FR2749348A1 - Dispositif de limitation des risques d'incendie a l'interieur d'une turbomachine - Google Patents

Abstract

Le dispositif de limitation des risques d'incendie est installé à l'intérieur d'une turbomachine comprenant au moins une cavité (70) d'alimentation en gaz chauds pour l'entraînement d'une turbine (20) solidaire d'un arbre d'entraînement (10), une pompe entraînée par cet arbre d'entraînement pour fournir un ergol surpressé à un circuit principal d'alimentation d'un moteur, et un système d'étanchéité (50) qui est disposé au voisinage de l'arbre d'entraînement (10) pour séparer l'ergol surpressé des gaz chauds d'entraînement de la turbine (20). La cavité (70) d'alimentation en gaz chauds est en communication avec une cavité secondaire (75) de récupération de gaz chauds débouchant sur une première ligne de purge (72) équipée d'un premier organe de calibrage (73). Le circuit d'alimentation en ergol est en communication avec une cavité (81) de récupération d'ergol débouchant elle-même sur une deuxième ligne de purge (82) équipée d'un deuxième organe de calibrage (83), et le système d'étanchéité (50) comprend au voisinage de l'arbre d'entraînement (10), entre des premier et deuxième joints dynamiques (51, 52; 53, 54), un dispositif dynamique (90) d'étirement et de confinement de flamme situé en amont de la cavité (81) de récupération d'ergol.

Description

Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un dispositif de

limitation des risques d'incendie à l'intérieur d'une turbomachine comprenant au moins une cavité d'alimentation en gaz chauds pour l'entraînement d'une turbine solidaire d'un arbre d'entraînement, une pompe entraînée par ledit arbre d'entraînement pour fournir un ergol surpressé à un circuit principal d'alimentation d'un moteur, et un système d'étanchéité qui comporte au moins des premier et deuxième joints dynamiques et une barrière d'hélium gazeux et qui est disposé au voisinage de l'arbre d'entraînement pour

séparer l'ergol surpressé des gaz chauds d'entraînement de la turbine.

L'invention concerne d'une manière générale une turbomachine à vocation spatiale, aéronautique ou industrielle dès lors qu'il existe un risque de mélange de gaz chauds réducteurs issus d'un générateur de puissance avec un ergol oxydant ou un risque de mélange de gaz chauds oxydants

issus d'un générateur de puissance avec un ergol réducteur.

Art antérieur Un moteur-fusée alimenté en ergols liquides comprend des turbopompes destinées à alimenter le dispositif d'injection de la chambre de

combustion du moteur-fusée en ergols liquides surpressés. Les turbo-

pompes comprennent un ou plusieurs étages de turbine entraînés par des gaz chauds pouvant être produits par un générateur de gaz indépendant ou

pouvant provenir d'un système de récupération de gaz chauds.

On a ainsi réalisé des turbopompes servant à fournir de l'hydrogène ou de l'oxygène liquide surpressé. Une turbopompe à oxygène est souvent équipée d'un système de joints dynamiques qui comportent une barrière d'hélium gazeux afin de séparer les ergots surpressés oxydants des gaz chauds généralement réducteurs qui servent à entraîner la turbine de la turbopompe. Au cours du fonctionnement de la turbopompe, il peut se produire une dégradation du système de joints dynamiques, et en particulier une perte de l'hélium gazeux qui entraîne une baisse de l'efficacité du système de joints dynamiques au niveau de la barrière d'hélium. Dans ce cas, le risque d'apparition d'un incident grave est très élevé, suite à une possible

inflammation du mélange d'un ergol et de gaz chauds.

Obiet et description succincte de l'invention

L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'art antérieur et en particulier à éviter, lors d'une perte d'efficacité d'un système d'étanchéité à joints dynamiques, qu'un mélange gazeux réactif se produise dans la cavité

et cause un incendie ou une explosion.

Ces buts sont atteints grâce à un dispositif de limitation des risques d'incendie à l'intérieur d'une turbomachine comprenant au moins une cavité d'alimentation en gaz chauds pour l'entraînement d'une turbine solidaire d'un arbre d'entraînement, une pompe entraînée par ledit arbre d'entraînement pour fournir un ergol surpressé à un circuit principal d'alimentation d'un moteur, et un système d'étanchéité qui comporte au moins des premier et deuxième joints dynamiques et une barrière d'hélium gazeux et qui est disposé au voisinage de l'arbre d'entraînement pour séparer l'ergol surpressé des gaz chauds d'entraînement de la turbine; la cavité d'alimentation en gaz chauds est en communication avec une cavité secondaire de récupération de gaz chauds débouchant sur une première ligne de purge équipée d'un premier organe de calibrage, le circuit d'alimentation en ergol est en communication avec une cavité de récupération d'ergol débouchant elle- même sur une deuxième ligne de purge équipée d'un deuxième organe de calibrage, et le système d'étanchéité comprend au voisinage de l'arbre d'entraînement, entre les premier et deuxième joints dynamiques, un dispositif dynamique d'étirement et de confinement de flamme situé en amont de la cavité de récupération d'ergol. Le dispositif dynamique d'étirement et de confinement de flamme est constitué de chicanes et comprend avantageusement un empilement

alterné de couronnes en matériau poreux et de rondelles métalliques fines.

