Brevet FR2698667A1 — publié le 19940603

Pompe centrifuge à rouet ouvert Domaine de l'invention La présente invention concerne une pompe centrifuge à rouet ouvert utilisable non seulement dans des applications industrielles, mais aussi dans le cadre de turbopompes de moteurs-fusées. Art antérieur Les turbopompes des moteurs-fusées équipant le premier étage d'un lanceur sont de forte puissance et se caractérisent par des débits importants et des pressions moyennes ou élevées. Dans les réalisations existantes de telles turbopompes de forte puissance, les rouets de tous les étages centrifuges de pompe sont munis de flasques solidaires des rouets, ce qui définit des pompes à rouet fermé de haut rendement, bénéficiant d'une large tolérance de position axiale du rouet, mais dont la vitesse périphérique est limitée par la tenue mécanique du flasque L'utilisation de rouets fermés conduit à augmenter le nombre d'étages de pompe pour une surpression donnée, et par suite accroît sensiblement le coût De plus, l'usinage de rouets fermés est relativement complexe, ce qui contribue à rendre ce type de pompe encore plus onéreux. On a par ailleurs déjà proposé de mettre en oeuvre dans des étages centrifuges de pompe, des rouets ouverts, c'est-à-dire des rouets dépourvus de flasque solidaire de la partie frontale des aubes L'usinage des rouets ouverts est facilité, mais de tels rouets ouverts impliquent un jeu de rouet entre la partie frontale avant des aubes dudit rouet et la partie avant du carter de pompe, jeu qui crée une fuite et diminue le rendement volumétrique Pour maintenir ce rendement à une valeur acceptable, soit on assigne au rouet une position axiale très précise à partir des paliers, entraînant des coûts élevés quand ce n'est pas une impossibilité d'exécution, soit on accepte un jeu de rouet important applicable seulement à des pompes de faible puissance, ou peu sensibles à ce paramètre comme le sont les pompes à vitesse spécifique élevée, c'est-à-dire les pompes hélicocentrifuges. Le système d'équilibrage axial des pompes centrifuges à rouet ouvert ou fermé, est soit un système passif, par exemple une butée lisse lubrifiée ou un roulement à contact oblique, soit un système actif à plateau d'équilibrage indépendant. Les deux systèmes, mais surtout le système passif, apportent une longue chaîne de cotes, dont certaines sont grandes, ainsi que des déformations élastiques très partiellement prédéterminables D'o des réglages, démontages, retouches, remontages, qui ne sont pas toujours capables d'aboutir au résultat souhaité. On connaît encore une turbopompe de forte puissance comportant des rouets ouverts, qui est illustrée sur la figure 7 et qui était destinée à équiper le moteur dénommé XLR 129 dont le développement avait été entrepris par la Société PRAIT & WIETNEY. Dans une telle turbopompe, l'arbre central 122, entraîné à sa partie arrière par un premier étage de turbine 132 et un deuxième étage de turbine 133, porte à sa partie avant un inducteur 131, ainsi qu'un rouet ouvert 105 de premier étage et un rouet ouvert 155 de deuxième étage montés dos à dos en opposition sur des paliers 123,124 Les rouets 105, 155 portent des aubes 106,156 qui sont démunies de flasque extérieur et se trouvent positionnées directement en face des parois épaisses du carter 101,102 L'équilibrage axial est assuré par un piston d'équilibrage séparé 160 qui constitue un régulateur actif en effort, l'arbre 122 étant libre de se déplacer axialement et se positionnant de telle sorte que la somme des efforts axiaux soit nulle Du fait de la présence d'un piston d'équilibrage séparé, il est difficile de contrôler avec précision les jeux entre les rouets ouverts et les faces correspondantes du carter et les pertes par fuite de fluide peuvent être importantes, ce qui empêche d'obtenir un rendement volumique élevé. Objet et description succincte de l'invention La présente invention vise à réaliser pour de fortes surpressions et un grand débit, une pompe centrifuge à rouet ouvert, qui à la fois présente une simplicité de fabrication, permet de réduire le nombre d'étages de pompe pour une surpression donnée, du fait qu'elle autorise des vitesses périphériques très élevées, et présente des pertes par fuite limitées de manière à obtenir un rendement volumétrique plus élevé que les pompes centrifuges connues à rouet ouvert. L'invention vise encore à réaliser une pompe centrifuge à rouet ouvert utilisable aussi bien dans des applications industrielles que dans le cadre de turbopompes de forte puissance telles que celles qui sont utilisées dans un moteur- fusée de premier étage de