Brevet FR3063775A1 — publié le 20180914

La présente invention se rapporte à une turbopompe utilisée pour un circuit fluidique, notamment pour un circuit fermé en particulier de type à cycle de Rankine. Généralement une turbopompe est une machine qui comprend une turbine et une pompe (ou un compresseur) de manière à ce qu'une partie de l'énergie récupérée par la turbine entraîne la pompe (ou le compresseur). Pour ce faire, la turbine et la pompe (ou le compresseur) sont montées aux extrémités d'un unique arbre de rotation. Cette machine est munie de paliers de lubrification placés généralement sur la partie centrale de l'arbre de rotation. La turbine et la pompe (ou le compresseur) sont montées aux extrémités de cet arbre de rotation ce qui nécessite, d'une part, des arbres relativement longs et, d'autre part, un système d'étanchéité permettant de séparer le système de lubrification des effluents. Pour des raisons de simplification dans la suite de la description, le terme "turbopompe" sera utilisé pour une machine qui comprend aussi bien une turbine et une pompe qu'une turbine et un compresseur et le terme "pompe" concernera 20 aussi bien une pompe qu'un compresseur. Comme mieux décrit dans le brevet US 7 044 718, il est déjà connu de réduire la longueur de l'arbre et par conséquent l'encombrement axial de la turbopompe. 25 Dans ce document, la turbine et la pompe sont imbriqués l'un dans l'autre de manière à ce que les canaux de la turbine et ceux de la pompe sont également imbriqués les uns dans les autres autour de l'arbre de rotation, ce qui permet de réduire d'une façon conséquente la longueur axiale de la machine. 30 La présente invention se propose de réduire encore d'avantage la longueur de l'arbre de rotation et donc l'encombrement de la turbopompe. Elle permet également de réduire le nombre de paliers et de simplifier les circuits de lubrification. 3063775 2 A cet effet, la présente invention concerne une turbopompe comprenant un boîtier fixe comportant une pompe avec un rotor de pompe comprenant des ailettes de pompe et une turbine logeant un rotor de turbine portant des ailettes de turbine, caractérisée en ce que la turbopompe comprend un rotor de turbine placé 5 coaxialement autour du rotor de la pompe sur un plan perpendiculaire auxdits rotors. Le rotor de pompe peut comprendre des ailettes radiales portant sur leurs extrémités une ceinture circonférentielle. 10 La ceinture circonférentielle peut porter des ailettes radiales de rotor de turbine disposées coaxialement et au-dessus des ailettes du rotor de pompe. Les extrémités radiales des ailettes de rotor de turbine peuvent porter une 15 bande fermée circonférentielle sensiblement coaxiale à la ceinture. La ceinture peut comprendre des moyens d'étanchéité avec le boîtier fixe. Les moyens d'étanchéité peuvent comprendre un jeu de labyrinthes à chaque extrémité de la ceinture. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle est annexée la figure unique qui montre la turbopompe selon l'invention et son circuit associé. Sur cette figure, la turbopompe a la caractéristique de comporter une turbine qui est placée en périphérie de la pompe. La turbine et la pompe sont ainsi à la fois coplanaires, car placées sur un plan perpendiculaire à l'arbre de rotation de la machine, et coaxiales puisqu'elles sont toutes les deux en rotation autour du même axe de rotation. 3063 775 3 La turbopompe 10 comprend un boîtier fixe 12 qui loge la partie tournante 14 d'une pompe 16 (ou rotor de pompe) et la partie tournante 18 d'une turbine 20 (ou rotor de turbine). 