Les rondelles métalliques fines se projettent au-delà des couronnes en matériau poreux vers la surface périphérique de l'arbre d'entraînement, en ménageant avec cette dernière un jeu réduit afin

d'assurer un étirement et une auto-extinction de toute flamme éventuelle-

ment créée au niveau du système d'étanchéité.

Le jeu réduit entre les rondelles métalliques fines et la surface péri-

phérique de l'arbre d'entraînement, exprimé en dixièmes de millimètres, est très faible vis-à-vis de la vitesse périphérique, exprimée en mètres par seconde, de l'arbre d'entraînement au niveau de ladite surface périphérique,

ce qui conduit à un étirement naturel de flamme potentiellement élevé.

De façon avantageuse, le dispositif dynamique d'étirement et de confinement de flamme définit une succession de micro-cavités entre les rondelles métalliques fines, les couronnes en matériau poreux et la surface périphérique de l'arbre d'entraînement, et l'on réalise un dégradé de richesse en ergol du mélange possible entre l'ergol et les gaz chauds ainsi qu'un dégradé en sens inverse de la température de ce mélange, au sein de la succession de micro-cavités du dispositif dynamique d'étirement et de confinement de flamme selon une direction parallèle à l'axe de l'arbre d'entraînement, de manière à limiter les risques d'inflammation et donc d'incendie. La cavité d'alimentation en gaz chauds est en communication avec la cavité secondaire de récupération de gaz chauds par un circuit comprenant

au moins un organe de calibrage.

Selon une caractéristique particulière, le premier joint dynamique est situé entre le circuit d'alimentation en ergol et le dispositif d'étirement et de confinement de flamme, le second joint dynamique associé à la barrière d'hélium gazeux est situé entre la cavité secondaire de récupération de gaz chauds et le dispositif d'étirement et de confinement de flamme, la section de passage S2 du deuxième organe de calibrage situé sur la deuxième ligne de purge est supérieure à la section de passage S1 du premier organe de calibrage situé sur la première ligne de purge, laquelle section de passage S1 est elle-même supérieure à la section de passage S3 définie

par le deuxième joint dynamique (voir Figure 7).

Selon une autre caractéristique particulière, la première ligne de purge est équipée d'un piège à flamme comprenant une première grille de confinement thermique placée à la sortie de cette première ligne de purge de façon à éviter toute remontée à l'intérieur de cette première ligne de purge d'une éventuelle flamme allumée à l'extérieur et la deuxième ligne de purge est équipée d'un piège à flammes comprenant une deuxième grille de confinement thermique placée à la sortie de cette deuxième ligne de purge de façon à éviter toute remontée à l'intérieur de cette deuxième ligne de

purge d'une éventuelle flamme allumée à l'extérieur.

Les grilles de confinement thermique sont réalisées en un matériau poreux obtenu à partir d'un matériau conducteur du type alliage de cuivre ou

à partir d'un matériau très réfractaire.

Le dispositif selon l'invention peut être appliqué à une turbopompe d'alimentation d'un moteur-fusée en ergol oxydant tel que de l'oxygène liquide, à une turbopompe d'alimentation d'un moteur en hydrocarbure réducteur, tel que du kérosène ou, d'une manière générale, à une turbomachine aéronautique ou industrielle, dès lors qu'il existe un risque de réaction entre un ergol pompé par la turbomachine et des gaz chauds

utilisés pour l'entraînement des turbines de la turbomachine.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de

