Brevet FR2009883A1 — publié le 19700213

La présente invention se rapporte à un dispositif d'isolement hermétique de la chambre de la turbine par rapport à-la chambre de la pompe de moteurs-fusées à propergols liquides, en particulier du type à flux non'dérivé, avec une turbine soumise à l'action des gaz de réaction -avec une pompe servant au refoulement de l'un des ergols, la turbine et la pompe étant reliées entre elles par un arbre (arbre d'entraînement de la pompe) et- la chambre de la turbine étant séparée de la chambre de la pompe par au moins un joint d'étanchéité glissant qui est prévu au voisinage du roulement de l'arbre, côté turbine, et qui est sollicité, côté pompe, par un fluide de barrage dont la pression est égale ou légèrement supérieure à la pression régnant dans la chambre de la turbine, en amont de cette dernière (pression d'interstice de la turbine). Dans certains domaines de construction ayant trait aux moteurs-fusées à propergols liquides, il est absolument nécessaire d'isoler de façon stre deux fluides réagissant de façon intense l'un avec l'autre, par exemple des ergols. Suivant le brevet de la République Fédérale d'llemagne nO 1 207 713, on obtient ce résultat au moyen diun joint simple disposé au voisinage d'une turbine par le fait que la pression d'un fluide de lubrification ou de barrage, agissant sur ce joint du côté opposé à la turbine, est toujours maintenue par un régulateur différentiel de pression à une valeur qui est légèrement supérieure à la pression d'interstice de la turbine, qui agit sur ce joint, côté turbine, et par laquelle est piloté ce régulateur différentiel de pression. Suivant une autre variante décrite dans le brevet précité, l'isolement des fluides est assuré par un joint glissant multiple présentant un compartiment de barrage dans lequel est envoyé un fluide de barrage ininflammable dont la pression est également maintenue toujours, à l'aide d1un premier régulateur différentiel de pression piloté par la pression d'admission de la turbine, légèrement supérieure à la pression d'interstice de la turbine, agissant sur le joint multiple côté turbine, tandis que le joint multiple est sollicité la du coté opposé, c'est-à-dire du coté de/pompe à oombustible, par un fluide de lubrification ou de refroidissement dont la pression est maintenue supérieure à la pression régnant dans le compartiment de barrage par un second régulateur différentiel de pression piloté par le fluide de barrage. Comme fluide de lubrification et de refroidissement, on utilise le combustible qui est envoyé depuis le c8té haute pression de la pompe, en passant.par le second régulateur différentiel de pression et par une conduite de-dérivation, vers le joint double et de là, en passant par des roulements d'arbre et des joints à labyrinthe à effet d'étranglement, vers le coté d'aspiration de la pompe. Compte tenu de l'interdépendance existant pratiquement dans la plage de fonctionnement toute entière entre la turbine et la pompe, la présente invention vise un dispositif d'étanchéité entre la cambre de la turbine et la chambre de la pompe, dispositif qui permet une construction plus simple que les modes de réalisation connus, une-fabrication moins onéreuse et en méme temps un fonctionnement plus sur. Selon l'invention, on obtient ce résultat par le fait que la pression du fluide- de barrage en particulier liquide, qui est égale ou légèrement supérieure à la pression d'interstice de la turbine est produite par un piston, une membrane eu un organe ana logue, sur la face opposée duquel agit le liquide de reculement de la pompe, dont la pression est réduite à la valeur indiquée cidessus. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le liquide de refoulement-de la pompe agissant sur l'une des faces du piston qui engendre sur son autre face la pression nécessaire du fluide de barrage est prélevé dans le compartiement de renvoi se trouvant derrière la pompe équipée de façon connue d'aubes de renvoi, compartiment dans lequel les aubes de renvoi produisent une pression égale ou légèrement supérieure à la pression d'interstice de la turbine. Selon l'invention, une autre possibilité pour produire la pression recherchée pour le liquide sous pression agissant sur l'une des faces du piston qui engendre sur son autre face la pression recherchée pour le fluide de barrage consiste à prélever ce liquide sous pression du côté des aubes de la pompe de refoulement, à une hauteur radiale appropriée, Selonl'i'nvention', on prévoit en-directisn delta pompe, devant le joint disposé au voisinage d-e la turbine, un compartiment de fluide de-barr2ge qui est coaxial à ''-arbre entraînement -de la pompe et dans lequel coulisse un piston annulaire servant à éngendrer la pression nécessairespour le flui e- de-' barrage. Ce- -'cdm- partiment de fluide e barrage peut également se présenter sous la forme d'un compartiment de réserve de fluide- de barrage d'un volume relativement important. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, le piston servant à engendrer la pression nécessaire pour le fluide de barrage est disposé dans une chambre de réserve de fluide de barrage particulière d'où une conduite de pression mène vers le compartiment de fluide de barrage se trouvant de façon connue entre deux joints glissants et à laquelle est raccordée une conduite de pression pour le liquide refoulé par la pompe, en vue de l'action de ce liquide sur le piston. Pour la lubrification du roulement de la turbine, disposé à proximité devant la turbine entre cette dernière et un joint glissant on prévoit, suivant une autre caractéristique de l'invention, dans l'arbre d'entranement de la pompe ou dans le carter de la machine, au voisinage du joint, une gorge qui contourne ce dernier et par laquelle une faible quantité de fluide de barrage peut pénétrer pendant le fonctionnement dans le compartiment de montage du roulement, le fluide de barrage utilisé étant, dans ce cas, un fluide convenant en même temps à la lubrification du roulement.Il est alors avantageux de faire déboucher une conduite de gaz sous pression dans le compartiment de montage du roulement, cela afin de pulvériser le fluide de barrage ou de lubrification passant par la gorge de contournement, au moyen du gaz sous pression qui agit en m8me temps comme fluide de refroidissement, afin d'améliorer ainsi l'effet de lubrification du roulement de la turbine. le dispositif -conforme à l'invention permet non seulement de satisfaire aux exigences imposées, -énumérées ci-dessus, mais également d'entretenir automatiquement une faible différence de pression entre les deux côtés frontaux des joints glissants, dans toute la plage de fonctionnement, ce qui a un effet favorable sur la durée de vie des joints ; en effet, il est connu que la durée de vie d'un joint d'arbre statique, c'est-à-dire glissant,dépend essentiellement de la différence de pression agissant sur le joint et régnant entre les compartiments séparés par le joint. C'est pourquoi il est préférable, dans le cas de joints sollicités déjà fortement en raison des nombres de tours élevés ou des vitesses circonférencielles élevées, de décharger ces joints quant aux pressions auxquelles ils sont soumis, et cela en maintenant faible la différence de pression mentionnée par & s dispositions appropriées. Le dessin annexe représenté schématiquement deux exemples de réalisation non limitatifs du dispositif conforme à l'invention + sur ce dessin les fig. 1 et 2 représentent un groupe turbó-pompe pour un moteur-fusée à propergols liquides, avec deux variantes du dispositif conforme à l'invention de production de la pression du fluide de barrage. Le groupe selon la fig. 1 se compose essentiellement d'tut turbine 1 soumise à l'action de gaz de réaction, d'un arbre 2 (arbre dtentraSnement de la pompe) entraîné par cette turbine et d'une pompe d'alimentation en ergol 3 avec des aubes de renvoi 3a. Â pro- ximité devant la turbine 1 se trouve une garniture d'étanchéité à joint glissant 4, avec un joint dletancheité 4b fixe, sollicité par un ressort et coopérant avec un anneau 4a solidaire de l'arbre 2. Devant cette garniture 4 est disposé un roulement d'arbre 6 pour la turbine. Entre cezoulement et la pompe 3 est prévu un compartiment annulaire 7 rempli de fluide de barrage, dans lequel peut cou- lisser un piston annulaire 8 qui agit en même temps comme joint en direction de la pompe. le compartiment annulaire 8 communique par une fente annulaire 11 avec le compartiment de renvoi 9 de la pompe, ce qui fait que la pression de refoulement réduite de la pompe, produite par les aubes de renvoi 3a agit sur le piston annulaire 8 qui exerce lui-meme une pression sur le fluide de barrage se trou vant dans le. compartiment annulaire 7. les aubes de renvoi 3a sont conçues de manière que la pression agissant sur le piston annulaire 8 soit égale ou légèrement supérieure à la pression régnant dans la chambre 10 de la turbine -1, en amont de cette dernière, de sorte que du fluide de barrage puisse s'échapper à la rigueur par la garniture 4 vers la chambre 10 de la turbine, mais que des gaz chauds ne puissent jamais parvenir de la chambre 10 de la turbine dans le compartiment annulaire 7 entassant par la garniture 4. On sait que la pression de refoulement de la pompe ou la pression dans le compartiment de renvoi 9 et la pression régnant dans la chambre de la turbine (pression d'interstice de la turbine) sont pratiquement proproportionnelles pendant tout le processus de combustion. Le groupe représenté sur la fig. 2 se compose également essentiellement d'une turbine 1, d'un arbre 2 et d'une pompe d'a- limentation en ergol 3. On a prévu ici deux garnitures ou joints d'étanchéité glissants 14a et 14b Le roulement d'arbre 6 de la turbine est monté ici entre la turbine t et le joint 14b. le compartiment de fluide de barrage 17 situé entre les deux a oints 14a et 4b communique par une conduite de pression 12 avec une chambre parti culière de réserve de fluide de barrage 13, dans laquelle coulisse un piston cylindrique 18.Dans la chambre 14 débouche en outre une