Brevet FR2445904A1 — publié le 19800801

La presente invention a trait à des turbopompes pour fluides. Les turbines de turbo-pompes sont soumises, en utilisation, à des charges axiales qui sont fonction des pressions de fluide mises en Jeu dans la pompe. Il a été constaté qu'il n'est pas possible de prédire avec précision l'amplitude et le sens de ces charges axiales dans des conditions variables de fonctionnement de la pompe. Les charges sur les paliers de butée à l'intérieur de la pompe ne peuvent pas par con séquent être prévues. La présente invention a pour objet de réaliser une turbo-pompe dans laquelle, en utilisation, la turbine soit positionnée axialement sans coopérer avec des paliers de butée. Conformément à la présente invention, on réa- lise une turbo-pompe possédant un carter, une turbine montée de façon à pouvoir tourner dans ledit carter et en vue d'un déplacement axial limité par rapport à celuici, ledit carter et ladite turbine possédant des surfaces cylindriques respectives en vis-à-vis qui délimitent un premier étranglement annulaire d'écoulement, des surfaces dirigées axialement respectives, en vis-àsis, qui délimitent un second étranglement annulaire d'écoulement, radialement à l'intérieur dudit premier étranglement, et d'autres surfaces dirigées axialement respectives, en vis-à-vis, qui délimitent un volume annulaire entre lesdits premier et second étranglements annulaires, lesdits étranglements annulaires et ledit volume annulaire constituant un trajet d'écoulement entre une zone à haute pression radialement externe de la pompe et une zone à basse pression radialement interne de la pompe. Des modes de réalisation de l'invention seront à présent décrits à titre d'exemple seulement, en regard des dessins annexés. La figure 1 est une coupe longitudinale d'une forme connue de turbo-pompe. La figure 2 est une coupe correspondante d'une turbo-pompe selon l'invention. La figure 3 représente, à grande échelle, un détail de la figure 2. La figure 4 représente un détail, correspondant à la figure 3, d'une variante de réalisation de la pompe. Les figures 5, 6 et 7 représentent des détails, correspondant également à la figure 3, d'autres variantes de réalisation de la pompe. La pompe représentée sur la figure 1 possède un carter 10 ayant un orifice d'admission 11 et une sortie 12 en forme de volute. Une turbine conique 13, équipée de pales, est montée de façon à pouvoir tourner dans le carter 10 et en vue d'un déplacement axial limité dont l'amplitude est limitée par des paliers de butée respectifs 14, 15. Les pressions de fluide régnant à l'intérieur de la pompe agissent sur les surfaces de turbine. Les amplitudes de ces pressions de fluide peuvent varier lors de différentes utilisations de la pompe et peuvent également varier lors de modifications des conditions de fonctionnement de la pompe dans un type donné d'utilisation. il est par conséquent difficile de prévoir la direction et l'amplitude de la poussée axiale résultante sur la turbine 13, et par suite lequel des paliers 14, 15 doit supporter cette poussée. Afin de réduire une fuite d'écoulement de la volute 12, un joint d'étanchéité annulaire 18 en labyrinthe est constitué par des saillies sur le carter 10 et sur la turbine 13, respectivement. Les tolérances requises ont pour effet qu'un écoulement de fuite à travers le labyrinthe 18 est considérable, et cette fuite passe dans une zone 19 de la pompe. il est nécessaire que la zone 19 soit maintenue à une basse pression afin que la turbine 13 ne soit pas poussée vers la droite par la pression de sortie de la pompe. La zone 19 communique avec un passage annulaire 20 par l'intermédiaire duquel le fluide de fuite peut rejoindre celui de l'admission il de la pompe. Par suite de tolérance sur le joint d'étanchéité 18 à labyrinthe, les écoulements de fuite peuvent représenter une proportion élevée de la quantité totale pompée.Un recyclage du fluide ayant fui se traduit ainsi par une élévation de température, et lorsque le fluide de la pompe est un liquide volatile, comme par exemple un carburant d'avion, une réintroduction du liquide chauffé dans la zone à basse pression adjacente à l'admission de la pompe peut se traduire par une vaporisation et une réduction du débit massique du carburant. La pompe qui sera décrite en regard de la figure 2 ne nécessite pas un retour de l'écoulement de fuite à l'admission de la pompe. De plus, le labyrinthe 18 se traduit par un cisaillement de fluide au rayon maximal de la turbine 13, et cette action de cisaillement réduit le rendement de la pompe. La pompe de la figure 2 présente un moyen de réduire sensiblement les pertes par fuite et les effets de cisaillement. La pompe représentée sur la figure 2 possède un carter 30 avec une admission 31 et un passage de sortie 32 en forme de volute. Une turbine conique 30 en hélice, équipée de pales, est montée de