la description suivante de modes particuliers de réalisation donnés à titre

d'exemples, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la Figure 1 est une vue en demi-coupe axiale, d'une partie de turbopompe à oxygène équipée de dispositifs de limitation de risques d'incendie conformément à l'invention; - la Figure 2 est un diagramme montrant le principe d'un ensemble de dispositif dynamique d'étirement et de confinement de flamme conforme à l'invention comportant un ensemble de lamelles à faible jeu par rapport à l'arbre et un matériau poreux, définissant une succession de micro-cavités pour lesquelles peuvent être prévus des dégradés de richesse de mélange et de température; - la Figure 3 représente un schéma de principe du cheminement des fluides dans une turbopompe comprenant une barrière d'hélium fonctionnant normalement; - la Figure 4 est un schéma simplifié d'une partie arrière de la turbopompe de la Figure 1, dans lequel on a ôté le dispositif dynamique d'étirement et de confinement de flamme selon l'invention, et comportant une barrière d'hélium fonctionnant normalement comme dans le schéma de la Figure 3; - la Figure 5 est un schéma de principe du cheminement des fluides dans une turbopompe sans dispositif dynamique d'étirement et de confinement de flamme, et dans laquelle l'alimentation en hélium est coupée; - la Figure 6 est un schéma simplifié d'une partie arrière de turbopompe analogue à celle de la Figure 4, mais dans laquelle l'alimentation en hélium a été coupée; - la Figure 7 est un schéma de principe du cheminement des fluides dans une turbopompe équipée d'un dispositif dynamique d'étirement et de confinement de flamme selon l'invention et dans le cas o l'alimentation en hélium est coupée; la Figure 8 est un schéma simplifié d'une partie arrière de turbopompe analogue à celle des Figures 4 et 6, mais comportant en outre un dispositif dynamique d'étirement et de confinement de flamme selon l'invention et correspondant au fonctionnement du schéma de principe de la Figure 7; et - la Figure 9 est un ensemble de diagrammes donnant pour différentes richesses de gaz chauds, un exemple d'évolution du taux de dégagement de chaleur en fonction du taux d'étirement d'une flamme dans

un dispositif tel que celui de la Figure 2.

Description détaillée de modes particuliers de réalisation de l'invention

On voit sur la Figure 1 une partie d'une turbopompe destinée à fournir un ergol surpressé, tel que de l'oxygène liquide, à un dispositif d'injection associé à une chambre de combustion de moteur-fusée à ergols liquides. La Figure 1 ne correspond qu'à un exemple de réalisation

particulier et l'invention s'applique également à d'autres types d'aména-

gement de corps arrière de turbopompe.

La turbopompe de la Figure 1 comprend essentiellement un arbre central 10 entraîné par une turbine 20 pouvant comprendre un ou plusieurs étages. Une roue de turbine 21 comprend des aubes périphériques 22 qui sont entraînées par un courant de gaz chauds sortant d'une cavité 70 d'alimentation en gaz chauds par une ouverture 71. Les gaz chauds, qui sont généralement réducteurs, peuvent être créés à partir d'un générateur séparé ou peuvent provenir d'un système de récupération de gaz chauds

créés par le fonctionnement du moteur-fusée. Dans le cas d'un moteur-

fusée à ergols liquides constitués par de l'hydrogène et de l'oxygène, les gaz chauds présents dans la cavité 70 résultent ainsi de la combustion d'un mélange d'hydrogène et d'oxygène et sont caractérisés par une richesse de mélange cp qui correspond au rapport entre la proportion d'hydrogène (H2) et d'oxygène (02) dans le mélange de gaz chauds constitués par des

produits de combustion. Plus généralement, la même description est

valable pour les moteurs-fusées fonctionnant avec un comburant et un carburant. L'arbre 10 entraîné par la turbine 20 est monté par rapport à un bâti à l'aide de paliers 40. La partie avant de l'arbre 10 sert à l'entraînement d'une ou plusieurs roues (non représentées) d'un étage 30 de pompage d'ergol liquide tel que de l'oxygène. Le palier 40 qui est situé entre l'étage

de pompage et la turbine 20 est lubrifié par un courant d'ergol liquide, c'est-

à-dire de l'oxygène liquide dans l'exemple considéré, le flux d'ergol 5

servant à la lubrification du palier 40 étant recirculé à travers un conduit 31.

La roue de turbine 21 peut comporter un corps principal qui est situé essentiellement dans un plan radial perpendiculaire à l'arbre 10, et qui porte les aubes 22 à sa périphérie, et un manchon 25 de fixation sur l'arbre , lequel manchon 25 est lui-même rendu solidaire du corps principal par

des moyens de liaison 24.

Une petite quantité 2 de gaz chauds sortant de la cavité 70 par l'ouverture 71 n'est pas utilisée pour l'entraînement des aubes 22 de la turbine 20 et se trouve dérivée dans une cavité intermédiaire 74 délimitée d'un côté par la roue de turbine 21 et le manchon 25 et, de l'autre côté, par des pièces fixes 61, 62 solidaires du carter de la turbopompe. Le corps de la roue de turbine 21 peut comporter des excroissances définissant un orifice de calibrage en forme de labyrinthe 23 en amont de la cavité intemédiaire 74. De même, le manchon 25 peut contribuer à définir avec une des pièces fixes voisines 62 un passage en forme de labyrinthe 26, en aval de la cavité intermédiaire 74. Les gaz chauds ayant franchi le labyrinthe 26 peuvent ensuite s'évacuer vers une cavité secondaire 75 de récupération de gaz chauds débouchant sur une ligne de purge 72 équipée

d'un organe de calibrage 73.

