Brevet FR2765639A1 — publié le 19990108

Domaine de l'invention. La présente invention a pour objet un équipement d'inducteur pour pompe à grande capacité d'aspiration incluant un carter entourant un rotor d'inducteur comprenant une pluralité d'aubes qui ménagent avec le carter un jeu. Art antérieur, On connaît déjà divers types de pompes à grande capacité d'aspiration, ou turbopompes, destinées notamment à la pressurisation de liquides cryogéniques, tels que des ergols d'alimentation de moteursfusées. De telles pompes sont équipées d'un premier élément rotorique d'entrée appelé inducteur. Lorsque l'inducteur d'une turbopompe fonctionne à des coefficients de débit assez élevés, on rencontre le phénomène de cavitation supersynchrone. Si (p désigne le coefficient de débit de la machine, et si (po désigne le coefficient de débit correspondant au point d'adaptation de l'inducteur (c'est-à- dire le cas o l'écoulement entre dans l'inducteur suivant un angle moyen égal à celui de l'aubage au carter de la machine), divers inducteurs d'origine européenne, américaine et japonaise fonctionnent à des débits q(/po proches de 0,6. Dans cette zone de travail, on rencontre le phénomène de cavitation supersynchrone. Ce phénomène est présent en particulier sur l'inducteur pour turbopompe à hydrogène liquide associée au moteur-fusée VULCAIN 1 de même que sur l'inducteur pour turbopompe à oxygène liquide associée à ce même moteur-fusée VULCAIN 1. Ainsi, lorsque l'on baisse la pression à l'entrée d'un inducteur, on observe une phase de cavitation tournante qui provoque des vibrations importantes et des efforts radiaux sur l'arbre. Ce type de cavitation est dû à des vaporisations différentes du liquide dans les différents passages aubes de I'inducteur. L'amplitude de ces vibrations est prédominante à une fréquence supersynchrone Fs qui est de l'ordre de 1,2 fois la fréquence de rotation F0 de la machine, laquelle fréquence supersynchrone Fs se rapproche progressivement de la fréquence synchrone Fo au fur et à mesure que l'on continue de baisser la pression d'alimentation de l'inducteur. On représente schématiquement sur la figure 6 une courbe 1 y = f(t) o y représente la surpression adimensionnelle de l'inducteur et t représente la pression adimensionnelle à l'entrée de l'inducteur. On voit que cette courbe 1 comporte une partie à peu près horizontale 10 et, lorsque la pression t diminue, une zone de bosse 12 et creux 11, laquelle zone correspond à la phase de cavitation tournante. Entre la bosse 12 et le creux 11, il existe une zone o la pente de la courbe définie par d//dc est négative. Dans cette zone, il y a une déstabilisation pour le système complet des lignes et de la pompe. La partie 13 de la courbe correspond à la chute de performance en surpression de l'inducteur lorsque la valeur de t devient trop faible. Il a déjà été proposé, notamment par la publication de la demande de brevet japonais N0 5-332300 de modifier la géométrie du carter de la pompe au voisinage de l'inducteur pour tenter de faire disparaître la raie supersynchrone. Ainsi, comme représenté sur la figure 2, le diamètre interne de la partie avant 24 du carter se réduit progressivement selon une partie inclinée 43 en amont des aubes 36 du rotor 23 de l'inducteur pour présenter dans une zone 26 une valeur D2 inférieure au diamètre D1 de la paroi interne de la partie 27 du carter située en amont de l'inducteur, le diamètre D2 restant supérieur au diamètre Dt du rotor 23 en ménageant un jeu J1 entre la paroi cylindrique interne du carter 24 dans la zone 26 et le rotor 23 de l'inducteur. Le jeu J2 existant entre le diamètre Dt du rotor 23 et la partie 27 du carter de diamètre D1 est ainsi supérieur au jeu J1 qui existe entre le rotor 23 et la zone 26 du carter et se prolonge sur une faible distance dl en amont du rotor d'inducteur 23. Selon cet art antérieur, le jeu J2 est environ le double du jeu J1. Toutefois, des essais ont montré que la réalisation dans ces conditions, d'une partie élargie du diamètre intérieur du carter, en amont du rotor, ne suffisait pas à garantir dans tous les cas l'absence de cavitation tournante et la suppression de la raie supersynchrone. La solution préconisée dans la demande de brevet japonais JP-A-5 332 300 ne permet donc pas de façon