EP3721093B1 - Pompe ou compresseur comprenant un systeme d'equilibrage axial - Google Patents

Pompe ou compresseur comprenant un systeme d'equilibrage axial Download PDF

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EP3721093B1
EP3721093B1 EP18836829.4A EP18836829A EP3721093B1 EP 3721093 B1 EP3721093 B1 EP 3721093B1 EP 18836829 A EP18836829 A EP 18836829A EP 3721093 B1 EP3721093 B1 EP 3721093B1
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EP
European Patent Office
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balancing
pump
expansion
axial
centrifugal wheel
Prior art date
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EP18836829.4A
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English (en)
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EP3721093A1 (fr
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Cyril LOISEAU
Sébastien BOUFFLERT
Thibaut LEMAIRE
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ArianeGroup SAS
Original Assignee
ArianeGroup SAS
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Publication date
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    • F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/2261—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures
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    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors

Definitions

  • the present invention relates to the field of axial balancing of pumps or compressors, such as for example pumps intended to suck liquefied gas, for aerospace turbomachines.
  • the pumps or compressors of the prior art comprise an axial balancing system making it possible to compensate all or part of the forces exerted on certain parts of the pump, when the latter is in operation.
  • the axial balancing system is generally defined by a restrictive fluid flow passage, formed between the housing and the rotor, for example a centrifugal impeller, of the pump. It is important to precisely calibrate the flow rate of the fluid in the restrictive flow passage in order to optimize axial balance of the pump.
  • US 4867633 discloses a centrifugal pump with hydraulic thrust balancing and tandem axial seals.
  • the main axis is the axis of rotation of the centrifugal wheel.
  • the axial direction corresponds to the direction of the main axis and a radial direction is a direction perpendicular to this main axis and intersecting this main axis.
  • an axial plane is a plane containing the main axis and a radial plane is a plane perpendicular to this main axis.
  • a circumference is understood as a circle belonging to a radial plane and whose center belongs to the main axis.
  • a tangential or circumferential direction is a direction tangent to a circumference; it is perpendicular to the main axis but does not pass through the main axis.
  • interior and exterior are used with reference to a radial direction so that the interior portion of an element is, in a radial direction, closer to the axis of the diffuser than the exterior portion of the same element.
  • the adjectives front and rear are used in reference to the axial direction with the understanding that the inlet of the centrifugal wheel is located on the front side of the centrifugal wheel, while its output is located on the rear side, in the direction normal fluid flow through the centrifugal wheel.
  • the second balancing portion is moved by the centrifugal force exerted on the centrifugal wheel when the latter is driven in rotation.
  • rest position is understood to mean the position occupied by the second balancing portion when the centrifugal wheel is not rotated. In this position, the first and second balancing portions are at a distance from each other.
  • operating position is understood to mean the position occupied by the second balancing portion when the centrifugal wheel is rotated, for example, at its nominal rotational speed.
  • the overall displacement of the second balancing portion can be the result of a radial displacement and an axial displacement, in particular.
  • the aerospace turbomachine is a cryogenic turbomachine, that is to say, configured to compress a fluid, for example, at a temperature less than or equal to 120 K (Kelvin).
  • a cryogenic turbomachine using liquid hydrogen as the fluid the turbomachine is configured to compress the fluid to a temperature less than or equal to 20 K.
  • the turbomachine using liquid oxygen as the fluid the turbomachine is configured to compress the fluid to a temperature less than or equal to 90 K.
  • the turbomachine is configured to compress the fluid to a temperature less than or equal to 110 K.
  • the pump or the compressor includes a shaft configured to drive the centrifugal wheel in rotation about the main axis.
  • the centrifugal impeller includes a mounting portion configured to be mounted to the shaft.
  • the pump or the compressor according to the present invention avoids the presence of an attached nozzle.
  • the first and second balancing portions overlap, that is to say that the first and second balancing portions are located at least in part opposite one of the 'other, over an overlap distance.
  • the overlap distance is the length the pieces overlap.
  • the first and second balancing portions overlap axially.
  • the axial overlap of the first and second balancing portions allows better calibration of the flow rate, also called the leak rate, in the restrictive flow passage. Indeed, as the centrifugal wheel is subjected to expansion when it is rotated in the radial direction, it is difficult to control the radial play.
  • the axial play is easily controlled, and can be calibrated.
  • a fluid passage of which the dimensions are controlled is formed, which makes it possible to calibrate the flow rate in the restrictive flow passage.
  • the axial clearance therefore makes it possible to calibrate the flow rate of the fluid in the restrictive flow passage.
  • the overlap distance of the first and second balancing portions in a radial direction, in the operating position is between 0.012% and 0.032% of the diameter of the centrifugal wheel.
  • the overlap distance of the first and second balancing portions in a radial direction, in the operating position may be between 0.03 mm and 0.08 mm, for example for a diameter of the wheel centrifugal of 250 mm, a speed of rotation of the centrifugal wheel of 40,000 rpm (revolutions per minute) and for a temperature of about 40 K.
  • the first and second balancing portions form a baffle, or a labyrinth making it possible to better restrict the entry of fluid into the restrictive flow passage, and therefore to better ensure the axial balancing of the pump. or compressor.
  • the second balancing portion is configured to move a distance between 0.024% and 0.06% of the diameter of the centrifugal wheel.
  • the second balancing portion is configured to move a distance between 0.06mm and 0.15mm, for example for a centrifugal wheel diameter of 250mm, a centrifugal wheel rotational speed of 40,000 rpm / min and for a temperature of about 40 K.
  • the second balancing portion is configured to be received in a balancing groove formed by the first balancing portion and a portion of the housing adjacent to the first balancing portion.
  • first and second balancing portions are configured to form the entrance to the restrictive flow passage by the cooperation between the second balancing portion and the balancing groove, in the operating position.