L'ergol oxydant ayant servi à lubrifier le palier 40 forme un courant 1 traversant un système de joint dynamique 50 disposé au niveau d'une surface périphérique 11 de l'arbre d'entraînement 10 auquel est fixée la turbine 20. Le flux 1 d'ergol liquide surpressé est évacué dans une cavité 81 de récupération d'ergol dans laquelle prend naissance une ligne de purge 82 équipée d'un orifice de calibrage 83 et qui, par exemple après avoir

cheminé le long du divergent du moteur-fusée, débouche sur l'extérieur.

Afin d'éviter en temps normal un contact entre le flux 1 d'ergol oxydant et le flux 2 de gaz chauds généralement réducteurs circulant dans le circuit 74 vers la surface périphérique 11 de l'arbre 10, une barrière d'étanchéité 55 recevant un courant 3 d'hélium gazeux est disposée au voisinage de la surface périphérique 11 de l'arbre 10 entre le circuit 74 dans lequel peuvent circuler des gaz chauds et le circuit conduisant le flux 1 d'ergol vers la cavité 81. Le système d'étanchéité 50 peut comporter une première bague flottante 51 ou un premier ensemble de plusieurs bagues flottantes 51, 52 (par exemple deux bagues 51, 52 sont représentées sur la Figure 1), ces bagues flottantes étant rattachées au corps de la turbopompe en présentant un degré de liberté dans le sens radial et coopérant avec la surface périphérique 11 de l'arbre 10. Le premier ensemble de bagues flottantes 51, 52 est situé entre le palier 40 et le circuit conduisant le flux 1 d'ergol de

lubrification vers la cavité 81.

Un deuxième ensemble de bagues flottantes 53, 54, qui coopère avec la barrière d'hélium 55, est disposé entre le circuit conduisant le flux 1 d'ergol de lubrification vers la cavité 81 et le circuit 74 dans lequel un flux 2 de gaz chauds peut circuler vers la surface périphérique 11 de l'arbre 10

entre la turbine 20 et les éléments fixes 61, 62 du corps de turbopompe.

Tant que la barrière d'hélium gazeux 55 fonctionne correctement, I'ergol 1, 4 circulant dans le circuit 81, 82 de circulation d'ergol ne peut pas venir en contact avec les gaz chauds 2 circulant dans les cavités 74 et 75, et la sécurité de fonctionnement est assurée. Il peut toutefois se produire accidentellement pendant le fonctionnement de la turbopompe une perte de l'hélium gazeux 3 alimentant la barrière d'hélium gazeux 55 de telle sorte que l'ergol liquide surpressé oxydant pourrait parvenir alors dans le circuit des gaz chauds réducteurs. Le risque d'apparition d'un incendie devient

alors très élevé.

Pour remédier à cela et faire disparaître ce risque, ou du moins le réduire très fortement, diverses caractéristiques particulières sont mises en

oeuvre dans le cadre de la présente invention.

Un premier aspect de l'invention est illustré essentiellement sur les Figures 1, 2 et 8 qui montrent, de façon schématique, une ligne de purge 72 équipée d'un organe de calibrage 73, qui reçoit le flux principal de gaz chauds issus de la cavité 70 d'alimentation en gaz chauds à travers lI'ouverture 71, par l'intermédiaire d'un circuit comportant la cavité 74 située entre les deux labyrinthes 23,26 et la cavité secondaire 75 de récupération de gaz chauds. On a également représenté sur les Figures 1 et 8 la ligne de purge 82 équipée d'un organe de calibrage 83, qui prend naissance dans la

cavité 81.

Selon une caractéristique importante, qui garantit qu'en cas de détérioration de la barrière 55 d'hélium gazeux, les gaz chauds 2 ayant franchi le labyrinthe 26 et non contenus par la barrière 55 ne s'écoulent pas vers la cavité d'ergol 81 tandis que l'ergol est lui-même empêché de circuler dans le circuit 74 vers la turbine 20, la cavité 70 ou la ligne 72 de purge des gaz chauds, les sections de passage S2 de l'organe de calibrage 83, S1 de l'organe de calibrage 73,et S3 du joint dynamique 53, 54 sont telles que

S3 < S1 < S2.

Ainsi, il convient que la section de passage S3 du joint dynamique 53, 54 soit inférieure à la section de passage S1 de l'organe de calibrage 73 situé sur la ligne 72 de purge des gaz chauds prenant naissance dans la cavité 75, la section de passage S1 étant elle-même inférieure à la section de passage S2 de l'organe de calibrage 83 situé sur la ligne 82 de purge

prenant naissance dans la cavité d'ergol 81.

