Brevet FR3156490A1 — publié le 20250613

Pompe pour fluide cryotechnique, comprenant un compresseur (31), configuré pour aspirer un débit entrant (E) de fluide cryotechnique arrivant en amont et pour refouler en aval un débit de refoulement ayant une pression supérieure à la pression du débit entrant (E), un moteur (41), configuré pour entraîner le compresseur (31), et une ligne de service (60), configurée pour prélever une partie du débit de refoulement, formant un débit de service (R), et circulant dans et/ou le long du moteur (41) pour refroidir le moteur (41), dans laquelle la ligne de service (60) comprend au moins un dispositif de perte de charge (64, 65) configuré pour réduire la pression et/ou augmenter la température du débit de service (R) de sorte à faire passer de l’état liquide vers l’état gazeux au moins 50%, éventuellement au moins 80%, éventuellement encore au moins 90%, du débit de service (R). Fig. 1. Pompe pour fluide cryotechnique Le présent exposé concerne une pompe pour fluide cryotechnique. Une telle pompe peut notamment être utilisée dans un circuit de circulation pour ergol liquide d’un moteur, par exemple d’un moteur-fusée dans le domaine spatial. Une telle pompe peut néanmoins également être utilisée dans le domaine aéronautique pour des moteurs 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, si le refroidissement du moteur de la pompe peut se faire facilement grâce au prélèvement d’une partie de l’ergol liquide pompé et à sa circulation dans une ligne de service, la présence de liquide dans l’entrefer du moteur crée une perte de performance significative du moteur en raison de la consommation importante de couple causée par le cisaillement de ce liquide lors de la rotation du moteur. Ainsi, au premier ordre, ces pertes par cisaillement sont proportionnelles à la densité du fluide et à son coefficient de frottement. Il existe donc un réel besoin pour une pompe pour fluide cryotechnique qui soit dépourvue, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux configurations connues précitées. Le présent exposé concerne une pompe pour fluide cryotechnique, comprenant un compresseur, configuré pour aspirer un débit entrant de fluide cryotechnique arrivant en amont et pour refouler en aval un débit de refoulement ayant une pression supérieure à la pression du débit entrant, un moteur, configuré pour entraîner le compresseur, et une ligne de service, configurée pour prélever une partie du débit de refoulement, formant un débit de service, et circulant dans et/ou le long du moteur pour refroidir le moteur, dans laquelle la ligne de service comprend au moins un dispositif de perte de charge configuré pour réduire la pression et/ou augmenter la température du débit de service de sorte à faire passer de l’état liquide vers l’état gazeux au moins 50%, éventuellement au moins 80%, éventuellement encore au moins 90%, du débit de service. Ainsi, grâce à ce dispositif de perte de charge spécialement dimensionné, la pression du débit de service est diminuée et/ou sa température est augmentée de sorte qu’une partie significative du débit de service passe à l’état gazeux. En conséquence, sa densité et sa viscosité diminuent drastiquement, ce qui réduit d’autant la consommation d’énergie par cisaillement lors de la rotation du moteur. Par exemple, dans le cas de l’hydrogène, en conditions cryotechniques, la densité de l’hydrogène gazeux est environ six fois plus faible que celle de l’hydrogène liquide tandis que la viscosité de l’hydrogène gazeux est également environ six fois plus faible que celle de l’hydrogène liquide. Il est ainsi possible de refroidir le moteur de la pompe sans pénaliser significativement le rendement de ce dernier, ce qui permet d’améliorer les performances 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 H2, du dioxygène liquide O2, du diazote liquide N2, de l’hélium liquide He ou du méthane liquide CH4. 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, le moteur est un 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, la ligne de service débute à l’arrière de la roue du compresseur. Dans certains modes de réalisation, la ligne de service circule dans l’entrefer entre le stator et le rotor du moteur. Dans certains modes de réalisation, le débit de service 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, la ligne de service traverse un palier et/ou un roulement de la pompe. Le débit de service peut ainsi lubrifier et refroidir ce palier ou ce roulement. Dans certains modes de réalisation, le débit de service est configuré pour participer à l’équilibrage axial du compresseur. Dans certains modes de réalisation, le débit de service