Brevet FR3081192A1 — publié le 20191122

DOMAINE DE L'INVENTION [0001] L'invention se rapporte au domaine des moteurs de fusée et de satellites, et plus particulièrement aux carters de turbopompes spatiales, et au transfert des efforts au sein de ce carter. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0002] Les turbopompes spatiales comprennent généralement une pompe centrifuge comportant un rotor ayant au moins une première et une deuxième roue, éventuellement centrifuges, et, lorsqu'il y a une pluralité de roues centrifuges, un stator incorporant une pluralité de canaux de retour. Dans la pompe, un fluide de travail est entraîné et comprimé par la première roue centrifuge, collecté en aval par les canaux de retour, puis, dans le cas où la pompe comporte au moins deux roues centrifuges, entraîné et comprimé à nouveau par la deuxième roue centrifuge. [0003] Le fluide ainsi comprimé est alors collecté en sortie de la deuxième roue centrifuge par un diffuseur, qui ralentit le fluide avant d'alimenter un conduit torique de refoulement, ou collecteur. Un tel dispositif est divulgué par exemple par la demande de brevet français n°FR 2772 843. [0004] Au cours du fonctionnement du moteur, le carter de la turbopompe est soumis à des sollicitations mécaniques qui transitent dans ces différentes parties. Par principe physique, les efforts empruntent le chemin le plus direct au travers de la structure. [0005] Selon la conception du système, les efforts peuvent transiter au travers de zones fonctionnelles, c'est-à-dire des zones dont dépend le rendement de la pompe, par exemple le diffuseur. Des efforts importants peuvent déformer ces zones, et nuire au rendement de la turbopompe. Des efforts excessifs peuvent également remettre en cause l'intégrité mécanique de ces zones fonctionnelles, pouvant conduire à un risque de 30 ruine du moteur, et donc de l'engin spatial. De plus, pour permettre au diffuseur de supporter les contraintes auxquelles il est soumis, un concepteur de turbopompe peut être conduit à augmenter les épaisseurs de matière dans les aubes du diffuseur, ce qui peut nuire au rendement de la pompe. 35 [0006] Il existe donc un besoin pour un dispositif permettant de pallier ces inconvénients. PRESENTATION DE L'INVENTION [0007] Le présent exposé concerne un dispositif de transfert de fluide comprenant : 2 - une pompe configurée pour comprimer un fluide, la pompe comportant un corps de pompe et au moins une roue à aubes à l'intérieur du corps de pompe, agencée autour d'un axe central, - un diffuseur pour recevoir et rediriger le fluide refoulé par la roue à 5 aubes, et - un collecteur de fluide agencé autour du corps de pompe et du diffuseur et configuré pour collecter le fluide comprimé sortant du diffuseur, dans lequel, dans une section passant par l'axe central, le collecteur présente deux extrémités reliées chacune au corps de pompe, 10 et entre celles-ci, une partie centrale présentant une surface interne de forme sensiblement ovale, une première partie de jonction et une deuxième partie de jonction, la première et la deuxième parties de jonction raccordant la partie centrale aux extrémités du collecteur, la partie centrale et les parties de jonction présentant, entre les extrémités, 15 une capacité à se déformer telle que, pendant un fonctionnement nominal du dispositif, une contrainte mécanique maximale dans le diffuseur soit inférieure à une contrainte mécanique maximale dans le collecteur. [0008] En général, le collecteur présente une forme de tore entourant le corps de pompe. Dans une section passant par l'axe central, le 20 collecteur présente deux extrémités reliées chacune au corps de pompe. On comprend que les extrémités du collecteur sont reliées au corps de pompe dans une section quelconque du collecteur, de telle sorte que chaque extrémité du collecteur est reliée au corps de pompe le long de la circonférence de ce dernier. 