sûre d'éliminer les vibrations provoquées par le phénomène de cavitation toumrnante par rapport au carter ou par rapport au rotor. Il s'ensuit qu'il subsiste des risques d'endommagement des organes de la pompe, tels que les paliers, et que la pression du liquide à l'entrée de la pompe doit rester supérieure à une valeur minimale en-deçà de laquelle le phénomène de cavitation tournante peut apparaître. Or, il est souhaitable de réduire la pression du liquide à l'entrée de la pompe, de telle sorte que la pression du liquide embarqué sur une fusée et stocké dans un réservoir soit la plus basse possible, de manière à pouvoir alléger et simplifier la structure mecanique du réservoir de stockage de liquide associé à la pompe munie d'un inducteur. 0o Objet et description succincte de l'invention. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à réaliser un équipement d'inducteur pour pompe à grande capacité d'aspiration, pour lequel la raie supersynchrone soit supprimée sur toute la plage de débit de fonctionnement de l'inducteur de manière à éviter le phénomène de cavitation supersynchrone et par là même réduire les risques d'apparition de vibrations de forte amplitude. Ces buts sont atteints grâce à un équipement d'inducteur pour pompe à grande capacité d'aspiration incluant un carter entourant un rotor d'inducteur comprenant une pluralité d'aubes qui ménagent avec le carter un jeu, caractérisé en ce que le jeu entre la partie périphérique des aubes et le carter présente une valeur augmentée supérieure à la valeur de jeu normale, sur une zone qui s'étend à la fois dans une première partie cylindrique de la paroi interne du carter en amont du rotor d'inducteur et sur une portion de la paroi interne du carter adjacente à ladite première partie cylindrique et recouvrant une partie amont du rotor d'inducteur selon une distance à partir du bord d'attaque des aubes, du rotor d'inducteur, et en ce que le rapport entre le jeu à valeur augmentée et le jeu à valeur normale est supérieur à 10. Le jeu à valeur normale présente une valeur comprise entre 0,4 % et 1 % du rayon de la partie périphérique des aubes de l'inducteur. A titre d'exemple, le jeu à valeur normale présente une valeur comprise entre 0,4 et 0,9 mm et le jeu à valeur augmentée présente une valeur comprise entre 5 et 10 mm. La distance de recouvrement s'étendant le long de l'axe du rotor d'inducteur à partir du bord d'attaque des aubes est comprise entre 15 et 20 % de la longueur axiale des aubes de l'inducteur. Brève description des dessins. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique montrant une caractéristique essentielle de l'invention liée à la géométrie du carter situé au voisinage d'un rotor d'inducteur, - la figure 2 est une vue schématique analogue à la figure 1, mais montrant la géométrie du carter situé au voisinage d'un rotor d'inducteur selon une réalisation de l'art antérieur, - la figure 3 est une vue en coupe axiale d'un exemple de turbopompe de l'art antérieur à laquelle est applicable l'invention, - la figure 4 est une vue agrandie en coupe axiale de la partie d'entrée de la pompe de la figure 3 comportant l'inducteur, - la figure 5 est une vue en bout de la partie d'entrée de la figure 4, - la figure 6 est une courbe y = f(t) représentant l'évolution de la surpression adimensionnelle y de l'inducteur en fonction de la pression adimensionnelle t à l'entrée de l'inducteur, pour une pompe classique, - la figure 7 montre sur le même graphe trois courbes y = f(t), dont deux correspondent à des équipements d'inducteur connus et la troisième correspond à un équipement d'inducteur conforme à l'invention, la figure 8 montre le domaine d'apparition de la fréquence supersynchrone dans le plan (p/(ppo, c) défini par le coefficient de débit (P/Po et la pression t à l'entrée de l'inducteur, pour différents inducteurs, - la figure 9 montre l'évolution des raies fréquentielles caractéristiques en fonction de la pression adimensionnelle t à l'entrée d'un inducteur classique connu, avec notamment l'apparition de raies supersynchrones, la figure 10 montre l'évolution des raies fréquentielles caractéristiques en fonction de la pression adimensionnelle t à l'entrée d'un inducteur similaire qui est muni d'un équipement selon l'invention, avec