EP4709999A1 - Carter pour machine tournante - Google Patents

Abstract

Carter pour machine tournante, comprenant une première paroi (21), pleine, délimitant un espace intérieur (11) du carter (10), une deuxième paroi (22), pleine, s'étendant en vis-à-vis de la première paroi (21) sur son côté extérieur, et une portion de remplissage (31), lacunaire, s'étendant entre la première paroi (21) et la deuxième paroi (22), dans laquelle la première paroi (21), la deuxième paroi (22) et la portion de remplissage (31) sont réalisées conjointement et de manière solidaire par une technique de fabrication additive.

Description

Carter pour machine tournante

Domaine Technique

[0001] Le présent exposé concerne un carter pour machine tournante telle qu’une pompe, un compresseur, une turbine ou une machine comprenant plusieurs modules de ce type ou d’un autre, notamment une turbomachine et en particulier une turbopompe.

[0002] Un tel carter pour machine tournante peut notamment être utilisé dans le domaine spatial ou aéronautique, par exemple au sein d’un moteur-fusée ou d’une ligne d’alimentation d’un lanceur spatial. Il peut recevoir tout type de fluide, gaz ou liquide, et notamment un ergol tel que de l’hydrogène liquide ou de l’oxygène liquide.

Technique antérieure

[0003] Dans le domaine spatial, et tout particulièrement dans le domaine des lanceurs spatiaux, il est courant d’employer une propulsion mettant en oeuvre au moins un ergol liquide, notamment de l'oxygène, de l’hydrogène ou du méthane. La ligne d’alimentation amenant cet ergol depuis le réservoir d’ergol jusqu’au moteur-fusée comprend alors des organes hydrauliques de plusieurs types. En particulier, la ligne d’alimentation comprend au moins une pompe, généralement une turbopompe, permettant de comprimer l’ergol afin de l’alimenter à la pression attendue par le moteur-fusée.

[0004] Le carter de ces turbopompes doit assurer un niveau d’étanchéité élevé afin de ne pas dégrader le rendement de la turbopompe et, surtout, de ne pas provoquer de fuite d’ergol, ces ergols présentent généralement une dangerosité élevée, notamment en raison d’un risque d’inflammation ou d’explosion important.

[0005] De plus, les carters de ces turbopompes doivent résister à d’importantes contraintes mécaniques liées, d’une part, à la pression de l’ergol comprimé et, d’autre part, à l’environnement et au fonctionnement du lanceur. En particulier, outre des efforts radiaux, ces carters génèrent et subissent également des vibrations et des efforts importants en flexion qui peuvent entraîner des réponses dynamiques catastrophiques s’ils ne sont pas correctement gérés.

[0006] Par conséquent, les carters des turbopompes connues, métalliques, sont très épais, comprennent fréquemment des raidisseurs extérieurs, et sont donc particulièrement lourds. Bien entendu, cela pénalise d’autant la charge utile que peut emporter le lanceur.

[0007] Il existe donc un réel besoin pour un carter pour machine tournante qui soit dépourvu, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux configurations connues précitées.

Exposé de l’invention

[0008] Le présent exposé concerne un carter pour machine tournante, comprenant une première paroi, pleine, délimitant un espace intérieur du carter, une deuxième paroi, pleine, s’étendant en vis-à-vis de la première paroi sur son côté extérieur, et une portion de remplissage, lacunaire, s’étendant entre la première paroi et la deuxième paroi, dans laquelle la première paroi, la deuxième paroi et la portion de remplissage sont réalisées conjointement et de manière solidaire par une technique de fabrication additive.

[0009] On comprend ici que la portion de remplissage est connectée directement à la première et à la deuxième paroi et qu’elle comprend des lacunes, c’est à dire des vides, de préférence macroscopiques, répartis dans l’ensemble de la portion de remplissage. Une telle structure, incluant au moins une portion de remplissage lacunaire, permet de réduire sensiblement la masse du carter tout en maintenant une tenue mécanique et une raideur suffisantes.

