EP4476470A1 - Vanne pour moteur fusee - Google Patents

Vanne pour moteur fusee

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Publication number
EP4476470A1
EP4476470A1 EP23706827.5A EP23706827A EP4476470A1 EP 4476470 A1 EP4476470 A1 EP 4476470A1 EP 23706827 A EP23706827 A EP 23706827A EP 4476470 A1 EP4476470 A1 EP 4476470A1
Authority
EP
European Patent Office
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valve
channel
shutter
actuator
valve according
Prior art date
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Pending
Application number
EP23706827.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Faye
Sonia RIOS FERNANDEZ
Philippe NOMERANGE
Nicolas Mazarguil
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ArianeGroup SAS
Original Assignee
ArianeGroup SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by ArianeGroup SAS filed Critical ArianeGroup SAS
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Pending legal-status Critical Current

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    • F16K3/30—Details
    • F16K3/316—Guiding of the slide

Definitions

  • This presentation relates to a valve suitable for high flow rates and high pressures.
  • a valve suitable for high flow rates and high pressures.
  • Such a valve is particularly suitable for rocket engines, in particular for controlling the flow of cryogenic propellant at the inlet of the combustion chamber.
  • such a valve is also quite suitable for less demanding applications, in the aeronautical or naval field for example.
  • a cryogenic propellant rocket engine operates by ensuring the combustion of two propellants, most often liquid hydrogen LH2 and liquid oxygen LOX, within a combustion chamber.
  • a classic example of a rocket engine, deliberately simplified, is represented in figure 1 .
  • Such a rocket engine 1 thus comprises a combustion chamber 2, surmounting a nozzle 3, a first propellant supply circuit 4, a second propellant supply circuit 5 and a drive circuit 6.
  • the circuit first propellant supply 4 comprises a first tank 4a, containing the liquid fuel, here liquid hydrogen LH2, a first barrier valve 4g, a first turbopump 4b and a first supply valve, generally called a chamber valve 4c.
  • This valve-chamber 4c controls the flow of first propellant reaching the combustion chamber 2 via a cooling circuit 4d of the nozzle 3.
  • the second propellant supply circuit 5 comprises a second tank 5a, containing the liquid oxidizer, here liquid oxygen LOX, a second barrier valve 5g a second turbopump 5b and a second valve-chamber 5c, this valve-chamber 5c controls the flow rate of second propellant reaching the combustion chamber 2.
  • Each circuit fuel supply 4, 5 includes also a sampling line 4e, 5e, the flow rate of which is controlled by a sampling valve 4f, 5f and ending in the combustion chamber of a gas generator 6a of the drive circuit 6.
  • the gases resulting from the combustion of the propellants in the gas generator 6a then drive a turbine 6b before joining the combustion chamber 2 of the rocket engine, the rotation of the turbine 6b jointly driving the turbopumps 4b and 5b.
  • valve-chambers are particularly critical components since they are responsible for adjusting as precisely and reactively as possible the flow of propellant reaching the main combustion chamber: the correct piloting operating point of the rocket engine in the different phases of its mission therefore depends on the correct operation, precision and responsiveness of the valve-chambers. They must also be able to completely interrupt the flow of propellant in order, for example, to be able to shut down the rocket engine very quickly in the event of an emergency.
  • valve-chambers Being exposed to very high pressures, of the order of 200 bar, and also very high flow rates, of the order of 300 kg/s, these valve-chambers must be capable of withstanding very high mechanical stresses. important. Similarly, a very high power is required to actuate the valve.
  • the chamber valves known to date are very bulky and very heavy: these chamber valves are therefore expensive to produce and have a negative impact on the payload that the rocket.
  • the valve-chambers of the Vulcain engine of the pneumatic ball valve type, have a mass greater than 30 kg.
  • These chamber valves are also based on actuation technologies (pneumatic, hydraulic) with high power density: this makes it possible to limit the mass and size of this equipment to a certain extent, but these technologies have functional limitations ( operating temperature, difficulties or even impossibility of regulation) which limit the functions that these valves can perform and impact the performance of the engine.