façon à pouvoir tourner dans un palier 34, du carter 33 et peut pousser du fluide depuis l'admission 31 à la fois axialement et radialement vers l'extérieur, vers le passage en volute 32. La turbine 33 peut se déplacer axialement de façon limitée par rapport au palier 34, et dans une position limite gauche de la turbine 33 (comme vu sur la figure 2) la turbine 33 vient au contact d'un palier de butée 35. Un rebord 36 de la turbine 33 se trouve au contact d'un joint d'étanchéité facial 37 chargé par ressort qui est monté dans le carter 30 et qui délimite une chambre annulaire 38 communiquant, par l'intermédiaire d'un passage 39, avec le passage de sortie 32 en volute.La pression régnant dans le passage de sortie 32 s'exerce ainsi sur le rebord 36 pour solliciter la turbine 33 vers la gauche, dans le sens du contact avec le palier de butée 35. Des zones adjacentes annulaires 40 du carter 30 et de la turbine 33 ont des configurations qui sont représentées plus clairement sur la figure 3. Des surfaces cylindriques opposées 41,42 du carter 30 et de la turbine 33, respectivement, délimitent un étranglement d'écoulement annulaire 43 dont l'impédance à l'écoule- ment de fluide est indépendante des positions axiales relatives du carter 30 et de la turbine 33. Des parties superficielles annulaires dirigées axialement 44,45 du carter 30 et de la turbine 33, respectivement, coopèrent pour délimiter un second étranglement d'écoulement annulaire 46 dont la résistance à l'écoulement est fonction des positions axiales relatives du carter et de la turbine.Un volume annulaire 47 entre les étranglements 43,46 coopère avec ces derniers pour délimiter un traJet d'écoulement entre le passage de sortie 33 en volute et une chambre annulaire 48 (figure 1) entre le palier 34 du carter et une surface interne de la turbine 33. Des passages radiaux 49 dans la turbine 33 s'étendent entre la chambre 48 et le passage 32. En utilisation, du fluide à pression élevée provenant du passage de sortie 32 traverse l'étranglement 43, le volume 47 et l'étranglement 46 en direction de la-chambre 48. Le fluide se trouvant à l'intérieur de la chambre 48 est poussé radialement vers l'ex- térieur à travers les passages 49, par action centrifuge. La pression régnant dans la chambre 48 est ainsi sensiblement inférieure à celle régnant dans le passage de sortie 32, et demeure sensiblement constante pour des valeurs données de pression dans l'admission 31 et de vitesse de pompe. La pression dans le volume 47 est fonction de l'écoulement à travers l'étranglement 46, et par suite de la position axiale de la turbine 33 par rapport au carter 30. Dans une utilisation particulière, l'admission de la pompe est alimentée en fluide à pression relativement basse par un dispositif élévateur de pression à l'intérieur d'un réservoir de fluide. Cette pression d'admission et et la pression dans la chambre 38 se combinent pour pousser la turbine 33 vers la gauche La turbine 33 est poussée vers la droite par la pression régnant dans le volume 47, un mouvement vers la droite augmentant l'écoulement à travers l'étranglement 46 et réduisant la pression dans le volume 47. La turbine 33 se déplacera ainsi jusqu'à une position d'équilibre dans laquelle les forces de pression s'exerçant sur elle sont en équilibre. On peut facilement s'assurer que la position d'équilibre précitée est atteinte du fait que la turbine 33 ne coopère pas avec le palier de butée 35. il sera évident qu'un mouvement vers la gauche de la turbine 33 provoque une augmentation de pression dans le volume 47 qui s'oppose à ce mouvement. Un retour du fluide de fuite à pression rela tivement élevée dans le passage de sortie 32 a pour effet que la tendance du fluide recyclé à se vaporiser est sensiblement réduite. Puisque l'étranglement 43 au rayon le plus grand de la turbine 33 possède seulement deux surfaces en vis-à-vis, la zone de cisaillement sur le fluide de fuite est sensiblement réduite. La section transversale du volume annulaire 47 est grande par rapport aux surfaces d'écoulement des étranglements 43,46. Des mouvements axiaux de la turbine 33 se traduisent ainsi par des variations relativement importantes du volume 47, et le fluide déplacé par suite de ces variations doit s'écouler à travers l'étranglement 43 ou l'étranglement 46. La vitesse de déplacement axial de la turbine 33 est ainsi limitée par les étranglements 43,46 et ces mouvements sont ainsi amortis. Dans la variante représentée sur la figure 4, l'étranglement 43 de la figure 3 est remplacé par deux étranglements 50,51 qui délimitent entre eux un volume 52 dans lequel la pression est fonction de la quantité d'écoulement de fuite, et par suite de la position axiale de la turbine 33. Cette disposition assure un amortissement accru du déplacement axial de la turbine 33, et également, en fournissant deux étranglements 50, 51 en série, permet