EP0222262A1 - Dispositif d'étanchéité de turbopompe - Google Patents

Dispositif d'étanchéité de turbopompe Download PDF

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EP0222262A1
EP0222262A1 EP86115043A EP86115043A EP0222262A1 EP 0222262 A1 EP0222262 A1 EP 0222262A1 EP 86115043 A EP86115043 A EP 86115043A EP 86115043 A EP86115043 A EP 86115043A EP 0222262 A1 EP0222262 A1 EP 0222262A1
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EP
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ring
turbine
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shell
housing
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Michel Villeneuve
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EG&G Sealol
EG&G Sealol Inc
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EG&G Sealol
EG&G Sealol Inc
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/10—Shaft sealings
    • F04D29/12—Shaft sealings using sealing-rings
    • F04D29/126—Shaft sealings using sealing-rings especially adapted for liquid pumps
    • F04D29/128—Shaft sealings using sealing-rings especially adapted for liquid pumps with special means for adducting cooling or sealing fluid

Definitions

  • the present invention relates to a turbopump sealing device, more particularly intended to equip the liquid propellant supply assemblies of rocket engines.
  • the sealing means must, for safety reasons, perfectly isolate the propellants, particularly hydrogen, from the turbine compartment.
  • the sealing means must allow the evacuation of the hydrogen passing through the bearings towards the turbine compartment and it must moreover, in certain lubrication systems, fix the flow of hydrogen at a predetermined value necessary for the proper functioning of the bearings.
  • the sealing means currently used are of several types: - labyrinths - contact face seals - retractable face seals - floating rings - segmented joints.
  • the device according to the present invention implements some of the above elementary means, in a new arrangement making it possible to obtain higher performance compared to the existing combinations, in particular: - no possibility of hydrogen leaking to the turbine during cooling, - reduced consumption of pressurization gas, - control of hydrogen flow to the turbine, - longer service life, - reduced overall dimensions and mass, - greater reliability.
  • the sealing device is mounted in a housing concentric with the rotary shaft between the turbine and the pump itself, said housing defining a cavity for an under gas. pressure, delimited on the side of the turbine by a support ring which is integral with it, in contact with a first floating ring immobilized in rotation and, on the side of the pump, by an attached shell of which one face is in contact with a second floating ring immobilized in rotation, itself bearing on a friction ring secured to the shaft, said rings being mounted on a sleeve concentric with said shaft, the shell being further connected to the cavity by a bellows.
  • a turbine 1 is mounted for rotation on a shaft 2 of longitudinal axis LL driving a pump (not shown) and comprising a bearing such as a ball bearing 3.
  • the sealing device comprises a housing 4 included in a general casing 5.
  • the housing 4 defines a cavity C for a pressurizing gas through a conduit D, as will be explained below, itself delimited according to the following arrangement: - on the side of the turbine 1 by a support ring 6 held in the housing, for example by a nut 7, on which a first floating ring 8 is supported with biasing for example by means of a spring 9, said ring 8 consisting of a carbon ring clamped in a metallic hoop immobilized in rotation by engagement of lugs 10 of the hoop in corresponding housings of the housing; - on the side of the bearing 3 of the pump, by an attached shell 11 in which is disposed a second floating ring 12 of the same type as the previous one tooth and, similarly, immobilized in rotation by engagement of pins 13 of its
  • a vibration damper 18 is interposed between the shell 11 and its housing of the housing 4, in order to prevent any amplification of the vibrations generated during operation.
  • the entire device, that is to say the housing 4, is fixed to the general casing 5 by any suitable means, for example stud-nut assemblies 19, a static seal 20 ensuring the seal with respect to the casing .
  • the second floating ring 12 being intended to be able to present a play in the longitudinal direction and to be followed along the contact face 14 by the shell 11, as will be better explained below, the latter is made integral with the housing by the through a metal bellows 21 guaranteeing the continuity of the enclosure C and preventing any passage of fluid.
  • the bellows 21 also provides, by its stiffness and precompression during assembly, an initial force of shell / floating ring 12 / friction ring 16 contact.
  • the cavity C is pressurized, in the usual way, by gaseous helium (GHe), at a pressure P c such that the force tending to bring the ring on the bearing side 12 into contact with its friction ring 16 is greater than the force tending to separate it:
  • FIG. 2 also shows the diameters ⁇ 20 of the outer edge of the surface 14 and ⁇ 4 of the inner edge of the surface 15.
  • the ring 8 limits the consumption of pressurization gas (flow rate leakage Q He towards the turbine cavity B).
  • the turbine 2 is rotated until it reaches full operating speed, the turbine pressure P B increases from partial vacuum (in the case of an engine with upper stages of launchers) or normal atmospheric pressure (in the case of 'a first stage) as well as the bearing pressure.
  • the bellows 21 is compressed and the shell 11 bears on the housing, leaving a clearance J between ring and support ring.
  • the sealing device then behaves like a system with two rings in series, the pressure P c being established at a value between P A and P B.
  • pressurizing gas is particularly critical and must be reduced as much as possible. mum for the following reasons: - economical: soil consumption - onboard weight reduction: flight consumption (after ground / flight pressurization switching)
  • a segmented ring 22 (fig. 5) which ensures contact both on the support ring 6 and on the socket 17 during cooling, the order of magnitude the leakage then being ten times lower than that obtained with the ring.
  • the segmented ring 22 is biased in contact with the support ring 6 by a spring 23.
  • this segmented ring 22 In operation, this segmented ring 22 must be cooled. It must therefore have a hydrodynamic effect so that the segments take off from the sleeve under the action of rotation, thus providing a clearance between ring and sleeve which allows a flow of hydrogen. The absence of contact during operation reduces the power absorbed and allows cooling.
  • the reduction in consumption can also be obtained by using a second ring in series with the first (8).
  • one or two labyrinths 24, 25 can be added downstream of the support and friction rings, 6 and 16 which limit the flow of hydrogen during operation in the event of failure of the rings.
  • the loss of pressurization is also to be considered as a particularly critical failure in the case of an upper stage of a launcher.