  • This presentation relates to a valve, comprising a valve body, comprising a first channel and a second channel, a shutter, movable, configured to adjust the passage section between the first channel and the second channel, and an actuator, electric, configured to adjust the position of the shutter, in which the shutter is able to move linearly between a first position, in which it is completely interposed between the first channel and the second channel, bringing to 0 the section of passage between the first lane and the second lane, and a second position, in which the passage section between the first channel and the second channel is increased to a maximum value
  • the actuator comprises a rotor installed in a service cavity of the valve body, said service cavity being in fluid communication with the first channel or the second channel , and wherein the actuator is configured to drive the movement of the shutter via a rotary-linear transmission member.
  • valve body can be completely sealed: in fact, no seal is necessary at the interface between the shutter and the actuator since both are two present in the valve body.
  • the piloting and driving of the actuator rotor can be done from the outside, the magnetic flux generated by the stator of the electric actuator can pass through the wall of the service cavity.
  • This configuration therefore makes it possible to dispense with dynamic seals, which are complex and costly and subject to wear, to ensure the tightness of the valve body, apart of course from the connection of its first and second ports.
  • the length of such a valve can be less than 50 cm, or even less than 40 cm, for a mass well below 30 kg.
  • the second channel extends along a main axis of the valve and the first channel forms a non-zero angle with said main axis.
  • the first lane is therefore not located in the extension of the first lane, which leaves sufficient space to arrange the service cavity.
  • this angle is an acute angle, preferably between 10 and 80°, more preferably between 30 and 60°. This angle is measured as being the deviation from the situation in which the first lane is located in the extension of the second lane. An angle deviating from the right angle makes it possible to reduce the pressure drop at the interface between the first and second paths.
  • the first channel comprises a connection orifice and is divided into two channels, each channel bypassing the main axis on a different side of the valve before opening into the second channel.
  • the two channels are preferably balanced. They can meet before meeting the shutter or the shutter can interpose in front of each of the channels.
  • the two channels of the first channel divide at a dividing edge facing the connection port of the first channel.
  • This edge is preferably positioned in the axial plane; it forms the most acute angle possible, for example an angle less than 20°, preferably less than 10°, even more preferably less than 5°. The impact of this separation on the flow rate of the first channel is thus minimized.
  • the diameter of the connection orifice of the first channel and/or the diameter of the connection orifice of the second channel is greater than 10 mm, preferably greater than 50 mm.
  • the diameter of the connection port of the first path and/or the diameter of the connection port of the second path is preferably less than 300 mm, preferably less than 200 mm.
  • the diameter of the connection orifice of the first channel is equal to the diameter of the connection orifice of the second channel.
  • the service cavity is in fluid communication with the second path.
  • the first channel is the valve inlet channel and the second channel is the valve outlet channel.
  • the reverse configuration is possible, the valve can in particular be reversible.
  • the shutter takes the form of a cylindrical sleeve, preferably with a circular base.
  • the shutter thus gradually closes the passage between the first channel and the second channel substantially parallel to the interface surface between the first channel and the second channel. Consequently, the angle formed between the direction of movement of the shutter and the local direction of the flow is small, less than 45°, preferably less than 30°; Simply said, the shutter laminates the flow as it moves, so without putting up significant resistance.
  • no surface of the shutter is oriented substantially perpendicular to one of two paths. Consequently, operating the shutter is particularly easy and requires only reduced power.
  • this configuration ensures good balancing of the pressures on either side of the shutter. Indeed, thanks to such a shutter of the lamination type, the pressure drop of the valve is not directly taken up by the actuator: one thus manages to decouple the pressure drop and the actuating power. necessary. The power required for the actuator is thus significantly reduced.
  • the peripheral wall of the shutter is solid. The regulation of the flow is therefore done by the progression of the end edge of the shutter.
  • the peripheral wall of the shutter comprises at least one cutout.
  • a cutout makes it possible to obtain a flow regulation law which is not simply proportional to the distance traveled by the shutter.
  • the width of this cutout can be scalable.
  • the valve comprises at least one sliding bearing configured to guide the movement of the shutter.
  • This bearing makes it possible to guide the obturator while minimizing the friction forces during movement.
  • the valve may in particular comprise two bearings, mounted for example at the two ends of the shutter.
  • the bearings can for example be mounted in notches formed in the outer surface of the shutter.
  • the valve comprises at least a first seal mounted in the second channel, in front of the confluence between the first channel and the second channel. This gasket ensures the tightness of the obturator, and therefore the complete closing of the valve, when the obturator is in its first position.