la configuration de la figure 1, avec l'élimination complète de raies supersynchones, et - la figure 11 montre l'évolution des raies fréquentielles caractéristiques en fonction de la pression adimensionnelle ' à l'entrée d'un inducteur similaire qui est muni d'un équipement selon l'art antérieur, tel que celui de la figure 2, avec notamment l'apparition de raies supersynchrones. Description détaillée de modes particuliers de réalisation. On décrira d'abord en référence aux figures 3 à 5 un exemple d'équipement d'inducteur connu notamment par la publication de la demande de brevet japonais (KOKAI) No 5-332 330, et appliqué à une pompe à grande capacité d'aspiration 21 telle qu'une turbopompe servant à pressuriser par exemple un ergol d'alimentation d'un lanceur de fusée, tel que de l'hydrogène liquide. La pompe à grande capacité d'aspiration 21 comprend un rouet 29 fixé sur un arbre de rotation 28 dont la partie arrière porte une ou plusieurs roues 31 d'une turbine 30. L'arbre 28 est monté par rapport au carter du corps 32 de la pompe à l'aide d'au moins un palier 33. Un rotor d'inducteur 23 est disposé à l'extrémité avant d'un arbre 34 qui prolonge l'arbre 28 du support du rouet 29 et peut coopérer avec un palier 46. Le rotor d'inducteur 23 peut comprendre par exemple un ensemble de trois aubes 36 en forme d'hélice montées sur un élément central 35 solidaire de l'extrémité avant de l'arbre 34. Des brides 44 peuvent être prévues à l'extrémité d'entrée 39 du carter 24 pour fixer un réservoir de liquide ou une canalisation d'amenée de liquide. Des aubes fixes 45 solidaires du carter 24 peuvent être prévues entre le rotor d'inducteur 23 et le rouet 29. Ainsi, la turbopompe 21 représentée sur la figure 3 présente un équipement d'inducteur 23, 24 placé de façon classique à l'entrée de la pompe proprement dite munie de son rouet 29, et cet équipement d'inducteur a été muni d'une structure visant à prévenir les vibrations provoquées par la cavitation toumrnante. Pour cela, il est prévu à l'entrée du carter qui divise les voies d'écoulement du rotor, une partie élargie 27 du diamètre intérieur D1, lequel diamètre intérieur D1 est supérieur au diamètre intérieur D2 de la zone 26 entourant les aubes 36 du rotor 23. En fait, il a été constaté par divers essais comparatifs qu'une telle géométrie de carter contribue sans doute à réduire un peu la cavitation tournante supersynchrone, mais ne permet pas de supprimer complètement la raie supersynchrone et les vibrations radiales correspondantes. L'invention s'écarte de la géométrie de carter de référence connue, telle que décrite en référence aux figures 2 à 5, et propose une géométrie de carter différente qui permet d'éliminer de façon complète et sûre la raie supersynchrone. Cette nouvelle géométrie de carter a été représentée sur la figure 1 qui permet une comparaison avec la géométrie connue illustrée sur la figure 2. On notera que l'invention concerne un équipement d'inducteur amélioré qui peut s'appliquer à divers types de pompes à grande capacité d'aspiration, et n'est donc pas limitée à la structure de pompe décrite à titre d'exemple en référence aux figures 3 à 5. Dans la configuration de la figure 1, une première partie cylindrique 127 de la paroi interne du carter 124 située en amont du rotor d'inducteur 123 présente bien un diamètre supérieur au diamètre d'une deuxième partie cylindrique 126 de la paroi intemrne du carter 124 située en regard des aubes 136 du rotor d'inducteur 123. Toutefois, il n'est pas prévu de zone de transition tronconique entre les première et deuxième parties cylindriques 127, 126 (contrairement à la zone 43 de la figure 2) et la première partie cylindrique 127 de la paroi interne du carter 124 se prolonge elle-même par une portion cylindrique supplémentaire 127A de diamètre égal à celui de la partie cylindrique 127, sur une distance dl 1 à partir du bord d'attaque des aubes 136, de sorte qu'il est défini un jeu J12 à valeur augmentée non seulement en amont du rotor d'inducteur 123, mais également sur une distance dl recouvrant une partie amont du rotor d'inducteur 123. Par ailleurs, selon une autre caractéristique de l'invention qui s'ajoute à la caractéristique précédemment décrite, le rapport entre, d'une part, le jeu à valeur augmentée