est compris entre 8 et 20%, éventuellement entre 10 et 15% du débit de refoulement. Dans certains modes de réalisation, au moins un dispositif de perte de charge est un ensemble d’au moins une ailette prévue au dos de la roue du compresseur. De telles ailettes, fonctionnant en contre-pompe, permettent à la fois de réduire la pression du débit de service et d’augmenter sa température par cisaillement. De plus, cette transformation est progressive de l’extérieur vers l’intérieur de la roue. Dans certains modes de réalisation, au moins un dispositif de perte de charge est un étranglement local de la ligne de service. Un tel étranglement permet de réduire la pression du débit de service, pratiquement de manière isotherme. Dans certains modes de réalisation, ledit étranglement local est un joint lisse. Dans certains modes de réalisation, ledit étranglement local est un joint labyrinthe. Dans certains modes de réalisation, ledit étranglement est prévu, dans la ligne de service, en amont du premier palier soutenant l’arbre rotatif du compresseur. Dans certains modes de réalisation, ledit étranglement est prévu au niveau d’une portion axiale du compresseur s’étendant à l’arrière de la roue. Dans certains modes de réalisation, ledit étranglement est prévu le long de la bordure externe de la roue du compresseur. De cette manière, on fait chuter la pression d’un coup, à l’entrée de la ligne de service. Dans certains modes de réalisation, la ligne de service débouche en amont du compresseur. Ainsi, le débit de service n’est pas perdu. Dans certains modes de réalisation, la ligne de service est configurée pour déboucher dans un réservoir de fluide cryotechnique situé en amont de la pompe. En particulier, la fraction gazeuse du débit de service ainsi réinjectée peut contribuer à pressuriser le réservoir de fluide cryotechnique. Dans certains modes de réalisation, la ligne de service débouche dans une cavité de réinjection entourant un conduit d’admission de la pompe situé en amont du compresseur. Dans certains modes de réalisation, la ligne de service traverse un dispositif de liquéfaction avant de déboucher en amont du compresseur. Un tel dispositif de liquéfaction permet de réinjecter exclusivement du liquide en amont du compresseur. Toutefois, un tel dispositif de liquéfaction n’est en rien indispensable : en effet, si le débit de service réinjecté dans la cavité de réinjection comporte une part de gaz, cette dernière pourra contribuer à la pressurisation du réservoir de fluide cryotechnique. Dans certains modes de réalisation, le dispositif de liquéfaction comprend un échangeur thermique. 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 proposée. 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. En outre, des éléments (ou parties d'élément) appartenant à des exemples de réalisation différents mais ayant une fonction analogue sont repérés sur les figures par des références numériques incrémentées de 100, 200, etc. FIG. 1 La FIG. 1 est un plan en coupe d’un premier exemple de pompe. FIG. 2 La FIG. 2 est un agrandissement de la zone II de la FIG. 1 . FIG. 3 La FIG. 3 est un diagramme pression-température du débit de service. FIG. 4 La FIG. 4 est un plan en coupe partiel d’un deuxième exemple de pompe. FIG. 5 La FIG. 5 est un plan en coupe partiel d’un troisième exemple de pompe. FIG. 6 La FIG. 6 est un plan en coupe partiel d’un quatrième exemple de pompe. FIG. 7 La FIG. 7 est un plan en coupe d’un cinquième exemple de pompe. Afin de rendre plus concret l’exposé, des exemples de pompe sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à ces exemples. La FIG. 1 représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, une pompe 20 montée sur une face principale 11 d’un système d’alimentation, ici un réservoir 10. Naturellement, la pompe 20 pourrait être montée sur tout autre dispositif d’alimentation, par exemple une ligne d’alimentation en ergol. 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. De plus, l’extrémité avant du conduit d’admission 21, faisant partie d’une partie avant 53 du carter 50 de la pompe 20, présente 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 saille 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. 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 du conduit d’admission 21 vers l’aval en longeant le rouet centrifuge 34, et une volute 37, sensiblement annulaire, formée en vis-à-vis de la sortie du rouet centrifuge 34 dans un bloc structural 55 de la partie avant 53 du carter 50. 