[0010] En effet, en particulier, la première paroi, généralement destinée à être au contact du fluide sous pression, reste pleine, ainsi que la deuxième paroi définissant l’enveloppe externe du carter. De plus, cette structure permet, à la manière d’un panneau sandwich, d’obtenir un moment d’inertie en flexion élevé, réduisant le risque de déformation du carter et limitant fortement la réponse dynamique de l’ensemble.

[0011] La portion de remplissage suffit pour sa part à maintenir l’écartement entre la première paroi et la deuxième paroi dans les zones les moins chargées du carter.

[0012] Le recours à une technique de fabrication additive permet de manière avantageuse de réaliser une telle structure hybride de manière très facile, en une seule opération. Une telle technique de fabrication additive permet également de réaliser le carter directement avec une géométrie, éventuellement complexe, au plus proche de sa géométrie finale, réduisant drastiquement le recours à des étapes d’usinage ultérieures.

[0013] On comprend ici en particulier que la première paroi peut avoir un profil quelconque, avec des portions courbes et/ou planes ; en particulier, la première paroi peut comprendre des portions de rebroussement, c’est-à-dire des portions qui repartent en arrière à la suite de portions s’étendant dans une direction donnée. La deuxième paroi peut également avoir un profil quelconque, éventuellement différent de celui de la première paroi.

[0014] Dans certains modes de réalisation, au moins une portion de la première paroi, et éventuellement l'ensemble de la première paroi, définit une portion de veine pour un fluide.

[0015] Dans certains modes de réalisation, la première paroi est courbe.

[0016] Dans certains modes de réalisation, la première paroi est tubulaire. On comprend ici que la première paroi se referme sur elle-même en forme de tube, sans préjuger de la forme de ce tube : en particulier, ce tube peut ne pas être cylindrique et peut ne pas posséder de symétrie de révolution.

[0017] Dans certains modes de réalisation, la première paroi possède une symétrie de révolution. L’axe de symétrie peut alors être l’axe de rotation de la machine tournante.

[0018] Dans certains modes de réalisation, la première paroi est cylindrique.

[0019] Dans certains modes de réalisation, la deuxième paroi est courbe. [0020] Dans certains modes de réalisation, la deuxième paroi est tubulaire et entoure la première paroi. Elle peut notamment être coaxiale à la première paroi. Pour autant, la deuxième paroi peut ne pas suivre le profil de la première paroi.

[0021] Dans certains modes de réalisation, la deuxième paroi possède une symétrie de révolution. L’axe de symétrie peut alors être l’axe de rotation de la machine tournante.

[0022] Dans certains modes de réalisation, la deuxième paroi est cylindrique.

[0023] Dans certains modes de réalisation, la géométrie de la deuxième paroi est différente de la géométrie de la première paroi. En particulier, la géométrie de la deuxième paroi peut ne pas se déduire de la géométrie de la première paroi par un simple agrandissement.

[0024] Dans certains modes de réalisation, l’épaisseur de la deuxième paroi est comprise entre 30% et 200%, de préférence entre 30% et 99%, de l'épaisseur de la première paroi. La deuxième paroi peut être plus fine que la première paroi car elle subit des contraintes radiales plus faibles que la première paroi. Son épaisseur peut être choisie pour assurer une inertie en flexion satisfaisante.

[0025] Dans certains modes de réalisation, l’écart entre la première paroi et la deuxième paroi est variable le long de la première paroi. Cet écart est mesuré radialement par rapport à un axe principal, cet axe principal étant l’axe central de la première paroi lorsque cette dernière est tubulaire.

[0026] Dans certains modes de réalisation, l’écart entre la première paroi et la deuxième paroi est au moins égal à 300%, de préférence au moins 500%, de l’épaisseur de la première paroi. De préférence, ceci est vérifié en tout point de la première paroi. On augmente ainsi le moment d’inertie en flexion du carter.

[0027] Dans certains modes de réalisation, le taux de lacunes de la portion de remplissage est au moins égal à 20%, de préférence au moins égal à 50%, de préférence au moins égal à 80% voire au moins égal à 90%. Par taux de lacunes, on entend ici le rapport entre le volume cumulé des vides inclus dans la portion de remplissage sur le volume total occupé par la portion de remplissage. [0028] Dans certains modes de réalisation, la portion de remplissage possède une structure cellulaire, colonnaire ou en treillis. Cette structure peut être régulière ou non, en géométrie et/ou en taille des lacunes.