5 Le rotor de pompe comprend un arbre cylindrique 22 relié à une extrémité à un moyeu 24 de forme sensiblement tronconique avec une paroi circonférentielle 26 concave. Cette paroi porte une multiplicité d'ailettes 28 saillantes radialement à partir de la paroi et régulièrement espacées sur le pourtour extérieur de cette paroi. Les ailettes comprennent un bord d'attaque 30 à distance de l'extrémité libre 10 du moyeu 24, un bord de fuite 32 à distance de la base du moyeu tronconique 24, et une extrémité extérieure radiale 34 de courbure sensiblement identique à celle de la paroi concave 26. Comme mieux visible sur la figure, une ceinture circonférentielle courbe 36 est placée, avantageusement par frettage, sur les extrémités radiales 34 des 15 ailettes, notamment pour réduire les pertes dues aux écoulements. Ce rotor de pompe est placé dans le boîtier fixe 12 qui comprend un palier axial 38 pour la réception de l'arbre 22 du rotor de pompe, un système d'étanchéité 39 associé au palier 38, une entrée axiale 40 d'un fluide en regard du moyeu 24 et qui est coaxiale au palier en étant placé en amont des ailettes, et une 20 sortie radiale 42 de fluide qui est en communication avec la partie avale de ces ailettes. Cette sortie 42 est avantageusement en forme de volute pour diriger le fluide vers l'appareil qu'il doit alimenter. La pompe comprend ainsi l'arbre 22, le moyeu 24 avec la paroi concave 26, 25 les ailettes 28, la ceinture 36, et une portion du boîtier fixe avec le palier 38, l'entrée 40 de fluide et la sortie 42 de fluide. La ceinture 36 porte, sur la face à l'opposé de la ceinture portant les ailettes 28 de la pompe, une multiplicité d'ailettes 44 saillantes radialement et 30 régulièrement espacées sur le pourtour extérieur de cette ceinture. Ces ailettes constituent les ailettes de la turbine et sont coaxiales et sensiblement dans le même plan radial que les ailettes de la pompe. Les ailettes de la turbine comprennent un bord d'attaque 46, un bord de fuite 48, et une extrémité extérieure radiale 50 de courbure sensiblement identique à celle de la ceinture. 3063775 4 De manière similaire à la ceinture des ailettes de la pompe, une bande fermée circonférentielle courbe 52 peut être placée, avantageusement par frettage, sur les extrémités extérieures radiales 50 des ailettes de turbine 44 en étant coaxiale à la ceinture des ailettes de la pompe. 5 Le rotor de turbine est ainsi formé par la ceinture 36, les ailettes 44 de la turbine et éventuellement la bande 52 des ailettes de la turbine en étant monté sur la partie périphérique du rotor de la pompe en formant ainsi partie intégrante de ce rotor de pompe. Ce rotor de turbine est placé dans le boîtier fixe 12 qui comprend une entrée 10 de fluide 54, avantageusement en forme de volute en regard du bord d'attaque 46, des ailettes 44 de turbine et une sortie de fluide 56 en vis-à-vis du bord de fuite 48 de ces ailettes de turbine. Cette configuration permet un entraînement direct du compresseur par la 15 turbine au travers des ailettes de la turbine et de la ceinture. La force exercée par le fluide sur les ailettes de la turbine, associée à un rayon important autour du rotor de la pompe contribue à fournir un travail plus élevé que celui qui serait nécessaire pour entraîner le compresseur. Ainsi, un travail résiduel est disponible sur l'arbre de la machine pour 20 entraîner tout dispositif mécanique ou électrique, tel qu'un alternateur par exemple. Il est aussi nécessaire d'assurer une étanchéité de la ceinture avec le boîtier et cela grâce à des moyens d'étanchéité disposés sur les extrémités libres de 25 cette ceinture qui sépare la turbine de la pompe. Pour cela, ces moyens d'étanchéité peuvent être un jeu de labyrinthes 58, 60 avec, comme illustré à titre d'exemple sur la figure, une lamelle 62 formée à chaque extrémité de la ceinture qui pénètre dans des rainures 64, 66. L'une 66 des rainures est disposée entre l'entrée 54 de la turbine et la sortie 42 de la 30 pompe et l'autre 64 des rainures est située entre l'entrée 40 de la pompe et la sortie 56 de la turbine. L'étanchéité est améliorée en assurant d'une part, une équi-pression entre la sortie de la pompe 42 et l'entrée de la turbine 54 (côté haute pression), d'autre 3063775 5 part, une équi-pression entre l'entrée de la pompe 40 et la sortie de la turbine 56 (côté basse pression). La turbopompe telle que décrite ci-dessus peut être utilisée dans de 5 nombreux domaines, comme les domaines pétroliers, aéronautiques, automobiles... Cette turbopompe trouve plus particulièrement son application avec un circuit fermé, en particulier de type à cycle de Rankine 68 comme illustré sur la figure 10 unique. Ce circuit fermé à cycle de Rankine est avantageusement de type ORC (Organic Rankine Cycle) et utilise un fluide de travail organique ou des mélanges de fluides organiques, comme du butane, de l'éthanol, des hydrofluorocarbures. 