  • the first and second balancing portions are remote from one another.
  • the second balancing portion does not fit into the balancing groove.
  • the first and second balancing portions do not overlap axially.
  • the entrance to the restrictive flow passage is, for example, of the general shape of a labyrinth or of a baffle.
  • the centrifugal wheel includes an expansion portion configured to move the second balancing portion from the rest position to the operating position.
  • the mounting portion, the expansion portion and the second balancing portion are arranged in this order in the radial direction, starting from the main axis.
  • the expansion portion of the centrifugal wheel allows movement of the second balancing portion by virtue of the centrifugal force, which further simplifies the mounting of the balancing system while ensuring better axial balancing. pump or compressor.
  • the expansion portion is annular.
  • the expansion portion is configured to undergo greater expansion than other parts of the centrifugal wheel under the effect of centrifugal force.
  • the expansion portion allows the second balancing portion to pass more easily from the rest position to the operating position when the centrifugal wheel is in operation and also to return to the rest position when the centrifugal wheel. stopped working.
  • the expansion portion comprises at least a portion of reduced thickness in the axial direction with respect to adjacent parts of the centrifugal wheel.
  • the thickness of the centrifugal wheel is reduced at the expansion portion, which allows the expansion portion to expand more than the other parts of the centrifugal wheel.
  • the expansion portion includes an expansion member, which may be disposed along the restrictive flow passage.
  • expansion element is adjacent to the restrictive flow passage.
  • the expansion element is disposed on the back of the centrifugal wheel, that is to say on the side of the rear part of the centrifugal wheel.
  • the expansion element comprises a groove.
  • the groove is configured to thin at least part of the expansion portion in the axial direction.
  • the expansion element can comprise several grooves.
  • the expansion element comprises a lattice structure, i.e. a mesh structure or a lattice structure.
  • the lattice structure having anisotropic and / or flexible behavior, it more easily allows the expansion portion of the centrifugal wheel to expand radially under the centrifugal effect to pass the second balancing portion of the rest position to the operating position.
  • the expansion element comprises an anisotropic material.
  • the anisotropic material makes it easier for the expansion portion of the centrifugal wheel to expand radially under the centrifugal effect to cause the second balancing portion to pass from the rest position to the operating position.
  • the anisotropic material is solid.
  • the figure 1 shows a part of a pump 11 of an aerospace turbomachine, configured to allow the flow of a fluid.
  • the pump may comprise one or more axial compression stage (s) and one or more centrifugal compression stage (s).
  • the pump 11 comprises a casing 13 and a centrifugal impeller 15.
  • the housing 13 externally surrounds the blades of the centrifugal wheel 15.
  • the blades of the centrifugal wheel 15 are arranged on the front side of the centrifugal wheel 15.
  • a diffuser 12 is located downstream of the centrifugal wheel 15.
  • the turbomachine has a fluid inlet (not shown), the fluid passing through this inlet to reach the pump 11.
  • the centrifugal wheel and the axial speed of the fluid which passes through the centrifugal wheel 15 is gradually transformed into radial speed, the fluid exiting at the outer periphery of the centrifugal wheel 15.
  • the fluid enters the centrifugal wheel 15, substantially in an axial direction DA , defined by the main axis, and leaves the centrifugal wheel 15 substantially in a radial direction DR, substantially perpendicular to the main axis.
  • the fluid leaving the centrifugal wheel 15 passes through the diffuser 12 before reaching the combustion chamber (not shown).
  • the centrifugal wheel 15 can be mounted on a shaft driven in rotation by the turbine.
  • the centrifugal wheel 15 is therefore configured to be driven in rotation with respect to the casing 13 about the main axis.
  • the pump 11 comprises a main fluid flow passage 17, defined between the housing 13 and the front of the centrifugal impeller 15, and a restrictive fluid flow passage 19 defining an axial balancing system, here arranged between the back of the centrifugal impeller 15, or the back of the centrifugal impeller 15, and the housing 13.
  • the restrictive flow passage 19 is a secondary fluid passage, configured to receive a circulation flow, or a leakage flow. which exerts an axial back pressure on the centrifugal impeller 15 with a view to the axial balancing of the pump 11.
  • the casing 13 comprises a body 21 and a first balancing portion 23.
  • the first balancing portion 23 is integral with the body 21.
  • the centrifugal wheel 15 comprises a mounting portion 25, an expansion portion 27 and a second balancing portion 29, arranged radially in this order.
  • the mounting portion 25 is mounted on the shaft.
  • the mounting portion 25, the expansion portion 27, and the second balancing portion 29 are integral.
  • the first and second balancing portions 23, 29 define the entrance to the restrictive flow passage 19.
  • the first balancing portion 23 includes an inwardly projecting portion and the second balancing portion 29 includes an outwardly projecting portion.
  • the first and second balancing portions 23, 29 are offset with respect to each other in the axial direction DA, and therefore have an axial clearance JA.
  • the axial clearance JA between the first and second balancing portions is between 0.02% and 0.4% of the radius of the centrifugal wheel, preferably between 0.08% and 0.2% of the radius of the centrifugal wheel and more preferably, the axial play JA between the first and second balancing portions 23, 29 is 0.12% of the radius of the centrifugal wheel 15.
  • the axial play JA between the first and second balancing portions 23, 29 is between 30 ⁇ m and 500 ⁇ m, preferably between 100 ⁇ m and 250 ⁇ m.
  • the axial clearance JA between the first and second balancing portions is 150 ⁇ m.
  • the axial play JA in the rest position is dimensioned so as to obtain a satisfactory play in the operating position.
  • the axial clearance JA thus makes it possible to calibrate the flow rate of the fluid in the restrictive flow passage 19.
  • the second balancing portion 29 is disposed opposite a balancing groove 31 formed by the first axial balancing portion 23 and an adjacent portion 32 of the housing 13.
