Brevet FR2665223A1 — publié le 19920131

Procédé pour entraîner simultanément deux pompes à régimes différents et turbopompe pour comprimer simultanément deux fluides. La présente invention concerne un procédé pour entraîner simultanément deux pompes centrifuges susceptibles de tourner à des vitesses différentes. De nombreuses applications techniques nécessitent l'em- ploi simultané de deux pompes centrifuges pour la compression de deux fluides Il en est ainsi, par exemple, pour l'alimentation de moteurs de fusée à ergols liquides Ces applications nécessitent que le dimensionnement et la vitesse des deux pompes soient adaptés au type de fluide à comprimer et à l'augmentation de pres- sion à réaliser, de manière à obtenir le meilleur rendement du système de compression de deux fluides pour un faible poids. Il a déjà été proposé de dimensionner les pompes pour qu'elles puissent être entraînées au même régime au moyen d'une turbine unique, les pompes et la turbine étant rendues solidaires par un arbre unique Cette disposition n'est pas favorable au ren- dement global de l'ensemble du système, car le rendement de chacun des composants, pompes ou turbine, ne peut pas être optimisé par une adaptation du régime mécanique. Il est également possible d'entraîner les deux pompes à des vitesses différentes par une turbine unique en interposant un réducteur de vitesse sur l'une des pompes Cette solution présente l'inconvénient d'entraîner une augmentation de masse et d'encom- brement, bien que cet inconvénient soit atténué par le fait que le réducteur est en général interposé sur la pompe qui a la plus fai- ble puissance, et d'entraîner des vibrations supplémentaires lors du fonctionnement. On peut évidemment entraîner chaque pompe par une turbine séparée, mais cette solution est défavorable du point de vue de la masse et de l'encombrement du système. Le but de la présente invention est de pallier ces inconvénients et de proposer un procédé, pour entraîner simultané- ment deux pompes centrifuges devant tourner à des régimes diffé- rents, qui permette d'utiliser les pompes avec des rendements optimisés tout en maintenant la masse et l'encombrement de l'ensem- ble du système dans des proportions raisonnables. Le but est atteint selon l'invention par le fait que l'on utilise une turbine contrarotative dont les rotors imbriqués tournent en sens inverse et à des régimes identiques aux régimes des pompes et en ce que l'on accouple directement lesdites pompes auxdits rotors imbriqués. De préférence on accouple la pompe ayant le régime le plus rapide au rotor interne de la turbine contrarotative qui se trouve la plus proche de l'axe de ladite turbine. Grâce à cette solution, on obtient de bons rendements pour le système global, car on peut adapter les régimes de rotation de chaque pompe au type d'ergol pompé et à la différence de pres- sion à réaliser De plus, l'absence de distributeurs à aubages fixes, entre les étages d'aubes mobiles de la turbine, améliore le rendement de la turbine contrarotative L'absence de réducteur, ré- sultant de la solution proposée, entraîne un gain en masse et en encombrement par rapport aux solutions connues. Naturellement le dimensionnement de la turbine contra- rotative et la géométrie des aubes mobiles sont calculés en fonction des puissances et vitesses respectives des deux pompes centrifuges et en fonction du fluide gazeux disponible pour actionner les rotors de la turbine. La présente invention concerne également une turbopompe pour comprimer simultanément deux fluides, destinée notamment à alimenter un moteur fusée à ergols liquides, caractérisée en ce qu'elle comporte: d'une part, une première et une deuxième pompes centrifuges disposées coaxialement, lesdites pompes présentant, chacune, un carter fixe et un rouet mobile susceptible de tourner autour de l'axe commun desdites pompes pour