Brevet FR3156491A1 — publié le 20250613

Pompe pour fluide cryotechnique ainsi qu’un ensemble comprenant un réservoir et une telle pompe, comprenant un conduit d’admission (21), un compresseur (31), configuré pour aspirer un débit entrant (E) de fluide cryotechnique arrivant en amont par le conduit d’admission (21) et pour refouler en aval un débit de refoulement ayant une pression supérieure à la pression du débit entrant (E), et une cavité d’isolation (71) entourant complètement au moins une partie du conduit d’admission (21). Fig. 1. Pompe pour fluide cryotechnique Le présent exposé concerne une pompe pour fluide cryotechnique ainsi qu’un ensemble comprenant un réservoir et une telle pompe. Une telle pompe peut notamment être utilisée dans un circuit de circulation pour ergol liquide d’un moteur dans le domaine spatial, par exemple dans un moteur-fusée. Une telle pompe peut également être utilisée, par exemple dans un moteur d’aviation à hydrogène ou encore dans le domaine maritime ou des équipements sols. Un ergol fréquemment utilisé dans le domaine spatial est l’hydrogène liquide. Toutefois, l’utilisation d’hydrogène dans un moteur tel qu’un moteur-fusée soulève de nombreuses difficultés techniques de mise en œuvre. En particulier, cet hydrogène est généralement stocké et distribué à l’état liquide, et donc à des températures cryotechniques, avant d’être éventuellement réchauffé avant son admission dans la chambre de combustion du moteur. L’une des difficultés rencontrées concerne la pompe de ce circuit d’alimentation. En particulier, il est nécessaire de maitriser la température de l’ergol jusqu’à son admission dans la pompe. En effet, une augmentation de la température du débit d’entrée impacte directement et significativement les capacités d’aspiration de la pompe. En particulier, plus la température du débit d’entrée augmente, plus la courbe de saturation du fluide se rapproche, ce qui augmente le risque qu’au moins une partie de l’ergol passe à l’état gazeux en amont ou au sein de la pompe : dans un tel cas, une dégradation prématurée de la pompe est même possible. Plus particulièrement, ce type de pompe possède généralement un conduit d’admission dont la paroi extérieure est directement exposée à l’environnement extérieur de la pompe. Ce conduit d’admission est alors directement soumis au flux thermique provenant de l’environnement de la pompe, ce qui aboutit à un réchauffement de l’ergol avant son admission dans la pompe. Bien sûr, une telle problématique se pose tout particulièrement durant les premières phases de vol lorsque le moteur-fusée, et donc la pompe, n’ont pas encore quitté l’atmosphère terrestre et sont donc soumis à une différence de température particulièrement forte entre la température de l’ergol et l’environnement de la pompe. Toutefois, bien que moins prégnante, cette problématique se pose également lorsque le moteur-fusée se trouve dans le vide spatial car les organes du moteur-fusée à proximité de la pompe, et notamment la chambre de combustion, génèrent un flux thermique suffisamment important pour avoir un impact sur la température de l’ergol en entrée de la pompe ; or quelques Kelvin de trop suffisent pour altérer significativement les performances de la pompe. Par ailleurs, dans les domaines d’utilisation terrestres, en particulier dans le domaine aéronautique, l’intégralité de la mission est réalisée dans un environnement où la température ambiante est bien supérieure à celle de l’ergol liquide. De plus, pour un flux thermique donné, l’augmentation de la température est d’autant plus importante que le débit entrant est faible, ce qui est souvent le cas dans les applications aéronautiques. La simple mise en place d’un isolant peut donc se révéler insuffisante pour maitriser la température de l’ergol entrant sur toute la durée de la mission, sauf à augmenter significativement l’épaisseur de l’isolant, ce qui peut poser alors des problèmes de masse et d’encombrement. Il existe donc un réel besoin pour une pompe pour fluide cryotechnique et un ensemble comprenant un réservoir et une telle pompe, qui soient dépourvus, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux configurations connues précitées. Le présent