lanceur. Ces buts sont atteints grâce à une pompe centrifuge à rouet ouvert, pour véhiculer un liquide de travail, comprenant au moins un rouet ouvert muni d'aubes placé à l'intérieur d'un carter définissant une canalisation d'aspiration en regard de la base des aubes située au voisinage d'un arbre central d'entraînement du rouet faisant partie d'un ensemble tournant, et une canalisation de refoulement équipée d'un diffuseur fixe disposé en regard de l'extrémité périphérique des aubes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un système d'équilibrage axial actif de l'ensemble tournant, lequel système d'équilibrage est intégré au rouet et comprend une chambre d'équilibrage interposée entre la face arrière du corps du rouet et une partie arrière extérieure du carter, ladite chambre d'équilibrage communiquant avec ladite canalisation de refoulement par un premier ajutage dont le jeu axial est maintenu invariable en fonctionnement et qui est défini par l'extrémité périphérique du rouet jouant lui-même le rôle de plateau d'équilibrage et une pièce d'ajutage solidaire de ladite partie arrière extérieure du carter et interposée entre le diffuseur et ladite extrémité périphérique du rouet, ladite chambre d'équilibrage communiquant directement ou indirectement avec la canalisation d'aspiration de la pompe par un second ajutage. Ainsi, selon l'invention le système d'équilibrage axial du rotor comprenant le rouet ouvert est du type actif et se trouve intégré à ce rouet qui joue lui-même le rôle de piston d'équilibrage De la sorte, une référence axiale précise est disponible à proximité immédiate du sommet des aubes du rouet. Selon l'invention, l'agencement des pièces est tel que le jeu entre le rouet et le carter qui lui fait face peut être déterminé par un petit nombre de cotes Les pertes par fuite peuvent ainsi être très réduites avec une pompe centrifuge selon l'invention du fait que le jeu entre la face avant avant du carter et le rouet ouvert est piloté en positionnant les régions périphériques du rouet et de la pièce intermédiaire par rapport aux faces actives de l'ajutage supérieur du système l'équilibrage axial dont le jeu est très précis, en se servant d'une chaîne de cote réduite au minimum. Selon un aspect important de la présente invention, le jeu J entre le rouet et la partie avant du carter est déterminé par une chaîne de cotes limitée à l'ensemble d'une cote Jl définie entre ladite pièce d'ajutage radiale et ladite paroi avant du carter faisant face aux aubes, d'une cote J 12 définie entre ladite pièce d'ajutage et l'extrémité périphérique du rouet et une cote J 13 définie entre ladite extrémité périphérique du rouet et la face avant du rouet. La chaîne de cotes est ainsi limitée à trois cotes précises, alors que les réalisations de l'art antérieur impliquent soit l'exécution de huit cotes précises soit la sujétion d'ajuster le résultat de la chaîne de cotes en réalisant spécifiquement à la demande une cale d'ajustement de l'épaisseur du rouet. L'invention est applicable notamment à une turbopompe de forte puissance pour moteur-fusée. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en demi-coupe axiale montrant un système d'équilibrage axial actif intégré au rouet ouvert d'une pompe centrifuge conformément à la présente invention, la figure 2 montre vue en demicoupe axiale, la structure générale d'un exemple de pompe centrifuge à rouet ouvert selon l'invention, intégrant le système d'équilibrage axial actif de la figure 1, la figure 3 montre, en demi-coupe axiale, un rouet ouvert monté de façon classique, avec l'indication des diverses cotes contribuant à définir le jeu axial du rouet, la figure 4 montre en demi-coupe axiale, un rouet ouvert monté conformément à l'invention, avec l'indication des diverses cotes contribuant à définir le jeu axial du rouet, les figures 5 et 6 sont des diagrammes comparatifs faisant apparaître les distances cumulées des diverses cotes contribuant à définir le jeu dans le montage classique de la figure 3 et le montage selon l'invention de la figure 4, la figure 7 est une vue en coupe axiale d'un projet connu de turbopompe mettant en oeuvre deux rouets ouverts montés en opposition, et les figures 8 à 10 représentent des abaques connus donnant, pour différentes vitesses spécifiques, respectivement le rendement volumétrique relatif en fonction du jeu relatif au niveau du rouet, la surpression relative en fonction du jeu au niveau du rouet et le rendement volumétrique complémentaire en fonction du débit, pour des pompes centrifuges. Description détaillée de modes particuliers de réalisation On décrira