25 [0009] Dans cette section, la partie centrale du collecteur présente en générale sensiblement la forme d'un arc de cercle, les première et deuxième parties de jonction reliant les extrémités de cet arc de cercle au corps de pompe. [0010] Les première et deuxième parties de jonction sont configurées de telle sorte que, au cours d'un fonctionnement normal du dispositif, c'est-à-dire lorsque le collecteur est sous pression, les contraintes mécaniques dans le collecteur restent toujours supérieures à celles dans le diffuseur. En d'autres termes, le collecteur est configuré de manière à ce que les contraintes mécaniques soient plus importantes dans les parties de 35 jonction que dans le diffuseur. [0011] Ce dispositif permet donc, par rapport à un dispositif ne présentant pas cette configuration, de dévier le chemin par lequel transitent les contraintes mécaniques, en privilégiant un passage de ces contraintes dans le collecteur, entrainant une déformation de la première 3 et/ou de la deuxième partie de jonction, et de la partie centrale, de manière à ce que le collecteur tende à s'aplatir, plutôt qu'une déformation de la section de sortie du diffuseur. Ainsi, lors d'un fonctionnement normal d'un tel dispositif, dans une turbopompe par exemple, les contraintes 5 mécaniques passant dans le diffuseur sont limitées, les contraintes de dimensionnement concernant le diffuseur sont donc plus faibles, ce qui permet d'une part d'optimiser celui-ci et donc d'améliorer le rendement de la pompe, et d'autre part de garantir l'intégrité mécanique des zones fonctionnelles du moteur. 10 [0012] Dans certains modes de réalisation, une face interne et/ou une face externe de la première partie de jonction et de la deuxième partie de jonction présente une gorge circonférentielle. [0013] Par « circonférentielle », on comprend que la gorge formée sur la face interne et/ou une face externe de la première partie de jonction et 15 de la deuxième partie de jonction du collecteur s'étend le long de ce dernier, en suivant la circonférence du corps de pompe. De plus, la face interne des parties de jonction désigne la face en contact avec le fluide s'écoulant dans le collecteur, et la face externe désigne la face opposée à ladite face interne, c'est-à-dire la face dirigée vers l'extérieur du dispositif. 20 [0014] De manière classique, les extrémités du collecteur présentent une épaisseur très importante, qui est prévue traditionnellement pour rigidifier le collecteur. A l'inverse de cette conception ancienne, la présente invention peut prévoir notamment la présence de gorge(s) au voisinage d'au moins une des extrémités du collecteur, qui réduit ou réduisent 25 considérablement l'épaisseur du collecteur au voisinage de ses extrémités. La présence d'une telle gorge permet d'affaiblir localement la résistance à la déformation de la paroi du collecteur, facilitant ainsi la déformation de la première partie de jonction et de la deuxième partie de jonction au cours d'un fonctionnement normal du dispositif. 30 [0015] Dans certains modes de réalisation, les extrémités du collecteur sont reliées au corps de pompe à distance de la sortie du diffuseur. [0016] La sortie du diffuseur est l'ouverture à travers laquelle le fluide entre dans le collecteur, en sortant du diffuseur. Par « à distance », on comprend que les extrémités de collecteur ne sont pas directement adjacentes à la section de sortie du collecteur, mais sont reliées au corps de pompe de manière à être décalées par rapport à cette section. Ce décalage engendre une modification de la forme du collecteur par rapport à une configuration dans laquelle les extrémités du collecteur sont directement adjacentes à la section de sortie du diffuseur, sans aucun 4 décalage. Plus précisément, ce décalage permet de créer une gorge, ou une cavité au niveau de ces extrémités. Les première et deuxième parties de jonction sont ainsi formées. [0017] Dans certains modes de réalisation, au moins une partie de 5 jonction présente à la fois une gorge interne sur la face interne de la partie de jonction, et une gorge externe sur la face externe de la partie de jonction, et, dans une section passant par l'axe central, la gorge interne et la gorge externe sont décalées l'une par rapport à l'autre. [0018] Les gorges sur les faces interne et externe sont par exemple 10 décalées l'une par rapport à l'autre de manière à former, dans une section passant par l'axe central, sensiblement la forme d'un 'S' ou d'une chicane. Cette configuration permet de favoriser l'aplatissement du collecteur lorsque celui-ci est soumis à des contraintes mécaniques, au cours d'un fonctionnement normal du dispositif. 