  • the valve comprises a second seal mounted in the second channel, behind the confluence between the first channel and the second channel. This seal makes it possible to seal the shutter behind the first channel, when the fluid can reach this rear zone, in particular when the shutter includes an internal passage.
  • the first seal is compressed against the shutter only when the shutter is in its first position. Seal wear is therefore reduced. In addition, since the first seal does not rub against the shutter outside the first position, the friction forces exerted on the shutter are reduced, which facilitates its operation.
  • the second seal is compressed against the shutter only when the shutter is in its first position. Seal wear is therefore reduced. In addition, since the second seal does not rub against the shutter outside the first position, the friction forces exerted on the shutter are reduced, which facilitates its operation.
  • the shutter comprises at least one shoulder configured to cooperate with at least one seal.
  • a shoulder it is possible to compress the seal only when the obturator is in a particular position, typically the first position, i.e. when the seal is found opposite the shoulder.
  • a shoulder can be provided for each joint.
  • Each shoulder can in particular be preceded by a ramp to gradually compress the seal and reduce the risk of damaging it.
  • the first and/or the second seal is a thrust seal.
  • these seals do not need to accommodate a relative displacement between the seal and the obturator. This makes it possible to dispense with dynamic seals, which reduces the number of parts subject to wear, the cost and the complexity of the valve. In particular, dynamic seals have a low lifetime in cryogenic applications.
  • each seal is a lip seal comprising a metal expander.
  • a lip seal comprising a metal expander.
  • the valve comprises an anti-rotation member fixedly mounted in the valve body and configured to block the rotation of the shutter.
  • This anti-rotation member can in particular cooperate directly with the shutter in order to block its rotation.
  • This anti-rotation member makes it possible to compel the shutter to move exclusively axially. This can in particular facilitate the operation of the rotary-linear transmission member.
  • the anti-rotation member comprises radial slots in which radial lugs of the shutter are engaged.
  • the valve comprises a deflecting surface mounted in the second channel, at the confluence between the first channel and the second channel, the deflecting surface being profiled so as to extend the first channel into the second channel.
  • This deflecting surface makes it possible to ensure a certain continuity between the first channel and the second channel despite the angle formed between the latter, which makes it possible to reduce the pressure drop at the interface between the two channels.
  • the deflecting surface is carried by the anti-rotation member.
  • the actuator is an electric motor, preferably synchronous, more preferably with permanent magnets.
  • the electric motor could be of another type, in particular asynchronous, for example with a squirrel cage type rotor.
  • the rotor of the actuator comprises permanent magnets.
  • the stator of the actuator is installed in a pilot chamber surrounding the service cavity, said pilot chamber being separated from the service cavity in leaktight manner by a partition wall.
  • the electrical components of the actuator are therefore kept in an area away from the fluid(s) passing through the valve. In particular, no physical passage of any kind, and therefore no joint, is provided between the service cavity and the control chamber.
  • the thickness of the dividing wall is less than 10 mm, preferably less than 5 mm, more preferably less than 2 mm. Indeed, the more this thickness is reduced, the more the air gap between the stator and the rotor of the actuator can be reduced and therefore the greater the efficiency of the latter. Moreover, the more this thickness is reduced, the more the Eddy currents necessarily appearing in the wall are reduced, which further preserves the efficiency of the actuator.
  • the pilot chamber is axially accessible from the rear of the valve body. This makes it possible, if necessary, to facilitate maintenance of the actuator.
  • a hatch can in particular close the aft end of the steering chamber.
  • the stator of the actuator is installed in the service cavity.
  • the actuator stator is therefore also submerged: this variant is particularly suitable when the fluid passing through the valve is not electrically conductive and does not present a risk of self-ignition. This removes the constraint of having to provide a separating wall between the rotor and the stator. The efficiency of the actuator can also be improved.
  • the valve comprises a bearing provided between the rotor of the actuator and the peripheral wall of the service cavity.
  • the bearing is therefore immersed. This may in particular be a ball bearing.
  • the valve comprises a resolver, the rotor of the resolver being installed in the service cavity integrally with the rotor of the actuator.
  • the resolver rotor is therefore also submerged.
  • This resolver makes it possible to know the angular position of the rotor and therefore to deduce the position of the shutter.
  • Such a resolver can thus contribute to the control of the actuator, in particular contribute to the control of the electrical phases of the actuator.
  • the resolver stator is installed in the pilot chamber. However, it could also be installed in the service cavity in cases where the actuator stator is also installed in the service cavity.