exposé concerne une pompe pour fluide cryotechnique, comprenant un conduit d’admission, un compresseur, configuré pour aspirer un débit entrant de fluide cryotechnique arrivant en amont par le conduit d’admission et pour refouler en aval un débit de refoulement ayant une pression supérieure à la pression du débit entrant, et une cavité d’isolation entourant complètement au moins une partie du conduit d’admission. Ainsi, dans une telle configuration, la cavité d’isolation s’interpose entre le conduit d’admission et l’environnement extérieur de la pompe, ce qui assure une isolation thermique du fluide cryotechnique traversant le conduit d’admission vis-à-vis d’un éventuel flux thermique provenant de l’extérieur de la pompe. La configuration proposée permet ainsi de maitriser efficacement la température du débit entrant de la pompe et donc, notamment, de réduire le risque qu’une partie de ce débit passe à l’état gazeux dans le conduit d’admission ou directement dans le compresseur. Par conséquence, la maitrise de cette température aboutit à une plus grande stabilité de l’aspiration de la pompe et permet de contrôler cette dernière dans une gamme de fonctionnement plus large en limitant le risque de cavitation. En particulier, cette configuration rend superflu l’ajout d’un isolant autour du conduit d’admission de la pompe, y compris lorsque cette dernière est utilisée dans un environnement atmosphérique, par exemple à bord d’un avion. On comprend ainsi que cette pompe est adaptée pour les applications spatiales. Toutefois, naturellement, il est tout à fait possible d’utiliser cette pompe dans d’autres domaines et notamment dans les domaines aéronautiques et terrestres. En particulier, la sauvegarde des performances d’aspiration de la pompe permet de relâcher en partie les capacités de pressurisation du réservoir. Par ailleurs, dans cette configuration, la partie avant de la pompe, incluant le conduit d’admission et la cavité d’isolation, présente un diamètre plus important que le seul conduit d’admission, ce qui offre à cette partie une tenue mécanique supérieure. En particulier, cette configuration rend envisageable la fixation de la pompe par cette partie avant, éventuellement même sans autre point de fixation : par exemple, la pompe pourrait être directement montée sur la paroi d’un réservoir de fluide cryotechnique assurant ainsi simultanément la connexion mécanique et la connexion hydraulique de la pompe. Dans le présent exposé, on entend par fluide cryotechnique un fluide dont la température est inférieure à 120 K, éventuellement inférieure à 80 K, en particulier inférieure à 30 K. Dans certains modes de réalisation, le fluide cryotechnique est un ergol liquide, par exemple du dihydrogène liquide H 2 , du dioxygène liquide O 2 , du diazote liquide N 2 , de l’hélium liquide He ou du méthane liquide CH 4 . Dans certains modes de réalisation, la pompe comprend une ligne de recirculation, configurée pour prélever une partie du débit de refoulement, formant un débit de recirculation, et pour réinjecter le débit de recirculation en amont du compresseur, la ligne de recirculation débouchant dans la cavité d’isolation. Puisque la cavité d’isolation est alimentée par un débit de recirculation prélevé en aval du compresseur de la pompe, la température régnant dans la cavité d’isolation est proche de celle du débit entrant. De plus, ce débit de recirculation étant injecté en permanence dans la cavité d’isolation, le volume de fluide présent dans la cavité d’isolation est sans cesse renouvelé, ce qui ne lui laisse pas suffisamment de temps pour se réchauffer significativement sous l’effet de l’éventuel flux thermique extérieur. Dans certains modes de réalisation, la longueur du conduit d’admission est supérieure à 50%, éventuellement supérieure à 100%, du diamètre de la roue du rotor du compresseur. Dans certains modes de réalisation, la longueur du conduit d’admission est supérieure à 20 mm, éventuellement supérieure à 40 mm. Dans certains modes de réalisation, le diamètre du conduit d’admission est inférieur au diamètre du compresseur, éventuellement est inférieur à 80% du diamètre du rotor du compresseur. Dans certains modes de réalisation, l’extrémité