsprechend den zweiten Schaufeln A&sub2;&sub1; und A&sub2;&sub2; jeder der Gruppen von Schaufeln G&sub1; und G&sub2; ist; wobei der Wert des Parameters 1 im Intervall [0,60; 0,80] liegt,
- Parameter 2: das Verhältnis der axialen Überdeckung rj und der Gesamtsehne CTj entsprechend einer Gruppe von Schaufeln Gj, die im Intervall der Werte [-0,01; 0,05] liegt,
- Parameter 3: das Sehnenverhältnis RCj = (CFj/CRj), definiert für eine Gruppe von Schaufeln Gj bezüglich des Wertes der Sehne CFj der ersten Schaufel zum Wert der Sehne der zweiten Schaufel CRj für eine der Gruppe von Schaufeln, zwischen [0,5; 1,5] liegend,
- Parameter 4: das Verhältnis der Wölbung Φj, definiert durch den Wert der Wölbung ΦFj der ersten Schaufel zum Wert der Wölbung ΦRj der zweiten Schaufel ein und der gleichen Schaufelgruppe, zwischen [0,10; 1] liegend.
Die Vorrichtung umfasst beispielsweise einen Gleichrichter und/oder einen Impulsgeber mit wenigstens zwei Gruppen von Schaufeln G&sub1;, G&sub2;, die je eine erste Schaufel (A&sub1;&sub1;, A&sub1;&sub2;) und eine zweite Schaufel (A&sub2;&sub1;, A&sub2;&sub2;) umfassen, wobei die geometrischen Charakteristiken dieser ersten und zweiten Schaufeln jeder der Gruppe von Schaufeln sowie die Positionierung der unterschiedlichen Schaufelgruppen bezüglich einander beispielsweise bestimmt sind als Funktion von drei in den Ansprüchen 2 und/oder 3 gegebenen Parametern, wobei der Parameter 1, der Parameter 2 und der Parameter 3 zu den genannten Intervallen gehört.
Die geometrischen Charakteristiken wenigstens eines Impulsgebers und/oder wenigstens eines Gleichrichters der Kompressionsvorrichtung sind beispielsweise genau mit Hilfe des vierten Parameters festgelegt, wobei der Wert des Wölbungsverhältnisses Φj gewählt wird als Kombination zu drei Werten von Parametern der Ansprüche 2 und/oder 3.
Das Verhältnis der Maximaldicken der ersten und zweiten Beschaufelung e1/e2 liegt beispielsweise zwischen 0,5 und 1 für einen Impulsgeber und/oder einen Gleichrichter.
Die Dicke e1 der ersten Schaufel liegt zwischen 2 und 10 mm und/oder die Dicke e2 der zweiten Schaufel liegt zwischen 2 und 20 mm.
Eine Schaufel ist beispielsweise mit einer vorhergehenden Schaufel und/oder einer nachfolgenden Schaufel mit Hilfe eines mechanischen Elements verbunden.
Die Vorrichtung umfasst beispielsweise wenigstens einen Gleichrichter und wenigstens einen Impulsgeber, der Impulsgeber ist beispielsweise vor dem Gleichrichter in Fluidströmungsrichtung angeordnet.
Die Vorrichtung umfasst beispielsweise wenigstens einen Impulsgeber und wenigstens zwei Gleichrichter, wobei der Impulsgeber beispielsweise zwischen den beiden Gleichrichtern angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Verdichten oder Pumpen eines Mehrphasenfluids, das wenigstens eine gasförmige Phase und wenigstens eine flüssige Phase umfasst, wobei die Vorrichtung über ein hohles Gehäuse mit einer Einlassöffnung und einer Abzugsöffnung für dieses Mehrphasenfluid verfügt, wobei wenigstens ein Rotor im Inneren dieses Gehäuses gemäß einer Rotationsachse Ox sich drehen kann und dieser Rotor gebildet wird durch eine Nabe und wenigstens eine bezüglich dieser Nabe feste Beschaufelung, wobei die Beschaufelung eine erste Fläche oder Saugseite und eine zweite Fläche, Druckseite genannt, umfasst.
Die Vorrichtung zum Verdichten oder Pumpen eines Mehrphasenfluids zeichnet sich dadurch aus, dass die Beschaufelung auf wenigstens einem Teil ihrer Länge mit einer oder mehreren Öffnungen versehen ist, die es ermöglicht bzw. ermöglichen, die beiden saugseitigen und druckseitigen Flächen in Verbindung zu setzen, um das Aufeinandertreffen wenigstens eines Teils der gasförmigen Phase zu begünstigen, die benachbart der saugseitigen Fläche strömt und wenigstens eines Teils der flüssigen Phase, die auf der Seite der druckseitigen Fläche zirkuliert.
Die Erfindung betrifft auch eine mehrphasige Pumpe, die beispielsweise zum Pumpen von Abströmen vom Typ mehrphasiges Erdöl bestimmt ist. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie wenigstens einen Impulsgeber und wenigstens einen Gleichrichter umfasst, der über eine der geometrischen beispielsweise vorgenannten Charakteristiken verfügt. Anwendbar ist sie auch auf die Definition einer Mehrphasenpumpe, die zum Pumpen eines mehrphasigen Erdölabstroms, der beispielsweise eine flüssige Phase, eine gasförmige Phase und gegebenenfalls eine feste Phase, die sich in Form von Partikeln darstellt, umfasst, bestimmt ist.