  • the expansion portion 27 is configured to undergo an expansion greater than the mounting portion 25 and the second balancing portion 29 of the centrifugal wheel 15 under the effect of centrifugal force.
  • the expansion portion 27 includes, along the restrictive flow passage 19, an expansion member 35.
  • the expansion member 35 includes a groove 33.
  • the expansion member 35 only comprises the groove 33.
  • the reduced thickness of the centrifugal wheel 15 at this location allows it to expand more strongly at this expansion portion 27.
  • the expansion element 35 is annular.
  • the groove 33 extends over a length of approximately 40% of the diameter of the centrifugal wheel in the radial direction.
  • the groove 33 has a depth of approximately 20% of the thickness of the centrifugal wheel, in the axial direction, considered at mid-height of the centrifugal wheel 15 in the radial direction, that is to say say about 50% of the outer radius of the centrifugal wheel 15.
  • the groove 33 extends over a length of approximately 50 mm in the radial direction. In this example, the groove 33 has a depth of about 5 mm in the axial direction.
  • the centrifugal wheel 15 can be made of a material conventionally used for cryogenic turbomachines.
  • a material has a Young's modulus of 200,000 MPa, a Poisson's ratio of 0.3 and a density of 8.26.10 -6 kg / mm 3 .
  • the centrifugal wheel 15 is made of titanium, aluminum or a nickel-based material, such as a nickel-based superalloy, for example Inconel (registered trademark).
  • the second balancing portion 29 of the centrifugal wheel 15 is configured to pass from a visible rest position in figure 1 , in an operating position, visible in figure 2 .
  • the first and second balancing portions 23, 29 are at a distance from each other and the centrifugal wheel 15 is not rotated.
  • an inner edge 23a of the first balancing portion 23 and an outer edge of the second balancing portion 29 are spaced apart by a radial rest play in a radial direction DR.
  • the radial rest play JRR is between 0.03 mm and 0.08 mm, preferably between 0.04 mm and 0.07 mm, and more preferably, the play is 0.05 mm.
  • the second balancing portion 29 does not fit into the balancing groove 31. Thus, the mounting of the centrifugal wheel 15 on the housing 13 is carried out easily.
  • the centrifugal impeller 15 When the pump is put into operation, the centrifugal impeller 15 starts to rotate and is subjected to the centrifugal force. Under this force, the centrifugal wheel 15 expands outwardly, thanks to the expansion of the expansion portion 27, in particular.
  • the first and second balancing portions 23, 29 overlap in the axial direction DA under the effect of the centrifugal force exerted on the centrifugal wheel 15 when the centrifugal wheel 15 is rotated.
  • the nominal speed of the pump is between 1000 rpm and 120,000 rpm, preferably between 10,000 rpm and 100,000 rpm and more preferably 40,000 rpm.
  • the second balancing portion 29 fits into the balancing groove 31, which forms a labyrinthine passage at the entrance to the restrictive flow passage 19.
  • the calibration of the circulation flow rate is easy.
  • the first and second balancing portions 23, 29 overlap over an overlap distance DC of between 0.03 mm and 0.08 mm, preferably between 0.04 mm and 0.07 mm, and more preferably over a distance 0.05 mm in the radial direction DR.
  • the second balancing portion 23 moves over a displacement distance DD, in the radial direction DR, between 0.06 mm and 0.15 mm, preferably between 0.08 mm and 0.13 mm, more preferably, over a displacement distance DD of 0.1 mm.
  • the figure 4 shows a second embodiment of the expansion portion 27.
  • This second example differs from the first embodiment in that the expansion element 135 comprises a lattice structure 137, that is to say a mesh structure or else reticular.
  • the lattice structure 137 is attached to the centrifugal wheel 15, after having been manufactured by an additive manufacturing process, for example by laser fusion on a powder bed.
  • the lattice structure 137 is arranged in place of the groove 33 of the first embodiment.
  • the expansion element 135 includes only the truss structure 137.
  • the figure 5 shows a third exemplary embodiment of the expansion portion 27.
  • This third exemplary embodiment differs from the first and second exemplary embodiments in that the expansion element 235 comprises an anisotropic material 237.
  • the anisotropic material 237 is solid. .
  • the anisotropic material 237 is arranged in place of the groove 33 of the first embodiment.
  • the expansion element 235 comprises only the anisotropic material 237.
  • the anisotropic material 237 is configured to undergo preferential expansion in the radial direction DR.
  • the anisotropic material 237 is a composite material comprising oriented fibers.
  • the fibers can be generally oriented in the radial direction DR, which makes it possible to give more flexibility to the expansion element 235 in the radial direction DR.
  • the expansion portion 27 is entirely made of the anisotropic material 237.
  • the centrifugal wheel 15 is entirely made of the anisotropic material 237.

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Description

    DOMAINE DE L'INVENTION
  • La présente invention concerne le domaine de l'équilibrage axial des pompes ou compresseurs, telles par exemple les pompes destinées à aspirer du gaz liquéfié, pour turbomachine aérospatiale.
    • ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
  • Il est connu que les pompes, ou compresseurs, de l'art antérieur comprennent un système d'équilibrage axial permettant de compenser tout ou partie des efforts exercés sur certaines pièces de la pompe, lorsque celle-ci est en fonctionnement. Le système d'équilibrage axial est généralement défini par un passage restrictif d'écoulement de fluide, ménagé entre le carter et le rotor, par exemple une roue centrifuge, de la pompe. Il est important de calibrer de manière précise le débit de circulation du fluide dans le passage restrictif d'écoulement de façon à optimiser un équilibrage axial de la pompe. Toutefois, afin de pouvoir calibrer le débit de circulation du fluide dans le passage restrictif d'écoulement, et afin de limiter le risque de contact entre le carter et le rotor de la pompe, il est nécessaire que les dimensions et la géométrie du passage restrictif d'écoulement soit définies précisément. Pour garantir une telle précision, des calculs et essais chronophages et onéreux sont nécessaires. Il existe donc un besoin en ce sens.