  • the partition wall comprises at least a first cylindrical portion having a first diameter and at least a second cylindrical portion having a second diameter, different from the first diameter. This makes it possible to adapt to the respective diameter of the actuator rotor and the resolver rotor.
  • the valve comprises a control module configured to control the actuator according to a setpoint.
  • the transmission member comprises a screw-nut assembly. Such a configuration is particularly practical and inexpensive to implement.
  • the screw-nut assembly comprises a satellite roller screw.
  • the screw-nut assembly could comprise a ball screw or even a conventional screw and nut.
  • the nut is secured to the rotor of the actuator and the screw is secured to the shutter.
  • the pitch of the screw is between 0.5 and 1.5 mm.
  • the stroke of the shutter between the first position and the second position is greater than 10 mm, preferably greater than 50 mm. It is preferably less than 300 mm.
  • the actuator is configured to move the shutter from the second position to the first position in less than 1000 ms.
  • the actuator is configured to bring the shutter to any intermediate position between the first position and the second position.
  • At least the valve body is manufactured by additive manufacturing. This is preferably also the case for the shutter and/or the anti-rotation member.
  • the use of an additive manufacturing technique makes it possible to obtain, easily and relatively inexpensively, a complex and therefore particularly optimized geometry for the valve body: this is in particular particularly useful for obtaining the separating wall delimiting the service cavity.
  • the use of an additive manufacturing technique is particularly interesting here because of the low surface ratio to be taken up in traditional machining due to the surface condition or the high precision required.
  • the valve is configured to be traversed by a liquid, a gas or a two-phase fluid. In the most demanding applications, the pressure of this fluid can in particular be greater than 200 bar and its flow rate greater than 250 L/s.
  • the temperature of the fluid can be between 15 and 120 K.
  • this valve is also quite suitable for less demanding applications, for example applications in which the pressure of this fluid is less than 15 bar and/or in which the temperature of this fluid is close to ambient temperature, for example between 270 and 350 K.
  • certain components, and in particular the seals or the transmission member can be simplified to meet the requirements of the intended application at a lower cost.
  • the valve is configured to be crossed by a propellant, preferably cryogenic. It may in particular be liquid hydrogen LH 2 , liquid oxygen LOX or liquid methane LCH 4 .
  • the valve is configured to be passed through by gaseous hydrogen, gaseous oxygen, gaseous methane or even kerosene.
  • gaseous hydrogen gaseous oxygen, gaseous methane or even kerosene.
  • such a valve could be used on board an aircraft using hydrogen as fuel.
  • Such a valve could also be used on board a ship for its propulsion needs.
  • This presentation also relates to an engine, comprising at least one valve according to any one of the preceding embodiments.
  • this engine is an engine of an astronautical vehicle, for example of a launcher or of an orbital vehicle. It is preferably a rocket engine.
  • this engine is an aeronautical vehicle engine. It may in particular be a hydrogen engine.
  • this engine is a naval engine.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a rocket engine.
  • Figure 2 is a front view of an example valve.
  • Figure 3 is a sectional view along the plane III of Figure 2, valve closed.
  • Figure 4 is a sectional view along the plane III of Figure 2, valve open.
  • Figure 5 is a sectional view along the plane V of Figure 2, valve open.
  • FIG. 1 schematically shows a rocket engine.
  • each propellant supply circuit 4, 5 comprises a valve-chamber 4c, 5c regulating the flow of propellant reaching the combustion chamber 2.
  • FIGS 2 to 5 now illustrate an example of valve 10 according to the description, which may be suitable for forming such valve-chambers 4c, 5c.
  • the valve 10 is therefore configured in this example to be traversed by a cryogenic propellant, for example LH2 or LOX, at a pressure of the order of 200 bar, a temperature of the order of 20 to 110 K and a flow rate of the order of 250 L/sec.
  • a cryogenic propellant for example LH2 or LOX
  • this valve could also be adapted to form the sampling valves 4f, 5f or the dam valves 4g, 5g, even if it means modifying their dimensions.
  • the valve 10 comprises a valve body 11 comprising a main part 12, cylindrical and extending along a main axis A, and a volute 20 provided around the rear portion of the main part 12.
  • the valve body January 1 is manufactured in one piece using an additive manufacturing technique.