Verglichen mit den Vorrichtungen mit den sog. "einfachen" Schaufeln, verleiht der Aufbau vom Tandemtyp, insbesondere angewendet auf das Gebiet des Pumpens mehrphasigen Fluids, beispielsweise eines Erdölabstroms, in einer optimierten oben definierten Konfiguration, der Kompressionsvorrichtung die folgenden Vorteile:
- sie ermöglicht es, die Trennung der flüssigen und gasförmigen im Abstrom enthaltenen Phasen zu minimieren, indem wenigstens zum Teil deren Phasenrückmischung begünstigt wird,
- die Verluste an hydraulischer Energie werden minimiert, da
-- die Beschaufelung besser an den Eintrittswinkel der in die Verdichtervorrichtung eintretenden Strömung angepasst ist,
-- der Verzögerungsgrad des Fluids, auftretend im Fall von starken Schaufelwölbungen, deren Konsequenz es insbesondere ist, die hydraulischen Verluste und die Gefahr eines Ablösens der Strömung zu erhöhen, wird hierdurch vermindert,
- in Höhe des Stators verbessert die Tandemkonstruktion der Beschaufelungen das Leiten des Fluids und ermöglicht es auch, die Geschwindigkeiten der Fluidfäden im Austrittsquerschnitt auszugleichen.
Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich besser beim Lesen der nachstehenden Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen im Rahmen von nicht als begrenzend anzusehenden Anwendungen auf die Verdichtung oder das Pumpen eines polyphasigen oder mehrphasigen Fluids vom Erdöltyp, das wenigstens über eine flüssige Phase, eine gasförmige Phase und gegebenenfalls eine feste Phase verfügt, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
- die Fig. 1 und 1A schematisch im Axialschnitt eine besondere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung zum Pumpen eines Mehrphasenfluids zeigen,
- Fig. 2 zeigt einen Impulsgeber oder ein bewegliches Rad, perspektivisch gesehen,
- Fig. 3 ist eine abgewickelte Darstellung der Spur, die aus dem Schnitt der Beschaufelung mit einer zylindrischen Fläche festen Radius sich ergibt und die Parameter der Definition einer Geometrie von Tandemschaufeln nach der Erfindung zeigt,
- Fig. 4 schematisiert das Mischen der Ströme gasförmiger und flüssiger Phase,
- Fig. 5 schematisiert ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung für die die verschiedenen Schaufelgruppen durch ein mechanisches Mittel verbunden sind, und
- Fig. 6 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel von Schaufeln nach der Erfindung, die mit Schlitzen, um das Gemisch der Phasen zu optimieren, versehen sind.
Im Folgenden bezeichnet man mit dem Wort "Fluid" ein Mehrphasenfluid bzw. polyphasiges Fluid, das insbesondere eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase und gegebenenfalls eine feste Phase aufweist, das sich in Form fester Partikel, beispielsweise Sand oder viskoser Partikel, wie Hydratagglomerate, darstellen kann. Die flüssige Phase kann insbesondere gebildet werden aus Flüssigkeit unterschiedlicher Natur, genauso kann die gasförmige Phase gebildet werden aus Gasen unterschiedlicher Natur.
Das Fluid umfasst Phasen unterschiedlicher Natur innerhalb und außerhalb der Verdichtungsvorrichtung im Gegensatz zu monophasischen Fluiden, welche Umformungen im Inneren der Vorrichtung erfahren können.
Die Fig. 1 und 1A zeigen schematisch einen Axialschnitt durch eine nicht als begrenzend anzusehende besondere Ausführungsform, der Realisierung der Vorrichtung nach der Erfindung, die für das Pumpen eines polyphasigen Erdölabstroms vorgesehen ist.
Die Pumpvorrichtung umfasst ein hohles Gehäuse 1, das beispielsweise zylindrisch sein kann, um leicht in ein Bohrloch eingeführt werden zu können, und zwar für nicht als begrenzend anzusehende Anwendungen der Erfindung hinsichtlich des Pumpens und von Abströmen in einem Produktionsbohrloch. Das Gehäuse 1 ist mit wenigstens einer Einlassöffnung für Mehrphasenfluid und wenigstens einer Abzugsöffnung 3 versehen, die mit dem Strömungskreis des gepumpten Fluids in Verbindung steht. Dieser Kreis wird schematisiert durch einen Kanal oder eine Leitung 4, an dessen oder deren Ende das Gehäuse durch irgend ein geeignetes dem Fachmann bekanntes Mittel, beispielsweise ein mit 5 in der Figur bezeichnetes Gewinde befestigt sein kann.
In dem in Fig. 1A dargestellten Beispiel stellt sich die Einlassöffnung 2 in Form von Schlitzen dar, die in der Wandung des Gehäuses 1 ausgespart sind und die Pumpvorrichtung umfasst in Höhe dieser Öffnungen einen Deflektor 14, der fest mit dem Gehäuse 1 verbunden ist, um das Fluid nach seinem Eintritt in das Gehäuse abzulenken und ihm eine Geschwindigkeit von im wesentlichen axialer Richtung, d. h. im wesentlichen parallel zur Drehachse der Pumpe, zu erteilen.
Im Inneren des Gehäuses 1 ist ein Rotor angeordnet, der eine Welle 6 umfasst, die über Antriebsmittel 7 (Fig. 1) in Drehung versetzt wird, wie beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, ein Elektromotor und gegebenenfalls ein Übertragungsorgan, schematisiert bei 8 (Fig. 1), das es insbesondere ermöglicht, die Drehgeschwindigkeit der Motorwelle an die Drehgeschwindigkeit anzupassen, mit der die Welle 6 angetrieben werden soll.