Abstract

L'invention a trait au domaine des dispositifs d'étanchéité. Le dispositif selon l'invention, pour une turbopompe de propergol liquide, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier (4) définissant une cavité (C) pour un gaz de mise sous pression, délimitée du côté de la turbine par une bague d'appui (6) qui lui est solidarisée, au contact d'une première bague d'étanchéité immobilisée en rotation (8, 22) et, du côté de la pompe, par une coquille (11) rapportée dont une face (15) est au contact d'une seconde bague d'étanchéité (12) flottante immobilisée en rotation, elle-même prenant appui sur une bague de friction (16) solidaire de l'arbre, lesdites bagues étant montées sur une douille (17) concentrique audit arbre, la coquille étant en outre reliée à la cavité par un soufflet (21). Application à l'alimentation en propergol liquide de moteur-fusée.

Description

  • La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité de turbopompe, plus particulièrement des­tiné à équiper les ensembles d'alimentation en proper­gol liquide des moteurs de fusées.
  • On sait que les moteurs fusée modernes à pro­pergols liquides, habituellement l'oxygène et l'hydro­gène, sont équipés de pompes distinées à véhiculer depuis les réservoirs jusqu'à la chambre de combustion avec une pression et un débit donnés, le carburant (hydrogène liquide) et le comburant (oxygène liquide). Ces pompes sont entraînées directement ou par l'inter­médiaire d'une boîte d'engrenages par une turbine fonc­tionnant à partir de gaz de combustion fournis par un générateur de gaz ou une préchambre de cumbustion. L'arbre commun à la pompe et à la turbine est supporté par des paliers ou roulements habituellement lubrifiés par une circulation d'hydrogène dont tout ou partie est évacué pendant le fonctionnement du moteur vers le compartiment turbine.
  • Qu'il s'agisse d'une turbine entre deux paliers ou en porte à faux, à un seul palier, il y a lieu d'incorporer entre le palier et la turbine un moyen d'étanchéité ayant un double rôle :
    • a) Période de mise en froid :
  • Il s'agit de la période précédant le démarrage du moteur où la turbonpompe est mise au contact des ergols à très basse température et sous une pression relativement faible, voisine de celle des réservoirs, de façon que lors de la mise en rotation un régime thermique proche de celui du fonctionnement soit déjà établi.
  • Pendant cette phase, le moyen d'étanchéité doit, pour des raisons de sécurité, isoler de façon parfaite les ergols, particulièrement l'hydrogène, du comparti­ment turbine.
  • Si cette fonction n'est pas assurée, l'hydrogène s'accumule au niveau du moteur ou dans l'espace inter­étage s'il s'agit d'un moteur utilisé dans un des étages supérieurs du lanceur, et il y a fort risque d'explo­sion lors de l'allumage du moteur.
    • b) Fonctionnement :
  • Pendant toute la durée du fonctionnement du moteur, le moyen d'étanchéité doit permettre l'évacua­tion de l'hydrogène traversant les paliers vers le com­partiment turbine et il doit de plus, dans certains systèmes de lubrification, fixer le débit d'hydrogène à une valeur prédéterminée nécessaire au bon fonction­nement des paliers.
  • De ce qui précède, il ressort que le moyen d'étanchéité turbine est particulièrement critique et sa conception doit donc permettre un fonctionnement sûr et fiable.
  • Les moyens d'étanchéité actuellement mis en oeu­vre sont de plusieurs types :
    - labyrinthes
    - joints faciaux à contact
    - joints faciaux rétractables
    - bagues flottantes
    - joints segmentés.
  • Les moyens élémentaires cités ci-dessus sont utilisés en montage simple, ou bien il est fait appel à diverses combinaisons de deux ou plus d'entre eux. Certains montages sont pressurisés, d'autres font appel à des effets hydrodynamiques.
  • Le dispositif selon la présente invention met en oeuvre certains des moyens élémentaires ci-dessus, dans un nouvel agencement permettant d'obtenir des per­formances supérieures par rapport aux combinaisons exis­tantes, en particulier :
    - pas de possibilité de fuite d'hydrogène vers la turbine pendant la mise en froid,
    - consommation réduite du gaz de pressurisation,
    - contrôle de débit d'hydrogène vers la turbine,
    - durée de vie accrue,
    - encombrement et masse réduits,
    - plus grande fiabilité.