  • the front portion of the main part 12 comprises an axial passage 13 opening out at the front end of the valve body 11 at the level of a connection orifice 14 surrounded by a connection flange 14a.
  • This axial passage 13 thus forms the second channel II of the valve 10.
  • the rear portion of the main part 12 comprises for its part, in its center, a service cavity 15 open at its front end so as to communicate fluidly with the second channel II of the valve 10.
  • the periphery and the rear end of the service cavity 15 are for their part closed by a first separating wall 16.
  • the rear portion of the main part 12 also comprises, coaxially to the service cavity 15, an operating cavity 17, annular and open at its front end so as to also communicate fluidly with the second channel II. It is delimited on its radially inner side by a second partition wall 18.
  • the rear portion of the main part 12 also comprises, concentrically between the service cavity 15 and the maneuvering cavity 17, a control chamber 19.
  • This control chamber 19 is sealed off from the second channel II of the valve thanks to the first and second partition walls 16, 18. It is also closed at its rear end by a removable hatch 19a allowing, if necessary, access to the control chamber 19 from outside the valve. 10.
  • the volute 20 forms for its part the first channel I of the valve 10.
  • connection orifice 21 also surrounded by a flange connection 21 a.
  • This connection orifice 21 has as its central direction an axis B forming an angle ⁇ of approximately 60° with the main axis A.
  • the diameter of the second connection orifice 21 is equal to 90 mm.
  • the volute 20 then comprises two channels 22a, 22b dividing from a separation edge 23 extending in an axial plane opposite the connection orifice 21.
  • Each channel 22a, 22b then bypasses the main part 12 of the valve body 11 on one side and on the other, symmetrically, until each one opens into the axial passage 13 of the main part 12 through an opening 23a, 23b.
  • the first channel I constitutes the inlet channel, that is to say the upstream channel, of the valve 10
  • the second channel II constitutes the outlet channel, that is i.e. the downstream route; however, the circulation within the valve 10 could very well be reversed.
  • the valve 10 further comprises an anti-rotation member 30 provided in the axial passage 13 of the second channel II. More specifically, this anti-rotation member 30, manufactured by additive manufacturing, is rigidly mounted on a structural crown 16a marking the junction between the first and second separation walls 16 and 18.
  • the anti-rotation member 30 comprises a peripheral surface of revolution forming a deflecting surface 31 advancing in the second track II in the extension of the channels 22a, 22b of the first track I.
  • the anti-rotation member 30 also comprises a central passage 32, extending axially, and a plurality of slots guide 33, here four in number, extending in radial planes between the central passage 32 and the deflecting surface 31.
  • the valve 10 further comprises a shutter 40 in the form of a cylindrical sleeve capable of moving linearly between a first extreme position, shown in Figure 3, and a second extreme position, shown in Figure 4.
  • the shutter 40 is also made by additive manufacturing.
  • the peripheral wall 41 of the shutter 40 extends along the entire peripheral surface of the axial passage 13 of the valve body 11, thus intervening between the first track I and the second track II.
  • an abutment surface 42 provided at the front end of the obturator 40 is in abutment against a shoulder 13a of the axial passage 13 while the rear end of the obturation wall 41 is engaged in the cavity. maneuver 17.
  • the closure wall 41 of the shutter 40 is completely retracted into the maneuvering cavity 17, its rear end being in abutment against the bottom of the maneuvering cavity 17. In this position , the closing wall 41 does not protrude at all over the openings 23a, 23b of the channels 22a, 22b of the first channel.
  • the outer surface of the shutter wall 41 comprises, close to each of its axial ends, a notch 43 in which is provided a sliding bearing 44 in order to guide the translational movement of the shutter 40 and reduce the frictional forces exerted during the latter.
  • this sliding bearing 44 can be of the deformable segment type, for example in PTFE or in a derived material with a low coefficient of friction.
  • the outer surface of the closure wall 41 also comprises, near each of its axial ends, a shoulder 45 projecting radially over the entire closure wall 41. These shoulders 45 are here provided just in front of each notch 43. The rear shoulder 45 is also preceded here by a ramp 46.
  • the valve body 1 1 comprises for its part a first seal 47a, annular, mounted in front of the confluence between the first channel I and the second channel II, here at the front end of the passage 13, and a second seal 47b, annular, mounted behind the confluence between the first channel I and the second channel II, here at the rear end of the passage 13, just before the maneuvering cavity 17.