comprimer un ergol liquide qui pénètre dans ladite pompe par un orifice d'entrée prévu dans le carter et en sort, à l'état comprimé, par un collecteur de sortie ménagé dans le carter, et, d'autre part, une turbine contrarotative coaxiale auxdites pompes et disposée entre celles-ci, ladite turbine présentant une enveloppe extérieure formant carter de turbine et reliant les carters fixes desdites pompes, un rotor interne disposé à l'intérieur de ladite enve- loppe près de l'axe commun desdites pompes et accouplé au rouet de la première pompe, et un rotor externe entourant le rotor interne à l'intérieur de ladite enveloppe et accouplé au rouet de la deuxième pompe, lesdits rotors interne et externe délimitant entre eux un espace annulaire coaxial à l'axe commun desdites pompes et compor- tant, chacun, au moins un étage d'aubes qui s'étendent radialement dans ledit espace annulaire, les étages d'aubes de l'un desdits rotors alternant avec les étages d'aubes de l'autre desdits rotors dans la direction axiale de ladite turbine, et lesdits rotors étant susceptibles d'être entraînés en rotation grâce à la détente d'un troisième ergol gazeux pénétrant dans ledit espace annulaire par un canal d'alimentation d'ergol et s'en échappant par un col- lecteur d'échappement prévu dans ladite enveloppe. Dans le cas o les deux pompes sont susceptibles de tour- ner à des régimes différents, la pompe destinée à tourner le plus vite est accouplée au rotor interne de la turbine contrarotative. Le canal d'alimentation d'ergol de la turbine est prévu du côté de la deuxième pompe et le collecteur d'échappement est disposé du côté de la première pompe. Le rotor interne est porté, en amont de l'espace annu- laire, par une tige de support disposée dans l'axe des pompes, ladite tige de support étant reliée au rotor externe par une pluralité de bras de support radiaux, en forme d'ailettes, destinés à dévier le flux du troisième ergol circulant dans le canal d'alimentation d'ergol qui est coaxial auxdites pompes en amont desdits bras de support. Un palier est interposé entre le rotor interne et ladite tige de support, et le rotor interne est positionné par rapport à la structure fixe, constituée par l'enveloppe de la turbine et les carters fixes des pompes, à l'aide d'un palier prévu au niveau de la première pompe. De préférence, le canal d'alimentation d'ergol de la turbine traverse le rouet de la deuxième pompe et débouche sur le carter de celle-ci par un orifice axial. Selon une variante, un collecteur annulaire d'entrée d'ergol gazeux, communiquant avec le canal d'alimentation d'ergol par des orifices prévus dans la paroi du rotor externe, est ménagé dans l'enveloppe de la turbine au voisinage de la deuxième pompe. Le rotor externe est positionné par rapport à la structure fixe, constituée par l'enveloppe de la turbine et les carters des pompes, à l'aide de deux paliers disposés l'un au niveau de la deuxième pompe, l'autre au droit des bras de support. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite en réfé- rence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 montre schématiquement une vue en coupe de la turbopompe de l'invention, selon un mode préféré de réalisation, la figure 2 montre, en coupe, une variante de la turbopompe de l'invention, dans laquelle la turbine comporte un collecteur annulaire d'entrée d'ergol gazeux, la figure 3 montre, en coupe, une deuxième variante de réalisation dans laquelle les deux pompes sont alimentées axia- lement, la figure 4 montre le diagramme des vitesses d'une aube de rotor interne, et la figure 5 montre le diagramme des vitesses d'une aube de rotor externe. La figure 1 montre une turbopompe 1 destinée notamment à pomper simultanément deux ergols liquides pour alimenter un moteur fusée par exemple La turbopompe 1 est constituée de deux pompes 2 a et 2 b centrifuges et coaxiales qui sont