d'abord, en référence aux figures 1 et 4, la structure générale d'une pompe centrifuge à rouet ouvert conforme à l'invention. Le rouet 5, comprenant un corps sur la face avant duquel sont montées des aubes 6, est entraîné en rotation par un arbre central 22 monté à l'aide de paliers 23, 24 à l'intérieur d'un carter 1,2 qui comprend une partie avant 1 et une partie arrière 2. Une canalisation d'aspiration 3 est ménagée dans la partie avant 1 du carter au voisinage de l'arbre central 22 pour amener au contact des aubes 6 du rouet 5 un fluide à une pression Pi Un diffuseur 7 monté sur la partie arrière 2 du carter et prolongé par une canalisation de refoulement 4 est disposé autour de la partie périphérique des aubes 6 du rouet 5 pour évacuer par une volute ou un tore, non représenté sur la figure 1, le fluide à une pression P 2 supérieure à la pression d'entrée Pi. Conformément à l'invention, le rouet 5 est de type ouvert, c'est-à- dire qu'aucun flasque n'est monté sur la face avant du rouet, et un système d'équilibrage axial actif de l'ensemble tournant utilise la partie arrière du rouet 5 comme plateau d'équilibrage Ainsi, un ajutage 8 définissant un jeu invariable en fonctionnement J 12 (figure 4) est réalisé à la partie périphérique du rouet entre une pièce 71 solidaire de la partie arrière 2 du carter, ou du diffuseur 7, et une partie périphérique 51 du corps de rouet 5 qui vient se positionner derrière la pièce 71 L'ajutage 8 assure une communication du fluide présent à l'entrée du diffuseur 7 vers une chambre 14 située derrière le corps du rouet 5 et débouchant à son extrémité située du côté le plus proche de l'arbre 22, par un orifice calibré 15. Un jeu réduit 13 de valeur J est défini entre la partie avant 1 du carter 1,2 et les aubes 6. D'une manière générale, pour des spécifications en débit et surpression, et pour une vitesse de rotation données, il est nécessaire de réduire à un niveau permettant d'assurer des performances acceptables le rapport J/B entre le jeu J entre la paroi faisant face aux aubes 6 du rouet 5 et le rouet 5 et la largeur ou profondeur B des aubes 6 du rouet 5 à la périphérie de celui-ci. En pratique, l'augmentation de la largeur B des aubes 6 en sortie du rouet 5 est limitée, pour les rouets à fortes surpression, par la nécessité d'assurer la bonne tenue mécanique de ce rouet, et le jeu J a tendance à augmenter lorsque la vitesse de rotation augmente compte tenu des déformations des carters. Les figures 8 à 10 montrent trois abaques connus montrant de quelle manière, dans une pompe centrifuge, le rendement volumétrique et la surpression sont fonction du jeu relatif J/B, de la vitesse spécifique et du débit. Les abaques des figures 8 et 9 sont extraits d'une monographie de la NASA intitulée "centrifugal flow turbopump' tandis que l'abaque de la figure 10 est extrait de l'ouvrage "Pump handbook" de I J KARASSIK, W C KRUTZCH, W H. FRASER et JP MESSINA publié par Mc Graw-Hill Book Company. Les abaques des figures 8 et 9 donnent respectivement, pour trois vitesses spécifiques différentes correspondant à des profondeurs d'extrémités des aubes du rouet différentes, le rendement volumétrique relatif et la surpression relative, d'une pompe à rouet ouvert par rapport à une pompe à rouet muni d'un flasque, en fonction du jeu relatif J/B entre le jeu J entre la paroi faisant face aux aubes du rouet et le rouet et la profondeur B des aubes du rouet à la périphérie de celui-ci. Les abaques de la figure 10 montrent, pour quatre vitesses spécifiques différentes Ns, le rendement volumétrique complémentaire ( 1 qv) en fonction du débit Q, les vitesse spécifiques Ns étant déterminées à partir de la vitesse de rotation N du rouet exprimée en tours/mn, du débit Q exprimé en litres/mn et de la profondeur B des aubes exprimée en cm, par la formule: Ns = ( 0,514 N \f 4) / ( 0,077 B 3/4) On notera que la relation entre les expressions de la vitesse spécifique Ns apparaissant dans les abaques des figures 8 et 10 et la vitesse spécifique adimensionnelle figurant dans le tableau comparatif donné ci- dessous est la suivante: vitesse spécifique adimensionnelle Ns= 2733 A titre d'exemple, on indique par ailleurs dans le tableau ci-dessous, les valeurs des performances d'une part pour une pompe qui serait construite de façon classique et d'autre part pour une pompe réalisée conformément à l'invention, avec des valeurs typiques de pression Po = 250 bar et de débit Qo = 50 kg/s. Le tableau ci-dessous permet de constater les gains apportés par l'invention pour la valeur du jeu relatif J/B ainsi que pour le rendement. POMPE REPONDANT AU BESOIN (Po Qo) VALEUR DES Construite de Conforme à PERFORMANCES façon classique l'invention Jeu relatif J/b repérées sur la figure 3. La figure 5 représente la somme D des modules des différents vecteurs Jl à J 8 correspondant aux différentes cotes contribuant à définir le jeu J dans le cas de la réalisation connue de la figure 3 qui ne met pas en oeuvre de système d'équilibrage axial intégré au rouet Le jeu J est mal maîtrisé du fait que le nombre de cotes, et donc d'interfaces, est important et du fait que la distance D est importante On peut accroître sensiblement les tolérances des cotes Jl à J 6 et de la cote J 8, en réalisant une cale d'ajustement correspondant à la cote J 8 Mais on ne fait que remplacer une sujétion par une autre. La figure 6 montre au contraire que dans le cas de la présente invention, telle qu'illustrée sur la figure 4, le jeu J entre le rouet 5 et la pièce intermédiaire 9 est déterminé par un petit nombre de cotes J 1, J 12, J 13 La cote Jl est définie entre la saillie radiale 71 solidaire du diffuseur 7 et la paroi de la pièce intermédiaire 9 faisant face aux aubes 6 La cote Jl présente ainsi une position qui dépend légèrement de la pression La cote J 12 est définie entre la saillie radiale 71 solidaire du diffuseur 7 et l'épaulement 51 réalisé à la partie périphérique du rouet 5 et constitue un jeu invariable en fonctionnement La cote J 13 est définie entre l'épaulement 51 du rouet 5 et la face avant du rouet 5 Comme on peut le voir sur la figure 6, la distance cumulée D entre les points d'attache des vecteurs J 1, J 12 et J 13 dans l'espace est très réduite, et le jeu J peut être défini avec la plus grande précision possible, de par l'existence d'une référence axiale précise à proximité immédiate du sommet des aubes 6 du rouet J, au niveau de l'ajutage 8. La figure 2 montre, à titre d'exemple, une turbopompe comprenant deux étages de turbine 32, 33, un inducteur 31 et deux paliers 23, 24 de support de l'arbre 22 d'un rouet ouvert 5 qui intègre un système d'équilibrage axial actif conformément à l'invention. L'invention est applicable à des pompes centrifuges utilisables dans des conditions d'utilisation très diverses. A titre d'exemple, l'invention peut être mise en oeuvre dans une turbopompe à un seul étage présentant une pression de refoulement de 250 bar, un débit de 100 kg/s, une poussée axiale de 100 tonnes et une vitesse périphérique du rouet de 640 m/s. REVENDICATIONS 1 Pompe centrifuge à rouet ouvert, pour véhiculer un liquide de travail, comprenant au moins un rouet ouvert ( 5) muni d'aubes ( 6) placé à l'intérieur d'un carter ( 1,2) définissant une canalisation d'aspiration ( 3) en regard de la base des aubes ( 6) située au voisinage d'un arbre central ( 22) d'entraînement du rouet ( 5) faisant partie d'un ensemble tournant, et une canalisation de refoulement ( 4) équipée d'un diffuseur fixe ( 7) disposé en regard de l'extrémité périphérique des aubes ( 6), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un système d'équilibrage axial actif ( 51,71,14,15) de l'ensemble tournant, lequel système d'équilibrage est intégré au rouet ( 5) et comprend une chambre d'équilibrage ( 14) interposée entre la face arrière du corps du rouet ( 5) et une partie arrière extérieure ( 2) du carter ( 1,2), ladite chambre d'équilibrage ( 14) communiquant avec ladite canalisation de refoulement ( 4) par un premier ajutage ( 8) dont le jeu axial (J 12) est maintenu invariable en fonctionnement et qui est défini par l'extrémité périphérique ( 51) du rouet ( 5) jouant lui- même le rôle de plateau d'équilibrage et une pièce d'ajutage ( 71) solidaire de ladite partie arrière extérieure ( 2) du carter ( 1,2) et interposée entre le diffuseur ( 7) et ladite extrémité périphérique ( 51) du rouet ( 5), ladite chambre d'équilibrage communiquant directement ou indirectement avec la canalisation d'aspiration de la pompe par un second ajutage ( 15). 2 Pompe centrifuge selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le jeu J entre le rouet ( 5) et la partie avant ( 1) du carter ( 1,2) est déterminé par une chaîne de cotes limitée à l'ensemble d'une cote Jl définie entre ladite pièce d'ajutage radiale ( 71) et ladite paroi avant ( 1) du carter ( 1,2) faisant face aux aubes ( 6), d'une cote J 12 définie entre ladite pièce d'ajutage ( 71) et l'extrémité périphérique ( 51) du rouet ( 5) et une cote J 13 définie entre ladite extrémitépériphérique ( 51) du rouet et la face avant du rouet ( 5). 3 Pompe centrifuge selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle est appliquée à une turbopompe de forte puissance pour moteur-fusée.