A titre d'exemple, pour une turbopompe d'oxygène liquide parti-

culière, les valeurs de section de passage suivantes ont permis de vérifier que les écoulements s'effectuent bien dans tous les cas selon le schéma des Figures 7 et 8: S1 = 10-4 m2 S2= 4.10-4m2

S3 = 10-5 m2.

Selon un autre aspect de l'invention illustré sur les Figures 1, 7 et 8, la ligne de purge 82 destinée à évacuer vers l'extérieur l'ergol liquide ou le mélange 4 d'ergol liquide et de gaz chauds présent dans la cavité 81, est équipée d'un piège à flammes 84 qui comprend une grille de confinement thermique 85 placée à la sortie de la ligne de purge 82. De cette façon, on évite toute remontée à l'intérieur de la ligne de purge 82, d'une éventuelle

flamme allumée à l'extérieur, qui pourrait provoquer des détonations.

De la même façon, une grille de confinement thermique 76 peut

être placée à la sortie de la ligne 72 de purge des gaz chauds.

La grille de confinement thermique 85, ou la grille 76, peut avantageusement présenter une taille de maille comprise entre 30 et 50 micromètres et de préférence de l'ordre de 40 micromètres (cas de l'hydrogène), de manière à pouvoir casser efficacement toute flamme externe susceptible d'apparaître. Toutefois, dans le cas d'un moteurfusée fonctionnant avec des gaz riches en hydrocarbure (kérosène, méthane,....), la taille des mailles de la grille de confinement est comprise entre 150 et 350 micromètres et de préférence de l'ordre de 300 micromètres. La grille de confinement thermique 85 ou 76 peut être réalisée en un matériau poreux obtenu à partir d'un matériau conducteur du type alliage de cuivre, ou à partir d'un matériau très réfractaire. Une toile servant de filtre pour des ergols peut également être utilisée au niveau de la grille de

confinement thermique 85 ou 76.

Une caractéristique essentielle de l'invention réside dans l'incorporation, au sein même du système d'étanchéité 50 placé au voisinage de la surface périphérique 11 de l'arbre 10, d'un dispositif dynamique 90 d'étirement et de confinement de flamme situé en amont de la cavité 81 de récupération d'ergol et disposé entre les premier et deuxième ensembles de joints dynamiques comportant des bagues flottantes 51, 52 et 53, 54. Ce dispositif dynamique 90, qui comprend un circuit en chicanes, permet d'étirer et d'éteindre une éventuelle flamme créée par une étincelle au niveau de la mise en contact du courant 1 d'oxygène liquide et du courant 2 de gaz chauds, de sorte que le mélange 4 d'oxygène liquide et de gaz chauds parvenant dans la cavité 81 ne peut pas

être enflammé.

La Figure 2 permet de mieux comprendre un exemple de réalisation d'un dispositif 90 d'étirement de flamme qui vise à parer à tout risque d'allumage et de combustion intempestifs. Dans le cas de la réalisation de la Figure 2, le dispositif dynamique 90 d'étirement et de confinement de flamme constitue un piège interne qui comprend un empilement alterné de couronnes en matériau poreux 92 et de rondelles métalliques fines 91, selon une structure en sandwich. Ces différentes cavités permettent par ailleurs de réaliser un gradient de richesse limitant les risques

d'inflammation et donc d'incendie.

Les rondelles métalliques fines 91 peuvent être par exemple en argent, en cuivre ou en alliages de ces métaux, mais d'autres matériaux

sont envisageables.

Comme on peut le voir sur la Figure 2, les rondelles métalliques fines 91 se projettent au-delà des couronnes en matériau poreux 92 permettant de confiner toute flamme vers la surface périphérique 11 de l'arbre d'entraînement 10. Le jeu 93 entre les rondelles métalliques fines 91 et la surface périphérique 11 de l'arbre 10 doit être réduit pour permettre un étirement et une auto-extinction de toute flamme éventuellement créée au niveau du système d'étanchéité 50, I'étirement étant créé par la présence conjuguée d'un jeu 93 d'épaisseur j réduite et d'une vitesse périphérique Vp

de l'arbre 10 au niveau de la surface périphérique 11.

De façon plus particulière, on a pu déterminer que le jeu réduit j entre les rondelles métalliques fines 91 et la surface périphérique 11 de l'arbre 10, exprimé en dixièmes de millimètres, doit être très faible vis-à-vis de la vitesse périphérique Vp, exprimée en mètres par seconde, de l'arbre au niveau de cette surface périphérique 11, si l'on veut étirer efficacement toute flamme éventuellement créée par un départ d'étincelle dû à des bagues flottantes dégradées 51, 52, 53, 54. Les rondelles

métalliques fines 91 jouent ainsi le rôle de pare-étincelles.