15 [0019] Les parties déformables peuvent être réalisées globalement de deux manières : par le choix des matériaux, et/ou par la forme du collecteur, en coupe axiale. [0020] Dans certains modes de réalisation, les première et deuxième parties de jonction comportent un matériau dont le module d'élasticité est 20 inférieur à celui de la partie centrale. [0021] Dans certains modes de réalisation, le module d'élasticité, ou module d'Young, des première et deuxième parties de jonction est compris entre 90 000 Mpa et 110 000 Mpa, de préférence entre 95 000 Mpa et 105 000 Mpa, de préférence encore égale à 100 000 Mpa, et le 25 module d'élasticité, ou module d'Young, de la partie centrale est compris entre 190 000 Mpa et 210 000 Mpa, de préférence entre 195 000 Mpa et 205 000 Mpa, de préférence encore égale à 200 000 Mpa. [0022] Par conséquent, au cours d'un fonctionnement normal du dispositif, les parties de jonction se déforment plus facilement que la 30 partie centrale, sous l'effet des contraintes mécaniques, entraînant une déformation globale du collecteur. Cette déformation permet de privilégier le passage des contraintes mécaniques dans le collecteur, plutôt que dans le diffuseur. [0023] Dans certains modes de réalisation, au moins une des parties 35 de jonction comporte une partie en saillie à l'intérieur du collecteur, la partie en saillie étant orientée vers une section de sortie du diffuseur. [0024] Dans certains modes de réalisation, une surface des parties en saillie disposée du côté de l'intérieur du collecteur est orientée de manière à canaliser le fluide dans le collecteur. 5 [0025] La partie en saillie est formée sur la face interne du collecteur. Par ailleurs, la partie en saillie est orientée vers une section de sortie du diffuseur, de manière à canaliser le fluide dans le collecteur. En d'autres termes, lorsque la face interne de la partie centrale forme sensiblement un 5 arc de cercle, la partie en saillie est formée dans le prolongement de cet arc de cercle, de manière à ce que la surface de la partie en saillie disposée du côté intérieur du collecteur soit continue avec la face interne de la partie centrale. La présence de ces saillies permet de limiter les turbulences susceptibles de se produire dans les gorges aménagées sur la 10 face interne des parties de jonction. En effet, en l'absence de ces saillies, ces gorges engendrent des pertes de charges dans l'écoulement du fluide dans le collecteur. La présence de ces saillies permet donc de limiter ces pertes de charge, améliorant ainsi le rendement de la pompe. [0026] Dans certains modes de réalisation, la gorge interne de la 15 première partie de jonction s'étend entre une première extrémité du collecteur et la base d'une première partie en saillie, et la gorge interne de la deuxième partie de jonction s'étend entre une deuxième extrémité du collecteur et la base d'une deuxième partie en saillie. [0027] La gorge sur la face interne de la première partie de jonction, 20 par exemple, peut être définie entre l'extrémité du collecteur reliée au corps de pompe à distance de la section de sortie du diffuseur, et la partie en saillie. [0028] Dans certains modes de réalisation, le collecteur comporte deux parties soudées l'une à l'autre, à savoir une partie radialement externe, et 25 une partie de fixation disposée entre le corps de pompe et la partie radialement externe. [0029] La présence d'une soudure entre ces deux parties est possible du fait de la présence de la gorge. En effet, en l'absence de gorge dans les parties de jonction, en d'autres termes, au niveau de la partie située 30 entre la partie centrale et les extrémités du collecteur, l'épaisseur de la paroi du collecteur est plus importante qu'en présence d'une gorge, empêchant une soudure entre deux parties. Dans ce cas, le collecteur doit être formé en un seul et même bloc. En revanche, l'épaisseur de la paroi du collecteur étant plus faible du fait de la présence de la gorge, il est 35 possible de réaliser le collecteur en deux parties, et de souder ces deux parties entre elle. Cela permet de simplifier le processus de fabrication du dispositif. 