J12 entre les parties 127, 127A de la paroi interne du carter 124 et la partie périphérique des aubes 136 de l'inducteur et, d'autre part, le jeu à valeur normale J1 entre la partie 126 de la paroi interne du carter 124 et la partie périphérique des aubes 136 de l'inducteur est supérieur à 10. Le jeu à valeur normale présente une valeur comprise entre 0,4 % et 1 % du rayon de la partie périphérique des aubes de l'inducteur. A titre d'exemple, le jeu à valeur normale Jl 1 présente une valeur comprise entre 0,4 et 0,9 mm et le jeu à valeur augmentée J12 présente une valeur comprise entre 5 et 10 mm. Typiquement, le jeu J 11 peut être de l'ordre de 0,4 mm tandis que le jeu J12 est de l'ordre de 6 mm. La distance de recouvrement d11, qui s'étend le long de l'axe du rotor d'inducteur 23 à partir du bord d'attaque des aubes 136 peut être comprise entre 15 et 20 % de la longueur axiale des aubes de l'inducteur. Ainsi, quelle que soit la forme du bord d'attaque, la raie supersynchrone peut être supprimée sur toute la plage de débit de fonctionnement de l'inducteur, si l'on adopte pour le carter une géométrie telle que la zone de jeu augmenté recouvre une partie de rotor sur une distance dl1 significative et le rapport J12/J11 est important, c'est-à-dire supérieur à 10. La figure 10 montre l'évolution des raies fréquentielles caractéristiques en fonction de la pression t à l'entrée de l'inducteur, pour une turbopompe munie d'un équipement d'inducteur conforme à l'invention. On voit qu'il existe de façon normale une raie 61 correspondant à la fréquence de rotation F0 de la machine, ainsi que, pour les faibles pressions, une raie subsynchrone 62. On notera que cette raie subsynchrone 62, à laquelle correspond une cavitation subsynchrone, n'apparaît que dans une zone limitée de pressions faibles, et par suite n'apporte pas les mêmes inconvénients que les raies supersynchrones des inducteurs connus. A titre de comparaison, on a représenté sur les figures 9 et 11 l'évolution des raies fréquentielles caractéristiques en fonction de la pression X à l'entrée de l'inducteur, d'une part pour une turbopompe munie d'un équipement d'inducteur connu qui présente un jeu normal, et d'autre part pour une turbopompe munie d'un équipement d'inducteur tel que défini en référence aux figures 2 à 5. On constate sur la figure 9, à côté des raies 53, 54, 56 correspondant à la fréquence de rotation Fo de la machine, et du bruit 55 situé autour de cette fréquence de rotation Fo, de nombreuses autres raies correspondant à des phénomènes de cavitation tournante se traduisant par I'apparition de vibrations. Ainsi, on observe une raie supersynchrone 57 très marquée, à une fréquence Fs qui est de l'ordre de 1,1 à 1,2 fois la fréquence de rotation Fo. La raie supersynchrone 57 est présente dans un domaine de pressions d'entrée t relativement élevé et étendu, ce qui est d'autant plus gênant en pratique. Des raies 59, 60 apparaissent également sur la figure 11 à une fréquence double de la fréquence de rotation Fo. D'autres raies gênantes 51, 58 correspondant à une combinaison de la fréquence de rotation Fo et de la fréquence supersynchrone Fs apparaissent également sur le diagramme de la figure 9. Ainsi, la raie 51 correspond à une fréquence égale à 4 (Fs- Fo). On relève également une raie subsynchrone 52. Sur la figure 11, on remarque très nettement de la même façon une raie supersynchrone 77 dans un domaine de pressions d'entrée relativement élevé et étendu, à côté d'un ensemble d'autres raies associées 72 à 76 et 78 à dont l'analyse peut se faire d'une façon similaire à celle des raies 52 à 56 et 58 à 60 de la figure 9. Par comparaison entre la figure 10 et les figures 9 et 11, on voit combien les sources de vibration parasite sont réduites lorsque l'on met en oeuvre une géométrie de carter selon l'invention. Si l'on considère par ailleurs la courbe y = f(t) de la figure 7 et que l'on établit une telle courbe d'une part dans le cas d'une turbopompe munie d'un équipement d'inducteur conforme à l'invention (courbe 301) et d'autre part dans le cas d'une turbopompe de l'art antérieur présentant un jeu normal (courbe 101) ainsi que dans le cas d'une turbopompe dont la géométrie du carter correspondrait à celle des figures 2 à 5 (courbe 201), on constate que les courbes 101 et 201 conservent toutes deux la configuration de la courbe 1 de la figure 6, avec, à la suite d'une partie 110, 210 en forme de plateau, un creux 111, 211, puis une bosse 112, 212 précédant une chute 113, 213, lorsque l'on fait diminuer la pression t à l'entrée de l'inducteur. Au contraire, la courbe 301 correspondant à un équipement d'inducteur conforme à l'invention montre que lorsque l'on fait diminuer la pression X à l'entrée de l'inducteur, la courbe présente un plateau 310 qui se poursuit sans bosse jusqu'à une faible valeur avant que la courbe subisse une décroissance. Ainsi, il n'existe plus de zone o la pente d//dz est négative, ce qui est la garantie d'une meilleure stabilité de l'ensemble du système composé de la pompe et des lignes d'alimentation et de refoulement. C'est donc bien la combinaison d'une cavité du carter délimitée par la portion 127A et recouvrant une partie des aubes 136, et d'une valeur élevée du rapport J12/J11 qui permet d'obtenir la disparition de la cavitation supersynchrone sur toute la plage de débit utile. Si (p représente le coefficient de débit de la machine, on observe que le phénomène de cavitation supersynchrone est borné dans le plan (p, t) (figure 8). Ainsi, lorsque t a une valeur élevée, il n'y a pas ou peu de cavitation (ce qui correspond à la partie en forme de plateau des courbes des figures 6 et 7), et si -c présente une valeur suffisamment proche de la limite admissible par l'inducteur, il apparaît une resymétrisation des différents canaux aubes de l'inducteur avec une cavitation fortement développée qui accompagne la chute imminente de performance en surpression de l'inducteur (qui correspond à la partie plongeante des courbes des figures 6 et 7). Par ailleurs, si l'on fait varier le coefficient de débit (p de la machine, il apparaît un point de débit minimal en-deçà duquel la cavitation supersynchrone disparaît. De même, il existe un point de débit maximal au- delà duquel la cavitation supersynchrone disparaît. On a représenté sur la figure 8 divers domaines référencés REF et B qui correspondent respectivement à une géométrie de carter avec jeu normal et à une géométrie de carter conforme à la figure 2, avec différentes valeurs pour les paramètres J1, J2 et dl, qui sont données dans le tableau i ci-dessous: Typedecarter J1 (mm) J2 (mm) dl(mm) REF 0,4 0,4 - B 0,64 2,0 1,28 Sur la figure 8, il n'apparaît pas de domaine correspondant à un inducteur présentant une géométrie de carter conforme à l'invention (figure 1) avec, par exemple, des paramètres Jll = 0,4 mm; J12 = 6 mm et dl 1 = 12 mm, dès lors que la raie supersynchrone a été éliminée. REVENDICATIONS 1. Equipement d'inducteur pour pompe à grande capacité d'aspiration incluant un carter (124) entourant un rotor d'inducteur (123) comprenant une pluralité d'aubes (136) qui ménagent avec le carter (124) un jeu (J1l1), caractérisé en ce que le jeu (J12) entre la partie périphérique des aubes (136) et le carter (124) présente une valeur augmentée supérieure à la valeur de jeu normale (Jl1), sur une zone qui s'étend à la fois dans une io première partie cylindrique (127) de la paroi interne du carter (124) en amont du rotor d'inducteur (123) et sur une portion (127A) de la paroi interne du carter (124) adjacente à ladite première partie cylindrique (127) et recouvrant une partie amont du rotor d'inducteur (123) selon une distance (dl 1) à partir du bord d'attaque des aubes (136), du rotor d'inducteur (123), et en ce que le rapport entre le jeu à valeur augmentée (J12) et le jeu à valeur normale (J11) est supérieur à 10. 2. Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jeu à valeur normale présente une valeur comprise entre 0,4 % et 1 % du rayon de la partie périphérique des aubes de l'inducteur. 3. Equipement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le jeu à valeur normale (Jl 1) présente une valeur comprise entre 0,4 et 0,9 mm et le jeu à valeur augmentée (J12) présente une valeur comprise entre 5 et 10 mm. 4. Equipement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la distance (dl 1) de recouvrement s'étendant le long de l'axe du rotor d'inducteur (23) à partir du bord d'attaque des aubes (136) est comprise entre 15 et 20 % de la longueur axiale des aubes de l'inducteur.