DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne le domaine des inducteurs de turbopompes spatiales, et une turbopompe équipée d'un tel inducteur.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

Un inducteur est une pièce de rotor d'une turbopompe servant à aspirer le fluide dans la pompe de celle-ci en amont du ou des étages de compression pour roue à aube. Une turbopompe présentant un tel inducteur est par exemple décrite dans la demande de brevet FR2765639.

Le fonctionnement des inducteurs de turbopompe spatiale fait généralement apparaître un domaine de fonctionnement instable dans lequel se produisent des fluctuations d'effort sur l'inducteur, dues au phénomène de cavitation apparaissant dans ce domaine de fonctionnement. Ces fluctuations peuvent perturber le bon fonctionnement de la ligne d'arbre (dynamique du rotor) ou accroître l'usure des aubes de l'inducteur.

Une solution permettant de limiter les instabilités de cavitation au sein de l'inducteur consiste à réaliser un biseautage sur le bord d'attaque des aubes de l'inducteur. Cet inducteur permet de stabiliser la zone d'apparition de poches de cavitation se formant sur l'extrados, dans lesquelles la chute de pression entraîne la formation de bulles.

Néanmoins, ce biseau ne permet pas de stabiliser l'étendue de ces poches suivant la direction d'écoulement du fluide, laissant un degré de liberté à celle-ci. Une instabilité demeure donc, créée par les oscillations des poches de cavitation, engendrant un balourd hydraulique sur la turbopompe.

Il existe donc un besoin pour un inducteur pour turbopompe permettant de stabiliser les poches de cavitation qui apparaissent au niveau des pales de l'inducteur.

PRESENTATION DE L'INVENTION

Le présent exposé concerne un inducteur pour turbopompe comportant une pluralité de pales disposées entre un carter interne et un carter externe, chaque pale présentant un intrados et un extrados, l'extrados d'au moins une pale présentant un décaissement, le décaissement s'étendant sensiblement du bord d'attaque de la pale jusqu'à une surface de marche agencée sur l'extrados.

Par extrados, on comprend la surface de la pale située du côté d'arrivée du fluide dans l'injecteur (face supérieure lorsque le fluide traverse l'injecteur du haut vers le bas). Le décaissement correspond à une zone de l'extrados. La présence du décaissement sur l'extrados de la pale se caractérise par le fait qu'au lieu d'avoir un profil traditionnel, de section normalement non-concave, l'extrados de la pale présente en section dans un plan perpendiculaire au bord d'attaque de la pale, une partie amincie, concave ou essentiellement concave, formée en creux par rapport aux profils traditionnels, et délimitée en aval par une surface dite surface de marche. En d'autres termes, le décaissement revient à retirer, à partir d'un profil de pale traditionnel, une couche de matière sur une surface prédéterminée de ladite pale. Par conséquent, l'extrados comporte une surface de marche, correspondant au dévers existant entre la zone de l'extrados présentant le décaissement, et la zone de l'extrados ne possédant pas le décaissement.

Le décaissement implique donc un changement brusque du profil de l'extrados. Plus précisément, la surface de marche se présente comme une marche d'escalier, caractérisée par une paroi sensiblement verticale joignant deux surfaces sensiblement horizontales, disposées à des hauteurs différentes l'une de l'autre. A titre de comparaison, le biseautage existant sur le bord d'attaque des pales de certains inducteurs, visant à limiter les instabilités de cavitation, ne constitue pas un décaissement, ni une surface de marche. En effet, dans ce cas, l'épaisseur de la pale évolue progressivement depuis l'extrémité du biseau jusqu'à l'arête correspondant à la tangente entre la surface en biseau et le reste de la pale. L'évolution de l'épaisseur de la pale n'est donc pas discontinue, mais progressive. A l'inverse, la présence d'un décaissement implique une discontinuité dans l'épaisseur de la pale, se traduisant par une évolution brusque de celle-ci.