autre conduite de pression 15 dont l'extrémité d'entrée est reliée au compartiment de renvoi 9 de la pompe 3 ou à une hauteur radiale appropriée (ligne en trait mixte) à l'interstice 16 de la pompe, du côté des aubes de la pompe. Le liquide sous pression envoyé par la conduite 15 dans la chambre 13 agit sur le piston 18 qui transmet la même pression au fluide de barrage. Au voisinage du joint 14b, une gorge 19 ou 19a est prévue, en vue du contournement de ce joint, dans l'arbre 2 ou dans le carter 5 de la machine, gorge dans laquelle le fluide de barrage qui sert en même temps de fluide de lubrification pour le roulement peut pénétrer dans le compartiment de montage 20 du roulement, dans lequel débouche en outre une conduite 21. Par cette dernière, du gaz sous pression, en particulier de I'oxygène,est introduit dans le compartiment de montage 20 du roulement, ce gaz pulvérisant ici le fluide de barrage pénétrant dans le compartiment 20, afin d'intensifier l'effet de lubrification de ce fluide sur le roulement 6. Le gaz sous pression sert en outre de fluide de refroidis scient pour le roulement. REVENDICATIONS 10) Dispositif d'isolement hermétique de la chambre de la turbine par rapport à la chambre de la pompe de moteurs-fusées à propergols liquides, en particulier du type à flux non dérivé, avec une turbine soumise à l'action des gaz de réaction et avec une pompe servant au refoulement de l'un des ergols, la turbine et la pompe étant reliées entre elles par un arbre (arbre d'entraîne- ment de la pompe) et la chambre de la turbine étant séparée de la chambre de la pompe par au moins un joint d'étanchéité glissant qui est prévu au voisinage du roulement de l'arbre, caté turbine, et qui est sollicité, côté-pompe, par un fluide de barrage dont la pression est égale ou légèrement supérieure à la pression régnant dans la chambre de la turbine, en amont de cette dernière (pression d'interstice de la turbine), caractérisé par le fait que la pression précitée du fluide de barrage particulier liquide,est produite sur un côté d'un piston, d'une membrane ou d'uD organe analogue sur le côté opposé duquel agit le liquide de-refoulement de la pompe, dont la pression est réduite à la valeur indiquée cidessus. 2u; Dispositif suivant la revendication i, caractérisépar le fait que le liquide de refoulement de la pompe agissant sur l'une des faces du piston qui engendre sur sonautre face la pression nécessaire du fluide de barrage est prélevé dans le compartiment de renvoi se trouvant derrière la pompe équipée de façon connue d'aubes de renvoi, compartiment dans lequel les aubes de renvoi produisent une pression égale ou légèrement supérieure-à la pression d'interstice de la turbine. 30) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le liquide sous pression vissant sur l'une des faces du piston en vue de la production, sur l'autre face du piston, de la pression recherchée pour le fluide de barrage, est prélévé du côte des aubes de la pompe, dans l'interstice de cette dernière, à une hauteur radiale appropriée. 40) Dispositif suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait quten direction de la pompe se trouve, devant le joint disposé au voisinage de la turbine, un compartiment de fluide de barrage qui est coaxial à l'arbre d'entrainement de la pompe et dans lequel coulisse un piston annulaire servant à engendrer la pression nécessaire pour le fluide de barrage (fig. 1). 50) Dispositif suivant la revendication 4 > - caractérisé par le fait que le compartiment de fluide de barrage se présente sous la forme d'un compartiment de réserve de fluide de barrage, d'un volume relativement important. 60) Dispositif suivant la revendication 1, 2 ou 3, comportant entre la turbine et la pompe deux joints glissants qui délimitent un compartiment annulaire intermédiaire de fluide de barrage, caractérisé par le fait que le piston servant à engendrer la pression nécessaire pour le fluide de barrage est disposé dans une chambre particulière de réserve de fluide de barrage d'où une conduite de pression mène vers le compartiment de fluide de barrage et à laquelle est raccordée une conduite de pression pour le liquide refoulé par la pompe. 7 ) Dispositif suivant une ou plusieurs des revendications précédentes, le roulement d'arbre de la turbine étant disposé à proximité devant la turbine, entre cette dernière et un joint glissant, caractérisé par le fait qu'en vue de la lubrification du roulement d'arbre de la turbine, une gorge contournant ce joint est prévue, au voisinage du joint, dans l'arbre d'entrainement de la pompe ou dans le carter de la machine (fig. 2). 80) Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé par le fait qu'une conduite pour l'arrivée d'un gaz sous pression, par exemple d'oxygène, utilisé en même temps comme fluide de refroidissement et servant à la pulvérisation du fluide de barrage passant par la gorge de contournement, en direction du roulement, débouche dans le compartiment de montage du roulement, entre le joint et le roulement d'arbre de la turbine.