    US 4867633 divulgue une pompe centrifuge avec équilibrage de poussée hydraulique et joints axiaux en tandem.
    • PRÉSENTATION DE L'INVENTION
  • À cet effet la présente invention concerne une pompe ou un compresseur pour l'écoulement d'un fluide, comprenant :
    • un carter, et
    • une roue centrifuge, configurée pour être entraînée en rotation par rapport au carter autour d'un axe principal définissant une direction axiale,
    • un passage restrictif d'écoulement de fluide ménagé entre le carter et la roue centrifuge définissant un système d'équilibrage axial,
    le carter comprenant une première portion d'équilibrage et la roue centrifuge comprenant une deuxième portion d'équilibrage, les première et deuxième portions d'équilibrage définissant l'entrée du passage restrictif d'écoulement,
    la deuxième portion d'équilibrage de la roue centrifuge étant configurée pour passer d'une position de repos, dans laquelle les première et deuxième portions d'équilibrage sont à distance, à une position de fonctionnement dans laquelle les première et deuxième portions d'équilibrage se chevauchent selon la direction axiale, sous l'effet de la force exercée sur la roue centrifuge en rotation.
    Selon l'invention, l'expression "les première et deuxième portions d'équilibrage sont à distance" est définie comme le diamètre externe, ou maximum, de la deuxième portion d'équilibrage étant inférieur au diamètre interne, ou minimum, de la première portion d'équilibrage du carter.
  • On appelle axe principal, l'axe de rotation de la roue centrifuge. La direction axiale correspond à la direction de l'axe principal et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe principal et coupant cet axe principal. De même, un plan axial est un plan contenant l'axe principal et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe principal. Une circonférence s'entend comme un cercle appartenant à un plan radial et dont le centre appartient à l'axe principal. Une direction tangentielle ou circonférentielle est une direction tangente à une circonférence ; elle est perpendiculaire à l'axe principal mais ne passe pas par l'axe principal.
  • Sauf précision contraire, les adjectifs intérieur et extérieur sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure d'un élément est, suivant une direction radiale, plus proche de l'axe du diffuseur que la partie extérieure du même élément.
  • Sauf précision contraire, les adjectifs avant et arrière sont utilisés en référence à la direction axiale étant entendu que l'entrée de la roue centrifuge est située du côté avant de la roue centrifuge, tandis que sa sortie est située du côté arrière, dans le sens normal d'écoulement de fluide à travers la roue centrifuge.
  • On comprend que la deuxième portion d'équilibrage est déplacée par la force centrifuge exercée sur la roue centrifuge lorsque celle-ci est entraînée en rotation.
  • On entend par « position de repos », la position occupée par la deuxième portion d'équilibrage lorsque la roue centrifuge n'est pas entraînée en rotation. Dans cette position, les première et deuxième portions d'équilibrage sont à distance l'une de l'autre.
  • On entend par « position de fonctionnement », la position occupée par la deuxième portion d'équilibrage lorsque la roue centrifuge est entraînée en rotation, par exemple, à sa vitesse de rotation nominale.
  • On comprend que le déplacement de la deuxième portion d'équilibrage sous l'effet de la force centrifuge est réalisé selon une direction radiale.
  • Toutefois, en fonctionnement, le flux de fluide à haute pression passant dans le passage restrictif d'écoulement pourrait également entraîner un déplacement de la deuxième portion d'équilibrage selon la direction axiale.
  • Ainsi, le déplacement global de la deuxième portion d'équilibrage peut être la résultante d'un déplacement radial et d'un déplacement axial, notamment.
  • On comprend que l'écoulement de fluide est restreint par le passage restrictif d'écoulement, dont l'entrée est définie par les première et deuxième portions d'équilibrage.
  • Par exemple, la turbomachine aérospatiale est une turbomachine cryotechnique, c'est-à-dire, configurée pour comprimer un fluide, par exemple, à une température inférieure ou égale à 120 K (Kelvin). Par exemple, pour une turbomachine cryotechnique utilisant du dihydrogène liquide comme fluide, la turbomachine est configurée pour comprimer le fluide à une température inférieure ou égale à 20 K. Par exemple, pour une turbomachine cryotechnique utilisant de l'oxygène liquide comme fluide, la turbomachine est configurée pour comprimer le fluide à une température inférieure ou égale à 90 K. Par exemple, pour une turbomachine cryotechnique utilisant du méthane liquide comme fluide, la turbomachine est configurée pour comprimer le fluide à une température inférieure ou égale à 110 K.
  • Par exemple, la pompe ou le compresseur comprend un arbre configuré pour entraîner la roue centrifuge en rotation autour de l'axe principal.
  • Par exemple, la roue centrifuge comprend une portion de montage configurée pour être montée à l'arbre.
  • Ainsi, dans la position de repos, les première et deuxième portions d'équilibrage ne se chevauchant pas, le montage de la roue centrifuge par rapport au carter est plus simple à réaliser. En effet, le positionnement des pièces n'a plus à être aussi précis que précédemment pour limiter les risques de contact entre la roue centrifuge et le carter. En outre, la pompe ou le compresseur selon la présente invention évite la présence d'un ajutage rapporté.
  • Lorsque la roue centrifuge est en rotation, sous l'effet de la force centrifuge, la roue centrifuge se dilate vers l'extérieur et la deuxième portion d'équilibrage passe de la position de repos à la position de fonctionnement.