Ledit décaissement s'étend sensiblement du bord d'attaque de la pale, correspondant à l'extrémité amont de la pale, jusqu'à la surface de marche. Par extrémité amont ou extrémité aval de la pale, on comprend les extrémités dans une direction circonférentielle et selon le sens normal de circulation du fluide dans l'inducteur. La position de la surface de marche sur l'extrados de la pale est déterminée par exemple par des essais expérimentaux préalables réalisés sans décaissements, permettant d'étudier la forme des poches de cavitation se formant sur l'extrados de la pale. De préférence, la forme globale du décaissement, et donc la position de la surface de marche, dans une vue selon un axe de rotation de l'inducteur, correspond sensiblement à la forme des poches de cavitation, suivant cette même vue, se formant sur l'extrados. Par position de la surface de marche, on comprend sa position sur l'extrados de la pale, sa forme et son rayon de courbure dans une vue selon l'axe de rotation de l'inducteur.

Ainsi, lorsqu'une poche de cavitation se forme sur l'extrados d'une pale conforme à l'invention, avantageusement, la poche, dans la direction circonférentielle de la pale, est délimitée en amont par le bord d'attaque, et en aval par la surface de marche. Cette dernière permet ainsi de limiter voir supprimer les mouvements oscillatoires des poches de cavitation, est donc de stabiliser la dynamique de l'inducteur, diminuant ainsi l'usure des pales de l'inducteur et les balourds hydrauliques agissant sur l'arbre de la turbopompe.

Dans certains modes de réalisation, le bord d'attaque de ladite au moins une pale comporte une surface en biseau, le décaissement s'étendant d'une extrémité aval de la surface en biseau jusqu'à la surface de marche sur l'extrados.

La surface en biseau, pouvant être réalisée par usinage, est une surface qui est formée de sorte que, dans une vue en coupe de la pale suivant un plan de coupe parallèle à l'axe de rotation de l'inducteur, le bord d'attaque comporte localement un segment de droite.

Cette forme de la surface en biseau, et donc du bord d'attaque de la pale, permet de fixer la poche de cavitation se formant au niveau dudit bord d'attaque. La longueur de la poche de cavitation est ainsi délimitée entre cette surface en biseau et la surface de marche.

Dans certains modes de réalisation, le décaissement s'étend radialement sur tout ou partie du bord d'attaque de ladite au moins une pale.

Dans certains modes de réalisation, le décaissement s'étend radialement sensiblement d'une limite radialement interne de ladite au moins une pale du côté d'un axe central de l'inducteur, à un voisinage du bord d'attaque, jusqu'à une extrémité radialement externe de ladite au moins une pale.

Dans certains modes de réalisation, la surface de marche forme, dans une vue suivant un axe de l'inducteur, un arc de cercle avec une concavité dirigée vers le centre de l'inducteur.

Dans certains modes de réalisation, la surface de marche, dans une vue selon un axe de l'inducteur, présente un rayon de courbure variable d'une limite radialement interne de la pale du côté d'un axe central de l'inducteur jusqu'à une extrémité radialement externe de la pale.

Dans certains modes de réalisation, le décaissement est délimité par une surface de fond et la surface de marche.

La surface de fond correspond à la surface de l'extrados sur laquelle a été réalisé le décaissement, et présente une forme, dans une vue suivant l'axe de rotation de l'inducteur, correspondant à la forme de la poche de cavitation se formant sur l'extrados, lorsque l'inducteur est en fonctionnement. La surface de fond possède en outre une courbure relativement faible.

Dans certains modes de réalisation, la surface de fond et la surface de marche sont raccordées par un congé de raccordement.

Cela permet de limiter les contraintes au niveau de la jonction entre la surface de fond et de la surface de marche, lorsque l'inducteur est en fonctionnement.

Dans certains modes de réalisation, l'extrados présente une surface aval en aval de la surface de marche, et la surface de marche et la surface aval sont raccordées par une arête vive.

De la même façon que la surface en biseau sur le bord d'attaque, cette arête vive permet de fixer la limite aval de la poche de cavitation, en empêchant celle-ci de s'étendre en aval de la surface de marche. Par conséquent, l'extrados de la pale comportant une zone de fixation amont, sur le bord d'attaque, et une zone de fixation aval, au niveau de la surface de marche, les fluctuations de la poche de cavitation se formant sur l'extrados sont ainsi limitées, voir supprimées, permettant ainsi de diminuer les instabilités dynamiques lors du fonctionnement de l'inducteur, et ainsi diminuer l'usure des pales de l'inducteur. Dans certains modes de réalisation, l'épaisseur de la pale au niveau de la surface de fond, à mi-distance entre le bord d'attaque et la surface de marche, dans une vue suivant un plan de coupe parallèle à un axe de l'inducteur, a une valeur comprise entre 50 et 80% de l'épaisseur maximale de la pale, de préférence entre 60 et 70%, de préférence encore entre 65 et 67%.