6 [0030] Le présent exposé concerne également une turbopompe, notamment spatiale, comportant un dispositif selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 5 [0031] 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 description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : - la figure 1 représente une vue en demi-coupe axiale d'un exemple de 10 turbopompe centrifuge équipée d'un dispositif de transfert de fluide selon l'art antérieur ; - la figure 2A représente schématiquement le diffuseur et le collecteur de la turbopompe de la figure 1, et les figures 2B et 2C représentent schématiquement un diffuseur et un collecteur d'une turbopompe selon le 15 présent exposé ; - la figure 3A représente une vue en demi-coupe axiale d'un exemple de dispositif de transfert de fluide selon l'art antérieur, et la figure 3B représente une vue en demi-coupe axiale d'un exemple de dispositif de transfert de fluide selon le présent exposé. 20 DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION [0032] La figure 1 représente une turbopompe 10 multiétages voisine de certaines turbopompes équipant les moteurs-fusées cryotechniques désignés par la dénomination Vulcain (marque déposée) et servant à l'alimentation de ces moteurs en hydrogène liquide à haute pression. 25 [0033] La turbopompe 10 comprend une pompe centrifuge 16 à deux étages, et une turbine 18 qui entraîne en rotation le rotor de la pompe 16 autour d'un axe A. [0034] A l'intérieur d'un carter, ou corps de pompe 12, le rotor de la pompe 16 comprend une première roue centrifuge 20 munie d'aubes 22, 30 une deuxième roue centrifuge 30 munie d'aubes 32, un inducteur 24 et une pièce de liaison 49. [0035] L'inducteur 24, qui confère de bonnes caractéristiques d'aspiration et autorise une vitesse de rotation élevée, est placé à l'entrée de la pompe 16 en aval du conduit d'admission de la pompe 16 (non 35 représenté) en fluide de travail. La pièce de liaison 49 assure la solidarisation en rotation de la roue 30 avec le rotor de la turbine 18. [0036] L'empilage et le serrage axial de l'inducteur 24, des roues 20 et 30, et de la pièce de liaison 49 sont assurés par un tirant ou arbre central 40 de la pompe 16. 7 [0037] Le stator de la pompe 16 comprend le corps de pompe 12 et, à l'intérieur de celui-ci, un ensemble de canaux de retour de fluide 50. Ceux-ci captent et ralentissent le fluide refoulé par la roue 20 et le dirigent vers l'entrée de la roue 30. 5 [0038] Dans la pompe 16, le fluide de travail est aspiré au niveau de l'inducteur 24; il est entraîné et comprimé par la première roue à aubes 20; il est collecté en sortie de la roue 20 par les canaux de retour de fluide 50. Le fluide de travail est alors entraîné et comprimé à nouveau par la deuxième roue à aubes 30. 10 [0039] Le fluide ainsi comprimé est alors collecté en sortie de la roue 30 par un diffuseur 34, qui ralentit le fluide avant d'alimenter le conduit torique de refoulement, ou collecteur 36. [0040] Lors d'un fonctionnement normal de la turbopompe, la structure de celui-ci est soumise à des sollicitations telles que des 15 contraintes extérieures provenant de la pompe, des contraintes provoquées par le rotor 16, contraintes liées à la pression, à la température, etc. Les efforts engendrés par ces contraintes peuvent transiter dans des zones fonctionnelles de la turbopompe 10, notamment le diffuseur 34. Le rendement de la pompe 16 dépend notamment de ce 20 diffuseur 34. En cas de déformations importantes de ce dernier, le rendement de la pompe 16 peut être diminué. [0041] La figure 2A illustre schématiquement le collecteur 36 de la figure 1, notamment le chemin des efforts (ligne continue) dans la structure du dispositif. Les efforts transitent notamment