FABRICATION

Arrière-plan de l'invention

[0001] Le présent exposé concerne une pompe centrifuge, notamment pour turbomachine.

[0002] Dans les moteurs de fusée, d'avion ou d'hélicoptère, un aspect important est la masse des différents éléments constitutifs du moteur.

[0003] Toutefois, la réduction de masse se fait souvent au détriment de la résistance mécanique ou de la résistance à la fatigue des différents éléments, si bien que chaque élément est généralement un compromis entre la masse et la tenue mécanique de l'élément.

[0004] C'est le cas par exemple d'une roue de pompe centrifuge qui doit avoir de bonnes performances hydrauliques et également une bonne tenue mécanique sur l'arbre afin que le couple puisse être transmis de l'arbre en rotation à la roue de la pompe centrifuge.

[0005] A cette fin, typiquement, la roue est frettée sur l'arbre par un élément de la roue appelé queue de rouet qui doit assurer la bonne transmission du couple entre la roue et l'arbre même aux vitesses élevées de rotation subies par la roue de la pompe centrifuge.

[0006] Aussi, lorsque certaines pièces ont plusieurs fonctions, on comprend que leur optimisation peut devenir difficile.

[0007] Toutefois, on cherche encore à optimiser de telles pompes centrifuges afin notamment de réduire leur masse tout en conservant leurs performances hydrauliques et leur tenue mécanique.

Objet et résumé de l'invention

[0008] Le présent exposé vise à proposer une pompe centrifuge dont la masse est réduite par rapport aux pompes centrifuges connues et qui présente des performances hydrauliques et une tenue mécanique au moins équivalente aux pompes centrifuges connues.

[0009] A cet effet, le présent exposé concerne une roue pour pompe centrifuge présentant une direction axiale, la roue comprenant un moyeu, un voile ayant une forme de révolution comprenant une partie de fixation du voile avec le moyeu, le voile s'évasant depuis la partie de fixation selon la direction axiale, et un bourrelet annulaire disposé entre le voile et le moyeu, le bourrelet annulaire étant fixé au voile tandis qu'un espace annulaire est ménagé entre le moyeu et le bourrelet annulaire.

[0010] Grâce à cet espace annulaire ménagé entre le moyeu et le bourrelet annulaire, le moyeu ne subit pas d'effort centrifuge exercé par le voile sur le moyeu lorsque la roue est en rotation. Aussi, lorsque la roue est en rotation autour de la direction axiale, la déformation subie par le moyeu est relativement faible et moins importante que la déformation subie par un moyeu sur lequel un voile serait directement attaché.

[0011] On comprend donc que dans un plan perpendiculaire à la direction axiale passant par le voile et le bourrelet annulaire, le bourrelet annulaire est disposé entre un axe central de la roue et le voile, l'espace annulaire étant présent entre le bourrelet annulaire, et donc une partie du voile, et le moyeu ou une projection du moyeu sur le plan perpendiculaire.

[0012] Par ailleurs, l'intégrité structurelle du voile et de la roue est assurée par la présence du bourrelet annulaire fixé sur le voile, entre le voile et le moyeu. Ce bourrelet annulaire présente une dimension selon la direction axiale qui est supérieure à l'épaisseur du voile, l'épaisseur du voile étant mesurée perpendiculairement aux surfaces principales du voile.

[0013] Ce bourrelet annulaire permet donc de limiter les déplacements selon une direction radiale en sortie de la roue et permet également de contrôler les déplacements selon la direction axiale. Le bourrelet annulaire correspond à un épaississement dans la direction de matière en forme d'anneau On comprend que l'on peut modifier la forme et/ou les dimensions du bourrelet annulaire afin d'adapter le comportement en rotation de la roue, notamment en fonction des vitesses de rotation en fonctionnement de la roue. En effet, si les déplacements maximaux en service selon les directions radiales et axiales sont de faible amplitude, par exemple inférieurs à 100 μπι, il est possible de réduire les dimensions du bourrelet annulaire. Les déplacements selon les directions radiales et axiales peuvent dépendre par exemple du diamètre de la roue, de la vitesse de rotation, des propriétés intrinsèques du matériau dans lequel la roue est réalisée, telles que la densité. Cependant, notamment grâce à des logiciels de simulation (par exemple par éléments finis), il est possible de modifier la forme et/ou les dimensions du bourrelet annulaire. [0014] Le voile s'évasant depuis la partie d'attache du voile selon la direction axiale, il existe une cavité formée entre le moyeu, le voile et le bourrelet annulaire. Cette cavité est au moins ouverte vers l'extérieur du fait de l'espace annulaire ménagé entre le moyeu et le bourrelet annulaire. De ce fait, la masse de la roue est inférieure à la masse d'une roue ne présentant pas cette cavité ouverte.