avant du conduit d’admission est ouverte et présente une lèvre en entonnoir. Cette lèvre en entonnoir facilite l’aspiration du fluide cryotechnique dans le conduit d’admission. Dans certains modes de réalisation, l’extrémité avant de la cavité d’isolation est ouverte et présente un étranglement. Un tel étranglement favorise la formation d’un flux convectif dans la cavité d’isolation qui favorise le nouvellement du fluide présent. Dans certains modes de réalisation, l’étranglement de la cavité d’isolation est formé par une augmentation locale du diamètre de la paroi interne de la cavité d’isolation, cette paroi interne de la cavité d’isolation pouvant correspondre à la paroi externe du conduit d’admission. En particulier, pour sa part, le diamètre de la paroi externe de la cavité d’isolation peut rester constant au niveau dudit étranglement. De cette manière, un flux convectif circulant du côté interne vers le côté externe de la cavité d’isolation puis expulsé hors de la cavité externe est favorisé, ce qui favorise l’évacuation des calories provenant du flux thermique externe plutôt que leur conduction vers le conduit d’admission. Dans certains modes de réalisation, la lèvre du conduit d’admission fait saillie radialement dans la cavité d’isolation. La lèvre du conduit d’admission forme ainsi un étranglement de la cavité d’isolation. Dans certains modes de réalisation, le compresseur comprend une roue tournante, par exemple un rouet centrifuge. Dans certains modes de réalisation, le compresseur comprend un inducteur. Un tel inducteur permet d’aspirer et d’accélérer le débit entrant avant sa compression dans la roue tournante. Dans certains modes de réalisation, le compresseur est configuré pour porter le débit de refoulement à une pression supérieure à 10 bar, éventuellement supérieure à 20 bar. Dans certains modes de réalisation, le débit de refoulement est compris entre 10 et 160 g/s. Dans certains modes de réalisation, la pompe comprend un moteur électrique, le compresseur étant entrainé par le moteur électrique. Une telle configuration est particulièrement adaptée pour une pompe d’alimentation en carburant car elle permet un contrôle facile et précis du débit de carburant alimenté. Toutefois, d’autres types d’entraînement sont possibles : par exemple, la pompe pourrait également être une turbopompe. Dans certains modes de réalisation, le débit de recirculation est compris entre 8 et 20%, éventuellement entre 10 et 15% du débit de refoulement. Dans certains modes de réalisation, le débit de recirculation est prélevé à l’arrière de la roue du compresseur. Dans certains modes de réalisation, le débit de recirculation est configuré pour participer à l’équilibrage axial du compresseur. Dans certains modes de réalisation, le débit de recirculation est configuré pour participer à la lubrification d’organes tournants de la pompe, par exemple un ou plusieurs paliers ou roulements. Dans certains modes de réalisation, le débit de la ligne de recirculation est configuré pour participer au refroidissement de la pompe, par exemple d’un moteur électrique de la pompe. Dans certains modes de réalisation, la différence de température entre le débit de recirculation réinjecté dans la cavité d’isolation et le débit entrant est inférieure à 10 K, éventuelle inférieure à 5 K. Dans certains modes de réalisation, la ligne de recirculation comprend un dispositif de liquéfaction. Un tel dispositif de liquéfaction permet, dans l’hypothèse où une partie du débit de recirculation serait passée à l’état gazeux, par exemple lors du refroidissement du moteur électrique de la pompe, de réinjecter exclusivement du liquide dans la cavité d’isolation. Toutefois, un tel dispositif de liquéfaction n’est en rien indispensable : en effet, si le débit de recirculation réinjecté dans la cavité d’isolation comporte une part de gaz, cette dernière pourra contribuer à la pressurisation du réservoir de fluide cryotechnique. Dans certains modes de réalisation, la cavité d’isolation entoure le conduit d’admission sur toute sa longueur. Le conduit d’admission est ainsi isolé thermiquement sur toute sa longueur. Dans certains modes de réalisation, la cavité d’isolation entoure au moins une