le long du corps 25 de pompe 12, en passant par le diffuseur 34. [0042] La figure 2B illustre schématiquement un collecteur 36 comportant des parties de jonction selon le présent exposé. Plus précisément, le collecteur 36 comporte une première partie de jonction 361, une deuxième partie de jonction 362, et une partie centrale 363. La 30 première partie de jonction 361 et la deuxième partie de jonction 362 comportent chacune une extrémité reliée au corps de pompe 12, par exemple par soudure, et une extrémité reliée à la partie centrale 363. [0043] Selon ce mode de réalisation, chacune des première et deuxième parties de jonction comporte une gorge interne 361a, 362a 35 respectivement, et une gorge externe 361b, 362b respectivement. Les gorges internes sont des zones creusées sur la face interne du collecteur 36, à l'intérieur duquel circule le fluide issu du diffuseur 34. Les gorges externes sont des zones creusées sur la face externe du collecteur 36. 8 [0044] Lors d'un fonctionnement normal de la pompe, lorsque le dispositif est soumis à des pressions considérables du fait du passage du fluide, la présence de ces gorges favorise la déformation du collecteur 36 sous l'effet de ces contraintes. La figue 2C illustre la déformation du 5 collecteur 36 sous l'effet des contraintes, ces dernières tendant à aplatir le collecteur 36, dont la flexion est favorisée au niveau des gorges. Cette déformation du collecteur 36 a pour effet de dévier le chemin des efforts transitant dans le corps de pompe, ces efforts privilégiant un passage à travers la paroi du collecteur 36, plutôt qu'à travers le diffuseur 34. 10 [0045] La figure 3B représente une vue en demi-coupe axiale d'un exemple de turbopompe centrifuge équipée d'un dispositif de transfert de fluide selon l'invention. La première partie de jonction 361 comporte une gorge interne 361a et une gorge externe 361b, et la première partie de jonction 362 comporte une gorge interne 362a et une gorge externe 362b. 15 [0046] La première partie de jonction 361 comporte une première partie en saillie 364 à l'intérieur du collecteur 36, la première partie en saillie 364 étant orientée vers la section de sortie du diffuseur 34. La deuxième partie de jonction 362 comporte une deuxième partie en saillie 365 à l'intérieur du collecteur 36, la deuxième partie en saillie 365 étant 20 orientée vers la section de sortie du diffuseur 34. [0047] Les parties en saillie 364, 365 sont formées sur la face interne du collecteur 36, dans le prolongement de la partie centrale 363, de manière à ce que la face interne du collecteur 36 selon le présent exposé conserve sensiblement le même profil que la face interne d'un collecteur 25 selon l'art antérieur (cf. figure 3A). Ainsi, de par leur forme, leur position et leur orientation, ces parties en saillie 364, 365 sont configurées pour guider le fluide provenant du diffuseur 34, dans le collecteur 36, en minimisant les pertes de charges liées à l'écoulement de ce fluide. [0048] Suivant ce mode de réalisation, le collecteur 36 peut être 30 fabriqué en deux parties, reliées entre elles par une soudure. Cette soudure peut être effectuée au niveau de parties de jonction, entre les extrémités du collecteur 36 et les parties en saillie 364, 365. Ces soudures sont possibles grâce à la présence des gorges internes 361a, 362a, impliquant une épaisseur plus faible du collecteur 36 dans les parties de 35 jonction 361, 362, comparé à une configuration dans laquelle le collecteur ne comporte pas de gorge (cf. figure 3A). [0049] Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, les parties de jonction 361, 362 ne comportent pas de gorge, mais le matériau constituant les première et deuxième parties de jonction 361, 9 362 présente un module d'élasticité, ou module d'Young, inférieur à celui de la partie centrale. L'effet obtenu est le même que pour le premier mode de réalisation, à savoir que sous l'effet des contraintes extérieures, le collecteur 36 tendra à se déformer en s'aplatissant, permettant ainsi de 5 dévier les efforts transitant dans le corps de pompe 12, en privilégiant un passage