  • Conformément à l'invention, et selon une forme de réalisation préférée, le dispositif d'étanchéité est monté dans un boîtier concentrique à l'arbre rotatif entre la turbine et la pompe proprement dite, ledit boîtier définissant une cavité pour un gaz de mise sous pression, délimitée du côté de la turbine par une bague d'appui qui lui est solidarisée, au contact d'une pre­mière bague flottante immobilisée en rotation et, du côté de la pompe, par une coquille rapportée dont une face est au contact d'une seconde bague flottante immo­bilisée en rotation, elle-même prenant appui sur une bague de friction solidaire de l'arbre, lesdites bagues étant montées sur une douille concentrique audit arbre, la coquille étant en outre reliée à la cavité par un soufflet.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'in­vention ressortiront mieux de la description qui va suivre de formes possibles de réalisation, faite en regard des dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 représente une vue schématique en coupe du dispositif selon l'invention dans sa première forme de réalisation ;
    • la figure 2 représente un schéma simplifié du dispositif selon la figure 1 illustrant les diamètres permettant d'obtenir les meilleurs résultats ;
    • les figures 3 et 4 représentent des schémas illustrant les conditions de fonctionnement du disposi­tif ; et
    • la figure 5 représente une vue schématique en coupe d'une variante du dispositif selon la figure 1.
  • Sur ces dessins, les mêmes références désignent les mêmes éléments.
  • En se référant à la figure 1, une turbine 1 est montée à la rotation sur un arbre 2 d'axe longitudinal L-L entraînant une pompe (non représentée) et compor­tant un palier tel qu'un roulement à bille 3. Le dispo­sifif d'étanchéité comprend un boîtier 4 inclus dans un carter général 5. Le boîtier 4 définit une cavité C pour un gaz de mise sous pression par un conduit D, comme ce sera expliqué ci-après, elle-même délimitée selon l'agencement suivant :
    - du côté de la turbine 1 par une bague d'appui 6 maintenue dans le boîtier, par exemple par un écrou 7, sur laquelle prend appui une première bague flottante 8 avec sollicitation par l'intermédiaire par exemple d'un ressort 9, ladite bague 8 étant constituée d'un anneau de carbone serré dans une frette métallique immobilisée en rotation par engagement d'ergots 10 de la frette dans des logements correspondants du boîtier;
    - du côté de u palier 3 de la pompe, par une coquille rapportée 11 dans laquelle est disposée une seconde bague flottante 12 du même type que la précé­ dente et, de la même manière, immobilisée en rotation par engagement d'ergots 13 de sa frette dans des loge­ments correspondants de la coquille 11 ; la bague flottante 12 prend appui par une face de contact 14 sur la coquille 11 et, d'autre part, elle peut égale­ment prendre appui par une surface de contact 15 sur une bague de friction 16 solidaire de l'arbre 2.
  • Comme mentionné plus haut, les deux bagues flot­tantes 8, 12 et la bague d'appui 6 ainsi que la bague de friction 16 sont montées autour d'une douille 17 concentrique à l'arbre 2. De manière avantageuse, un amortisseur de vibrations 18 est intercalé entre la coquille 11 et son logement du boîtier 4, afin d'empê­cher toute amplification des vibrations engendrées pendant le fonctionnement. L'ensemble du dispositif, c'est-à-dire le boîtier 4, est fixé sur le carter géné­ral 5 par tout moyen approprié, par exemple des ensem­bles goujons-écrous 19, un joint statique 20 assurant l'étanchéité par rapport au carter.
  • La seconde bague flottante 12 étant destinée à pouvoir présenter un jeu dans le sens longitudinal et à être suivie selon la face de contact 14 par la coquille 11, comme ce sera mieux expliqué ci-après, cette dernière est rendue solidaire du boîtier par l'intermédiaire d'un soufflet métallique 21 garantissant la continuité de l'enceinte C et empêchant tout passage de fluide. Le soufflet 21 assure en outre, de par sa raideur et une précompression au montage, un effort initial de contact coquille/bague flottante 12/bague de friction 16.
  • Pour le fonctionnement du dispositif tel que décrit ci-dessus, il y a lieu de distinguer trois phases, à savoir, la période de mise en froid, une période transitoire et la période de fonctionnement proprement dite.
  • En se référant aux figures 2 à 4, la configura­tion du dispositif pendant la mise en froid est repré­sentée sur la figure 3.
  • La cavité C est pressurisée, de façon habituelle, par de l'hélium gazeux (GHe), à une pression Pc telle que la force tendant à mettre en contact la bague côté palier 12 avec sa bague de friction 16 soit supérieure à la force tendant à la séparer :
    Pc x (⌀
    Figure imgb0001
    - ⌀
    Figure imgb0002
    ) > PA x (⌀
    Figure imgb0003
    - ⌀
    Figure imgb0004
    )
    expression dans laquelle : ⌀₁, ⌀₃, ⌀₅ sont respective­ment les diamètres de la cavité, de l'arête intérieure de la surface 14 et de l'arête extérieure de la surface 15 ; et PA est la pression de l'hydrogène au niveau de la pompe. Il y a lieu de noter qu'on a également représenté sur la figure 2 les diamètres ⌀₂0 de l'arête extérieure de la surface 14 et ⌀₄ de l'arête intérieure de la surface 15.
