Brevet FR2589955A1 — publié le 19870515

-2589955 La présente invention concerne un dispositif d'étan- chéité de turbopompe, plus particulièrement destiné à équi- per les ensembles d'alimentation en propergol liquide des moteurs de fusées. On sait que les moteurs fusée modernes à propergols liquides, habituellement l'oxygène et l'hydrogène, sont équi- pés de pompes destinées à véhiculer depuis les réservoirs jusqu'à la chambre de combustion avec une pression et un débit donnés,le carburant (hydrogène liquide) et le comburant (oxygène liquide). Ces pompes sont entraînées directement ou par l'intermédiaire d'une boite d'engrenagespar une turbine fonctionnant à partir de gaz de combustion fournis par un générateur de gaz ou une préchambre de combustion. L'arbre commun à la pompe et à la turbine est supporté par des paliers ou roulements habituellement lubrifiés par une circulation d'hydrogène dont tout ou partie est évacué pendant le fonctionnement du moteur vers le compartiment turbine. Qu'il s'agisse d'une turbine entre deux paliers ou en porte à faux, à un seul palier, il y a lieu d'incorporer entre le palier et la turbine un moyen d'étanchéité ayant un double rôle: a) Période de mise en froid: Il s'agit de la période précédant le démarrage du moteur o la turbopompe est mise au contact des ergols à très basse température et sous une pression relativement fai- ble, voisine de celle des réservoirs, de façon que lors de la mise en rotation un régime thermique proche de celui du fonctionnement soit déjà établi. Pendant cette phase, le moyen d'étanchéité doit, pour des raisons de sécurité, isoler de façon parfaite les ergols, particulièrement l'hydrogène, du compartiment turbine. Si cette fonction n'est pas assurée, l'hydrogène s'accumule au niveau du moteur ou dans l'espace inter-étage s'il s'agit d'un moteur utilisé dans un des étages supérieurs du lanceur, et il y a fort risque d'explosion lors de l'allumage du moteur. b) Fonctionnement: Pendant toute la durée du fonctionnement du moteur, le moyen d'étanchéité doit permettre l'évacuation de - l'hydrogène traversant les paliers vers le compartiment turbine et il doit de plus, dans certains systèmes de lubrification, fixer le débit d'hydrogène à une valeur prédéterminée nécessaire au bon fonctionnement des paliers. De ce qui précède, il ressort que le moyen d'étanchéité turbine est particulièrement critique et sa conception doit donc permettre un fonctionnement sûr et fiable. Les moyens d'étanchéité actuellement mis en oeuvre sont de plusieurs types: - labyrinthes - joints faciaux à contact - joints faciaux rétractables - bagues flottantes - joints segmentés. les moyens élémentaires cités ci-dessus sont utilisés en montage simple, ou bien il est fait appel à diverses combinai- sons de deux ou plus d'entre eux. Certains montages sont pressu- risés, d'autres font appel à des effets hydrodynamiques. Le dispositif selon la présente invention met en oeuvre certains des moyens élémentaires ci-dessus, dans un nouvel agencement permettant d'obtenir des performances supérieures par rapport aux combinaisons existantes, en particulier: - pas de possibilité de fuite hydrogène vers la turbine pen- dant la mise en froid, - consommation réduite du gaz de pressurisation, contrôle du débit d'hydrogène vers la turbine, - durée de vie accrue, encombrement et masse réduits, - plus grande fiabilité. Conformément à l'invention, et selon une forme de réalisation préférée, le dispositif d'étanchéité est monté dans un bottier concentrique à l'arbre rotatif entre la turbine et la pompe proprement dite, ledit bottier définissant une cavité pour un gaz de mise-sous pression, délimitée du c8té de la turbine par une bague d'appui qui lui est solidari- sée, au contact d'une première bague flottante immobilisée en rotation et, du c8té de la pompe, par une coquille rappor- tée dont une face est au contact d'une seconde bague flottante immobilisée en rotation, elle-même prenant appui sur une bague de friction solidaire de l'arbre, lesdites bagues étant montées sur une douille concentrique audit arbre, la coquille étant en outre reliée à la cavité par un soufflet. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre de formes possibles de réalisation, faite en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente une vue schématique en coupe du dispositif selon l'invention dans sa première forme de réalisation; la figure 2 représente un schéma simplifié du dispositif selon la figure 1 illustrant les diamètres permettant d'obtenir les meilleurs résultats; les figures 3 et 4 représentent des schémas illustrant les conditions de fonctionnement du dispositif; et la figure 5 représente une vue schématique en coupe d'une variante du dispositif selon la figure 1. Sur ces dessins, les mêmes références désignent les mêmes éléments. En se référant à la figure 1, une turbine 1 est montée à rotation sur un arbre 2 d'axe longitudinal L-I entraînant une pompe (non représentée) et comportant un palier tel qu'un