partie du compresseur. Il est possible ainsi d’isoler thermiquement également le compresseur, ce qui réduit le risque d’un apport thermique extérieur au niveau du compresseur et réduit donc le risque de cavitation. En particulier, en raison de la forme complexe du carter du compresseur, il est normalement difficile de mettre en place un isolant thermique autour du compresseur, enveloppant correctement ce dernier. Dans certains modes de réalisation, la cavité d’isolation et le conduit d’admission sont concentriques. Une telle configuration favorise une répartition homogène des efforts mécaniques et hydrauliques dans la partie avant de la pompe. Dans certains modes de réalisation, le diamètre de la cavité d’isolation est supérieur à 200%, éventuellement supérieur à 300%, du diamètre du conduit d’admission. Un tel diamètre permet, d’une part, d’isoler efficacement le conduit d’admission et, d’autre part, de doter la cavité d’isolation d’un volume important facilitant la convection forcée et/ou naturelle et la dilution du débit de recirculation réinjecté. De plus, un tel diamètre offre une tenue mécanique supérieure, notamment lorsque la pompe est fixée au niveau de la cavité d’isolation. Dans certains modes de réalisation, la paroi externe de la cavité d’isolation comprend une interface de fixation configurée pour être montée sur un organe hydraulique amont, par exemple un réservoir de fluide cryotechnique. En raison du diamètre accru de la paroi externe de la cavité d’isolation, la pompe peut être fixée de manière fiable et rigide, avec une bonne transmission des efforts mécaniques, malgré le porte-à-faux représenté par la masse de la pompe ainsi suspendue. De plus, une telle configuration permet d’assurer simultanément la connexion mécanique et la connexion hydraulique de la pompe. Naturellement, l’interface de fixation pourrait être montée sur tout autre dispositif d’alimentation, par exemple une ligne d’alimentation en ergol. Dans certains modes de réalisation, la ligne de recirculation débouche dans la cavité d’isolation au niveau de son extrémité arrière, c’est-à-dire son extrémité la plus proche du compresseur. Une telle configuration permet un renouvellement efficace du fluide présent dans la cavité d’isolation. Le présent exposé concerne également un ensemble, comprenant un réservoir, prévu pour stocker du fluide cryotechnique, et une pompe selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, montée sur une face du réservoir. Dans le présent exposé, les termes « axial », « radial », « tangentiel », « interne », « externe » et leurs dérivés sont définis par rapport à l’axe principal de la pompe ; on entend par « plan axial » un plan passant par l’axe principal de la pompe et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal ; les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation du fluide dans la pompe ; les termes « avant » et « arrière » sont définis le long de l’axe principal, l’avant de la pompe étant située du côté de son conduit d’admission. De plus, lorsqu’ils concernent des valeurs numériques, les termes « inférieur », « supérieur », « entre » et leurs dérivés sont interprétés au sens large, c’est-à-dire en incluant le cas où la valeur en question est égale à la borne annoncée. Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation de la pompe et de l’ensemble proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé. Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. FIG. 1 La FIG. 1 est un plan en coupe d’un exemple d’ensemble comprenant un réservoir et une pompe. Afin de rendre plus concret l’exposé, un exemple d’ensemble comprenant un réservoir et une pompe est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple. La FIG. 1 représente en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un ensemble 1 comprenant un système d’alimentation, ici un réservoir 10, et une pompe 20 pouvant être montée sur une face principale 11 du réservoir 10. Dans le présent exemple, le réservoir 10 est un réservoir d’hydrogène liquide stocké à 20 K environ et à 1 bar environ. Le réservoir 10 peut également comprendre un volume d’hydrogène gazeux, ce volume de gaz ayant pour fonction principale de pressuriser le volume