  • Si Pc est imposé, on détermine ⌀₃ et ⌀₅ de façon que l'inégalité ci-dessus soit respectée.
  • Afin de maintenir dans tous les cas de fonction­nement le contact entre la bague 12 et la coquille 11 on doit également assurer :
    ⌀₂ > ⌀₅
  • L'étanchéité avec la cavité A du palier est assurée par le soufflet métallique 21 et les contacts (surfaces rodées par exemple) entre la coquille 11, la bague 12 et la bague d'appui 16.
  • Afin d'éviter toute fuite, ne serait-ce que minime, du palier 3 vers la cavité C, une deuxième con­dition est imposée à la pressurisation (fuite depuis C vers le palier ) :
    Pc > PA
  • Ainsi, la fuite du gaz de pressurisation, donc sa consommation, est quasi nulle côté palier.
  • Côté turbine, la bague 8 limite la consommation de gaz de pressurisation (fuite débit QHe vers la cavité turbine B).
  • Pendant la phase transitoire, on met la turbine 2 en rotation jusqu'à sa pleine vitesse de fonction­nement, la pression turbine PB augmente depuis le vide partiel (cas de moteur d'étages supérieurs de lanceurs) ou la pression atmosphérique normale (cas d'un premier étage) ainsi que la pression palier.
  • Au cours de la phase transitoire la pressurisa­tion est coupée et le soufflet 21 se rétracte, annulant le contact entre bague 12 et bague de friction 16.
  • La configuration du dispositif pendant la phase de fonctionnement est représentée sur la figure 4.
  • Le soufflet 21 est comprimé et la coquille 11 en appui sur le boîtier, ménageant entre bague et bague d'appui un jeu J.
  • La pressurisation étant coupée et la pression turbine PB inférieure à la pression palier PA, un débit Q'LH2 s'établit du palier 3 vers la turbine 2.
  • Le dispositif d'étanchéité se comporte alors comme un système à deux bagues en série, la pression Pc s'établissant à une valeur comprise entre PA et PB.
  • Il s'agit donc d'un système sans contact entre parties stationnaires et parties tournantes, ce qui a comme avantages :
    - réduction de la puissance absorbée
    - suppression des frottements donc de l'usure (durée de vie accrue)
    - meilleure fiabilité.
  • Dans le cas où le système doit fixer le débit d'hydrogène vers la turbine, un jeu "e" entre bague 12 et douille 17 est déterminé en conséquence.
  • La consommation du gaz de pressurisation est particulièrement critique et doit être réduite au maxi­ mum pour les raisons suivantes :
    - économiques : consommation sol
    - réduction masse embarquée : consommation vol
    (après commutation pressurisation sol/vol)
  • Côté palier, la consommation pressurisation est quasi nulle comme indiqué plus haut, c'est donc côté turbine qu'il faut agir si l'on veut aller plus loin dans la réduction de la consommation.
  • Pour cela on peut utiliser en remplacement de la bague 8 une bague segmentée 22 (fig. 5) qui assure un contact à la fois sur la bague d'appui 6 et sur la douille 17 pendant la mise en froid, l'ordre de gran­deur de la fuite étant alors dix fois inférieur à celle obtenue avec la bague. Comme dans le cas de la bague 8, la bague segmentée 22 est sollicitée au contact de la bague d'appui 6 par un ressort 23.
  • En fonctionnement, cette bague segmentée 22 doit être refroidie. Elle doit donc être à effet hydrodyna­mique de façon que les segments décollent de la douille sous l'action de la rotation, ménageant ainsi un jeu entre bague et douille qui autorise un débit d'hydro­gène. L'absence de contact en fonctionnement réduit la puissance absorbée et permet le refroidissement.
  • La réduction de la consommation peut également être obtenue en utilisant une deuxième bague en série avec la première (8).
  • Afin d'obtenir encore une augmentation de la fiabilité, on peut adjoindre au dispositif un ou deux labyrinthes 24, 25 en aval des bagues d'appui et de friction, 6 et 16 qui limitent le débit d'hydrogène pendant le fonctionnement en cas de défaillance des bagues.
  • La perte de pressurisation est également à envi­sager en tant que défaillance particulièrement critique dans le cas d'un étage supérieur d'un lanceur.
  • Les conséquences d'une perte de pressurisation sont minimisées en définissant le soufflet 21 de façon que son effort initial FR que provoque sa raideur soit supérieur à la force d'ouverture provoquée par la pression palier, selon l'expression :
    Figure imgb0005
  • Revenant à la figure 5, il y a lieu de noter que parmi les avantages de la bague segmentée 22, on peut citer le fait que celle-ci est en permanence au contact de la bague 6 et de la douille 17, quelles que soient les variations en dimensions dues aux gradients de température.
  • Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et qu'on pourra y apporter toute modification utile, notamment dans le domaine des équivalences techniques, sans sortir de son cadre.