aux tolérances dimensionnelles des pièces délimitant les étranglements 50,51 d'être plus grandes que les tolérances correspondantes délimitant l'étranglement 43 sur la figure 3. L'autre variante représentée sur la figure 5 possède un étranglement 55 correspondant à l'étranglement 43 de la figure 3. La turbine 33 possède une saillie 56 de section en T, qui coopère avec une gorge 57 de section en V dans le carter 30. La saillie 56 et la gorge 57 délimitent deux étranglements d'écoulement 58,59 en série, et un volume 60 existe entre les étran glements 55 et 58. Grâce aux parois inclinées de la gorge 57, un mouvement vers la droite de la turbine 33 n'augmente pas un écoulement à travers les étranglements 58,59 autant qu'un mouvement correspondant de la turbine 33 augmenterait un écoulement à travers l'étranglement 46. La vitesse de variation de pression dans le volume 60 est ainsi moindre que celle des deux modes de réalisation précédents. Puisque la plage totale de déplacement axial de la turbine 33 sera faibli la variation d'écoulement en volume à travers les étranglements 43,46, ou leurs équivalents, sera également petite. La variation da pression dans la chambre 48 sera également faible, et la pression dans la chambre 48 peut ainsi être considérée comme sensiblement constante. il est souhaitable de s'assurer que la différence centrifuge de pression le long des passages 49 est telle que, lorsqu'un écoulement à travers les étranglements 43,46 est nul ou presque, la pression dans la chambre 48 n'est pas réduite à un niveau auquel une cavitation peut se produire. Dans certains modes de réalisation, par conséquent, les extrémités radialement internes des passages 49 ne sont pas alignées sur les extrémités radialement internes des étranglements 46. Un tel mode de réalisation est représenté sur la figure 6. On comprendra que les extrémités internes des passages 49 peuvent être situées de façon quelconque, soit radialement à l'intérieur, soit radialement à l'extérieur de l'étranglement 46. On remarquera également que les étranglements 43,46 et le volume 47 peuvent être délimités entre la turbine 33 et le carter 30 selon la variante indiquée sur la figure 7, et en outre que la turbine et le carter peuvent être transposés dans les exemples des figures 4 et 5, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Turbo-pompe, caractérisée en ce qu'elle comporté un carter (30), une turbine (33) montée de façon à pouvoir tourner dans ledit carter en vue d'un déplacement axial limité par rapport à celui-ci, ledit carter et ladite turbine ayant des surfaces cylindriques respectives en vis-à-vis qui délimitent un premier étranglement d'écoulement (43) annulaire, des surfaces dirigées axialement respectives, en vis-à-vis, qui délimitent un second étranglement d'écoulement annulaire (46) radialement à l'intérieur dudit premier étranglement (43), et d'autres surfaces dirigées axialement respectives, en vis-à-vis, qui délimitent un volume annulaire (47) entre lesdits premier et second étranglements annulaires (43,46), lesdits étranglements annulaires et ledit volume annulaire (47) constituant un trajet d'écoulement entre une zone à pression élevée (32) radialement externe de la pompe et une zone à basse pression (48) radialement interne de la pompe. 2 - Turbo-pompe selon la revendication 1, caractériséeen ce que ladite turbine (33) comprend des organes (39) pour décharger du fluide de ladite zone à basse pression à ladite zone à haute pression. 3 - Turbo-pompe selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour appliquer la pression régnant dans ladite zone à pression élevée à ladite turbine, pour pousser celle-ci dans une direction opposée à celle dans laquelle ladite turbine est poussée par la pression rd- gnant dans ledit volume annulaire. 4 - Turbo-pompe selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit premier étranglement d'écoulement (43) comporte des premières surfaces cylindriques en vis-à-vis sur ladite turbine (33) et sur ledit carter (30), des secondes surfaces cylindriques en vis-à-vis sur ladite turbine et ledit carter, et un autre volume annulaire entre lesdites premières et secondes surfaces en vis-à-vis. 5 - Turbo-pompe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'au moins une desdites surfaces en vis-à-vis dirigées axialement délimitant ledit second étranglement d'écoulement (46) est inclinée par rapport au sens de déplacement axial de ladite turbine. 6 - Turbo-pompe selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite surface dirigée axialement comporte deux parois qui sont mutuellement inclinées et dont chacune est inclinée par rapport audit sens de déplacement axial, l'autre surface en vis-à-vis dirigée axialement comportant une saillie coopérant avec lesdites deux parois pour délimiter deux trajets d'écoulement restreints ayant un autre volume annulaire entre ewcO