  • Dans la position de fonctionnement, les première et deuxième portions d'équilibrage se chevauchent, c'est-à-dire que les première et deuxième portions d'équilibrage se trouvent au moins en partie en vis-à-vis l'une de l'autre, sur une distance de chevauchement. Autrement dit, la distance de chevauchement est la longueur sur laquelle les pièces se chevauchent. En d'autres termes, dans la position de fonctionnement, les première et deuxième portions d'équilibrage se recouvrent axialement. Le chevauchement axial des première et deuxième portions d'équilibrage permet de mieux calibrer le débit de circulation, également appelé débit de fuite, dans le passage restrictif d'écoulement. En effet, comme la roue centrifuge est soumise à une dilatation lorsqu'elle est entraînée en rotation selon la direction radiale, il est difficile de contrôler le jeu radial.
  • En revanche, le jeu axial est facilement maîtrisable, et peut être calibré. Ainsi, grâce au chevauchement axial des première et deuxième portions de d'équilibrage, un passage de fluide dont on maîtrise les dimensions est formé, ce qui permet de calibrer le débit de circulation dans le passage restrictif d'écoulement. Le jeu axial permet donc de calibrer le débit de circulation du fluide dans le passage restrictif d'écoulement.
  • Selon un aspect du présent exposé, la distance de chevauchement des première et deuxième portions d'équilibrage selon une direction radiale, en position de fonctionnement, est comprise entre 0,012% et 0,032% du diamètre de la roue centrifuge. La distance de chevauchement des première et deuxième portions d'équilibrage selon une direction radiale, en position de fonctionnement, peut être comprise entre 0,03 mm et 0,08 mm, par exemple pour un diamètre de la roue centrifuge de 250 mm, une vitesse de rotation de la roue centrifuge de 40000 tr/min (tours par minute) et pour une température d'environ 40 K.
  • Grâce à ces dispositions, les première et deuxième portions d'équilibrage forment une chicane, ou un labyrinthe permettant de mieux restreindre l'entrée de fluide dans le passage restrictif d'écoulement, et donc d'assurer mieux l'équilibrage axial de la pompe ou du compresseur.
  • Selon un aspect de la présente invention, la deuxième portion d'équilibrage est configurée pour se déplacer sur une distance comprise entre 0,024% et 0,06% du diamètre de la roue centrifuge. La deuxième portion d'équilibrage est configurée pour se déplacer sur une distance comprise entre 0,06 mm et 0,15 mm, par exemple pour un diamètre de la roue centrifuge de 250 mm, une vitesse de rotation de la roue centrifuge de 40000 tr/min et pour une température d'environ 40 K.
  • Grâce à ces dispositions, l'entrée de fluide dans le passage restrictif d'écoulement est mieux restreinte, l'équilibrage axial de la pompe ou du compresseur est donc mieux assuré tout en mettant en œuvre un procédé de montage du système d'équilibrage axial simple.
  • Selon un aspect de la présente invention, la deuxième portion d'équilibrage est configurée pour être reçue dans une rainure d'équilibrage formée par la première portion d'équilibrage et une partie du carter adjacente à la première portion d'équilibrage.
  • On comprend que les première et deuxième portions d'équilibrage sont configurées pour former l'entrée du passage restrictif d'écoulement par la coopération entre la deuxième portion d'équilibrage et la rainure d'équilibrage, en position de fonctionnement.
  • On comprend qu'en position de repos, à l'inverse, les première et deuxième portions d'équilibrage sont éloignées l'une de l'autre. Autrement dit, en position de repos, la deuxième portion d'équilibrage ne s'emboîte pas dans la rainure d'équilibrage. Dans la position de repos, les première et deuxième portions d'équilibrage ne se chevauchent pas axialement.
  • On comprend que l'entrée du passage restrictif d'écoulement est par exemple de forme générale de labyrinthe ou de chicane.
  • Grâce à ces dispositions, en plus des avantages susmentionnés, le débit de recirculation est calibré de façon aisée, et un meilleur équilibrage axial de la pompe ou du compresseur est assuré.
  • Dans certains modes de réalisation, la roue centrifuge comprend une portion de dilatation configurée pour faire passer la deuxième portion d'équilibrage de la position de repos à la position de fonctionnement.
  • On comprend que la portion de montage, la portion de dilatation et la deuxième portion d'équilibrage sont disposés dans cet ordre selon la direction radiale, en partant de l'axe principal.
  • Grâce à ces dispositions, la portion de dilatation de la roue centrifuge permet un déplacement de la deuxième portion d'équilibrage grâce à la force centrifuge, ce qui permet encore plus de simplifier le montage du système d'équilibrage tout en assurant un meilleur équilibrage axial de la pompe ou du compresseur.
  • Selon un aspect du présent exposé, la portion de dilatation est annulaire.
  • Dans certains modes de réalisation, la portion de dilatation est configurée pour subir une dilation supérieure aux autres parties de la roue centrifuge sous l'effet de la force centrifuge.
  • Grâce à ces dispositions, la portion de dilatation permet à la deuxième portion d'équilibrage de passer plus facilement de la position de repos à la position de fonctionnement lorsque la roue centrifuge est en fonctionnement et également de revenir en position de repos lorsque la roue centrifuge cesse de fonctionner. Ces dispositions permettent encore plus de simplifier le montage du système d'équilibrage tout en assurant un meilleur équilibrage axial de la pompe ou du compresseur.
  • Dans certains modes de réalisation, la portion de dilatation comprend au moins une portion d'une épaisseur réduite selon la direction axiale par rapport aux parties adjacentes de la roue centrifuge.
  • On comprend que l'épaisseur de la roue centrifuge est réduite au niveau de la portion de dilatation, ce qui permet à la portion de dilation de se dilater davantage que les autres parties de la roue centrifuge.
  • Selon un aspect de la présente invention, la portion de dilatation comprend un élément de dilatation, qui peut être disposé le long du passage restrictif d'écoulement.
  • On comprend que l'élément de dilatation est adjacent passage restrictif d'écoulement.
  • On comprend que l'élément de dilatation est disposé au dos de la roue centrifuge, c'est-à-dire du côté de la partie arrière de la roue centrifuge.