A titre d'exemple, pour une turbopompe d'oxygène prévue pour présenter une vitesse de rotation d'environ 240 tours/seconde et comportant un arbre 10 tel que la vitesse périphérique Vp au niveau de la surface périphérique 11 est de l'ordre de 50 à 60 m/s, le jeu j peut être de

l'ordre du dixième de millimètre.

D'une manière générale, on a pu mettre en évidence, pour différents mélanges cryotechniques d'hydrogène et d'oxygène présentant différentes richesses qç (la richesse p étant définie par le rapport entre la quantité d'hydrogène et la quantité d'oxygène), des courbes donnant, pour des conditions définies de température T et de pression p (par exemple p = 0,5 atmosphère, Tp = 100 K), I'évolution du taux de dégagement de

chaleur en fonction du taux d'étirement F (exprimé en sec-1) de la flamme.

La Figure 9 montre des courbes 101 à 105 correspondant à des mélanges d'hydrogène et d'oxygène pour lesquels la richesse y est respectivement de 1; 1,5; 2; 3,7 et 5. On remarque que dans tous les cas le taux de dégagement de chaleur diminue fortement lorsque le taux

d'étirement F dépasse 104 sec-1, c'est-à-dire que la flamme s'éteint au-

delà de cette valeur. Ceci est d'autant plus marqué que le rapport de mélange qp est plus faible. Les courbes de la Figure 9 correspondent ainsi à l'exemple d'une combustion H2/02 riche en hydrogène. Les courbes

seraient différentes pour une combustion hydrocarbure/O2 ou air.

Avec la réalisation d'un dispositif 90 d'étirement et de confinement de flamme, du type à chicanes, sous réserve de définir un jeu j, en fonction ll de la vitesse périphérique Vp de l'arbre 10, qui corresponde à un taux d'étirement F situé au-delà du taux d'étirement critique rc voisin de 10-4, on est certain d'étirer la flamme éventuellement créée par une étincelle provenant de la dégradation d'une bague flottante à un niveau tel que la flamme ne peut plus se propager et s'éteint. Le matériau poreux 92 présente de préférence une taille de maille comprise entre 30 et 50 micromètres. Pour des applications o les gaz chauds sont riches en hydrogène, les couronnes en matériau poreux 92 peuvent être réalisées à partir d'un matériau conducteur du type alliage de cuivre ou d'argent, ou à partir d'un matériau réfractaire. Dans le cas o les gaz chauds sont riches en hydrocarbures, les couronnes en matériau poreux 92 peuvent être

réalisées à partir de toile métallique.

La mise en oeuvre d'un dispositif 90 du type à chicanes a d'autres effets bénéfiques et, en particulier, permet de créer des obstacles qui amortissent les surpressions éventuelles, de limiter les risques de givrage, de limiter les volumes critiques allumables et de piéger les étincelles dans une zone et dans des conditions o l'allumage est difficile ou impossible. Le dispositif 90 permet également de réaliser un dégradé de richesse entre la succession de micro-cavités 100 délimitées par les rondelles 91, le matériau poreux 92 et l'arbre 10, et de refroidir par conduction et convection

les différentes pièces 91, 92.

On a représenté sur la Figure 2 I'évolution au sein du dispositif 90, selon une direction parallèle à l'axe de l'arbre 10, de la richesse du mélange d'oxygène liquide et de gaz chauds en oxygène, cette courbe de richesse 201 étant décroissante entre les éléments 91, 92 situés du côté de l'arrivée d'oxygène et les éléments 91, 92 situés du côté de l'arrivée des gaz chauds. On a également représenté sur cette même Figure 1 I'évolution croissante de la température du mélange d'oxygène et de gaz chauds (courbe 202) entre le côté d'arrivée d'oxygène et le côté d'arrivée des gaz

chauds.

Si l'on se reporte aux Figures 3 et 4, on voit la circulation des différents fluides au sein de la partie arrière de la turbopompe dans un cas o les joints dynamiques 51, 52 et 53, 54 ne sont pas dégradés et la

barrière d'hélium 55 fonctionne normalement. Dans ce cas, le fonctionne-

ment est satisfaisant même en l'absence de dispositif dynamique de

confinement et d'étirement de flamme.

Le flux 1 d'oxygène liquide issu de la pompe à oxygène 30 et qui a traversé le joint dynamique 51, 52 est introduit sous la forme d'un flux 4 dans la cavité 81 de récupération d'ergol. Le flux 2 de gaz chauds issu du passage 71 d'alimentation de la turbine 20 et qui a traversé le premier labyrinthe 23, la cavité intermédiaire 74 et le deuxième labyrinthe 26 est introduit dans la cavité 75 de récupération de gaz chauds. Un flux 3 d'hélium issu de la canalisation 60 est en outre introduit au niveau du joint dynamique 53, 54 entre les bagues flottantes 53 et 54 et se répartit de part et d'autre de ce joint dynamique sous la forme de flux He qui pénètrent dans les cavités 75 et 81 pour se mélanger respectivement au flux 2 de gaz chauds et au flux 4 d'oxygène liquide. Le mélange du flux 2 de gaz chauds et d'hélium est évacué par la ligne de purge 72 équipée de l'organe de calibrage 73. Le mélange du flux 4 d'oxygène liquide et d'hélium est évacué par la ligne de purge 82 équipée de l'organe de calibrage 83.