d’hydrogène liquide. La face principale 11 du réservoir 10 comporte un orifice d’alimentation 12 bordé par une bride de fixation 13, cette bride de fixation 13 participant à la fixation de la pompe 20, comme cela sera décrit ci-après. La pompe 20 comprend un conduit d’admission 21, s’étendant axialement et ouvert sur l’orifice d’alimentation 12 du réservoir 10 : ce conduit d’admission 21 permet l’entrée du fluide cryotechnique dans la pompe 20 et conduit ainsi vers un compresseur 31. Le compresseur 31 comprend un rotor 32 tournant autour de l’axe principal A au sein d’un stator 35. Le rotor 32 inclut de manière monobloc un inducteur 33 en amont suivi d’un rouet centrifuge 34 en aval. Le stator 35 inclut pour sa part une paroi de veine 36, prolongeant la paroi 22 du conduit d’admission 21 vers l’aval en longeant le rouet centrifuge 34, et une volute 37, sensiblement annulaire, prévue en vis-à-vis de la sortie du rouet centrifuge 34. Le rotor 32 du compresseur 31 est entraîné en rotation par un moteur électrique 41 disposé à l’arrière du compresseur 31. Le moteur électrique 41 comprend ainsi un rotor 42, entrainant le rotor 32 du compresseur 31 par l’intermédiaire d’un arbre rotatif 43, et un stator 44, monté dans une portion principale 51 du carter 50 de la pompe 20. L’arbre rotatif 43 est soutenu par deux paliers 45, 46, par exemple des roulements. Le palier avant 45 est porté au stator par une paroi radiale 47, fixée sur la portion principale 51 du carter 50. La paroi radiale 47 délimite au sein du carter 50 un espace logeant le compresseur 31 et un espace logeant le moteur 41. Le palier arrière 46 est porté au stator 44 par un couvercle arrière 52 du carter 50, rapporté contre la portion principale 51 du carter 50. Lorsque le moteur 41 entraîne le rotor 32 du compresseur 31, de l’hydrogène liquide est aspiré dans le conduit d’admission 21 puis dans le compresseur 31, constituant ainsi un débit d’entrée E. Une part principale du débit de refoulement, obtenu suite à la compression du débit d’entrée E par le compresseur 31, est dirigée vers un conduit de sortie (non représenté) de la pompe 20, constituant ainsi un débit de sortie. Dans le présent exemple, le compresseur 31 porte le débit de refoulement à une pression de l’ordre de 10bar. Toutefois, une part secondaire du débit de refoulement est déroutée vers une ligne de recirculation 60, constituant ainsi un débit de recirculation R. La ligne de recirculation 60 débute par un interstice 61 séparant la face arrière du rouet centrifuge 34 et la paroi radiale 47 ; le débit de recirculation R traverse ensuite le palier avant 45, circule entre le rotor 42 et le stator 44 du moteur 41, traverse le palier arrière 46 et atteint une cavité arrière 62 ménagée dans le couvercle 52 du carter 50. Le débit de recirculation R parcourt ensuite un conduit de recirculation 63 s’étendant depuis le couvercle 52 du carter 50 jusqu’à une partie avant 53 du carter 50 ; le débit de recirculation R débouche alors dans une cavité d’isolation 71 s’étendant de manière concentrique entre le conduit d’admission 21 et une paroi structurale 54 de la partie avant 53 du carter 50. Le débit de recirculation R contribue ainsi à l’équilibrage axial du compresseur 31, à la lubrification et au refroidissement des paliers 45, 46, et au refroidissement du moteur électrique 41. Dans le présent exemple, la température du débit de recirculation R au niveau de sa réinjection dans la cavité d’isolation 71 est de l’ordre de 21 K. La partie avant 53 du carter 50 comprend un bloc structural 55, contre lequel la partie principale 51 du carter est rapportée et dans lequel est formée la volute centrifuge 37, la paroi structurale 54, généralement cylindrique et s’étendant vers l’avant depuis le bloc structural 55, et une jupe 56, axisymétrique, s’étendant depuis le bloc structural 55, d’abord radialement vers l’intérieur puis axialement vers l’avant, de manière à former la paroi de veine et la paroi 22 du conduit d’admission 21. Le diamètre de la paroi structurale 54, formant donc la paroi externe de la cavité d’isolation 71, est environ trois fois plus important que le diamètre de la paroi 22 du conduit d’admission 21. L’extrémité avant, c’est-à-dire