Ces valeurs de l'épaisseur de la pale au niveau du décaissement permettent de conserver l'intégrité mécanique de la pale au cours du fonctionnement de l'inducteur.

Le présent exposé concerne également une turbopompe comprenant l'inducteur défini précédemment.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

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 1A représente une vue en coupe schématique d'un bord d'attaque de pale sans décaissement, et la figure 1B représente une vue en coupe schématique d'un bord d'attaque de pale avec décaissement.

- la figure 2A représente une vue en perspective d'un inducteur de turbopompe selon la présente invention, et la figure 2B représente l'inducteur de la figure 2A, selon la vue agrandie IIB.

- la figure 3 représente une vue schématique de l'inducteur de la présente invention selon son axe de rotation.

- la figure 4 représente une vue en coupe de l'inducteur de la présente invention selon la ligne IV-IV de la figure 3.

- la figure 5 représente une vue en coupe d'une turbopompe comprenant l'inducteur de la figure 2A.

DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION

Dans la suite de la description, par amont et aval, on comprend suivant le sens de rotation de l'inducteur, le bord d'attaque d'une pale étant situé en amont, et le bord de fuite en aval.

La figure 1A représente une vue en coupe schématique d'une portion d'une pale 10 comportant un bord d'attaque 22 et un extrados 20, sans décaissement. La pale 10 est une pale de l'inducteur 1 représenté sur les différentes figures. Le bord d'attaque 22 présente une surface en biseau 222, obtenue par exemple en usinant le bord d'attaque 22, de sorte à obtenir une pale dont l'extrémité amont 221 présente un angle saillant.

Lorsque la pale 10 est en mouvement, une poche de cavitation

30 peut se former au niveau du bord d'attaque 22. Cette poche de cavitation 30 se fixe sur l'angle saillant existant au niveau de l'arête amont 223 entre la surface en biseau 222 et l'extrados 20 de la pale 10. Cette poche de cavitation s'étend alors sur une portion de l'extrados 20. Lorsque la pale 10 est en mouvement, l'extrémité aval de cette poche de cavitation 30 a tendance à fluctuer au cours du fonctionnement de la turbopompe (flèche sur la figure 1A).

La figure 1B représente une vue en coupe schématique de la portion de pale 10, présentant cette fois-ci un décaissement. Le décaissement est réalisé par enlèvement de matière sur l'extrados 20, par exemple par usinage, sur une longueur, dans la direction amont-aval, correspondant sensiblement à la longueur de la poche de cavitation se formant sur l'extrados en l'absence de décaissement (figure 1A).

Du fait de ce décaissement, l'extrados 20 de la pale 10 se décompose en quatre surfaces : la surface en biseau 222, une surface de fond 24 correspondant à la zone de l'extrados comportant le décaissement, une surface de marche 26 et une surface aval 28, correspondant à la zone de l'extrados ne comportant pas le décaissement. La surface de marche 26 réalise la jonction entre la surface de fond 24 (hachures sur la figure 3) et la surface aval 28, et permet de compenser la variation d'épaisseur de la pale 10 dans cette zone, engendrée par l'enlèvement de matière.

Ainsi, lorsque la poche de cavitation 30 se forme, son extrémité amont se fixe sur l'arête amont 223, et son extrémité aval se fixe sur l'angle saillant existant au niveau de l'arête 261 entre la surface de marche 26 et la surface aval 28. Par conséquent, lorsque la pale 10 est en mouvement, la poche de cavitation 30 est limitée dans ses mouvements, son extrémité aval ne pouvant plus osciller.

La figure 3 représente une vue schématique d'un inducteur 1 selon son axe de rotation, présentant un décaissement sur chacune de ses pales. Le décaissement est délimité par la surface de fond 24, par l'arête amont 223 et par l'arête aval 261.

L'arête amont 223, correspondant à l'extrémité aval de la surface en biseau 22, présente, suivant la vue de la figure 3, une forme courbée sensiblement parallèle à l'extrémité amont 221 du bord d'attaque, et s'étend entre une limite radialement interne Li de la pale du côté de l'axe central de l'inducteur, et une limite radialement externe Le de la pale.

L'arête aval 261 présente également, suivant la vue de la figure 4, une forme courbée, et s'étend entre une limite radialement interne Li de la pale du côté de l'axe central de l'inducteur, et une limite radialement externe Le' de la pale. Dans cet exemple, l'arête aval 261 a la forme d'un arc de cercle dont la concavité est dirigée vers l'aval. De plus, dans cet exemple, la limite radialement interne Li des arêtes 223 et 261 sont confondues. En revanche, la limite radialement externe Le' de l'arête aval 261 est située plus en aval que la limite radialement externe Le de l'arête amont 223.

La forme du décaissement ainsi obtenue correspond à la forme de la poche de cavitation 30 se formant sur chacune des pales 10 de l'inducteur, de sorte que cette poche 30 se trouve limitée dans ses mouvements par la surface de fond 24 et les arêtes 223 et 261 au cours du fonctionnement de l'inducteur.

Dans cet exemple, l'épaisseur e de la pale 10 au niveau du décaissement représente environ entre 65% et 70% de l'épaisseur maximale E _ma de la pale 10 au niveau de la surface aval 28. L'épaisseur de la pale 10 étant non constante, la section considérée pour évaluer l'épaisseur e correspond ici à la mi-distance entre l'arête amont 223 et l'arête aval 261.

De préférence, l'épaisseur e de la pale 10 est supérieure à 60% de l'épaisseur E _ma x, quelle que soit la section considérée, de sorte à conserver l'intégrité mécanique de la pale 10. Par ailleurs, la surface de fond 24 et la surface de marche 26 sont raccordées par un congé de raccordement, bien visible sur la figure 2B. Cela permet de limiter les contraintes au niveau de cette jonction, lorsque l'inducteur 1 est en fonctionnement. La figure 2A représente une vue en perspective d'un inducteur de turbopompe 1 selon la présente invention, comportant un décaissement sur chacune de ses pales 10, chacune d'elles comportant une surface de fond 24, une surface aval 28, une surface de marche 26 et une surface en biseau 22. Lorsque l'inducteur 1 est intégré dans une turbopompe, la présence des décaissements sur les pales permet de limiter les fluctuations des longueurs des poches de cavitation, et ainsi de stabiliser la dynamique de l'arbre de la turbopompe en limitant les balourds hydrauliques provoqués par les régimes instationnai res de cavitation. Cela permet d'augmenter la durée de vie du moteur, sans réduire le rendement de l'inducteur.

Alternativement, la forme de la surface de fond 24 décrite précédemment peut être différente, en fonction de la forme des poches de cavitation se formant sur l'extrados. Par exemple, la surface de marche 26, dans une vue suivant l'axe de rotation de l'inducteur, peut avoir un rayon de courbure variable, par exemple croissant, dans une direction radiale, entre une limite radialement interne de la pale 10 du côté d'un axe central de l'inducteur, et une extrémité radialement externe de la pale 10.

La figure 5 représente une vue en coupe d'une turbopompe 100 comprenant l'inducteur 1 du présent exposé, destinée préférentiel lement mais non exclusivement au pompage de fluide tel du gaz liquéfié. Les adjectifs « axial » et « radial » sont définis par rapport à l'axe de rotation A de la turbopompe 100, tandis que les adjectifs « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens d'aspiration du fluide. Considérée selon la direction d'aspiration schématisée ici par des flèches, la turbopompe 100 comprend successivement un étage d'aspiration 12, une roue centrifuge 14 et une conduite annulaire 16 permettant le refoulement du fluide aspiré. L'étage d'aspiration 12 comporte l'inducteur 1 rotatif muni d'un moyeu 20 entraîné en rotation par un arbre de rotation 110 de la turbopompe 100, l'arbre de rotation 110 étant quant à lui entraîné par un moteur électrique 112 disposé en aval de la roue centrifuge 14. L'arbre de rotation 110 entraîne également en rotation la roue centrifuge 14.

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. Par exemple, l'arête 261 et/ou l'arête 223 peut être non pas une arête vive, mais une arête fictive, sous la forme d'une surface arrondie comme un congé de raccordement. 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 transposable, 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.