Les Figures 5 et 6 montrent la situation dangereuse qui peut se produire dans une turbopompe telle que celle des Figures 3 et 4 en l'absence de dispositif dynamique d'étirement et de confinement de flamme

et en cas de panne de l'alimentation en hélium.

Dans ce cas, il n'existe plus de flux d'hélium issu de la canalisation 60 et aucune circulation d'hélium ne se produit au niveau du joint dynamique 53, 54. Par suite de ce dysfonctionnement de la barrière d'hélium, une partie 2' du flux de gaz chauds issu du deuxième labyrinthe 26 traverse le joint dynamique 53, 54 et pénètre dans la cavité 4 de récupération d'ergols. Le flux d'oxygène liquide 4 est ainsi mélangé au flux 2' de gaz chauds dans la ligne de purge 82. Ce mélange 2', 4 peut être

réactif et peut provoquer un incendie.

Les Figures 7 et 8 montrent que, dans les mêmes conditions de dysfonctionnement de la barrière d'hélium, en présence d'un dispositif dynamique 90 d'étirement et de confinement de flamme, la partie 2' du flux de gaz chauds issu du deuxième labyrinthe 26 qui a traversé le joint dynamique 53, 54 ne peut plus pénétrer dans la cavité 81 de récupération d'ergol, mais est piégée dans les micro-cavités 100 du dispositif 90, dans des conditions telles qu'un allumage d'un mélange d'oxygène 4 et de gaz chauds 2' ne peut pas s'effectuer, comme cela a été exposé plus haut, compte tenu du faible jeu j entre les rondelles métalliques 91 et l'arbre 10, et de la présence du matériau poreux 92. Le respect des conditions mentionnées plus haut concernant les sections S1, S2, S3 garantit qu'un flux d'oxygène liquide ne pourra pas circuler à travers le joint dynamique 53, 54 vers le circuit de gaz chauds et que seule une fraction de gaz chauds 2' pourra, en cas de dysfonctionnement de la barrière d'hélium, parvenir dans les micro-cavités 100. La présence de grilles de confinement thermique 85, 76 en sortie des lignes de purge 82, 72 constitue une sécurité supplémentaire en évitant qu'une flamme allumée à l'extérieur remonte

dans les circuits de purge.

Claims (19)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de limitation des risques d'incendie à l'intérieur d'une turbomachine comprenant au moins une cavité (70) d'alimentation en gaz chauds pour l'entraînement d'une turbine (20) solidaire d'un arbre

d'entraînement (10), une pompe (30) entraînée par ledit arbre d'entraîne-

ment pour fournir un ergol surpressé à un circuit principal d'alimentation d'un moteur, et un système d'étanchéité (50) qui comporte au moins des premier et deuxième joints dynamiques (51,52; 53,54) et une barrière (55) d'hélium gazeux et qui est disposé au voisinage de l'arbre d'entraînement (10) pour séparer l'ergol surpressé des gaz chauds d'entraînement de la turbine (20), caractérisé en ce que la cavité (70) d'alimentation en gaz chauds est en communication avec une cavité secondaire (75) de récupération de gaz chauds débouchant sur une première ligne de purge (72) équipée d'un premier organe de calibrage (73), en ce que le circuit d'alimentation en ergot est en communication avec une cavité (81) de récupération d'ergol débouchant elle-même sur une deuxième ligne de purge (82) équipée d'un deuxième organe de calibrage (83), et en ce que le système d'étanchéité (50) comprend au voisinage de l'arbre d'entraînement (10), entre les premier et deuxième joints dynamiques (51,52; 53,54), un dispositif dynamique (90) d'étirement et de confinement de flamme situé en amont de la cavité (81) de

récupération d'ergol.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif dynamique (90) d'étirement et de confinement de flamme est

constitué de chicanes.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, carac-

térisé en ce que le dispositif dynamique (90) d'étirement et de confinement de flamme comprend un empilement alterné de couronnes en matériau

poreux (92) et de rondelles métalliques fines (91).

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les rondelles métalliques fines (91) se projettent au-delà des couronnes en matériau poreux (92) vers la surface périphérique (11) de l'arbre d'entraînement (10), en ménageant avec cette dernière un jeu réduit (j) afin d'assurer un étirement et une auto-extinction de toute flamme

éventuellement créée au niveau du système d'étanchéité (50).