[0015] On comprend que le voile est attaché au moyeu par la partie d'attache du voile et que la partie d'attache du voile et du moyeu forme le fond de la cavité ouverte, le fond de la cavité ouverte étant disposé en aval de l'espace annulaire ménagé entre le moyeu et le bourrelet annulaire.

[0016] On comprend que la roue est faite d'une seule pièce, c'est-à- dire que le moyeu, le voile et le bourrelet ne sont pas assemblés les uns aux autres.

[0017] La roue peut comprendre une extrémité amont et une extrémité aval, la partie de fixation du voile avec le moyeu étant disposé à l'extrémité amont de la roue et le bourrelet annulaire étant disposé à l'extrémité aval de la roue.

[0018] Par la suite, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation normal du fluide dans la pompe centrifuge.

[0019] On entend par extrémité amont de la roue, une partie de la roue située à l'amont de la roue et dont la dimension, selon la direction axiale, est inférieure ou égale à 50% de la longueur totale de la roue, selon la direction axiale. De même, on entend par extrémité aval de la roue, une partie de la roue située à l'aval de la roue et dont la dimension, selon la direction axiale, est inférieure ou égale à 50% de la longueur totale de la roue, selon la direction axiale.

[0020] Le moyeu peut comporter une surface intérieure de frettage configurée pour fretter le moyeu sur un arbre, la surface intérieure de frettage étant disposée, au moins en partie, selon la direction axiale, au droit de l'espace annulaire ménagé entre le moyeu et le bourrelet annulaire.

[0021] On comprend que dans une vue en coupe axiale de la roue, lorsque l'on projette la section du bourrelet annulaire sur la surface intérieure du moyeu selon une direction radiale, on définit une section de la surface intérieure du moyeu qui est, selon la direction axiale, au droit de l'espace annulaire ménagé entre le moyeu et le bourrelet annulaire et donc, selon la direction axiale, au droit du bourrelet annulaire.

[0022] De ce fait, même lorsque la roue est montée sur l'arbre et tourne à grande vitesse, le frettage entre l'arbre et le moyeu subit peu ou pas de déformations.

[0023] Aussi, contrairement aux roues connues, il n'est plus nécessaire de prévoir une queue de rouet aussi longue selon la direction axiale et décalée par rapport au voile vers l'aval de la roue selon la direction axiale. En effet, dans des roues ne présentant pas d'espace annulaire ménagé autour du moyeu, la surface intérieure de frettage du moyeu est disposée en aval du voile de sorte que les forces centrifuges exercées par la masse de la roue sur la surface intérieure du moyeu, en particulier par l'extrémité de la roue la plus éloignée radialement de l'axe de rotation de la roue, ne déforment pas la surface intérieure de frettage.

[0024] Il est donc possible de déplacer la surface de frettage vers l'amont de la roue. On peut ainsi réduire la longueur de la queue de rouet, réduire la masse de la roue et son encombrement, c'est-à-dire la dimension totale de la roue selon la direction axiale. De ce fait, le gain en masse va au-delà du gain en masse de la roue. En effet, on peut également réduire la masse des carters de la pompe centrifuge ainsi que la masse des carters entourant la pompe centrifuge.