aval, de la paroi 22 du conduit d’admission 21 présente une lèvre 23 s’évasant vers l’extérieur. Cette lèvre 23 forme ainsi, d’une part, une bouche en entonnoir pour le conduit d’admission 21, ce qui facilite l’aspiration du fluide cryotechnique, et, d’autre part, un étranglement 72 pour la cavité d’isolation 71. Cet étranglement 72 favorise une circulation convective C prélevant du fluide cryotechnique dans le réservoir 10 et le faisant circuler du côté interne vers le côté externe de la cavité d’isolation 71, diluant au passage le débit de recirculation R réinjecté dans la cavité d’isolation 71, et refoulant l’ensemble dans le volume général du réservoir 10. L’extrémité avant de la paroi structurale 54 de la partie avant 53 du carter 50 présente pour sa part une interface de fixation 57 permettant le montage de la pompe 20 contre le réservoir 10. L’interface de fixation 57 comprend d’une part une bride de fixation 58, annulaire, appliquée et fixée contre la bride de fixation 13 du réservoir 10. L’interface de fixation 57 comprend d’autre part un embout cylindrique 59, faisant saillie axialement sur la bride de fixation 58 de la pompe 20, engagé dans l’orifice d’alimentation 12 du réservoir 10, le diamètre de l’embout cylindrique 58 correspondant au diamètre de l’orifice d’alimentation 12. 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 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 plutôt que restrictif. 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, à un procédé. Pompe pour fluide cryotechnique, comprenant un conduit d’admission (21), un compresseur (31), configuré pour aspirer un débit entrant (E) de fluide cryotechnique arrivant en amont par le conduit d’admission (21) et pour refouler en aval un débit de refoulement ayant une pression supérieure à la pression du débit entrant (E), et une cavité d’isolation (71) entourant complètement au moins une partie du conduit d’admission (21). Pompe selon la revendication 1, comprenant une ligne de recirculation (60), configurée pour prélever une partie du débit de refoulement, formant un débit de recirculation (R), et pour réinjecter le débit de recirculation (R) en amont du compresseur (31), la ligne de recirculation débouchant dans la cavité d’isolation (71). Pompe selon la revendication 2, comprenant un moteur électrique (41), le compresseur (31) étant entrainé par le moteur électrique (41), dans laquelle le débit de recirculation (R) est configuré pour participer au refroidissement du moteur électrique (41). Pompe selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle le débit de recirculation (R) est compris entre 8 et 20 %, éventuellement entre 10 et 15 %, du débit de refoulement. Pompe selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle la ligne de recirculation (60) débouche dans la cavité d’isolation (71) au niveau de son extrémité arrière. Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l’extrémité avant du conduit d’admission (21) est ouverte et présente une lèvre (23) en entonnoir, et dans laquelle l’extrémité avant de la cavité d’isolation (71) est ouverte et présente un étranglement (72). Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le compresseur (31) comprend une roue tournante, par exemple un rouet centrifuge (34), et dans laquelle le compresseur (31) comprend un inducteur (33). Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la cavité d’isolation (71) entoure le conduit d’admission (21) sur toute sa longueur, et dans laquelle la cavité d’isolation (71) entoure au moins une partie du compresseur (31). Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le diamètre de la cavité d’isolation (71) est supérieur à 200%, éventuellement supérieur à 300%, du diamètre du conduit d’admission (21). Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle la paroi externe (54) de la cavité d’isolation (71) comprend une interface de fixation (57) configurée pour être montée sur un organe hydraulique amont, par exemple un réservoir de fluide cryotechnique (10). Ensemble, comprenant un réservoir (10), prévu pour stocker du fluide cryotechnique, et une pompe (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, montée sur une face (11) du réservoir (10).