à travers la paroi du collecteur 36, plutôt qu'à travers le diffuseur 34. De manière alternative, les première et deuxième parties de jonction peuvent comporter un matériau présentant des propriétés anisotropes, présentant un module d'élasticité, ou module d'Young, plus faible dans 10 une direction favorisant la déformation du collecteur sous l'effet des contraintes extérieures. [0050] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces 15 exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En 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 20 plutôt que restrictif. [0051] Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, REVENDICATIONS1. Dispositif de transfert de fluide comprenant : - une pompe (16) conflgurée pour comprimer un fluide, la pompe (16) 5 comportant un corps de pompe (12) et au moins une roue à aubes (30) à l'intérieur du corps de pompe (12), agencée autour d'un axe central, - un diffuseur (34) pour recevoir et rediriger le fluide refoulé par la roue à aubes (30), et - un collecteur de fluide (36) agencé autour du corps de pompe (12) et 10 du diffuseur (34) et conflguré pour collecter le fluide comprimé sortant du diffuseur (34), dans lequel, dans une section passant par l'axe central, le collecteur (36) présente deux extrémités reliées chacune au corps de pompe (12), et entre celles-ci, une partie centrale (363) présentant une surface interne de forme sensiblement ovale, une première partie de 15 jonction (361) et une deuxième partie de jonction (362), la première et la deuxième parties de jonction (361, 362) raccordant la partie centrale (363) aux extrémités du collecteur (36), la partie centrale (363) et les parties de jonction (361, 362) présentant, entre les extrémités, une capacité à se déformer telle que, pendant un fonctionnement nominal du 20 dispositif, une contrainte mécanique maximale dans le diffuseur (34) soit inférieure à une contrainte mécanique maximale dans le collecteur (36). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel une face interne et/ou une face externe de la première partie de jonction (361) et de la 25 deuxième partie de jonction (362) présente une gorge circonférentielle (361a, 361b, 362a, 362b). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel au moins une partie de jonction (361, 362) présente à la fois une gorge interne (361a, 362a) 30 sur la face interne de la partie de jonction (361, 362), et une gorge externe (361b, 362b) sur la face externe de la partie de jonction (361, 362), et, dans une section passant par l'axe central, la gorge interne (361a, 362a) et la gorge externe (361b, 362b) sont décalées l'une par rapport à l'autre. 35 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les première et deuxième parties de jonction (361, 362) comportent un matériau dont le module d'élasticité est inférieur à celui de la partie centrale (363). 11 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel au moins une des parties de jonction (361, 362) comporte une partie en saillie (364, 365) à l'intérieur du collecteur (36), la partie en saillie (364, 365) étant orientée vers une section de sortie du diffuseur (34). 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel une surface des parties en saillie (364, 365) disposée du côté de l'intérieur du collecteur (36) est orientée de manière à canaliser le fluide dans le collecteur (36). 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la gorge interne (361a) de la première partie de jonction (361) s'étend entre une première extrémité du collecteur (36) et la base d'une première partie en saillie (364), et la gorge interne (362a) de la deuxième partie de jonction (362) s'étend entre une deuxième extrémité du collecteur (36) et la base d'une deuxième partie en saillie (365). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le collecteur (36) comporte deux parties soudées l'une à l'autre, à savoir une partie radialement externe, et une partie de fixation disposée entre le corps de pompe et la partie radialement externe. 9. Turbopompe, notamment spatiale, comportant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.