[0029] Dans certains modes de réalisation, la portion de remplissage occupe au moins 50%, de préférence au moins 80%, de préférence encore au moins 90%, du volume défini entre les première et deuxième parois. On contribue ainsi à maintenir l’écartement des deux parois dans l’ensemble du carter.

[0030] Dans certains modes de réalisation, le carter comprend au moins une portion vacante entre la première paroi et la deuxième paroi, cette portion vacante étant dépourvue de remplissage. Une telle portion vacante peut être utile pour mettre en place un accessoire à l’intérieur du carter ou encore aménager le passage d’une servitude, notamment une conduite. Une telle portion peut également réduire encore plus la masse de l’ensemble.

[0031] Dans certains modes de réalisation, ladite au moins une portion vacante est bordée au moins en partie, de préférence intégralement, par une paroi de bordure pleine. Une telle paroi de bordure permet de fermer la portion vacante afin, par exemple, de faire passer un fluide. Cette potion vacante peut être courbe, éventuellement torique ou partiellement torique.

[0032] Dans certains modes de réalisation, le carter comprend au moins une bride de fixation prévue le long d’un bord de la première paroi et/ou de la deuxième paroi.

[0033] Dans certains modes de réalisation, ladite au moins une bride de fixation s’étend entre un bord de la première paroi et un bord en vis-à-vis de la deuxième paroi.

[0034] Dans certains modes de réalisation, le carter comprend au moins une paroi de renfort, pleine, s’étendant vers l’extérieur depuis la première paroi. Cette paroi de renfort permet de renforcer localement le carter, et en particulier la première paroi, face à des efforts locaux.

[0035] Dans certains modes de réalisation, au moins une paroi de renfort s’étend jusqu’à la deuxième paroi. Une telle paroi de renfort contribue alors à maintenir l’écartement entre la première paroi et la deuxième paroi. [0036] Dans certains modes de réalisation, au moins une paroi de renfort s’étend jusqu’à une bride de fixation.

[0037] Dans certains modes de réalisation, l’épaisseur de la paroi de renfort est au moins égale à 100%, de préférence au moins égale à 200%, de l’épaisseur de la première paroi.

[0038] Dans certains modes de réalisation, au moins un trou de dépoussiérage est prévu dans la deuxième paroi. Un tel trou de dépoussiérage permet d’évacuer la matière non solidifiée correspondant aux lacunes de la portion de remplissage à l’issue de la fabrication additive.

[0039] Dans certains modes de réalisation, le carter est réalisé en métal, de préférence choisi dans le groupe constitué par les alliages à base de nickel, les alliages à base d’aluminium, les alliages à base de titane et les aciers. Le carter peut notamment est réalisé en Inconel 625 ou en Inconel 718 (marques déposées).

[0040] Au sens du présent exposé, on considère qu’un alliage est à base d’un élément donné lorsque cet élément est l’élément principal de la composition de cet alliage, avantageusement lorsque cet élément est présent en une teneur supérieure aux autres composants, encore plus avantageusement en une teneur d’au moins 50% en pourcentage molaire, encore plus avantageusement d’au moins 60% en pourcentage molaire.

[0041] Le présent exposé concerne également une machine tournante, comprenant un carter selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.

[0042] Dans le présent exposé, les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à l’axe principal de la machine tournante ; on entend par « plan axial » un plan passant par l’axe principal de la machine tournante et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal.

[0043] Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du carter pour machine tournante proposé. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. Brève description des dessins

[0044] Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé.

[0045] [Fig. 1] La figure 1 est une vue en coupe axiale d’un carter pour machine tournante.

Description des modes de réalisation

[0046] Afin de rendre plus concret l’exposé, un exemple de carter pour machine tournante est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.