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. La portion principale 51 est rapportée contre le bloc structural 55 de la partie avant 53 du carter 50 et donc solidaire de ce dernier. L’arbre rotatif 43 est soutenu par deux paliers 45, 46, par exemple des roulements. Le palier avant 45 est porté au stator 44 par une paroi radiale 47, fixée sur la portion principale 51 du carter 50, délimitant 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 et donc solidaire de ce dernier. 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 10 bar. Toutefois, une part secondaire du débit de refoulement est déroutée vers une ligne de service 60, constituant ainsi un débit de service R. La ligne de service 60 débute par un interstice 61 séparant la face arrière du rouet centrifuge 34 et la paroi radiale 47 ; le débit de service R traverse ensuite le palier avant 45, circule dans l’entrefer 41e 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 service R parcourt ensuite un conduit de décharge 63 s’étendant depuis le couvercle 52 du carter 50 jusqu’au réservoir 10 dans lequel il débouche. Le débit de service 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. Plus précisément, le débit de service R est prélevé à l’état liquide au niveau de la bordure extérieure du rouet centrifuge 34, à l’entrée de l’interstice 61, puis passe au moins partiellement à l’état gazeux avant d’atteindre l’entrefer 41e du moteur 41. Dans ce premier exemple, comme cela est mieux visible sur la FIG. 2 , ce passage à l’état gazeux est entraîné par deux dispositifs de perte de charge : des ailettes 64 disposées à l’arrière du moyeu 34a du rouet centrifuge 34, dans l’interstice 61, et un palier lisse 65 formant un étranglement entre la paroi radiale 47 du stator 44 et une extension axiale 34b du moyeu 34a du rouet centrifuge 34. Les transformations entraînées par ces dispositifs de perte de charge 64, 65 sur le débit de service R sont visibles sur le diagramme pression-température de la FIG. 3 . Sur ce diagramme, la courbe 91 correspond à la courbe de vaporisation du fluide cryotechnique, ici de l’hydrogène, et la trajectoire 92 est celle du débit de service R entre les points P1, P2, P3 et P4 de la ligne de service 60. Les ailettes 64 tournant solidairement avec le rouet centrifuge 34, elles ralentissent le débit de service R dans l’interstice 61 et le réchauffent par cisaillement, ce qui correspond au segment P1-P2 sur la FIG. 3 , rapprochant le débit de service R de la courbe de vaporisation 91 tant en pression qu’en température. Ainsi, dans le présent exemple, ce premier dispositif de perte de charge 64 augmente la température de l’ergol de 5 K et diminue sa pression jusqu’à l’amener à moins de 0,5 bar de la courbe de vaporisation 91. L’étranglement constitué par le palier lisse 65, représenté par le segment P2-P3 sur la FIG. 3 , entraîne pour sa part une diminution de la pression du débit de service R, pratiquement de manière isotherme, aboutissant à franchir la courbe de vaporisation de l’hydrogène 91 et donc au passage à l’état gazeux du débit de service R. Une fraction de 50 à 100% de l’ergol passe alors à l’état gazeux. Le passage à travers le palier 45, correspondant au segment P3-P4 de la FIG. 3 , entraîne pour sa part une augmentation de la température du débit de service R, ce dernier refroidissant effectivement le palier 45, ainsi qu’une petite diminution de sa pression, l’éloignant ainsi de la courbe de vaporisation 91 et assurant qu’une part significative du débit de service R soit à l’état gazeux avant de circuler dans l’entrefer 41e du moteur 41. La FIG. 4 illustre un deuxième exemple de pompe 120 analogue à celle du premier exemple si ce n’est que le palier lisse 165 prévu entre l’extension axiale 134b du moyeu 134a du rouet centrifuge 134 et la paroi 147 du stator est plus long, ce qui entraîne une perte de charge plus importante du débit de service R et donc une diminution de pression plus importante. La FIG. 5 illustre un troisième exemple de pompe 220 analogue à celle du premier exemple si ce n’est qu’un palier labyrinthe 266 est prévu entre l’extension axiale 234b du moyeu 234a du rouet centrifuge 234 et la paroi 247, remplaçant le palier lisse des exemples précédents. Ce palier labyrinthe 266 permet une perte de charge plus importante du débit de service R et donc une diminution de pression plus importante. La FIG. 6 illustre un quatrième exemple de pompe 320 analogue à celle du premier exemple si ce n’est que la ligne de service 360 comprend un autre type de dispositif de perte de charge. En effet, dans cet exemple, un palier labyrinthe 367 est prévu entre la bordure externe du moyeu 334a du rouet centrifuge 334 et la surface annulaire du bloc structural 355 située en arrière de la volute 337 ; ce palier labyrinthe se situe donc juste en amont de