roulement à bille 3. Le dispositif d'étanchéité comprend un bottier 4 inclus dans un carter général 5. Le bottier 4 définit une cavité C pour un gaz de mise sous pression par un conduit D, comme ce sera expliqué ci-après, elle-même délimitée selon l'agencement suivant: 4 2589955 - du côté de la tubine 1 par une bague d'appui 6 maintenue dans le bottier, par exemple par un écrou 7, sur laquelle prend appui une première bague flottante 8 avec sollicitation par l'intermédiaire par exemple d'un ressort 9, ladite bague 8 étant constituée d'un anneau de carbone serré dans ne - frette métallique immobilisée en rotation par engagement d'ergots 10 de lafrette dans des logements correspondants du bottier; - du c8té du palier 3 de la pompe, par une coquille rapportée 11 dans laquelle est disposée une seconde bague flottante 12 du m8me type que la précédente et, de la même manière, immobilisée en rotation par engagement d'ergots 13 de sa frette dans des logements correspondants de la coquille 11; la bague flottante 12 prend appui par une face de contact 14 sur la coquille 11 et, d'autre part, elle peut également pren- dre appui par une surface de contact 15 sur une bague de fric- tion 16 solidaire de l'arbre 2. Comme mentionné plus haut, les deux bagues flottantes 8, 12 et la bague d'appui 6 ainsi que la bague de friction 16 sont montées autour d'une douille 17 concentrique à l'arbre 2. De manière avantageuse, un amortisseur de vibrations 18 est intercalé entre la coquille 11 et son logement du bottier 4, afin d'empêcher toute amplification des vibrations engendrées pendant le fonctionnement. L'ensemble du dispositif, c'est- à-dire le bottier 4, est fixé sur le carter général 5 par tout moyen approprié, par exemple des ensembles goujons-écrous 19, un joint statique 20 assurant l'étanchéité par rapport au carter. La seconde bague flottante 12 étant destinée à pouvoir présenter un jeu dans le sens longitudinal et à être suivie selon la face de contact 14 par la coquille 11, comme ce sera mieux expliqué ci-après, cette dernière est rendue solidaire du bottier par l'intermédiaire d'un soufflet métallique 21 garan- tissant la continuité de l'enceinte 0 et empêchant tout passa- ge de fluide. Le soufflet 21 assure en outre, de par sa raideur et une précompression au montage, un effort initial de contact coquille/bague flottante 12/bague de friction 16. Pour le fonctionnement du dispositif tel que décrit ci-dessus, il y a lieu de distinguer trois phases, à savoyr, la période de mise en froid, une période transitoire et la période de fonctionnement proprement dite. En se référant aux figures 2 à 4, la configuration du dispositif pendant la mise en froid est représentée sur la figure 3. La cavité C est pressurisée, de façon habituelle, par de l'hélium gazeux (GHe), à une pression Pc telle que la force tendant à mettre en contact la bague côté palier 12 avec sa bague de friction 16 soit supérieure à la force tendant à la séparer: Pc x ( 02 - 02) > PA x ( 01 0) PcX 3) 0 expression dans laquelle: 01 03 05 sont respectivement les diamètres de la cavité, de l'arête intérieure de la surface 14 et de l'aréte extérieure de la surface 15; et PA est la pression de l'hydrogène au niveau de la pompe. Il y a lieu de noter qu'on a également représenté sur la figure 2 les diamètres 02 de l'arête extérieure de la surface 14 et 04 de l'arête inté- rieure de la surface 15. Si Pc est imposé, on détermine 03 et 05 de façon que l'inégalité ci-dessus soit respectée. Afin de maintenir dans tous les cas de fonctionnement le contact entre la bague 12 et la coquille 11 on doit également assurer: 02 > 05 L'étanchéité avec la cavité A du palier est assurée par le soufflet métallique 21 et les contacts (surfaces rodées par exemple) entre la coquille 11, la bague 12 et la bague d'appui 16. Afin d'éviter toute fuite, ne serait-ce que minime, du palier 3 vers la cavité C, une deuxième condition est imposée à la pressurisation (fuite depuis C vers le palier): 6 2589955 Ainsi, la fuite du gaz de pressurisation, donc sa consommation, est quasi nulle c8té palier. Côté turbine, la bague 8 limite la consommation de gaz de pressurisation (fuite débit QHe vers la cavité turbine B). Pendant la phase transitoire, on met la turbine 2 en rotation jusqu'à sa pleine vitesse de fonctionnement, la pression turbine PB augmente depuis le vide partiel (cas de moteur d'étages supérieurs de lanceurs) ou la pression atmos- phérique normale (cas d'un premier étage) ainsi que la pression palier. Au cours de la phase transitoire la pressurisation est coupée et le soufflet 21 se rétracte, annulant le contact entre bague 12 et bague de friction 16. La configuration du dispositif pendant la phase de fonctionnement est représentée sur la figure 4. Le soufflet 21 est comprimé et la coquille 11 en appui sur le boitier, ménageantentre bague et bague d'appui un jeu J. La pressurisation étant coupée et la pression turbine P inférieure à la pression palier PA' un débit Q'LH2 s'établit du palier 3 vers la turbine 