[0025] Par ailleurs, la surface intérieure de frettage étant peu ou pas déformée lors de la rotation de la roue, le frettage de la roue sur l'arbre est facilité. En effet, le diamètre intérieur de la surface intérieure de frettage est dimensionné au repos en tenant compte de la déformation maximale sous effort subie par la surface intérieure de frettage. Cette déformation étant faible, le diamètre intérieur de la surface intérieure de frettage au repos est donc légèrement plus petit que le diamètre intérieur de la surface intérieure de frettage lors de la rotation de la roue. L'effort requis pour assembler l'arbre et la roue est donc limité par rapport à l'effort nécessaire pour assembler une roue ne comportant pas d'espace annulaire ménagé entre le bourrelet annulaire et le moyeu et dont la différence de diamètre intérieur de la surface intérieure de frettage entre le repos et la rotation de la roue est significative. Par exemple, pour un moyeu présentant un diamètre de 27 mm (millimètre), avec une roue classique, le déplacement maximal en service peut atteindre 0.2 mm dans la zone de frettage, alors qu'avec une roue telle que définie ci-dessus, le déplacement maximal en service n'est que de 0.02 mm dans la zone de frettage.

[0026] La surface intérieure de frettage peut être sensiblement complètement disposée, selon la direction axiale, au droit de l'espace annulaire ménagé entre le moyeu et le bourrelet annulaire.

[0027] On peut donc concevoir une roue ne comprenant pas de queue de rouet.

[0028] Par sensiblement complètement disposée, selon la direction axiale, au droit de l'espace annulaire ménagé entre le moyeu et le bourrelet annulaire, on entend que la surface intérieure de frettage est comprise dans la projection radiale du bourrelet annulaire sur la surface intérieure du moyeu, à plus ou moins 5% la projection radiale du bourrelet annulaire sur la surface intérieure du moyeu.

[0029] Ainsi, la surface intérieure de frettage peut être de dimension inférieure à la projection radiale du bourrelet annulaire sur la surface intérieure du moyeu mais dépasser légèrement, de moins de 5% de la dimension, selon la direction axiale du bourrelet annulaire.

[0030] Le moyeu peut comporter une surface intérieure de frettage (38) configurée pour fretter le moyeu sur un arbre, la surface intérieure de frettage étant disposée, selon la direction axiale, en amont de l'espace annulaire ménagé entre le moyeu et le bourrelet annulaire.

[0031] On peut ainsi réduire la masse de la roue.

[0032] La roue peut comporter une pluralité de nervures de renforcement disposées entre le voile et le moyeu.

[0033] Ces nervures de renforcement permettent d'accroître la tenue mécanique de la roue tout en limitant la masse globale de la roue. Ces nervures de renforcement peuvent avoir une direction purement radiale, elles peuvent également être inclinées par rapport à la direction radiale. Ainsi, en modifiant le nombre, l'emplacement et/ou les dimensions des nervures de renforcement, il est possible de modifier la rigidité de la roue. Ces nervures de renforcement peuvent également permettre la transmission du couple entre l'arbre et la roue, en particulier entre l'arbre et le voile de la roue.

[0034] Le voile peut comporter une pluralité d'orifices traversants. [0035] Ces orifices traversant permettent un équilibrage de pression entre une surface amont du voile et une surface aval du voile. On peut ainsi équilibrer les efforts sur l'arbre en amont et en aval de la roue et ainsi réduire les efforts subits par des butées de la pompe centrifuge.

[0036] La roue peut comprendre un inducteur et un impulseur et les orifices traversants sont disposés entre l'inducteur et l'impulseur permettant une orientation du fluide dans l'axe de l'écoulement.

[0037] La roue peut être réalisée en métal ou en alliage métallique.

[0038] Le présent exposé concerne également une pompe centrifuge comprenant une roue telle que définie précédemment.

[0039] Le présent exposé concerne aussi un procédé de fabrication d'une roue tel que défini précédemment, la roue étant réalisé par un procédé de fabrication additive.

[0040] Ce procédé de fabrication additive permet une grande souplesse dans les formes produites et permet également de réaliser de manière aisée des pièces présentant des cavités et/ou des conduits internes.

Brève description des dessins

[0041] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées, sur lesquelles :

- la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une pompe centrifuge ;

- les figures 2A et 2B sont des vues en coupe axiale d'une roue pour une pompe centrifuge selon deux modes de réalisation ;

- la figure 3 est une vue en perspective de la roue de la figure 2A, vu du côté amont ; et

- la figure 4 est une vue partielle en perspective de la roue de la figure 2A, vu du côté aval.