Die Welle 6 wird beispielsweise in Position durch wenigstens zwei unterschiedliche Lager 9 und 10 gehalten, die beispielsweise beschrieben sind in dem französischen Patent 2 471 501 der Anmelderin.
Das Lager 10 ist fest bezüglich des Gehäuses 1 über radiale Arme 11, derart, dass die Räume zwischen diesen radialen Armen eine Strömung des Fluids in der durch den Pfeil F (Vektor) angegebenen Richtung ermöglichen.
Montagedetails der Lager 9 und 10 sind explizit gegeben in der Patentschrift FR 2 471 501, insbesondere für die Montagen, um die Dichtung zwischen den verschiedenen Teilen der Vorrichtung zu erhalten und die darüber hinaus dem Fachmann bekannt sind, so dass sie hier nicht näher erläutert werden müssen.
Zwischen den Einlassöffnungen 2 und Abzugsöffnungen 3 der Pumpvorrichtung im Inneren des Gehäuses ist wenigstens ein Element oder eine Stufe angeordnet, die geeignet ist, die Gesamtenergie des Fluids zu erhöhen.
In Fig. 1 sind drei Elemente dargestellt, deren Funktion es ist, die Energie des Fluids zu erhöhen, bezeichnet sind sie mit 17, 18 und 19. Diese Zahl ist nicht als begrenzend anzusehen und hängt von der Erhöhung des Drucks, den man zu erhalten wünscht, ab. Diese Elemente sind im Folgenden als Impulsgeber bezeichnet.
Diese Elemente werden nachstehend genauer mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben und sind fest bezüglich der Welle 6, an der sie beispielsweise kraftschlüssig aufgezogen sind, wobei der Abstand zwischen den Elementen durch Zwischenstücke 20 bis 23 sichergestellt ist.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung auch eines oder mehrere Gleichrichterelemente. Ein Gleichrichter beispielsweise (24, 25, 26) ist am Ausgang jedes druckaufbringenden Elements (17, 18, 19) angeordnet, jeder Gleichrichter ist fest bezüglich des Gehäuses 1, beispielsweise über Befestigungsschrauben 27.
Das Vorhandensein von Gleichrichtern ist nicht notwendig zum Betrieb der Vorrichtung nach der Erfindung. Es bietet jedoch einen nicht vernachlässigbaren Vorteil, da es dadurch möglich wird, das Fluid oder den Abstrom durch die verschiedenen Stufen der Kompressionsvorrichtung zu leiten.
Es ist wohl bekannt, dass die Spiele zwischen den Elementen zur Druckaufbringung und dem Gehäuse sowie die Spiele zwischen den Elementen zur Druckaufbringung und den Gleichrichtern in der dem Fachmann bekannten Weise auf ihren Minimalwert, der mit dem Betrieb der Pumpe kompatibel ist, reduziert sind.
Fig. 2 zeigt, perspektivisch gesehen, ein nicht als begrenzend anzusehendes Ausführungsbeispiel eines Elements zur Druckaufbringung oder einer Impulsgeberstufe, die im wesentlichen über eine fest mit der Welle 6 verbundene Nabe 28 verfügt, die, während des Betriebs der Vorrichtung in der durch den Pfeil R (Vektor) angegebenen Richtung in Drehung versetzt wird. Diese Nabe 28 umfasst wenigstens eine Beschaufelung 30, zusammengesetzt aus zwei Schaufeln 30a und 30b, nachstehend erste Schaufel oder Hauptschaufel und zweite Schaufel oder Hilfsschaufel genannt, deren geometrische Charakteristiken und die Positionierung der einen bezüglich der anderen mit Bezug auf Fig. 3 gegeben sind. Die Anzahl der Beschaufelungen 29, 30 ist nicht als begrenzend anzusehen und wird lediglich als Beispiel gegeben. Im allgemeinen wird diese Anzahl gewählt, um das statische und dynamische Gleichgewicht des Rotors zu erleichtern. Die Höhe der Beschaufelungen ist derart, dass die Form, die sie während ihrer Drehung begrenzen, komplementär zur Bohrung ist, die nach diesem Ausführungsbeispiel zylindrisch ist.
Das effektive Profil einer Tandembeschaufelung oder einer Gruppe von Schaufeln entsprechend dem Profil, das sie hätte, wenn sie aus einem einzigen Teil gebildet wäre, kann im wesentlichen identisch einem der Profile, wie sie beschrieben werden in den FR-Patentschriften 2 157 437, 2 333 139, 2 471 501 und 2 665 224 der Anmelderin, wobei letztere das Profil einer Schaufel, ausgehend von der Veränderung des Querschnitts eines orthoradialen Kanals definiert, welcher durch zwei aufeinanderfolgende Beschaufelungen definiert ist. Das Profil einer Tandembeschaufelung (pale tandem) mit einer ersten Schaufel (aube) 30a und zweiten Schaufel 30b kann tatsächlich einem effektiven Profil unter Berücksichtigung der Profile jeder der Schaufeln angenähert werden. Es ist auch möglich, einen orthoradialen Kanal als Kanal zu definieren, der durch zwei effektive Beschaufelungen oder Gruppen von Schaufeln begrenzt ist.
Darüber hinaus kann jede Schaufel einer Tandembeschaufelung gewählt werden gemäß einem der in den Patentschriften beschriebenen Profilen.