2. Le dispositif d'étanchéité se comporte alors comme un système à deux bagues en série, la pression Pc s'établissant à une valeur comprise entre PA et PB. Il s'agit donc d'un système sans contact entre parties stationnaires et parties tournantes, ce qui a comme avantages: - réduction de la puissance absorbée - suppression des frottements donc de l'usure (durée de vie accrue) - meilleure fiabilité. Dans le cas o le système doit fixer le débit d'hydrogène vers la turbine, un jeu "e"' entre bague 12 et douille 17 est déterminé en conséquence. La consommation du gaz de pressurisation est particu- 7 2589955 lièrement critique et doit 9tre réduiteau maximum pour les raisons suivantes: - économiques: consommation sol - réduction masse embarquée: consommation vol (après commutation pressurisation sol/vol) - C8té palier, la consommation pressurisation est quasi nulle comme indiqué plus haut, c'est donc c8té turbine qu'il faut agir si l'on veut aller plus loin dans la réduction de la consommation. Pour cela on peut utiliser en remplacement de la bague 8 une bague segmentée 22 (fig. 5) qui assure un contact à la fois sur la bague d'appui 6 et sur la douille17 pendant la mise en froid, l'ordre de grandeur de la fuite étant alors dix fois inférieur à celle obtenue avec la bague. Comme dans le cas de la bague 8, la bague segmentée 22 est sollicitée au contact de la bague d'appui 6 par un ressort 23. En fonctionnement, cette bague segmentée 22 doit 8trere- froidie. Elle doit donc être à effet hydrodynamique de façon que les segments décollent de la douille sous l'action de la rotation, ménageant ainsi un jeu entre bague et douille qui autorise un débit d'hydrogène. L'absence de contact en fonc- tionnement réduit la puissance absorbée et permet le refroi- dissement. La réduction de la consommation peut également 8tre obtenue en utilisant une deuxième bague en série avec la première (8). Afin d'obtenir encore une augmentation de la fiabilité, on peut adjoindre au dispositif un ou deux labyrinthes 24, 25 en aval des bagues d'appui et de friction, 6 et 16 qui limitent le débit d'hydrogène pendant le fonctionnement en cas de défaillance des bagues. La perte de pressurisation est également à envisager en tant que défaillance particulièrement critique dans le cas d'un étage supérieur d'un lanceur. Les conséquences d'une perte de pressurisation sont minimisées en définissant le soufflet 21 de façon que son 8 2589955 effort initial FR que provoque sa raideur soit supérieur à la force d'ouverture provoquée par la pression palier, selon l'expression: 2 X 2 _2 FR +C x ( 01 -03) PAx ( 0 - 05) Revenant à la figure 5, il y a lieu de noter que parmi les avantages de la bague segmentée 22, on peut citer le fait que celle-ci est en permanence au contact de la bague 6 et de la douille 17, quelles que soient les variations en dimensions dues aux gradients de température. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et qu'on pourra y apporter toute modifi- cation utile, notamment dans le domaine des équivalences techniques, sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité de turbopompe pour propergol liquide, du type comportant au moins une bague flottante, monté dans un bottier (4) concentrique à l'arbre rotatif (2) entre la turbine (1) et la pompe (A), caractérisé par le fait que ledit boltier définit une cavité (O) pour un gaz de mise sous pression, délimitée du côté de la turbine par une bague d'appui (6) qui lui est solidarisée, au contact d'une première bague d'étanchéité immobilisée en rotation (8, 22) et, du côté de la pompe, par une coquille (11) rapportée dont une face (15) est au contact d'une seconde bague d'étanchéité (12) flottante immobilisée en rotation,ellememe prenant appui sur une bague de friction (16) solidaire de l'arbre, lesdites bagues étant montées sur une douille (17) concentrique audit arbre, la coquille étant en outre reliée à la cavité par un soufflet (21). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le bottier est fixé sur un carter (5) par l'inter- médiaire d'un joint statique (20). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'un amortisseur de vibration (18) est intercalé entre la coquille et le bottier. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la première bague d'étanché- ité du côté de la turbine est constituée par une bague flottan- te (8) montée sur la douille (17) et sollicitée par un ressort (9) au contact de la bague d'appui (6). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la première bague d'étan- chéité du côté de la turbine est constituée par une bague à segments (22) sollicitée par un ressort (23) au contact de la bague d'appui (6). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'au moins la coquille (11) ou la bague d'appui (6) est prolongée en aval de la pompe (A) par un labyrinthe (24, 25). - 2589955 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le fluide pompé est l'hy- drogene et que le gaz de mise en pression de la cavité (Oc) est l'hélium.