[0047] La figure 1 représente, en coupe selon un plan passant son axe principal A, le carter 10 d’une machine tournante 1 . Ce carter 10 comprend trois tronçons de carter 10a, 10b, 10c, généralement tubulaires, coaxiaux et assemblés l’un dans le prolongement de l’autre.

[0048] Chaque tronçon de carter 10a, 10b, 10c comprend une première paroi 21 , pleine et étanche, tubulaire et symétrique de révolution autour de l’axe principal A. La première paroi 21 s’étend axialement d’amont en aval entre un plan radial amont et un plan radial aval : la première paroi 21 du premier tronçon de carter 10a s’étend ainsi entre un premier plan radial I et un deuxième plan radial II ; la première paroi 21 du deuxième tronçon de carter 10b s’étend entre le deuxième plan radial II et un troisième plan radial III ; et la première paroi 21 du troisième tronçon de carter 10c s’étend entre le troisième plan radial III et un quatrième plan radial IV. La première paroi 21 définit ainsi une veine 1 1 destinée à être traversée par un fluide, par exemple un ergol cryotechnique tel que de l’hydrogène liquide ou de l’oxygène liquide. Dans un exemple, s’inscrivant dans le domaine cryotechnique, ce fluide peut avoir une température de l’ordre de 20K à 80K et une pression de l’ordre de 100 à 200 bar. Toutefois, dans d’autres exemples, la température du fluide pourrait s’élever jusqu’à 1000K et sa pression jusqu'à 300 bar. [0049] Chaque tronçon de carter 10a, 10b, 10c comprend également une deuxième paroi 22, pleine, tubulaire et symétrique de révolution autour de l’axe principal A. La deuxième paroi 22 s’étend axialement d’amont en aval entre le plan radial amont I, II, III et le plan radial aval II, III, IV du tronçon de carter considéré 10a, 10b, 10c. Le profil en coupe axiale de la deuxième paroi 22 ne correspond pas nécessairement au profil en coupe axiale de la première paroi 21 . En revanche, l’écart radial entre la première paroi 21 et la deuxième paroi 22 est au moins égal à 500% de l’épaisseur de la première paroi 21 en tout point de la première paroi 21.

[0050] Chaque tronçon de carter 10a, 10b, 10c comprend en outre une paroi de fermeture amont 25, annulaire et radiale, s’étendant entre la première paroi 21 et la deuxième paroi 22 au niveau de son plan radial amont I, II, III. De manière analogue, chaque tronçon de carter 10a, 10b, 10c comprend une paroi de fermeture aval 26, annulaire et radiale, s’étendant entre la première paroi 21 et la deuxième paroi 22 au niveau de son plan radial aval II, III, IV. La paroi de fermeture amont 25 et la paroi de fermeture aval 26 forment également des brides de fixation permettant d’assembler les tronçons de carter 10a, 10b, 10c entre eux ou de fixer le carter 10 sur d’autres composants amont et/ou aval.

[0051] Les première et deuxième parois 21 , 22 sont pleines et réalisées en métal, de préférence en alliage à base de nickel, tel que l’Inconel 625 ou l’Inconel 718 (marques déposées).

[0052] A contrario, le volume compris entre la première paroi 21 et la deuxième paroi 22 est occupé par un matériau de remplissage lacunaire formant une ou plusieurs portions de remplissage 31 . Ces portions de remplissage 31 sont ainsi occupées par une structure en treillis présentant un taux de lacunes au moins égal à 80%.

[0053] Toutefois, ce volume compris entre la première paroi 21 et la deuxième paroi 22 peut également comprendre d’autres structures. En particulier, le premier tronçon de carter 10a comprend des parois de renfort 27, pleines, traversant une partie de ce volume. Dans le présent exemple, une première paroi de renfort 27 s’étend, de manière courbe, entre la paroi de fermeture amont 25 et la première paroi 21 , et une deuxième paroi de renfort 27 s’étend, de manière courbe, entre la paroi de fermeture aval 26 et la première paroi 21 .