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le jeu réduit (j) entre les rondelles métalliques fines (91) et la surface périphérique (11) de l'arbre d'entraînement (10), exprimé en dixièmes de millimètres, est très faible vis-à-vis de la vitesse périphérique (Vp) exprimée en mètres par seconde, de l'arbre d'entraînement (10) au niveau de ladite surface périphérique (11), ce qui conduit à un étirement naturel de flamme

potentiellement élevé.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5,

caractérisé en ce que le dispositif dynamique (90) d'étirement et de confinement de flamme définit une succession de micro-cavités (100) entre les rondelles métalliques fines (91), les couronnes en matériau poreux (92) et la surface périphérique (11) de l'arbre d'entraînement (10), et en ce que l'on réalise un dégradé de richesse en ergol du mélange possible entre l'ergol et les gaz chauds ainsi qu'un dégradé en sens inverse de la température de ce mélange, au sein de la succession de micro-cavités (100) du dispositif dynamique (90) d'étirement et de confinement de flamme selon une direction parallèle à l'axe de l'arbre d'entraînement (10) de

manière à limiter les risques d'inflammation.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6,

caractérisé en ce que les rondelles métalliques fines (91) jouent aussi un

rôle de pare-étincelle.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7,

caractérisé en ce que les rondelles métalliques fines (91) sont constituées

d'un alliage de cuivre ou d'argent.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, ca-

ractérisé en ce que la cavité (70) d'alimentation en gaz chauds est en communication avec la cavité secondaire (75) de récupération de gaz

chauds par un circuit comprenant au moins un organe de calibrage (23,26).

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9,

caractérisé en ce que le premier joint dynamique (51,52) est situé entre le circuit d'alimentation en ergol et le dispositif (90) d'étirement et de confinement de flamme, en ce que le second joint dynamique (53,54) associé à la barrière (55) d'hélium gazeux est situé entre la cavité secondaire (75) de récupération de gaz chauds et le dispositif (90) d'étirement et de confinement de flamme, en ce que la section de passage S2 du deuxième organe de calibrage (83) situé sur la deuxième ligne de purge (82) est supérieure à la section de passage S1 du premier organe de calibrage (73) situé sur la première ligne de purge (72), laquelle section de passage S1 est elle-même supérieure à la section de passage S3 définie

par le deuxième joint dynamique (53,54).

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,

caractérisé en ce que la première ligne de purge (72) est équipée d'un piège à flamme comprenant une première grille de confinement thermique (76) placée à la sortie de cette première ligne de purge (72) de façon à éviter toute remontée à l'intérieur de cette première ligne de purge (72) d'une éventuelle flamme allumée à l'extérieur et la deuxième ligne de purge (82) est équipée d'un piège à flammes (84) comprenant une deuxième grille de confinement thermique (85) placée à la sortie de cette deuxième ligne de purge (82) de façon à éviter toute remontée à l'intérieur de cette deuxième

ligne de purge (82) d'une éventuelle flamme allumée à l'extérieur.

12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième grilles de confinement thermique (76, 85) sont réalisées en un matériau poreux obtenu à partir d'un matériau conducteur du type alliage de cuivre ou à partir d'un matériau très réfractaire.

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12,

caractérisé en ce qu'il est appliqué à une turbopompe d'alimentation d'un

moteur-fusée en ergol oxydant tel que de l'oxygène liquide.

14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12,

caractérisé en ce qu'il est appliqué à une turbopompe d'alimentation d'un

moteur en hydrocarbure réducteur, tel que du kérosène.

15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12,

caractérisé en ce qu'il est appliqué à une turbomachine aéronautique ou industrielle.

16. Dispositif selon les revendications 11 et 13, dans lequel les gaz

chauds sont riches en hydrogène, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième grilles de confinement thermique (76, 85) présentent une taille

de maille de l'ordre de 30 à 50 micromètres.

17. Dispositif selon les revendications 11 et 14, dans lequel les gaz

chauds sont riches en hydrocarbure, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième grilles de confinement thermique (76, 85) présentent

une taille de maille de l'ordre de 150 à 350 micromètres.

18. Dispositif selon la revendication 13 et l'une quelconque des

revendications 3 à 6, dans lequel les gaz chauds sont riches en hydrogène,

caractérisé en ce que les couronnes en matériau poreux (92) sont réalisées à partir d'un matériau conducteur du type alliage de cuivre ou d'argent, ou à

partir d'un matériau réfractaire.

19. Dispositif selon la revendication 14 et l'une quelconque des

revendications 3 à 6, dans lequel les gaz chauds sont riches en

hydrocarbure, caractérisé en ce que les couronnes en matériau poreux (92)

sont réalisées à partir de toile métallique.