  • Ces dispositions permettent encore plus de simplifier le montage du système d'équilibrage tout en assurant un meilleur équilibrage axial de la pompe ou du compresseur. Ces dispositions permettent en outre de ne pas perturber l'écoulement principal du fluide.
  • Selon un aspect de la présente invention, l'élément de dilatation comprend une gorge.
  • On comprend que la gorge débouche sur le passage restrictif d'écoulement.
  • On comprend que la gorge est configurée pour amincir au moins une partie de la portion de dilatation selon la direction axiale.
  • Grâce à ces dispositions, la portion de dilatation est simple à réaliser. Ces dispositions permettent encore plus de simplifier le montage du système d'équilibrage tout en assurant un meilleur équilibrage axial de la pompe ou du compresseur.
  • Selon un aspect du présent exposé, l'élément de dilatation peut comprendre plusieurs gorges.
  • Selon un aspect de la présente invention, l'élément de dilatation comprend une structure en treillis, c'est-à-dire une structure maillée ou une structure réticulaire.
  • On comprend par structure en treillis, une structure « lattice » en langue anglaise.
  • Grâce à ces dispositions, la structure en treillis ayant un comportement anisotrope et/ou souple, elle permet plus facilement à la portion de dilatation de la roue centrifuge de se dilater radialement sous l'effet centrifuge pour faire passer la deuxième portion d'équilibrage de la position de repos à la position de fonctionnement.
  • Selon un aspect de la présente invention, l'élément de dilatation comprend un matériau anisotrope.
  • Grâce à ces dispositions, en plus des avantages susmentionnés, le matériau anisotrope permet plus facilement à la portion de dilatation de la roue centrifuge de se dilater radialement sous l'effet centrifuge pour faire passer la deuxième portion d'équilibrage de la position de repos à la position de fonctionnement.
  • Selon un aspect, le matériau anisotrope est plein.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
    • la figure 1 représente une coupe axiale d'une partie de la pompe comprenant le système d'équilibrage axial, dans lequel la deuxième portion d'équilibrage axial est en position de repos,
    • la figure 2 représente une coupe axiale d'une partie de la pompe comprenant un système d'équilibrage axial, dans lequel la deuxième portion d'équilibrage axial est en position de fonctionnement,
    • la figure 3 représente le déplacement de la deuxième portion d'équilibrage axial entre la position de repos et la position de fonctionnement, selon une coupe axiale,
    • la figure 4 représente une coupe axiale d'une partie de la pompe comprenant le système d'équilibrage axial de la pompe selon un deuxième mode de réalisation,
    • la figure 5 représente une coupe axiale d'une partie de la pompe comprenant le système d'équilibrage axial de la pompe selon un troisième mode de réalisation.
    DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
  • La figure 1 représente une partie d'une pompe 11 d'une turbomachine aérospatiale, configurée pour permettre l'écoulement d'un fluide.
  • Par exemple la pompe peut comprendre un ou plusieurs étage(s) de compression axiale et un, ou plusieurs étage(s) de compression centrifuge.
  • La pompe 11 comprend un carter 13 et une roue centrifuge 15.
  • Le carter 13 entoure extérieurement des pales de la roue centrifuge 15. Les pales de la roue centrifuge 15 sont disposées du côté avant de la roue centrifuge 15. Un diffuseur 12 est situé en aval de la roue centrifuge 15.
  • La turbomachine présente une entrée de fluide (non représentée), le fluide passant par cette entrée pour atteindre la pompe 11. La rotation de la roue centrifuge 15 autour de son axe de rotation, dit axe principal, aspire le fluide par l'avant de la roue centrifuge et la vitesse axiale du fluide qui traverse la roue centrifuge 15 se transforme progressivement en vitesse radiale, le fluide sortant à la périphérie extérieure de la roue centrifuge 15. Le fluide pénètre dans la roue centrifuge 15, sensiblement suivant une direction axiale DA, définie par l'axe principal, et sort de la roue centrifuge 15 sensiblement suivant une direction radiale DR, sensiblement perpendiculaire à l'axe principal.
  • Le fluide sortant de la roue centrifuge 15 traverse le diffuseur 12 avant d'atteindre la chambre de combustion (non représentée).
  • La roue centrifuge 15 peut être montée sur un arbre entraîné en rotation par la turbine.
  • La roue centrifuge 15 est donc configurée pour être entraînée en rotation par rapport au carter 13 autour de l'axe principal.
  • La pompe 11 comprend un passage d'écoulement 17 de fluide principal, défini entre le carter 13 et l'avant de la roue centrifuge 15, et un passage restrictif d'écoulement 19 de fluide définissant un système d'équilibrage axial, ici ménagé entre l'arrière de la roue centrifuge 15, ou le dos de la roue centrifuge 15, et le carter 13. Le passage restrictif d'écoulement 19 est un passage de fluide secondaire, configuré pour recevoir un débit de circulation, ou un débit de fuite qui exerce une contre-pression axiale sur la roue centrifuge 15 en vue de l'équilibrage axial de la pompe 11.
  • Le carter 13 comprend un corps 21 et une première portion d'équilibrage 23. Dans cet exemple de réalisation, la première portion d'équilibrage 23 est venue de matière avec le corps 21.
  • La roue centrifuge 15 comprend une portion de montage 25, une portion de dilatation 27 et une deuxième portion d'équilibrage 29, agencées radialement dans cet ordre. La portion de montage 25 est montée sur l'arbre. La portion de montage 25, la portion de dilatation 27, et la deuxième portion d'équilibrage 29 sont venues de matière.
  • Les première et deuxième portions d'équilibrage 23, 29 définissent l'entrée du passage restrictif d'écoulement 19.