Description détaillée de l'invention [0042] La figure 1 représente une vue en coupe axiale d'une pompe centrifuge 100 comprenant un arbre 12, définissant un axe X, sur lequel sont monté une roue 10, un distributeur de turbine aubé 116 et un disque de turbine 102. Ces éléments sont compris dans un carter de pompe 104 qui comporte un carter avant 106, un carter central 108 et un carter d'échappement 110. Le carter de pompe 104 définit une volute de pompe 112 et un tore d'admission de turbine 114.

[0043] La pompe 100 comporte également des moyens de blocage selon l'axe X des éléments de la pompe 100 sur l'arbre 12. Ces éléments sont par exemple des écrous 14 et 118. La roue 10 et le disque de turbine 102 sont montés sur l'arbre 12 et dans le carter de pompe 104 par des roulements 18, la roue 10 et le disque de turbine 102 étant chacun espacé de leur roulement 18 respectif par une cale de réglage 16.

[0044] La figure 2A représente un mode de réalisation d'une roue 10 pour une pompe centrifuge 100. Sur la figure 2A, la flèche F représente le sens de circulation normal d'un fluide dans la pompe centrifuge 100 et donc autour de la roue 10. Par la suite, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation normal du fluide dans la pompe centrifuge.

[0045] La roue 10 est représenté montée sur l'arbre 12. Elle est fixée sur l'arbre 12, à son extrémité amont, par l'écrou 14 et, à son extrémité aval, par la cale de réglage 16 et le roulement 18.

[0046] D'une manière générale, la roue 10 de la figure 2A comprend un inducteur 20 et un impulseur 22.

[0047] La roue 10 comprend un axe de rotation X définissant une direction axiale X de la roue 10.

[0048] La roue 10 comprend un moyeu 24 et un voile 26 ayant une forme de révolution comprenant une partie de fixation 28 du voile 26 avec le moyeu 24. Comme représenté, le voile 24 s'évase depuis la partie de fixation 28 selon la direction axiale X, c'est-à-dire que le voile 26 s'évase depuis la partie de fixation 28, disposée à une extrémité amont de la roue 10 vers une extrémité aval de la roue 10. Sur la figure 2A, le voile 26 a une première partie de forme sensiblement cylindrique qui s'évase ensuite vers l'aval de la roue 10, de sorte qu'une extrémité libre 26A du voile s'étend sensiblement dans un plan radial, c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à la direction axiale X. [0049] La roue 10 comprend également un bourrelet annulaire 30 disposé entre le voile 26 et le moyeu 24, à l'extrémité aval de la roue 10, au droit, selon la direction axiale X, de l'extrémité libre 26A du voile 26. Le bourrelet annulaire 30 est fixé au voile 26 tandis qu'un espace annulaire 32 est ménagé entre le moyeu 24 et le bourrelet annulaire 30.

[0050] Le voile 26 s'évasant depuis la partie d'attache 28 du voile 26 selon la direction axiale X, une cavité 34 est ainsi formée entre le moyeu 24, le voile 26 et le bourrelet annulaire 30. Cette cavité 34 est au moins ouverte du fait de l'espace annulaire 32 ménagé entre le moyeu 24 et le bourrelet annulaire 30.

[0051] Par ailleurs, dans le mode de réalisation de la figure 2A, le moyeu 24 présente une surface intérieure 36. Cette surface intérieure 36 comporte une portion qui forme une surface intérieure de frettage 38 du moyeu 24 et donc de la roue 10 sur l'arbre 12. Cette surface intérieure de frettage 38 est disposée à l'extrémité aval de la roue 10.

[0052] La projection radiale, c'est-à-dire selon une direction radiale R, de la section du bourrelet annulaire 30 sur le moyeu 24, en particulier sur la surface intérieure 36 du moyeu 24, définit une portion de la surface intérieure 36, selon la direction axiale X, au droit de l'espace annulaire 32 ménagé entre le moyeu 24 et le bourrelet annulaire 30.

[0053] Dans le mode de réalisation de la figure 2A, la surface intérieure de frettage 36 est disposée sensiblement complètement, selon la direction axiale X, au droit de l'espace annulaire 32 ménagé entre le moyeu 24 et le bourrelet annulaire 30.