  • the axial distance separating the seals 47a, 47b is equal to the axial distance separating the shoulders 45.
  • the seals 47a, 47b are compressed against the shoulders 45 when the shutter 40 is in its first extreme position, which seals the shutter 40 when the valve 10 is closed.
  • the seals 47a and 47b are not compressed, the first seal 47a no longer located opposite the shutter 40 and the second seal 47b facing a thinner portion of the shutter wall 41 .
  • seals 47a, 47b comprise a lip extending radially from a body having an annular cavity into which a metal expander is inserted.
  • Each seal 47a, 47b also includes a dovetail retaining bead extending from the body to secure it.
  • the body of these joints 47a, 47b can be machined in a polymer which retains a certain elasticity at low temperature and which is compatible with the fluid conveyed, for example filled PTFE. Note that the structure of these seals 47a, 47b could be simplified for other less critical applications.
  • the shutter 40 further comprises ribs 48 extending axially along the inner surface of the shutter wall 41.
  • the number of these ribs 48 is equal to the number of guide slots 33 of the anti-rotation member 30, each rib 48 being engaged in one of the guide slots 33.
  • the ribs 48 are extended at their front end by tabs radial connections 49.
  • the valve 10 further comprises an actuator 50, of the electric motor type, comprising a rotor 51 and a stator 52.
  • the rotor 51 of the actuator 50 having the main axis A as the axis of rotation, is housed in the service cavity 15 and is therefore immersed when the valve is in service. It is more precisely mounted in rotation within the service cavity 15 via a rolling bearing 53 mounted against the internal surface of the structural crown 16a. A minimal clearance is left between the rotor 51 and the portion 16b of the partition wall 16 which surrounds the rotor 51.
  • the rotor 51 of the actuator 50 includes a central passage 54, extending along the main axis a.
  • the stator 52 is housed for its part in the control chamber 19, pressed against the portion 16b of the separating wall 16, concentrically with respect to the rotor 51 .
  • at least the first portion 16b of the first separating wall 16 has a thickness of less than 10 mm, preferably less than 5 mm, even more preferably less than 2 mm.
  • the actuator 50 is a synchronous electric motor with permanent magnets. It is of the smooth pole type with double star coupled sinusoidal electromotive force.
  • the actuator 50 here comprises six pairs of poles.
  • the rotor magnets are encapsulated using laser welds and follow an alternating arrangement or a Halbach arrangement.
  • the valve 10 also comprises a resolver 55 also comprising a rotor 56 and a stator 57.
  • the rotor 56 of the resolver 55 is also housed in the service cavity 15 and is therefore submerged when the valve 10 is in service.
  • the rotor 56 of the resolver 55 is integral with the rotor 51 of the actuator 50, in the extension of the latter along the main axis A, on its rear side: the rotor 56 of the resolver 55 therefore also has the main axis A for axis of rotation.
  • the rotor 56 of the resolver 55 having a smaller diameter than the rotor 51 of the actuator 50, the diameter of the first separating wall 16 decreases from the rear end of its first cylindrical portion 16b to reach a second cylindrical portion 16c whose diameter is just greater than that of the rotor 56 of the resolver 55, except for one clearance. The diameter of the first partition wall then continues to decrease until it cancels out, thus closing the rear end of the service cavity 15.
  • the rotor 56 of the resolver 55 comprises a central passage 59, extending along the main axis A.
  • the stator 57 of the resolver 55 is for its part housed in the control chamber 19, pressed against the portion 16c of the separation wall 16, concentrically with respect to the rotor 56.
  • the resolver 55 is a bifilar brushless resolver.
  • the valve 10 also comprises a control module, housed in the control chamber 19, making it possible to control the actuator according to an instruction transmitted to the valve 10.
  • the control of the actuator 50 is carried out in a closed loop by a sine current command via the position feedback provided by the resolver 55.
  • the valve 10 further comprises a rotary-linear transmission member 60.
  • This transmission member 60 comprises on the one hand a roller nut 61 integral with the rotor 51 of the actuator 50.
  • This roller nut 61 is more precisely mounted at the front end of the rotor 51, centered on the main axis A. The roller nut 61 therefore rotates around the main axis A integrally with the rotor 51 of the actuator 50.
  • the transmission member 60 also comprises a screw 62 extending axially, along the main axis A, in engagement with the roller nut 61 .