susceptibles d'être entraî- nées à des vitesses différentes par la même turbine contrarotative 3 coaxiale aux pompes 2 a et 2 b. La première pompe centrifuge 2 a comporte un carter extérieur fixe 5 a et un rouet mobile 6 a Ledit rouet est disposé à l'intérieur du carter 5 a et est susceptible de tourner autour de l'axe 7, commun aux deux pompes 2 a et 2 b et à la turbine 3, pour comprimer un premier ergol qui pénètre dans ladite pompe 2 a par un orifice d'entrée Sa et en sort, à l'état comprimé, par un collec- teur de sortie 9 a ménagé dans le carter 5 a. De la même manière, la deuxième pompe centrifuge 2 b com- porte un carter extérieur fixe 5 b et un rouet mobile 6 b Ce rouet 6 b est disposé à l'intérieur du carter 5 b et est susceptible de tourner autour de l'axe 7 pour comprimer un deuxième ergol qui pénètre dans ladite pompe 2 b par un orifice d'entrée 8 b et en sort, à l'état comprimé, par un collecteur de sortie 9 b ménagé dans le carter 5 b. Les deux pompes centrifuges 2 a et 2 b sont disposées respectivement à chaque extrémité axiale de la turbine contrarota- tive 3. La turbine contrarotative 3 comporte une enveloppe exté- rieure fixe 10 de forme sensiblement cylindrique, qui constitue le carter de la turbine 3 et qui relie les carters 5 a et 5 b des pom- pes centrifuges 2 a et 2 b La turbine 3 comporte en plus deux rotors imbriqués Il et 12 qui sont montés rotatifs autour de l'axe commun 7 à l'intérieur de l'enveloppe 10. Le premier rotor 11, dit rotor interne, est disposé près de l'axe 7 et est accouplé à la première pompe 2 a Le deuxième rotor 12, dit rotor externe, entoure au moins partiellement le rotor interne Il et est accouplé au rouet 6 b de la deuxième pompe 2 b Le rotor externe 12 délimite avec le rotor interne Il un espace annulaire 13 coaxial à l'axe commun 7 Chaque rotor Il et 12 comporte au moins un étage d'aubes, 14 a pour le rotor interne Il et a pour le rotor externe 12 Le nombre d'étages d'aubes de chaque rotor peut être supérieur à un, mais les nombres d'étages d'aubes des deux rotors Il et 12 sont identiques ou ils diffèrent au plus d'une unité Sur la figure 1 on voit que le rotor interne 11 comporte trois étages d'aubes 14 a, 14 b et 14 c et le rotor externe 12 n'en comporte que deux référencés 15 a et 15 b. Les étages d'aubes 14 a, 14 b, 14 c du rotor interne 11 al- ternent avec les étages d'aubes 15 a, 15 b du rotor externe 12 le long de l'axe 7, et les aubes 16 de chaque étage d'aubes s'éten- dent radialement dans l'espace annulaire 13 et sont régulièrement réparties angulairement dans cet espace 13. Les rotors internes 11 et 12 sont susceptibles d'être en- traînés en rotation autour de l'axe 7 par la détente d'un troisième ergol gazeux qui pénètre dans ledit espace annulaire 13 en passant par un canal d'alimentation d'ergol 17 situé du côté de la deuxiè- me pompe 2 b et s'en échappe par un collecteur d'échappement 18 prévu dans l'enveloppe 10 au voisinage de la première pompe 2 a. Le rotor interne Il est centré sur le rotor externe 12 à l'aide d'une tige de support 19, avec interposition d'un palier à roulement à billes 19 a, qui s'étend dans l'axe 7 de la turbine 3 et qui est reliée au rotor externe 12 par une pluralité de bras de support 20 radiaux en forme d'ailettes qui sont destinés à dévier le flux du troisième ergol pénétrant dans l'espace annulaire 13. Les bras de support 20 s'étendent radialement dans l'espace annulaire 13 et de préférence le diamètre moyen de cet espace annu- laire 13 décroît du côté de l'entrée de l'ergol gazeux de façon à aboutir au canal d'alimentation d'ergol 17 qui se trouve dans l'axe 7 de la turbine 3 en amont des bras de support 20. Le rotor interne Il centré sur le rotor externe 12 par le palier à roulement à billes 19 a est constitué, de manière connue, par une première virole 21 de forme conique disposée entre le palier 19 a et le premier étage d'aubes 14 a, et une deuxième virole 22 également de forme conique reliant le dernier étage d'aubes 14 b à l'arbre 23 du rouet 6 a de la première pompe 2 a Le rotor interne Il est positionné par rapport à la structure fixe 24 de la turbopompe 1, structure fixe 24 constituée par les carters 5 a et 5 b et l'enveloppe 10, par un palier 25, comportant un roulement à billes, interposé entre l'arbre 23 du rouet 6 a et une partie 24 a de la structure fixe 24 formant un flasque latéral annulaire commun à la première pompe 2 a et à la turbine 3. De la même manière, le rotor externe 12 est constitué d'une troisième virole 26 de forme conique qui relie l'arbre 27 du rouet 6 b au premier étage d'aubes 15 a Il est centré sur la struc- ture fixe 24, d'une part, par un deuxième palier à roulement à billes 28 prévu au droit des bras de support 20, entre la troisième virole 26 et un deuxième flasque latéral annulaire 29 séparant la turbine 3 et la deuxième pompe 2 b, et, d'autre part, par un troisième palier 30 à roulement à rouleaux interposé entre l'arbre 27 du rouet 6 b et le corps fixe 5 b de la deuxième pompe 2 b. La première virole 21 et la deuxième virole 22 délimitent autour de l'axe 7 un espace annulaire 31 de taille suffisante pour permettre de loger des disques de turbine 32 a, 32 b, 32 c qui portent respectivement les étages d'aubes 14 a, 14 b et 14 c Ces disques 32 a, 32 b, 32 c ont une taille suffisante pour résister à des forces cen- trifuges importantes résultant de la rotation à grande vitesse du rotor interne 11 C'est pourquoi la première pompe 2 a accouplée au rotor fixe Il est celle des deux pompes 2 a et 2 b qui tourne le plus vite Deux disques consécutifs, 32 a et 32 b par exemple, sont reliés entre eux de manière connue, par des parois coniques délimitant avec l'espace annulaire 13 une zone annulaire 33 entourée par l'espace annulaire 13 et située au droit de l'étage d'aubes 15 a correspondant, dans laquelle peut loger un disque annulaire 34 portant les aubes 16 de l'étage d'aubes 15 a L'espace annulaire 13 qui constitue la veine d'écoulement du troisième ergol est délimité de manière connue en tête et pieds d'aubes par des pièces complémentaires assurant la continuité de la veine et son étanchéité. Pour la première pompe 2 a, l'orifice d'entrée 8 a du premier ergol est de préférence coaxial avec l'axe commun 7 des pompes 2 a, 2 b et de la turbine 3. La deuxième pompe 2 b tourne beaucoup moins vite que la première pompe 2 a aussi, comme on le voit sur la figure 1, le moyeu du rouet 6 b peut être creux le long de l'axe 7 pour permettre le prolongement du canal d'alimentation d'ergol 17 qui débouche alors dans l'axe 7 de la turbopompe 1, par une ouverture 35 prévue dans le flasque latéral du carter 5 b Dans ce cas l'orifice d'entrée 8 b du deuxième ergol comprimé par la deuxième pompe 2 b est éloigné de l'axe 7 des pompes 2 a et 2 b. Lorsque l'ouverture maximale pouvant être pratiquée dans le moyeu du rouet 6 b est insuffisante pour permettre un débit suffisant d'ergol gazeux dans l'espace annulaire 13 pour actionner les pompes 2 a et 2 b, une variante de construction, montrée sur les figures 2 et 3, prévoit un collecteur annulaire d'entrée d'ergol gazeux 36 dans l'enveloppe 10 de la turbine 3 Ce collecteur 36 communique avec le canal d'alimentation d'ergol 17 par des orifices 37 prévus dans la troisième virole 26 en amont des bras de support , avec interposition de joints d'étanchéité. Des joints d'étanchéité 38 a, 38 b et 38 c sont prévus respectivement entre la première virole 21 et la tige de support 19, entre l'extrémité aval du rotor externe 12 et l'enveloppe 10, ainsi qu'entre l'enveloppe 10 et la deuxième virole 22 Ces joints d'étanchéité sont destinés à rendre l'espace annulaire 13 étanche. Les pompes 2 a et 2 b sont également munies de joints d'étanchéité, non représentés sur le dessin, destinés à isoler les ergols comprimés par ces pompes et à empêcher des fuites vers l'intérieur de l'enveloppe 10. Les triangles de vitesse de deux étages d'aubes consécu- tifs 14 a et 15 a par exemple, sont montrés en exemple pour un type de turbine 3 donné sur les figures 4 et 5 Les vitesses tangen- tielles UN et UN+l sont dans le rapport des régimes mécaniques des rotors Il et 12, en considérant que les rayons moyens des deux éta- ges 14 a et 15 a sont identiques Pour chaque étage d'aubes 14 a ou a, les triangles de vitesse sont symétriques pour les vitesses en entrée VE et en sortie VS Les aubes 16 sont dessinées de telle manière que la vitesse axiale VX est maintenue constante sur l'ensemble des étages d'aubes. Afin d'obtenir un rendement de turbine proche de l'opti- mum, la valeur de VX est choisie de façon à assurer aux rapports de la vitesse axiale VX et des vitesses tangentielles UN et UN+ 1 des valeurs placées de part et d'autre de la valeur 1 Dans l'exemple représenté par les figures 4 et 5, ce rapport peut être voisin de 0,77 pour l'étage d'aubes 14 a et voisin de 2 pour l'étage d'aubes a Le rapport des vitesses UN et UN+ 1 est quant à lui voisin de 3. Les bras de support 20 solidaires du rotor externe 12 ont pour fonction aérodynamique d'orienter l'écoulement de l'ergol gazeux à l'entrée du premier étage d'aubes 14 a, comme le ferait un distributeur d'entrée dans une turbine traditionnelle Ces bras de support 20 étant voisins de l'axe 7 ils fournissent au rotor externe 12 une puissance très inférieure à celle fournie aux éta- ges d'aubes 15 a, 15 b de ce rotor externe 12. Nous avons spécifié que le nombre d'étages de chaque rotor peut être différent de l'unité Ce nombre est calculé en fonction de l'ergol gazeux utilisé pour entraîner ces rotors Il et 12 En particulier l'utilisation de l'hydrogène chaud à haute tem- pérature en tant qu'ergol gazeux pour entraîner les rotors Il et 12, permet d'obtenir une charge par étage d'aubes très supérieure à celle des autres fluides Ceci permet de diminuer le nombre d'étages d'aubes pour un débit d'ergol et une puissance de turbine fixés. La turbopompe 1 décrite ci-dessus est particulièrement adaptée pour alimenter un moteur fusée à ergols liquides, oxygène et hydrogène, avec cycle expander, dans lequel la turbine contra- rotative est entraînée par de l'hydrogène chaud issu du circuit régénératif Il va de soi que cette turbopompe 1 peut être utilisée pour comprimer d'autres fluides, liquides ou gazeux, et que la turbine 3 peut être entraînée par un fluide gazeux autre que de l'hydrogène. REVENDICATIONS 1 Procédé pour entraîner simultanément deux pompes centrifuges ( 2 a, 2 b) susceptibles de tourner à des régimes différents, caracté- risé en ce que l'on utilise une turbine contrarotative ( 3) dont les rotors imbriqués ( 11, 12) tournent en sens inverse et à des régimes identiques aux régimes des pompes ( 2 a, 2 b) et en ce que l'on accouple directement lesdites pompes ( 2 a, 2 b) auxdits rotors imbriqués ( 11, 12). 2 Procédé selon la revendication I caractérisé en ce que l'on accouple la pompe ( 2 a) ayant le régime le plus rapide au rotor interne ( 11) situé au voisinage de l'axe ( 7) de la turbine ( 3). 3 Turbopompe pour comprimer simultanément deux fluides, destinée notamment à alimenter un moteur fusée à ergols liquides, caractérisée en ce qu'elle comporte d'une part, une première ( 2 a) et une deuxième ( 2 b) pompes centrifuges disposées coaxialement, lesdites pompes ( 2 a, 2 b) présentant chacune un carter fixe ( 5 a, 5 b) et un rouet mobile ( 6 a, 6 b) susceptible de tourner autour de l'axe commun ( 7) desdites pompes ( 2 a, 2 b) pour comprimer un ergol liquide qui pénètre dans ladite pompe ( 2 a, 2 b) par un orifice d'entrée ( 8 a, 8 b) prévu dans le carter ( 5 a, 5 b) et en sort, à l'état comprimé, par un collecteur de sortie ( 9 a, 9 b) ménagé dans le carter ( 5 a, 5 b), et, d'autre part, une turbine contrarotative ( 3) coaxiale auxdites pompes ( 2 a,2 b) et disposée entre celles-ci, ladite turbine ( 3) présentant: une enveloppe ( 10) extérieure formant carter de turbine et reliant les carters fixes ( 5 a, 5 b) desdites pompes ( 2 a, 2 b), un rotor interne ( 11) disposé à l'intérieur de ladite enveloppe ( 10) près de l'axe commun ( 7) desdites pompes ( 2 a, 2 b) et accouplé au rouet ( 6 a) de la première pompe ( 2 a) et un rotor externe ( 12) entourant le rotor interne ( 11) à l'intérieur de ladite enveloppe ( 10) et accouplé au rouet ( 6 b) de la deuxième pompe ( 2 b), lesdits rotors interne ( 11) et externe ( 12) délimitant entre eux un espace annulaire ( 13) coaxial à l'axe commun ( 7) desdites pompes ( 2 a, 2 b) et comportant chacun au moins un étage d'aubes ( 14 a, 15 a) qui s'étendent radialement dans ledit espace annulaire ( 13), les étages d'aubes ( 14 a, 14 b, 14 c) de l'un desdits rotors ( 11) alternant avec les étages d'aubes ( 15 a, 15 b) de l'autre desdits rotors ( 12) dans la direction axiale de ladite turbine ( 3), et lesdits rotors ( 11, 12) étant susceptibles d'être entraînés en rotation grâce à la détente d'un troisième ergol gazeux pénétrant dans ledit espace annulaire ( 13) par un canal d'alimentation d'ergol ( 17) et s'en échappant par un collecteur d'échappement ( 18) prévu dans ladite enveloppe ( 10). 4 Turbopompe selon la revendication 3 dans laquelle les deux pompes ( 2 a, 2 b) sont susceptibles de tourner à des régimes différents, caractérisée en ce que la pompe ( 2 a) destinée à tourner le plus vite est accouplée au rotor interne ( 11) de la turbine contrarotative ( 3). Turbopompe selon la revendication 4 caractérisée en ce que le canal d'alimentation d'ergol ( 17) de la turbine ( 3) est prévu du côté de la deuxième pompe ( 2 b) et le collecteur d'échappement ( 18) est disposé du côté de la première pompe ( 2 a). 6 Turbopompe selon la revendication 5 caractérisée en ce que le rotor interne ( 11) est porté, en amont de l'espace annulaire ( 13), par une tige de support ( 19) disposée dans l'axe ( 7) des pompes ( 2 a, 2 b), ladite tige de support ( 19) étant reliée au rotor externe ( 12) par une pluralité de bras de support ( 20) radiaux en forme d'ailettes destinés à dévier le flux du troisième ergol circulant dans le canal d'alimentation d'ergol ( 17) qui est coaxial auxdites pompes ( 2 a, 2 b) en amont desdits bras de support ( 20). 7 Turbopompe selon la revendication 6 caractérisée en ce qu'un palier ( 19 a) est interposé entre le rotor interne ( 11) et ladite tige de support ( 19), et en ce que le rotor interne ( 11) est positionné par rapport à la structure fixe ( 24) constituée par l'enveloppe ( 10) de la turbine ( 3) et les carters fixes ( 5 a, 5 b) des pompes ( 2 a, 2 b) à l'aide d'un palier ( 25) prévu au niveau de la première pompe ( 2 a). 8 Turbopompe selon l'une des revendications 6 et 7 caractérisée en ce que le canal d'alimentation d'ergol ( 17) de la turbine ( 3) traverse le rouet ( 6 b) et la deuxième pompe ( 2 b) et débouche sur le carter ( 5 b) de celle-ci par un orifice axial ( 35). 9 Turbopompe selon l'une des revendications 6 et 7 caractérisée en ce qu'un collecteur annulaire d'entrée d'ergol gazeux ( 36) communiquant avec le canal d'alimentation d'ergol ( 17) par des orifices ( 37) prévus dans la paroi du rotor externe ( 12) est ménagé dans l'enveloppe ( 10) de la turbine ( 3) au voisinage de la deuxième pompe ( 2 b). Turbopompe selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que le rotor externe ( 12) est positionné par rapport à la structure fixe ( 24), constituée par l'enveloppe ( 10) de la turbine ( 3) et les carters ( 5 a, 5 b) des pompes ( 2 a, 2 b) à l'aide de deux paliers ( 28, 30) disposés l'un ( 30) au niveau de la deuxième pompe ( 2 b), l'autre ( 28) au droit des bras de support ( 20).