[0054] La surface intérieure de frettage 38 est comprise dans la projection radiale du bourrelet annulaire 30 sur la surface intérieure 36 du moyeu 24, à plus ou moins 5% la projection radiale du bourrelet annulaire 30 sur la surface intérieure 36 du moyeu 24. Ainsi, la surface intérieure de frettage 38 peut être de dimension inférieure à la projection radiale du bourrelet annulaire 30 sur la surface intérieure 36 du moyeu 24 mais dépasser légèrement, de moins de 5% de la dimension, selon la direction axiale X du bourrelet annulaire 30.

[0055] La roue 10 comporte une pluralité de nervures de renforcement 40 de renforcement disposées entre le voile 26 et le moyeu 24 dans la cavité 34. Ces nervures radiales 40 sont visibles également sur la figure 4. 17 052832

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[0056] Comme représenté sur les figures 2 à 4, le voile 26 comporte une pluralité d'orifices traversants 42 disposés entre l'inducteur 20 et l'impulseur 22. Ces orifices traversants 42 permettent le passage de liquide de l'amont de la roue 10 dans la cavité 34. Comme représenté sur la figure 4, chaque orifice traversant 42 débouche entre deux nervures de renforcement 40.

[0057] Par ailleurs, l'inducteur 20 comporte des ailettes 44, dans ce mode de réalisation l'inducteur 20 comporte quatre ailettes 44 et l'impulseur 22 comporte des ailettes 46, dans ce mode de réalisation la roue comporte douze ailettes 46.

[0058] On notera que les nervures de renforcement 40 sont également au nombre de 12 et qu'elles sont disposées en vis-à-vis de part et d'autre du voile 26.

[0059] Par ailleurs, la surface intérieure 36 du moyeu 24 comporte des saillies 48 permettant également le passage du couple entre l'arbre 12 et le moyeu 24.

[0060] Dans ce qui suit, les éléments communs aux différents modes de réalisation sont identifiés par les mêmes références numériques.

[0061] Dans le mode de réalisation de la figure 2B, la surface intérieure de frettage 36 est disposée sensiblement complètement, selon la direction axiale X, en amont de l'espace annulaire 32 ménagé entre le moyeu 24 et le bourrelet annulaire 30.

[0062] La roue 10 est fabriquée par un procédé de fabrication additive, par exemple par utilisation d'un faisceau laser sur un lit de poudre. Le lit de poudre est formé par la poudre qui constituera la roue 10. Par exemple, la poudre peut comprendre du titane ou être en alliage métallique communément désigné par la marque déposée Inconel™. On parle par la suite d'Inconel pour désigner un alliage à base de fer alliés avec du nickel et du chrome.

[0063] La roue 10 est fabriquée par superposition de couches selon la direction axiale X en partant de son extrémité aval et en terminant par son extrémité amont.

[0064] Les surfaces extérieures de la roue 10 sont ensuite usinées de manière classique et connue de sorte que l'état de surface du voile 26, des ailettes 44, 46 et de la surface interne 36 du moyeu est conforme au 52832

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cahier des charges. Il n'est par contre pas nécessaire d'usiner les surfaces de la cavité 34.

[0065] Quoique le présent exposé ait été décrit en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués 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.

[0066] Par exemple, le nombre d'ailettes 44 portées par l'inducteur 20 peut varier, il en va de même du nombre d'ailettes 46 portées par l'impulseur 22. Le nombre de nervures de renforcement 40 peut être différent du nombre d'ailettes 46 portées par l'impulseur 22. De même, le nombre d'orifices traversants 42 peut être différent du nombre de nervures de renforcement 40.

[0067] On notera par ailleurs, que les ailettes 44, 46 sont des ailettes droites, ces ailettes peuvent également être inclinées par rapport à la direction radiale, voire présenter une certaine courbure. Il en va de même des nervures de renforcement 40. Les nervures de renforcement 40 représentées sont des nervures radiales. Toutefois, ces nervures peuvent également être inclinées par rapport à la direction radiale, voire présenter une certaine courbure. La roue 10 comporte un inducteur 20 et un impulseur 22. La roue 10 pourrait ne comporter qu'un impulseur 22.