[0054] Le deuxième tronçon de carter 10b comprend pour sa part, entre sa première paroi 21 et sa deuxième paroi 22, une portion vacante 28 dépourvue de matériau de remplissage et délimitée par une paroi de bordure 29, pleine. En particulier, le volume de cette portion vacante 28 peut-être traversé par un fluide, identique ou différent de celui traversant la veine 11 .

[0055] Le troisième tronçon de carter 10c comprend également, entre sa première paroi 21 et sa deuxième paroi 22, une portion vacante 28 mais, contrairement au cas du deuxième tronçon de carter 10b, cette potion vacante 28 est dépourvue de paroi de bordure : cette portion vacante 28 est donc simplement définie par une absence locale du matériau de remplissage 31 .

[0056] Les portions de remplissage 31 sont réalisées dans le même matériau que les parois pleines du carter 10. Plus précisément, l’ensemble des parois 21 , 22, 25, 26, 27, 29 d’un tronçon de carter 10a, 10b, 10c donné, ainsi que les potions de remplissage 31 de ce tronçon de carter 10a, 10b, 10c, sont réalisées simultanément au cours d’une même étape de fabrication additive.

[0057] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

[0058] Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims

Revendications

[Revendication 1] Carter pour machine tournante de type turbopompe, comprenant une première paroi (21 ), pleine, délimitant un espace intérieur (1 1 ) du carter (10), au moins une portion de ladite première paroi définissant une portion de veine pour ergol cryotechnique, une deuxième paroi (22), pleine, s’étendant en vis-à-vis de la première paroi (21 ) sur son côté extérieur, et une portion de remplissage (31 ), lacunaire, s’étendant entre la première paroi (21 ) et la deuxième paroi (22), dans laquelle la première paroi (21 ), la deuxième paroi (22) et la portion de remplissage (31 ) sont réalisées conjointement et de manière solidaire par une technique de fabrication additive.

[Revendication 2] Carter pour machine tournante selon la revendication 1 , dans lequel la première paroi (21 ) possède une symétrie de révolution.

[Revendication 3] Carter pour machine tournante selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la géométrie de la deuxième paroi (22) est différente de la géométrie de la première paroi (21 ).

[Revendication 4] Carter pour machine tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’écart entre la première paroi (21 ) et la deuxième paroi (22) est variable le long de la première paroi (21 ), et dans lequel l’écart entre la première paroi (21 ) et la deuxième paroi (22) est au moins égal à 300%, de préférence au moins 500%, de l’épaisseur de la première paroi (21 ).

[Revendication 5] Carter pour machine tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la portion de remplissage (31 ) possède une structure cellulaire, colonnaire ou en treillis.

[Revendication 6] Carter pour machine tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la portion de remplissage (31 ) occupe au moins 50%, de préférence au moins 80%, de préférence encore au moins 90%, du volume défini entre les première et deuxième parois (21 , 22).

[Revendication 7] Carter pour machine tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant au moins une portion vacante (28) entre la première paroi (21 ) et la deuxième paroi (22), cette portion vacante (28) étant dépourvue de remplissage.

[Revendication 8] Carter pour machine tournante selon la revendication 7, dans lequel ladite au moins une portion vacante (28) est bordée au moins en partie par une paroi de bordure (29) pleine.

[Revendication 9] Carter pour machine tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant au moins une bride de fixation (25, 26) prévue le long d’un bord de la première paroi (21 ) et/ou de la deuxième paroi (22), dans lequel ladite au moins une bride de fixation (25, 26) s’étend entre un bord de la première paroi (21 ) et un bord en vis-à-vis de la deuxième paroi (22).

[Revendication 10] Carter pour machine tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant au moins une paroi de renfort (27), pleine, s’étendant vers l’extérieur depuis la première paroi (21 ), au moins une paroi de renfort (27) s’étendant jusqu’à la deuxième paroi (22) ou jusqu’à une bride de fixation (25, 26).

[Revendication 11] Carter pour machine tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le carter (10) est réalisé en métal, de préférence choisi dans le groupe constitué par les alliages à base de nickel, les alliages à base d’aluminium, les alliages à base de titane et les aciers.

[Revendication 12] Machine tournante, comprenant un carter (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes.