Brevet FR3058186A1 — publié le 20180504

DOMAINE DE L'INVENTION [0001] Le présent exposé concerne une turbopompe de moteur-fusée et un moteur-fusée comprenant une telle turbopompe. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0002] Les turbopompes connues subissent parfois des dommages, notamment au niveau des paliers du rotor, dans diverses circonstances. Ceci arrive par exemple lorsque le rotor est entrainé en rotation en dehors des conditions thermiques de fonctionnement requises (par exemple en mode dit ralenti ou « tank idle mode » en anglais), ou bien lors de diverses manipulations de la turbopompe lors de son transport ou de son assemblage au sein d'un moteur fusée. Il existe donc un besoin en ce sens. PRESENTATION DE L'INVENTION [0003] Un mode de réalisation concerne une turbopompe de moteur-fusée comprenant un rotor mobile en rotation par rapport à un carter et un dispositif de blocage pour bloquer en rotation le rotor par rapport au carter. [0004] On comprend que le rotor s'étend selon une direction axiale et est mobile en rotation autour de la direction axiale au sein du carter, le dispositif de blocage étant configuré pour bloquer le rotor en rotation autour de la direction axiale. [0005] Les inventeurs ont remarqué que le blocage en rotation du rotor par rapport au carter non seulement pendant le transport et le montage de la turbopompe, mais également pendant certaines phases de fonctionnement du moteur-fusée telles que le mode ralenti ou « tank idle mode », permet de préserver les paliers du rotor de tout dommage, à tout le moins de réduire les dommages à des niveaux acceptables. [0006] Dans certains modes de réalisation, le dispositif de blocage comprend une pièce de blocage mobile entre une position libre dans laquelle le rotor est libre en rotation et une position de blocage dans laquelle la pièce de blocage coopère avec le rotor de manière à bloquer le rotor en rotation. [0007] On comprend que le blocage du rotor est effectué par la pièce de blocage qui bloque le rotor lorsqu'elle est en position de blocage et libère la rotation du rotor lorsqu'elle est en position libre. Un tel 3058186 2 blocage réalisé par une pièce mobile est particulièrement efficace et fiable. Par exemple, la coopération entre le rotor et la pièce de blocage permet un blocage mécanique par coopération par complémentarité de forme. Les inventeurs ont constaté que le maintien en position de l'arbre du rotor 5 permet également de refroidir de manière homogène toutes les parties du rotor préalablement au démarrage du moteur-fusée (bien entendu lors de phases de mise en froid). [0008] Dans certains modes de réalisation, le rotor s'étend selon une direction axiale, la pièce de blocage coulissant selon la direction 10 axiale entre la position libre et la position de blocage. [0009] On comprend donc que la pièce de blocage est mobile selon la direction axiale entre la position libre et la position de blocage. Une telle configuration où le rotor et le dispositif de blocage sont adjacents selon la direction axiale permet de faciliter l'intégration du 15 dispositif de blocage au sein de la turbopompe, et donc de réduire l'encombrement de la turbopompe équipée du dispositif de blocage. Par exemple, la pièce de blocage comprend une roue dentée coaxiale au rotor et configurée pour coopérer avec une roue dentée complémentaire du rotor. 20 [0010] Dans certains modes de réalisation le dispositif de blocage comprend un ressort (ou un premier ressort) tendant à amener la pièce de blocage en position libre. [0011] Ce ressort (ou ce premier ressort) permet donc de rappeler la pièce de blocage vers la position libre grâce à quoi la position 25 libre est la position par défaut de la pièce de blocage. Par exemple, le ressort tendant à amener la pièce de blocage en position libre est un ressort de compression, qui est comprimé lors du passage de la pièce de blocage de la position libre vers la position de blocage. Ceci permet de fiabiliser le dispositif de blocage et de s'assurer qu'il ne perturbe pas le 30 bon fonctionnement de la turbopompe, même si le dispositif de blocage est défaillant. [0012] Dans certains modes de réalisation, le dispositif de blocage comprend un ressort (ou un deuxième ressort) tendant à amener la pièce de blocage en position de blocage. 35 [0013] Ce ressort (ou ce deuxième ressort) permet de maintenir la pièce de blocage en position de blocage, grâce à quoi la pièce 3058186 3 de blocage ne s'écarte pas de la position de blocage même lorsqu'elle est soumise, via le rotor, à des contraintes tendant à l'éloigner de la position de blocage. Par exemple, le ressort tendant à amener la pièce de blocage en position de blocage est un ressort de compression, qui est comprimé 5 lors du passage de la pièce de blocage de la position blocage vers la position libre. [0014] Dans certains modes de réalisation, la raideur du ressort tendant à amener la pièce de blocage en position libre est supérieure à la raideur du ressort tendant à amener la pièce de blocage 10 en position de blocage. [0015] Lorsque le dispositif de blocage comprend un ressort tendant à amener la pièce de blocage en position libre et un ressort tendant à amener la pièce de blocage en position de blocage, on s'assure ainsi que la position libre est bien la position par défaut. 15 [0016] Dans certains modes de réalisation, le dispositif de blocage comprend une embase fixe, le ressort tendant à amener la pièce de blocage en position libre et le ressort tendant à amener la pièce de blocage en position de blocage coopérant tous les deux avec l'embase fixe. 20 [0017] On comprend que l'embase fixe est un élément fixe au sein du dispositif de blocage par rapport à la pièce de blocage. Une telle embase fixe forme un élément référentiel commun avec lequel le ressort tendant à amener la pièce de blocage en position libre et le ressort tendant à amener la pièce de blocage en position de blocage coopèrent. 25 On comprend donc que chaque ressort coopère directement ou indirectement d'une part avec l'embase fixe, et d'autre part avec la pièce de blocage. Une telle embase fixe commune pour les deux ressorts permet de simplifier la structure du dispositif de blocage et de réduire son encombrement. 30 [0018] Dans certains modes de réalisation, le ressort tendant à amener la pièce de blocage en position libre coopère avec la pièce de blocage par l'intermédiaire d'un élément de rappel. [0019] On comprend que le ressort tendant à amener la pièce de blocage en position libre coopère avec l'élément de rappel tandis 35 que l'élément de rappel coopère avec la pièce de blocage. Par exemple la pièce de blocage est couplée selon le sens orienté de la position de 3058186 4 blocage vers la position libre avec l'élément de rappel. Une telle structure permet de faciliter la fabrication et l'assemblage des différents éléments du dispositif de blocage, ainsi que sa maintenance tout en permettant un encombrement réduit. 5 [0020] Dans certains modes de réalisation, l'élément de rappel comprend un piston coulissant dans une chambre à pressurisation commandée. [0021] On comprend qu'en faisant varier la pression dans la chambre on fait varier la position de l'élément de rappel au sein de la 10 chambre, par exemple lorsque la force générée par la pression au sein de la chambre est suffisante pour s'opposer à la force générée par le premier ressort, ou pas, grâce à quoi on amène la pièce de blocage vers la position de blocage ou vers la position libre. Ainsi, en commandant la pression au sein de la chambre, par exemple à l'aide d'un réservoir de gaz sous 15 pression, on commande la position de la pièce de blocage. Une telle configuration permet d'utiliser des moyens de commande éprouvés et déjà disponibles au sein d'un moteur-fusée, grâce à quoi le dispositif de commande est particulièrement fiable et facilement intégrable au sein d'un moteur fusée. 20 [0022] Dans certains modes de réalisation, le dispositif de blocage comprend un dispositif de commande configuré pour commander une première vanne pour la pressurisation de la chambre à pressurisation commandée et une deuxième vanne pour la dépressurisation de la chambre à pressurisation commandée. 25 [0023] Une telle configuration permet de commander de manière simple et fiable la pressurisation au sein de la chambre, grâce à quoi on commande de manière simple et fiable la position de la pièce de blocage. [0024] Dans certains modes de réalisation, le rotor 30 comprend un arbre s'étendant selon une direction axiale, l'arbre portant une roue de pompe et une roue de turbine, le dispositif de blocage étant disposé à l'opposé de la roue de pompe par rapport à la roue de turbine selon la direction axiale. [0025] On comprend donc que considéré selon la direction 35 axiale, la roue de pompe et le dispositif de blocage sont respectivement disposés de part et d'autre de la roue de turbine. Une telle configuration 3058186 5 permet de limiter l'encombrement général de la turbopompe, et de facilement intégrer le dispositif de blocage au sein de la turbopompe. [0026] Un mode de réalisation concerne également un moteur-fusée équipé d'une turbopompe de moteur-fusée selon l'un 5 quelconque des modes de réalisation décrits dans le présent exposé. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS [0027] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette 10 description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : - la figure 1 représente un engin spatial comprenant un moteur-fusée équipé d'une turbopompe, - la figure 2 représente la turbopompe du moteur-fusée de la figure 1, vue en coupe axiale partielle, 15 - la figure 3 est une vue détaillée en coupe axiale du dispositif de blocage de la turbopompe représenté sur la figure 2, représenté en position libre, - la figure 4 est une vue similaire à la figure 3, où le dispositif de blocage est en position de blocage, et 20 - la figure 5 représente une variante du dispositif de blocage. DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION [0028] La figure 1 représente un engin spatial 100, équipé d'un moteur-fusée 50 lui-même équipé d'une turbopompe 10. La figure 2 représente une vue plus détaillée de la turbopompe 10. 25 [0029] La turbopompe 10 comprend un rotor 14 et un carter 12. Le rotor 14 comprend un arbre 14C s'étendant selon une direction axiale X et supporté par des paliers 15 au sein du carter 12. L'arbre 14C porte une roue de pompe 13 et une roue de turbine 14B. [0030] La turbopompe 10 comprend une entrée 11 de 30 fluide, le fluide étant pressurisé par la roue de pompe 13, puis conduit par des conduites non représentées vers la chambre de combustion (non représentée). Une partie des produits de combustion du moteur-fusée sont conduits vers la roue de turbine 14B, puis débouche dans le carter de sortie de fluide 17, et s'échappe vers une sortie de fluide non représentée. 35 On note que le carter de sortie de fluide 17 fait partie du carter 12. Ainsi, une partie des produits de combustion du moteur-fusée entraine la roue 3058186 6 de turbine 14B en rotation, grâce à quoi l'arbre 14C et donc la roue de pompe 13 sont également entrainés en rotation. [0031] Pour bloquer la rotation du rotor 14, par exemple lorsque aucun fluide ne circule dans la turbopompe 10 ou en mode dit 5 ralenti (« tank idle-mode »), la turbopompe 10 comprend un dispositif de blocage 16 qui est configuré pour bloquer le rotor 14 en coopérant avec une extrémité axiale 14C1 de l'arbre 14C disposée du côté du carter de sortie de fluide 17. Dans cet exemple, le dispositif de blocage 16 est fixé au carter de sortie de fluide 17. Ainsi, le dispositif de blocage 16 est dans 10 cet exemple disposé à l'opposé de la roue de pompe 13 par rapport à la roue de turbine 14B selon la direction axiale X. [0032] En référence aux figures 3 et 4, le dispositif de blocage 16 comprend un carter 19, ce carter 19 étant fixé au carter 12 de la turbopompe 10. Le carter 19 s'étend axialement et loge une pièce de 15 blocage 26, un premier ressort 20 tendant à amener la pièce de blocage 26 en position libre, une embase 22, un deuxième ressort 24 tendant à amener la pièce de blocage 26 en position de blocage et un piston 18 mobile dans une chambre 23. [0033] La pièce de blocage 26 est mobile axialement entre 20 une position libre dans laquelle elle ne coopère pas avec le rotor 14 (cf. fig. 3), et une position de blocage dans laquelle elle coopère avec le rotor 14 (cf. fig.4). La pièce de blocage 26 comprend à son extrémité libre une roue dentée 26A configurée pour coopérer avec une roue dentée correspondante 14D du rotor 14, la roue dentée 14D formant bien 25 entendu l'extrémité 14C1 du rotor 14. Ainsi, en position de blocage, les roues 26A et 14D sont engrenées. On note que les dents des roues dentées 26A et 14D présentent des faces inclinées configurées pour coopérer en glissement de sorte que lorsque les dents ne sont pas alignées, la roue 26A du dispositif de blocage 26 entraine en rotation la 30 roue 14D du rotor 14 de manière à s'aligner et s'engrener. Pour ce faire, on comprend bien entendu que le rotor 14 est libre en rotation autour de la direction axiale X, tandis que la pièce de blocage 26 est bloquée en rotation autour de la direction axiale X par tout moyen connu par l'homme du métier. Par exemple, la pièce de blocage 26 est en prise avec des 35 cannelures axiales (i.e. système de rainures/nervures axiales) du carter 19 et/ou du piston 18 décrit ultérieurement, le piston 18 étant lui-même 3058186 7 bloqué en rotation autour de la direction axiale X par rapport à l'embase 22 décrite ultérieurement. Selon une variante représentée sur la figure 5, le blocage en rotation de la pièce de blocage 26 par rapport au carter 19 est réalisé grâce à un taquet 19A axial s'étendant au sein d'une encoche 5 27 de la pièce de blocage 26. Bien entendu, le taquet 19A est engagé avec l'encoche 27 tant en position libre qu'en position de blocage. [0034] Selon une autre variante non représentée, la pièce de blocage 26 et le rotor 14 ne présentent pas de roues dentées mais des surfaces complémentaires coopérant par friction. Ainsi, le blocage est 10 réalisé par friction et non par engrènement de roues dentées. [0035] Le premier ressort 20 coopère indirectement avec la pièce de blocage 26 et tend à l'amener en position libre représentée sur la figure 3. Plus particulièrement, dans cet exemple, le premier ressort 20 est un ressort de compression. Une première extrémité axiale du premier 15 ressort 20 coopère avec la pièce de blocage 26 par l'intermédiaire du piston 18. Ainsi, le premier ressort 20 coopère avec le piston 18 en appui sur un premier épaulement 18A. Le piston 18 présente une tige 18C s'étendant axialement au travers de l'embase 22 décrite ultérieurement. La tige 18C du piston 18 comprend un deuxième épaulement 18B 20 coopérant en butée avec un épaulement 26B de la pièce de blocage 26. Dans cet exemple, l'épaulement 18B est formé par une rondelle 21 fixée à une extrémité du piston 18, et plus particulièrement de la tige 18C, dans cet exemple grâce à une vis 21A. Une deuxième extrémité axiale du premier ressort 20 opposée à la première extrémité selon la direction 25 axiale X, coopère en appui avec un épaulement 22A de l'embase 22, l'embase 22 étant solidaire du carter 19. Ainsi, le premier ressort 20 tend à éloigner l'épaulement 18A de l'embase 22 selon la direction axiale X, grâce à quoi le piston 18 entraine, via la rondelle 21, la pièce de blocage 26 dans la même direction en position libre. Bien entendu, le piston 18 30 n'entraine pas la pièce de blocage 26 lorsqu'il se déplace dans un sens opposé selon la direction axiale X, c'est-à-dire dans un sens tendant à rapprocher l'épaulement 18A de l'embase 22. Dans ce dernier cas, il libère simplement la pièce de blocage 26 en éloignant la rondelle 21 de l'épaulement 26B. Ainsi, le piston 18 équipé de la rondelle 21 forme un 35 élément de rappel de la pièce de blocage 26, cet élément de rappel tendant à ramener la pièce de blocage 26 en position libre. 3058186 8 [0036] Le deuxième ressort 24 coopère directement avec la pièce de blocage 26 et tend à l'amener en position de blocage représentée sur la figure 4. Plus particulièrement, dans cet exemple, le deuxième ressort 24 est un ressort de compression. Une première extrémité axiale 5 du deuxième ressort 24 coopère directement avec un épaulement 26C de la pièce de blocage 26. Une deuxième extrémité axiale deuxième ressort 24 opposée à la première extrémité selon la direction axiale X, coopère en appui avec un épaulement 22B de l'embase 22. Ainsi, le deuxième ressort 24 tend à éloigner l'épaulement 26C de la pièce de blocage 26 de 10 l'embase 22 selon la direction axiale X, grâce à quoi le deuxième ressort 24 tend à amener la pièce de blocage 26 dans la même direction, en position de blocage représentée sur la figure 4. [0037] La raideur du premier ressort 20 étant supérieure à la raideur du deuxième ressort 24, la configuration d'équilibre (ou au 15 repos) du dispositif de blocage 16 est la configuration représentée sur la figure 3 où la pièce de blocage 26 est en position libre. Par ailleurs, lorsque la pièce de blocage 26 est en position libre, le deuxième ressort 24 est précontraint, grâce à quoi le deuxième ressort 24 amène la pièce de blocage 26 en position de blocage lorsqu'elle est libérée de la rondelle 21, 20 ou, de manière plus générale, de l'élément de rappel. [0038] Le piston 18 coulisse selon la direction axiale X au sein du carter 19. La chambre 23 est délimitée par les parois du carter 19 et par l'embase 22. Le piston 18 est disposé au sein de la chambre 23, la tige 18C s'étendant axialement au travers de l'embase 22. La pression au 25 sein de la chambre 23 est commandée par un système d'alimentation de pression 30 comprenant une source de gaz pressurisé non représentée, une vanne de pressurisation 32, une vanne de dépressurisation 36, et une unité de contrôle et de commande 34. Par exemple, les vannes de pressurisation 32 et de dépressurisation 36 sont des électrovannes. La 30 chambre 23 est donc une chambre à pressurisation commandée. On note qu'un raccord fluidique 31 communique avec la chambre 23 pour pressuriser/dépressuriser la chambre. On note également que dans cet exemple le piston 18 présente un joint d'étanchéité 18D coopérant avec la paroi axiale interne du carter 19. Selon une variante non représentée, la 35 chambre 23 est délimitée par un soufflet s'étendant axialement entre le 3058186 9 piston 18 et la paroi interne du carter 19 en vis-à-vis selon la direction axiale X du carter 19. [0039] Ainsi, lorsque la chambre 23 est à la pression extérieure, ou de manière plus générale à une pression inférieure à une 5 pression prédéterminée, le dispositif de blocage 16 est en configuration d'équilibre représentée sur la figure 3, la pièce de blocage 26 étant en position libre. Lorsque la pression à l'intérieur de la chambre 23 est supérieure ou égale à la pression prédéterminée, le piston 18 coulisse axialement et comprime le premier ressort 20, libérant ainsi la pièce de 10 blocage 26 de la rondelle 21. Le deuxième ressort 24 amène alors l'élément de blocage 26 en position de blocage représentée sur la figure 4. Inversement, lorsque la pression diminue au sein de la chambre 23 de manière à être inférieure à la pression prédéterminée, le premier ressort 20 ramène, via le piston 18 et la rondelle 21, la pièce de blocage 26 en 15 position libre représentée sur la figure 3. [0040] Bien que le présent exposé se réfère à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En 20 particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. REVENDICATIONS1. Turbopompe de moteur-fusée (10) comprenant un rotor (14) mobile en rotation par rapport à un carter (12) et un dispositif de blocage (16) pour bloquer en rotation le rotor (14) par rapport au carter (12). 2. Turbopompe de moteur-fusée (10) selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de blocage (16) comprend une pièce de blocage (26) mobile entre une position libre dans laquelle le rotor (14) est libre en rotation et une position de blocage dans laquelle la pièce de blocage (26) coopère avec le rotor (14) de manière à bloquer le rotor (14) en rotation. 3. Turbopompe de moteur-fusée (10) selon la revendication 2, dans laquelle le rotor (14) s'étend selon une direction axiale (X), la pièce de blocage (26) coulissant selon la direction axiale (X) entre la position libre et la position de blocage. 4. Turbopompe de moteur-fusée (10) selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle le dispositif de blocage (16) comprend un ressort (20) tendant à amener la pièce de blocage (26) en position libre. 5. Turbopompe de moteur-fusée (10) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle le dispositif de blocage comprend un ressort (24) tendant à amener la pièce de blocage (26) en position de blocage. 6. Turbopompe de moteur-fusée (10) selon les revendications 4 et 5, dans laquelle la raideur du ressort (20) tendant à amener la pièce de blocage (26) en position libre est supérieure à la raideur du ressort (24) tendant à amener la pièce de blocage (26) en position de blocage. 7. Turbopompe de moteur-fusée (10) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle le ressort (20) tendant à amener la pièce de blocage (26) en position libre coopère avec la pièce de blocage (26) par l'intermédiaire d'un élément de rappel (18, 21). 3058186 11 8. Turbopompe de moteur-fusée (10) selon la revendication 7, dans laquelle l'élément de rappel comprend un piston (18) coulissant dans une chambre à pressurisation commandée (23). 9. Turbopompe de moteur-fusée (10) selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 8, dans laquelle le rotor (14) comprend un arbre (14C) s'étendant selon une direction axiale (X), l'arbre (14C) portant une roue de pompe (13) et une roue de turbine (14B), le dispositif de blocage (16) étant disposé à l'opposé de la roue de pompe (13) par rapport à la roue de turbine (14B) 10 selon la direction axiale (X). 10. Moteur-fusée (50) comprenant une turbopompe de moteur-fusée (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.