  • La première portion d'équilibrage 23 comprend une portion faisant saillie vers l'intérieur et la deuxième portion de d'équilibrage 29 comprend une portion faisant saillie vers l'extérieur. Comme représenté en figure 3, en position de fonctionnement, les première et deuxième portions d'équilibrage 23, 29 sont décalées l'une par rapport à l'autre selon la direction axiale DA, et présentent donc un jeu axial JA. Le jeu axial JA entre les première et deuxième portions d'équilibrage est compris entre 0,02% et 0,4% du rayon de la roue centrifuge, de préférence entre 0,08% et 0,2% du rayon de la roue centrifuge et plus préférentiellement, le jeu axial JA entre les première et deuxième portions d'équilibrage 23, 29 est de 0,12% du rayon de la roue centrifuge 15. Par exemple, le jeu axial JA entre les première et deuxième portions d'équilibrage 23, 29 est compris entre 30 µm et 500 µm, de préférence entre 100 µm et 250 µm. Par exemple, pour une roue centrifuge ayant un diamètre de 250 mm, ayant une vitesse de rotation d'environ 40 000 tr/min et pour une température d'environ 40 K, le jeu axial JA entre les première et deuxième portions d'équilibrage est de 150 µm. Le jeu axial JA en position de repos est dimensionné de façon à obtenir un jeu satisfaisant en position de fonctionnement. Le jeu axial JA permet ainsi de calibrer le débit de circulation du fluide dans le passage restrictif d'écoulement 19.
  • La deuxième portion d'équilibrage 29 est disposée en face d'une rainure d'équilibrage 31 formée par la première portion d'équilibrage axial 23 et une portion adjacente 32 du carter 13.
  • La portion de dilatation 27 est configurée pour subir une dilation supérieure à la portion de montage 25 et à la deuxième portion d'équilibrage 29 de la roue centrifuge 15 sous l'effet de la force centrifuge. La portion de dilatation 27 comprend, le long du passage restrictif d'écoulement 19, un élément de dilatation 35. Dans ce mode de réalisation, l'élément de dilatation 35 comprend une gorge 33. Ici, l'élément de dilatation 35 comprend uniquement la gorge 33. L'épaisseur réduite de la roue centrifuge 15 à cet endroit lui permet de se dilater plus fortement au niveau de cette portion de dilatation 27. Ici, l'élément de dilatation 35, est annulaire.
  • Par exemple, la gorge 33 s'étend sur une longueur d'environ 40% du diamètre de la roue centrifuge selon la direction radiale. Dans cet exemple, la gorge 33 a une profondeur d'environ 20% de l'épaisseur de la roue centrifuge, selon la direction axiale, considérée à mi-hauteur de la roue centrifuge 15 selon la direction radiale, c'est-à-dire à environ 50% du rayon extérieur de la roue centrifuge 15.
  • Dans un exemple de réalisation où le diamètre de la roue centrifuge est de 250 mm et l'épaisseur de la roue centrifuge selon la direction axiale, à mi-hauteur de la roue centrifuge 15 selon la direction radiale, est d'environ 300 mm, la gorge 33 s'étend sur une longueur d'environ 50 mm selon la direction radiale. Dans cet exemple, la gorge 33 a une profondeur d'environ 5 mm selon la direction axiale.
  • Dans ce mode de réalisation, la roue centrifuge 15 peut être constituée d'un matériau classiquement utilisé pour les turbomachines cryotechniques. Par exemple, un tel matériau possède un module d'Young de 200 000 MPa, un coefficient de poisson de 0,3 et une masse volumique de 8,26.10-6 kg/mm3. Par exemple, la roue centrifuge 15 est en titane, aluminium ou un matériau à base de nickel, tel qu'un superalliage à base nickel, par exemple de l'Inconel (marque déposée).
  • Grâce à la dilatation de la portion de dilatation 27, la deuxième portion d'équilibrage 29 de la roue centrifuge 15 est configurée pour passer d'une position de repos visible en figure 1, à une position de fonctionnement, visible en figure 2.
  • Comme représenté sur la figure 3, dans la position de repos, les première et deuxième portions d'équilibrage 23, 29 sont à distance l'une de l'autre et la roue centrifuge 15 n'est pas entraînée en rotation.
  • Dans la position de repos, un bord intérieur 23a de la première portion d'équilibrage 23 et un bord extérieur de la deuxième portion d'équilibrage 29 sont espacées d'un jeu radial de repos dans une direction radiale DR. Par exemple, le jeu radial de repos JRR est compris entre 0,03 mm et 0,08 mm, de préférence entre 0,04 mm et 0,07 mm, et plus préférentiellement, le jeu est de 0,05 mm. En position de repos, la deuxième portion d'équilibrage 29 ne s'emboîte pas dans la rainure d'équilibrage 31. Ainsi, le montage de la roue centrifuge 15 sur le carter 13 est réalisé facilement.
  • Lorsque la pompe est mise en fonctionnement, la roue centrifuge 15 se met à tourner et se trouve soumise à la force centrifuge. Sous cette force, la roue centrifuge 15 se dilate vers l'extérieur, grâce à la dilatation de la portion de dilatation 27, en particulier.
  • Ainsi, dans la position de fonctionnement, les première et deuxième portions d'équilibrage 23, 29 se chevauchent selon la direction axiale DA sous l'effet de la force centrifuge exercée sur la roue centrifuge 15 lorsque la roue centrifuge 15 est entraînée en rotation. Par exemple, la vitesse nominale de la pompe est comprise entre 1000 tr/min et 120000 tr/min, de préférence entre 10000 tr/min et 100000 tr/min et plus préférentiellement de 40000 tr/min.
  • Dans la position de fonctionnement, la deuxième portion d'équilibrage 29 s'emboîte dans la rainure d'équilibrage 31, ce qui forme un passage en labyrinthe à l'entrée du passage restrictif d'écoulement 19. Ainsi, le calibrage du débit de circulation est aisé.
  • Les première et deuxième portions d'équilibrage 23, 29 se chevauchent sur une distance de chevauchement DC comprise entre 0,03 mm et 0,08 mm, préférentiellement compris entre 0,04 mm et 0,07 mm, et plus préférentiellement sur une distance de 0,05 mm selon la direction radiale DR.
  • Entre la position de repos et la position de fonctionnement, la deuxième portion d'équilibrage 23 se déplace sur une distance de déplacement DD, selon la direction radiale DR, comprise entre 0,06 mm et 0,15 mm, préférentiellement entre 0,08 mm et 0,13 mm, plus préférentiellement, sur une distance de déplacement DD de 0,1 mm.
  • La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation de la portion de dilatation 27. Ce deuxième exemple diffère du premier exemple de réalisation en ce que l'élément de dilatation 135 comprend une structure en treillis 137, c'est-à-dire une structure maillée ou bien réticulaire.
  • Par exemple, la structure en treillis 137 est rapportée sur la roue centrifuge 15, après avoir été fabriquée par un procédé de fabrication additive, par exemple par fusion laser sur lit de poudre.
  • La structure en treillis 137 est disposée à la place de la gorge 33 du premier mode de réalisation. Ici, l'élément de dilatation 135 comprend uniquement la structure en treillis 137.
  • La figure 5 représente un troisième exemple de réalisation de la portion de dilatation 27. Ce troisième exemple de réalisation diffère des premier et deuxième exemples de réalisation en ce que l'élément de dilatation 235 comprend un matériau anisotrope 237. Par exemple, le matériau anisotrope 237 est plein. Dans ce mode de réalisation, le matériau anisotrope 237 est disposé à la place de la gorge 33 du premier mode de réalisation. Ici, l'élément de dilatation 235 comprend uniquement le matériau anisotrope 237. Le matériau anisotrope 237 est configuré pour subir une dilatation préférentielle dans la direction radiale DR. Par exemple, le matériau anisotrope 237 est un matériau composite comprenant des fibres orientées. Par exemple, les fibres peuvent être généralement orientées selon la direction radiale DR, ce qui permet de donner plus de souplesse à l'élément de dilatation 235 dans la direction radiale DR.
  • Selon d'autres modes de réalisation, la portion de dilatation 27 est entièrement constituée du matériau anisotrope 237.
  • Selon d'autres modes de réalisation, la roue centrifuge 15 est entièrement constituée du matériau anisotrope 237.
  • Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, des modifications peuvent être apportées à ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par exemple, tout ou partie des caractéristiques détaillées au sujet de la gorge 33 peuvent s'appliquer, mutatis mutandis, à l'élément de dilatation 135 ou 235 du deuxième ou troisième mode de réalisation. Plus généralement, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description détaillée et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (10)

  1. Pompe (11) ou compresseur pour l'écoulement d'un fluide, comprenant :
    - un carter (13), et
    - une roue centrifuge (15), configurée pour être entraînée en rotation par rapport au carter (13) autour d'un axe principal définissant une direction axiale (DA),
    - un passage restrictif d'écoulement de fluide ménagé entre le carter (13) et la roue centrifuge (15) définissant un système d'équilibrage axial (19),
    le carter (13) comprenant une première portion d'équilibrage (23) et la roue centrifuge (15) comprenant une deuxième portion d'équilibrage (29), les première et deuxième portions d'équilibrage (23, 29) définissant l'entrée du passage restrictif d'écoulement,
    caractérisée en ce que la deuxième portion d'équilibrage (29) de la roue centrifuge (15) est configurée pour passer d'une position de repos, dans laquelle le diamètre externe de la deuxième portion d'équilibrage (29) est inférieur au diamètre interne de la première portion d'équilibrage (23), à une position de fonctionnement dans laquelle les première et deuxième portions d'équilibrage (23, 29) se chevauchent selon la direction axiale (DA), sous l'effet de la force centrifuge exercée sur la roue centrifuge (15) en rotation.
  2. Pompe ou compresseur selon la revendication 1, dans lequel la deuxième portion d'équilibrage (29) est configurée pour se déplacer sur une distance de déplacement (DD) comprise entre 0,024% et 0,06% du diamètre de la roue centrifuge (15).
  3. Pompe ou compresseur selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la deuxième portion d'équilibrage (29) est configurée pour être reçue dans une rainure d'équilibrage (31) formée par la première portion d'équilibrage (23) et une partie du carter (13) adjacente à la première portion d'équilibrage (23).
  4. Pompe ou compresseur selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle, la roue centrifuge (15) comprend une portion de dilatation (27) configurée pour faire passer la deuxième portion d'équilibrage (29) de la position de repos à la position de fonctionnement.
  5. Pompe ou compresseur selon la revendication 4, dans laquelle la portion de dilatation (27) est configurée pour subir une dilation supérieure aux autres parties de la roue centrifuge (15) sous l'effet de la force centrifuge.
  6. Pompe ou compresseur selon l'une des revendications 4 ou 5, dans laquelle la portion de dilatation (27) comprend un élément de dilatation (35, 135, 235) disposé le long du passage restrictif d'écoulement (19).
  7. Pompe ou compresseur selon l'une des revendications 4 à 6, dans laquelle la portion de dilatation (27) comprend au moins une portion d'une épaisseur réduite selon la direction axiale (DA) par rapport aux parties adjacentes de la roue centrifuge (15).
  8. Pompe ou compresseur selon l'une des revendications 4 à 7, dans laquelle l'élément de dilatation (35) comprend une gorge (33).
  9. Pompe ou compresseur selon l'une des revendications 4 ou 5, dans laquelle l'élément de dilatation (135) comprend une structure en treillis (137).
  10. Pompe ou compresseur selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel l'élément de dilatation (235) comprend un matériau anisotrope (237).
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