Claims (7)

1. Dispositif d'étanchéité de turbopompe pour propergol liquide, du type comportant au moins une bague flottante, monté dans un boîtier (4) concen­trique à l'arbre rotatif (2) entre la turbine (1) et la pompe (A), caractérisé par le fait que ledit boî­tier définit une cavité (C) pour un gaz de mise sous pression, délimitée du côté de la turbine par une bague d'appui (6) qui lui est solidarisée, au contact d'une première bague d'étanchéité immobilisée en rota­tion (8, 22) et, du côté de la pompe, par une coquille (11) rapportée dont une face (15) est au contact d'une seconde bague d'étanchéité (12) flottante immobilisée en rotation, elle-même prenant appui sur une bague de friction (16) solidaire de l'arbre, lesdites bagues étant montées sur une douille (17) concentrique audit arbre, la coquille étant en outre reliée à la cavité par un soufflet (21).
2. Dispositif selon la revendication 1, carac­térisé par le fait que le boîtier est fixé sur un carter (5) par l'intermédiaire d'un joint statique (20).
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'un amortisseur de vibration (18) est intercalé entre la coquille et le boîtier.
4. Dispositif selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 3, caractérisé par le fait que la pre­mière bague d'étanchéité du côté de la turbine est constituée par une bague flottante (8) montée sur la douille (17) et sollicitée par un ressort (9) au con­tact de la bague d'appui (6).
5. Dispositif selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 3, caractérisé par le fait que la première bague d'étanchéité du côté de la turbine est constituée par une bague à segments (22) sollicitée par un ressort (23) au contact de la bague d'appui (6).
6. Dispositif selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'au moins la coquille (11) ou la bague d'appui (6) est prolongée en aval de la pompe (A) par un labyrinthe (24,25).
7. Dispositif selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 6, caractérisé par le fait que le fluide pompé est l'hydrogène et que le gaz de mise en pression de la cavité (C) est l'hélium.
EP86115043A 1985-11-08 1986-10-29 Dispositif d'étanchéité de turbopompe Expired - Lifetime EP0222262B1 (fr)

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FR8516595 1985-11-08

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