Die Anzahl der Tandembeschaufelungen, d. h. der Gruppen von Schaufeln, die tandemartig bezüglich einander angeordnet sind, liegt bevorzugt oberhalb von 2.
Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen: diese Anzahl von Beschaufelungen kann zwischen 3 und 8 und bevorzugt zwischen 4 und 6, insbesondere für Impulsgeber liegen, deren Außendurchmesser der Schaufeln erheblich ist und beispielsweise zwischen 200 und 400 mm liegt.
Um die Kompression eines Mehrphasenfluids sicherzustellen und zu optimieren, weisen die eine Beschaufelung und eine Gruppe von Schaufeln und die Anordnung der Beschaufelungen und/oder der Schaufeln bezüglich einander im Inneren der Kompressionsvorrichtung bestimmte geometrische Charakteristiken auf, beispielsweise mit Hilfe wenigstens eines der in Fig. 3 gegebenen Parameters.
In dem in Fig. 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst jede Gruppe von Schaufeln Gj beispielsweise zwei Schaufeln A1j und A2j, die einander folgend angeordnet sind, im Rahmen der Erfindung können aber auch Gruppen von Schaufeln mit einer Anzahl von Schaufeln oberhalb 2 vorgesehen werden.
Die Gruppen von Schaufeln sind in Fig. 3 jeweils mit G&sub1; und G&sub2; bezeichnet. Jede der Gruppen umfasst eine erste Schaufel A1j oder Hauptschaufel und eine zweite Schaufel A2j oder Hilfsschaufel.
Eine Darstellung, um eine Beschaufelung einfach zu beschreiben, besteht darin, ihre geometrische Spur auf der abgewickelten Fläche des Zylindermantels vom Außenradius zu definieren.
Fig. 3 ist die dritte Achse, dargestellt durch eine Gerade m und die Gerade p entspricht der Umfangs- oder Tangentialrichtung der Verdichtungsvorrichtung. Der Pfeil E (Vektor) entspricht der Strömungsrichtung des Mehrphasenfluids, wie es in die Verdichtungsvorrichtung eintritt.
Allgemein umfasst eine Schaufel Aij eine Anströmkante, in der Figur mit "aij" bezeichnet und eine Abströmkante "fij", wo i die Zahl einer Schaufel Aij im Inneren der Gruppe von Schaufeln mit dem Index j ist.
So ordnet man einer Gruppe von Schaufeln Gj eine erste Schaufel, bezeichnet mit A1j und eine zweite Schaufel, bezeichnet mit A2j, beispielsweise zu, A&sub1;&sub1; entspricht der ersten Schaufel der ersten Gruppe von Beschaufelungen G&sub1; und A&sub2;&sub1; entspricht der zweiten Schaufel eben dieser Schaufelgruppe.
Die Sehne ist definiert für eine Schaufel als der Abstand zwischen ihrer Anströmkante aij und ihrer Abströmkante fij. Sie ist markiert auf der Geraden m jeweils mit CFj für die erste Schaufel A1j und CRj für die zweite Schaufel A2j.
Es ist auch möglich, die Länge der Gesamtsehne CTj für eine Gruppe von Schaufeln Gj, markiert durch die Gerade m für die Projektion der Entfernung, die die Anströmkante a&sub1;&sub1; der ersten Schaufel und die Abströmkante f&sub2;&sub1; der zweiten Schaufel für ein und die gleiche Gruppe von Schaufeln Gj trennt.
Die Charakteristiken der Kompressionsvorrichtung werden definiert beispielsweise ausgehend von wenigstens einem Parameter, der aus einer Gesamtheit von charakteristischen Parametern gewählt ist, die den Schaufeln und der Position der Schaufeln eigen sind. Die Wahl ermöglicht es so, einen optimalen Arbeitsbereich für die Kompressionsvorrichtung zu begrenzen.
Die Gesamtheit der Parameter, ausgehend von denen von denen diese Charakteristiken ausgewählt werden, umfasst beispielsweise wenigstens die drei folgenden Parameter:
- die tangentiale Verschiebung h entsprechend der Entfernung zwischen der Anströmkante a&sub2;&sub1; der zweiten Schaufel A&sub2;&sub1; der ersten Gruppe von Schaufeln G&sub1; und die Abströmkante f&sub1;&sub2; der ersten Schaufel A&sub1;&sub2; der zweiten Gruppe von Schaufeln G&sub2;. Der Wert dieses Parameters wird beispielsweise ausgedrückt als Funktion der Teilung t und gegeben in Form eines Verhältnisses h/t. Die Teilung t entspricht der Entfernung zwischen den beiden Abströmkanten f&sub2;&sub1; und f&sub2;&sub2; entsprechend den beiden Hilfsschaufeln A&sub2;&sub1; und A&sub2;&sub2; der ersten und zweiten Gruppen von Schaufeln G&sub1; und G&sub2;,
- die Axialüberdeckung "rj" markiert als das Verhältnis zur Richtung m und die der Überdeckung der ersten Schaufel A1j der Gruppe von Schaufeln Gj und der zweiten Schaufel A2j der gleichen Gruppe von Schaufeln Gj entspricht, vorzugsweise definiert man den relativen Wert der Überdeckung "rj", bezogen auf die Sehne CFj der ersten Schaufel einer Gruppe von Schaufeln,
- das Sehnenverhältnis RCj = (CFj/CRj), definiert beispielsweise durch das Verhältnis des Werts der Sehne CFj der ersten Schaufel zum Wert der Sehne der zweiten Schaufel CRj für die Gruppe von Schaufeln Gj.