l’interstice 361, à l’entrée de la ligne de service 360. Ainsi, dans cet exemple, le joint labyrinthe 367 est dimensionné pour permettre à lui seul le passage à l’état gazeux d’au moins 50% du débit de service R. En revanche, dans ce quatrième exemple, le rouet centrifuge 334 est dépourvu d’ailettes dans l’interstice 361 et de palier, lisse ou labyrinthe, en aval de l’interstice 361. La FIG. 7 illustre un cinquième exemple de pompe 420 analogue à celle du premier exemple si ce n’est que le conduit de décharge 463 est connecté différemment. En effet, dans ce cinquième exemple, la partie avant 453 du carter 450 comprend, outre le bloc structural 455, une paroi structurale 454, généralement cylindrique et s’étendant vers l’avant depuis le bloc structural 455, et une jupe 456, axisymétrique, s’étendant depuis le bloc structural 455, d’abord radialement vers l’intérieur puis axialement vers l’avant, de manière à former la paroi de veine et la paroi 422 du conduit d’admission 421. Une cavité de réinjection 471 s’étend de manière concentrique entre le conduit d’admission 421 et une paroi structurale 454 de la partie avant 453 du carter 450. Le conduit de décharge 463 débouche alors au fond de cette cavité de réinjection 471. Une circulation convective C dans la cavité de réinjection 471 permet de prélever du fluide cryotechnique dans le réservoir 410 et de le faire circuler du côté interne vers le côté externe de la cavité de réinjection 471, diluant au passage le débit de service R réinjecté dans la cavité de réinjection 471, et refoulant l’ensemble dans le volume général du réservoir 410. De plus, avant de déboucher dans la cavité de réinjection 471, le conduit de décharge 463 traverse un échangeur thermique 468 permet de reliquéfier le débit de réinjection R avant sa réinjection en amont du compresseur 431. 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 compresseur (31), configuré pour aspirer un débit entrant (E) de fluide cryotechnique arrivant en amont et pour refouler en aval un débit de refoulement ayant une pression supérieure à la pression du débit entrant (E), un moteur (41), configuré pour entraîner le compresseur (31), et une ligne de service (60), configurée pour prélever une partie du débit de refoulement, formant un débit de service (R), et circulant dans et/ou le long du moteur (41) pour refroidir le moteur (41), dans laquelle la ligne de service (60) comprend au moins un dispositif de perte de charge (64, 65) configuré pour réduire la pression et/ou augmenter la température du débit de service (R) de sorte à faire passer de l’état liquide vers l’état gazeux au moins 50%, éventuellement au moins 80%, éventuellement encore au moins 90%, du débit de service (R). Pompe selon la revendication 1, dans laquelle le compresseur (31) comprend une roue tournante, par exemple un rouet centrifuge (34). Pompe selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le moteur est un moteur électrique (41), et dans laquelle la ligne de service (60) circule dans l’entrefer (41e) entre le stator (44) et le rotor (42) du moteur (41). Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le débit de service (R) est compris entre 8 et 20%, éventuellement entre 10 et 15%, du débit de refoulement. Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle au moins un dispositif de perte de charge est un ensemble d’au moins une ailette (64) prévu au dos de la roue (34) du compresseur (31). Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle au moins un dispositif de perte de charge est un étranglement local (65) de la ligne de service (60). Pompe selon la revendication 6, dans laquelle ledit étranglement local est un joint lisse (65) ou un joint labyrinthe (266). Pompe selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle ledit étranglement (65) est prévu au niveau d’une portion axiale (34b) du compresseur (31) s’étendant à l’arrière de la roue (34). Pompe selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle ledit étranglement (367) est prévu le long de la bordure externe de la roue (334) du compresseur (331). Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle la ligne de service (60) est configurée pour déboucher dans un réservoir de fluide cryotechnique (10) situé en amont de la pompe (20). Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle la ligne de service (460) débouche dans une cavité de réinjection (471) entourant un conduit d’admission (421) de la pompe (420) situé en amont du compresseur (431). Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans laquelle la ligne de service (460) traverse un dispositif de liquéfaction (468) avant de déboucher en amont du compresseur (431).