15 Il est bien entendu que le circuit fermé peut également fonctionner avec un fluide comme de l'ammoniac, de l'eau, du dioxyde de carbone... Ainsi, la sortie 42 de la pompe est reliée à un échangeur de chaleur 70, dénommé évaporateur, traversé par le fluide de travail comprimé par la pompe et 20 grâce auquel le fluide de travail ressort de cet évaporateur sous forme de vapeur comprimée. Cet évaporateur est également parcouru par une source chaude 72, sous forme liquide ou gazeuse de manière à pouvoir céder sa chaleur au fluide de travail. Cette source chaude permet de réaliser la vaporisation du fluide et peut 25 provenir de sources chaudes variées, telles qu'un liquide de refroidissement d'un moteur à combustion, d'un processus industriel, d'un four, de gaz chauds résultant d'une combustion (fumées d'un processus industriel, d'une chaudière, ou d'une turbine, etc.), d'un flux de chaleur issu de capteurs solaires thermiques, etc. La sortie de l'évaporateur est connectée à l'entrée 54 de la turbine 20 pour y 30 faire admettre le fluide de travail sous forme de vapeur comprimée à haute pression, ce fluide ressortant par la sortie 56 de cette turbine sous forme de vapeur détendue à basse pression. La sortie 56 de la turbine est raccordée à un échangeur de refroidissement 74, ou condenseur, qui permet de transformer la vapeur basse pression détendue 3063775 6 qu'il reçoit en un fluide liquide basse pression. Ce condenseur est balayé par une source froide, généralement un flux d'air ambiant ou d'eau de refroidissement, de manière à refroidir la vapeur détendue pour qu'elle se condense et se transforme en un liquide. Bien entendu, les différents éléments du circuit sont reliés entre eux par des conduites de circulation de fluide permettant de les relier successivement. REVENDICATIONS1) Turbopompe (10) comprenant un boîtier fixe (12) comportant une pompe (16) avec un rotor de pompe (14) comprenant des ailettes de pompe (28) et une turbine (20) logeant un rotor de turbine (18) portant des ailettes de turbine (44), caractérisée en ce que la turbopompe comprend un rotor de turbine (18) placé coaxialement autour du rotor de la pompe (16) sur un plan perpendiculaire auxdits rotors. 10 2) Turbopompe (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rotor de pompe (14) comprend des ailettes radiales (28) portant sur leurs extrémités radiales une ceinture circonférentielle (36). 3) Turbopompe (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la 15 ceinture circonférentielle (36) porte des ailettes radiales (44) de rotor de turbine (18) disposées coaxialement et au-dessus des ailettes (28) du rotor de pompe (16). 4) Turbopompe (10) selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que les 20 extrémités radiales des ailettes (44) de rotor de turbine (18) porte une bande fermée circonférentielle (52) sensiblement coaxiale à la ceinture (36). 5) Turbopompe (10) selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la ceinture (36) comprend des moyens d'étanchéité (58, 60) avec le boîtier 25 fixe. 6) Turbopompe (10) selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens d'étanchéité comprennent un jeu de labyrinthes (58, 60) placé à chaque extrémité de la ceinture. 30 7) Application d'une turbopompe selon l'une des revendications précédentes à un circuit fermé, notamment de type Rankine ou ORC (Organic Rankine Cycle).