Für eine geeignete Wahl der Werte wenigstens einer der drei vorher definierten Parameter ist es möglich, ein optimierte Verdichtungsvorrichtung zu erhalten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform für die Pump- oder Kompressionsvorrichtung nach der Erfindung wählt man die Werte von wenigstens einem der drei vordefinierten Parameter.
Um einen Impulsgeber zu definieren, wählt man bevorzugt den Wert wenigstens eines der drei Parameter in den gegebenen folgenden Intervallen:
-- die Tangentialverschiebung h, bezogen auf die Teilung t, liegt im Lntervall [0,95; 1,05],
-- das Verhältnis rj/CTj gehört zum Intervall [0,0; 0,15],
-- das Sehnenverhältnis RCj liegt zwischen [0,5; 1,5].
Man definiert so eine Geometrie für die Schaufeln und eine Anordnung von wenigstens zwei Gruppen von Schaufeln für einen Impulsgeber, um eine optimale Arbeitsweise der Kompressionsvorrichtung eines Mehrphasenfluids zu erhalten.
Vorzugsweise wählt man die drei Parameter unter den drei vordefinierten Intervallen und man ordnet ihnen einen vierten Parameter zu, der in Kombination zu den drei ersten zur Optimierung des Kompressionsbetriebs gewählt wurde. Dieser vierte Parameter ist beispielsweise das Verhältnis der Wölbung Φj, bestimmt für eine Gruppe von Schaufeln und definiert als das Verhältnis des Werts der Wölbung ΦFj der ersten Schaufel A1j zum Wert der Wölbung ΦRj der zweiten Schaufel A2j für eine gegebene Schaufelgruppe.
Der Wert dieses Parameters wird bevorzugt im Intervall [0,5; 1] gewählt.
In identischer Weise definiert man einen Gleichrichter, indem man beispielsweise die Charakteristiken in folgender Weise wählt:
-- die Tangentialverschiebung h, bezogen auf die Teilung t, liegt im Intervall [0,60; 0,80],
-- das Verhältnis rj/CTj gehört zum Intervall [-0,01; 0,05],
-- das Sehnenverhältnis RCj liegt zwischen [0,5; 1,5].
Man definiert so eine Geometrie für die Schaufeln und eine Anordnung von wenigstens zwei Schaufelgruppen in Höhe der Gleichrichter, die es ermöglichen, eine bevorzugte Funktionsweise der Kompressionsvorrichtung eines Mehrphasenfluids zu erhalten.
In diesem Fall ist das Verhältnis der Wölbung Φj bestimmt für eine Schaufelgruppe eines Gleichrichters und definiert als das Verhältnis des Werts der Wölbung ΦFj der ersten Schaufel A1j zum Wert der Wölbung ΦRj der zweiten Schaufel A2j für eine gegebene Schaufelgruppe und wird bevorzugt gewählt im Intervall [0,10; 1].
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wählt man, um die Impulsgeber und/oder Gleichrichter auszuwählen, die drei Parameter: die Tangentialverschiebung h, bezogen auf die Teilung t, das Verhältnis rj/CTj und das Sehnenverhältnis RCj. Man begrenzt so einen Bereich von Pump- oder Kompressionsvorrichtungen, die so ausgelegt sind, dass sie einem Fluid vom Mehrphasentyp, beispielsweise einem Erdölabstrom, einen ausreichenden Kompressionswert verleihen, um seinen Transport von einem Produktionsort, beispielsweise einer Quelle oder einer Produktionsbohrung, zu einem Bestimmungsort, beispielsweise einer Verarbeitungsplattform oder einem zwischengelagerten Ort zu erteilen, ohne dass die Phasen getrennt werden müssten.
Ein der Strömung des Fluids in einem Impulsgeber und/oder einem Gleichrichter gebotener Querschnitt wird beispielsweise definiert durch den gesamten Durchlassbereich des Fluids in einer Ebene Pi senkrecht zur Drehachse der Vorrichtung und zwischen Eintritt und Austritt der Vorrichtung gelegen. Der Gesamtbereich entwickelt beispielsweise sein im wesentlichen konstantes Gesetz mit Grenzen für einen Minimalwert des Durchgangsbereichs und einen Maximalwert, gewählt, derart, dass das Verhältnis dieser beiden Bereiche oder Flächen, gewählt für zwei Ebenen Pi, wie sie vorher definiert wurden, bevorzugt im Intervall [2,2; 0,45] liegt.
Hieraus folgt insbesondere, dass gemäß einer optimierten Ausführungsform die Impulsräder über eine Durchgangsfläche für das betrachtete Fluid in ihrer Austrittsebene verfügen, die gemäß dem Wert der entsprechenden Fläche in ihrer Eintrittsebene begrenzt ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung liegt das Verhältnis der Maximaldicken der ersten und zweiten Schaufel e1/e2 bevorzugt im Intervall [0,6; 1] für ein Impulsrad und bevorzugt im Intervall [0,5; 1] für einen Gleichrichter.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden die geometrischen Charakteristiken der Schaufelgruppen für die beweglichen Räder oder Impulsräder definiert beispielsweise durch Werte, die so gewählt sind, dass das Verhältnis des Außendurchmessers des Rades, ausgedrückt in mm, zur Anzahl der Schaufeln zum Intervall [40; 60] gehört.
Nach einer besonderen Ausführungsform, für die allein die Impulsräder eine der Charakteristiken der Erfindung bieten, wie sie vorher beschrieben wurden, ist es möglich, einen Gleichrichter von irgend einem dem Fachmann bekannten Typ zu verwenden, der insbesondere Charakteristiken zeitigen kann, die an die Charakteristiken des Impulsrades angepasst sind.
Am Austritt einer Impulsradstufe wird das Mehrphasenfluid mit einer Geschwindigkeit beaufschlagt, die wenigstens eine Axialkomponente und eine Umfangskomponente hat. Wie dem Fachmann wohl bekannt, ermöglicht es die Verwendung eines Gleichrichters den statischen Druck zu erhöhen, indem man die Umfangskomponenten der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids unterdrückt oder wenigstens reduziert.
Zur Realisierung der Pump- oder Kompressionsvorrichtung gemäß der Erfindung ist es möglich, beispielsweise die Anordnungen der verschiedenen Elemente einzuhalten, beispielsweise die Impulsräder und die Gleichrichter, wie sie beispielsweise in einer der Patentschriften der Anmelderin FR 2 333 139, FR 2 471 501 oder FR 2 665 224 gegeben sind.
So wird eine Pump- oder Kompressionsvorrichtung mit mehreren Stufen beispielsweise gebildet durch eine Aufeinanderfolge mehrerer Kompressionsstufen, die beispielsweise durch ein bewegliches Rad (Impulsrad) gebildet wird, dem ein festes Rad (Gleichrichter) gemäß der Strömungsrichtung des Fluids vor- oder nachgeschaltet ist. Der dem Fluid gebotene Durchgangsquerschnitt ist im wesentlichen beispielsweise kontinuierlich und die Strömung des Fluids erfolgt entsprechend einer bevorzugten Richtung, welche bezüglich der Drehachse der Vorrichtung ausgerichtet ist.
Um die Phänomene besser zu verstehen, die beim Pumpen eines Mehrphasenfluids in einer Kompressionsvorrichtung mit Tandemschaufeln ablaufen, illustriert Fig. 4 die verschiedenen Ströme der unterschiedlichen Phasen, flüssig und gasförmig in einer Pump- oder Kompressionsvorrichtung, insbesondere während ihrer Strömung in einem durch zwei Tandembeschaufelungen begrenzten Kanal.
So hat man in Fig. 4 in einem Diagramm identisch dem der Fig. 3 zwei Gruppen von Schaufeln G&sub1;, und G&sub2; und gestrichelte Linien entsprechend den Schaufelgruppen G&sub0; und G&sub3; dargestellt, die zu beiden Seiten der beiden vorher definierten Gruppen angeordnet sind.
Auf diese Weise begrenzt man mehrere Strömungskanäle für das Fluid, bezeichnet mit E&sub0;, E&sub1;, E&sub2;, die jeweils zwischen den Schaufelgruppen G&sub0; und G&sub1;, G&sub1; und G&sub2; bzw. G&sub2; und G&sub3; angeordnet sind.
Jeder der Schaufeln ordnet man einen Bezug Iij zu, was die Druckseite der Schaufel bezeichnet und Eij die Saugseite der Schaufel.
Für jede Gruppe von Schaufeln definiert man einen Strömungsdurchlass, der sich zwischen der Druckseite I1j der ersten Schaufel und der Saugseite E2j der zweiten Schaufel beispielsweise befindet.
So entspricht der Durchgang p&sub1; gemäß Fig. 4 dem Strömungsdurchlass zwischen den beiden Schaufeln A&sub1;&sub1;, A&sub1;&sub2; der ersten Gruppen von Schaufeln und p&sub2; den Strömungsdurchlass zwischen den Schaufeln A&sub1;&sub2;, A&sub2;&sub2; der zweiten Gruppe von Schaufeln, wobei die Strömungsdurchlässe je eine Breite haben, deren Wert durch die Positionierung der Schaufeln im Inneren ein und der gleichen Schaufelgruppe fixiert ist.
Dieser Strömungskanal ermöglicht es, wenigstens einen Teil der flüssigen Phase, die aus einem Strömungskanal stammt, mit wenigstens einem Teil der gasförmigen Phase, der in einem benachbarten Strömungskanal zirkuliert, rückzumischen.
Bei seinem Durchgang durch ein druckaufbauendes Element und unter dem Einfluss der Drehung beobachtet man eine Trennung der das mehrphasige Fluid bildenden Phasen, insbesondere die Trennung der flüssigen Phase und der gasförmigen Phase, die jeweils mit lk und gk bezeichnet sind, wobei der Index k dem Kanal zugeordnet ist, in welchem das Fluid (E0, E&sub1;, E&sub2;) zirkuliert.
Unter dem Einfluss eines Querdruckgradienten wird die flüssige Phase lk gegen die mit Überdruck behaftete Schaufelfläche, die Druckseite der Schaufel, mitgenommen, während die gasförmige Phase gk dagegen zur Unterdruckseite der Schaufel bzw. Saugseite wandert. Dieses Phänomen tritt auch in Kompressionsvorrichtungen mit Beschaufelungen, sogenannten einfachen Beschaufelungen, auf.
Gemäß dem in Fig. 4 dargestellten Schema zirkuliert das mehrphasige Fluid, dem man einen gewissen Energiewert erteilen will, zwischen zwei Gruppen aufeinanderfolgender Tandembeschaufelungen, beispielsweise dem Strömungskanal E&sub1; und gemäß dem Pfeil E (Vektor) beispielsweise.
Im Inneren dieses Kanals zersetzt sich das Fluid in eine flüssige Fraktion l&sub1;, die zur Druckseite I&sub1;&sub1; der Schaufel A&sub1;&sub1; wandert und eine gasförmige Fraktion g&sub1; die von der Saugseite E&sub2;&sub1; der ersten Schaufel A&sub1;&sub2; der zweiten Schaufelgruppe angezogen wird.
Die flüssige von der Druckseite I&sub1;&sub1;, angezogene Fraktion l&sub1; strömt quer durch den Strömungskanal p&sub1; und mündet dann in den Strömungskanal E&sub0;, zirkuliert weiter, bis sie sich mit wenigstens einem Teil der gasförmigen Fraktion g&sub0; vermischt, die aus der Trennung der flüssigen und gasförmigen Phase im Strömungskanal E&sub0; resultiert.
Die gasförmige Phase g&sub0; und flüssige Phase l&sub1;, die sich rückmischen, ermöglichen es, wenigstens zum Teil das Segregationsphänomen der flüssigen und gasförmigen Phase zu kompensieren, das beim Pumpen eines Mehrphasenfluids auftritt und das zur Verminderung des Wirkungsgrads beim Pumpen beiträgt.
Dieses Phänomen wiederholt sich, was jeden der Strömungsdurchlässe angeht und damit bezüglich jeder Gruppe von Schaufeln, wobei die gasförmigen und flüssigen Fluide, die beispielsweise aus benachbarten Kanälen stammen, rückgemischt werden.
Vorzugsweise verbessert das Vorhandensein eines Strömungsdurchlasses zwischen zwei Schaufeln einer Schaufelgruppe wesentlich den Wirkungsgrad der Kompressionsvorrichtungen im Vergleich mit dem Wirkungsgrad, der mit einer einzigen Beschaufelung erhalten wurde, welche aus einer einzigen Schaufel mit äquivalenter im wesentlichen identischer Oberfläche und Geometrie gebildet wurde.
Die Abmessung des Strömungsdurchlasses wird beispielsweise gewählt ausgehend von der Gesamtheit der vorher definierten Parameter.
Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung einer Gruppe von Schaufeln, die beispielsweise miteinander über wenigstens ein mechanisches Element 40 verbunden sind. So ist beispielsweise eine erste Schaufel mit wenigstens der folgenden Schaufel (in Strömungsrichtung gesehen) und/oder einer vorhergehenden Schaufel verbunden. Dieses mechanische Element 40 kann an jedem Ort längs und/oder in der Breite einer Schaufel positioniert sein und kann jede beliebige geometrische Form annehmen, welche nur die Strömung des Fluids respektiert, d. h. die Strömung des Fluids nicht stört.
Vorteilhaft ermöglicht es das Vorhandensein wenigstens eines mechanischen Elements die Entfernung zwischen den Schaufeln aufrecht zu erhalten und die spezifische Anordnung der Schaufeln untereinander aus diesem Grund einzuhalten. Es spielt auch so die Rolle einer mechanischen Verstärkung der Vorrichtung.
Fig. 6 schematisiert eine Ausführungsvariante der Vorrichtung nach der Erfindung, für die man eine Gruppe von Schaufeln, ausgehend von einer Schaufel erhält, die mit einer oder mehreren Öffnungen versehen ist, die über wenigstens einen Teil ihrer Länge verteilt sind. Die durch diese Öffnungen getrennten Teile der Schaufel bilden so "Unterschaufeln", die je eine Funktion im wesentlichen identisch der durch die Schaufeln Aij beschriebenen Funktion ist, wie sie in Fig. 3 beschrieben wurden.
Die Schlitze oder Öffnungen, wie sie längs der Schaufel 50 verteilt sind, ermöglichen so den Durchgang der Flüssigkeits- und Gasfraktion, welche jeweils benachbart der Saugseite und Druckseite der Schaufeln strömen und aus angrenzenden Kanälen stammen, wie beispielsweise mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben.
In Fig. 6 ist eine Form dargestellt, die eine Gastasche oder eine Flüssigkeitstasche annehmen kann.
Die flüssige Fraktion hat die Tendenz, durch wenigstens einen der Schlitze 51 zu gehen, um sich mit der gasförmigen Fraktion zu vermischen, die auf der Saugseite zirkuliert und so ein polyphasiges Gemisch bildet. Auf diese Weise vermindert man insbesondere den Wert des Verhältnisses GLR aufgrund der Anreicherung der gasförmigen Fraktion mit einem Flüssigkeitsteil und verbessert die Kompression des Mehrphasenfluids, indem die Trennung kompensiert wird, die aus der Kompressionsstufe des Mehrphasenfluids stammt, wie vorher mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben.
Die Gemischöffnungen oder Schlitze können unterschiedliche Geometrien und gewählte Abmessungen zeitigen, insbesondere als Funktion der Art der das Fluid bildenden Phasen, um den Durchgang dieser Phasen gegeneinander zu erleichtern.

Claims

1. Vorrichtung zum Verdichten oder Pumpen eines Mehrphasenfluids, das wenigstens eine flüssige Phase und wenigstens eine gasförmige Phase umfasst, wobei die Vorrichtung wenigstens ein hohles Gehäuse (1) mit wenigstens einer Einlassöffnung (2) und wenigstens einer Auslassöffnung (3) für dieses Fluid, wenigstens einen Rotor, der sich im Inneren dieses Gehäuses gemäß einer Drehachse Ox drehen kann und einen Impulsgeber, der über zwei Gruppen von Schaufeln verfügt, umfasst, die je eine erste Schaufel und eine zweite Schaufel umfassen, wobei der Impulsgeber fest bezüglich des Rotors ist und die Laufschaufeln des Impulsgebers eine Anströmkante aij und eine Abströmkante fij haben, wobei der Winkel α, den die Tangente an die Kurve des Skeletts bildet - dieser Winkel gerechnet ausgehend von der Anströmkante aij wenigstens einer der ersten und zweiten Laufschaufeln bezogen auf die Umfangs- und Tangentialrichtung der Vorrichtung - zwischen 0 und 45º liegt, die Vorrichtung einen Gleichrichter mit zwei Gruppen von Schaufeln, je mit einer dritten und einer vierten Schaufel, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristiken und die Positionierung der Schaufeln des Impulsgebers bestimmt werden als Funktion wenigstens eines aus den folgenden vier Parametern gewählten Parameters:

- Parameter 1: die Tangentialverschiebung h, bezogen auf die Teilung t, ausgedrückt in Form des Verhältnisses h/t, wo t die Teilung entsprechend der Entfernung zwischen den beiden Abströmkanten f&sub2;&sub1; und f&sub2;&sub2; entsprechend den zweiten Schaufeln jeder Schaufelgruppe ist, der Wert des Parameters 1 im Intervall zwischen 0,95 und 1,05 liegend,

- Parameter 2: das Verhältnis der Axialüberdeckung rj und der Gesamtsehne CTj entsprechend einer Gruppe von Schaufeln im Intervall der Werte zwischen 0,0 und 0,15 liegend,

- Parameter 3: Sehnenverhältnis RCj = (CFj/CRj), definiert für eine Schaufelgruppe durch das Verhältnis der Sehne CFj der ersten Schaufel zum Wert der Sehne der zweiten Schaufel CRj für eine Gruppe von Schaufeln, zwischen 0,5 und 1,5 liegend und

- Parameter 4: das Wölbungsverhältnis zwischen Φj definiert durch den Wert der Wölbung ΦFj der ersten Schaufel zum Wert der Wölbung ΦRj der zweiten Schaufel ein und der gleichen Schaufelgruppe, zwischen 0,5 und 1 liegend.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakteristiken und die Positionierung der Schaufeln des Gleichrichters bestimmt sind als Funktion wenigstens eines unter den folgenden vier Parametern gewählten Parameters:

- Parameter 5: die Tangentialverschiebung In, bezogen auf die Teilung t, ausgedrückt in Form des Verhältnisses h/t, wo t die Teilung entsprechend der Entfernung zwischen den beiden Abströmkanten f&sub2;&sub1; und f&sub2;&sub2; entsprechend den vierten Schaufeln jeder Schaufelgruppe ist, der Wert des Parameters 5 im Intervall [0,60; 0,80] liegend,

- Parameter 6: das Verhältnis der axialen Überdeckung rj und der Gesamtsehne CTj entsprechend einer Gruppe von Schaufeln, im Intervall der Werte [-0,01; 0,05] liegend,

- Parameter 7: das Sehnenverhältnis RCj = (CFj/CRj), definiert für eine Gruppe von Schaufeln durch das Verhältnis des Wertes der Sehne CFj der dritten Schaufel zum Wert der Sehne der vierten Schaufel CRj für eine Gruppe von Schaufeln, zwischen [0,5; 1,5] liegend und

- Parameter 8: das Verhältnis der Wölbung Φj, definiert durch den Wert der Wölbung ΦFj der ersten Schaufel zum Wert der Wölbung ΦRj der zweiten Schaufel ein und der gleichen Gruppe, zwischen [0,10; 1] liegend.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Charakteristiken der Schaufeln des Impulsgebers als Funktion der Parameter 1, 2 und 3 bestimmt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Charakteristiken der Schaufeln des Gleichrichters bestimmt sind als Funktion der Parameter 5, 6 und 7.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Charakteristiken der Schaufeln des Impulsgebers mit Hilfe des Parameters 4 präzisiert sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Charakteristiken der Schaufeln des Gleichrichters mit Hilfe des Parameters 8 präzisiert sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Maximaldicken der ersten und zweiten Schaufel e1/e2 des Impulsgebers zwischen 0,6 und 1 beträgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Maximaldicken der dritten und vierten Schaufel e1/e2 des Gleichrichters zwischen 0,5 und 1 beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten oder der dritten Schaufel zwischen 2 und 10 mm und/oder die Dicke e2 der zweiten oder der vierten Schaufel zwischen 2 und 20 mm beträgt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaufel mit einer vorhergehenden und/oder einer folgenden Schaufel mit Hilfe eines mechanischen Elements (40) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgeber vor diesem Gleichrichter in Fluidströmungsrichtung gesehen, angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei Gleichrichter umfasst, wobei der Impulsgeber zwischen den beiden Gleichrichtern angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaufeln des Impulsgebers eine erste Fläche oder Saugseite und eine zweite als Druckseite bezeichnete Fläche umfassen, die Schaufeln auf wenigstens einem Teil ihrer Länge mit einer oder mehreren Öffnungen (51) versehen sind, die es ermöglichen, diese saugseitigen und druckseitigen Flächen in Verbindung zu bringen, damit das Aufeinandertreffen wenigstens eines Teils der gasförmigen benachbart der saugseitigen Fläche strömenden Phase und wenigstens eines Teils der flüssigen auf der Seite der druckseitigen Fläche zirkulierenden Phase begünstigt wird.

14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Pumpen eines Mehrphasenfluids.