  • the rotation of the roller nut 61 therefore causes the translation of the screw 62 along the main axis A, the screw 62 being able to progress forwards through the central passage 32 of the anti-rotation member and rearward through central passages 54 and 59 of rotors 51 and 56 of actuator 50 and resolver 55.
  • the screw 62 further comprises, at its front end, a connection piece 63 making it possible to join the radial connection lugs 49 of the shutter 40 and to connect them rigidly to the screw 62.
  • a connection piece 63 making it possible to join the radial connection lugs 49 of the shutter 40 and to connect them rigidly to the screw 62.
  • the actuator 50 is capable of bringing the shutter 40 into any position between its two extreme positions quickly and precisely.
  • the actuator 50 is thus capable of maneuvering the shutter 40 from its first extreme position, completely closed, to its second extreme position, completely open, in less than one second with an electrical power of less than 2000 W (with a supply voltage between 50 and 400V).

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Abstract

Vanne adaptée pour les gros débits et les pressions élevées, ainsi qu'un moteur fusée comprenant une telle vanne, la vanne comprenant un corps de vanne (11 ), comportant une première voie (I) et une deuxième voie (II), un obturateur (40), mobile, configuré pour régler la section de passage entre la première voie (I) et la deuxième voie (II), et un actionneur (50), électrique, configuré pour régler la position de l'obturateur (40), dans laquelle l'obturateur (40) est apte à se déplacer linéairement entre une première position et une deuxième position, dans laquelle l'actionneur (50) comprend un rotor (51 ) installé dans une cavité de service (15) du corps de vanne (11 ), ladite cavité de service (15) étant en communication fluidique avec la première voie (I) ou la deuxième voie (II), et dans laquelle l'actionneur (50) est configuré pour entraîner le déplacement de l'obturateur (40) par l'intermédiaire d'un organe de transmission rotatif-linéaire (60).

Description

Description
Titre de l'invention : VANNE POUR MOTEUR FUSEE
Domaine Technique
[0001] Le présent exposé concerne une vanne adaptée pour les gros débits et les pressions élevées. Une telle vanne est particulièrement adaptée pour les moteurs fusées, notamment pour contrôler le débit d’ergol cryotechnique en entrée de la chambre de combustion. Toutefois, une telle vanne est également tout à fait adaptée pour des applications moins exigeantes, dans le domaine aéronautique ou naval par exemple.
Technique antérieure
[0002] Un moteur fusée à ergols cryotechniques fonctionne en assurant la combustion de deux ergols, le plus souvent de l’hydrogène liquide LH2 et de l’oxygène liquide LOX, au sein d’une chambre de combustion. Un exemple classique de moteur fusée, volontairement simplifié, est représenté sur la figure 1 .
[0003] Un tel moteur fusée 1 comprend ainsi une chambre de combustion 2, surmontant une tuyère 3, un circuit d’alimentation en premier ergol 4, un circuit d’alimentation en deuxième ergol 5 et un circuit d’entraînement 6. Le circuit d’alimentation en premier ergol 4 comprend un premier réservoir 4a, contenant le carburant liquide, ici de l’hydrogène liquide LH2, une première vanne de barrage 4g, une première turbopompe 4b et une première vanne d’alimentation, généralement appelée vanne-chambre 4c. Cette vanne-chambre 4c contrôle le débit de premier ergol parvenant à la chambre de combustion 2 via un circuit de refroidissement 4d de la tuyère 3. De manière analogue, le circuit d’alimentation en deuxième ergol 5 comprend un deuxième réservoir 5a, contenant le comburant liquide, ici de l’oxygène liquide LOX, une deuxième vanne de barrage 5g une deuxième turbopompe 5b et une deuxième vanne-chambre 5c, cette vanne-chambre 5c contrôle le débit de deuxième ergol parvenant à la chambre de combustion 2. Chaque circuit d’alimentation en ergol 4, 5 comprend également une conduite de prélèvement 4e, 5e dont le débit est contrôlé par une vanne de prélèvement 4f, 5f et aboutissant dans la chambre de combustion d’un générateur de gaz 6a du circuit d’entraînement 6. Les gaz issus de la combustion des ergols dans le générateur de gaz 6a entraînent alors une turbine 6b avant de rejoindre la chambre de combustion 2 du moteur fusée, la rotation de la turbine 6b entraînant solidairement les turbopompes 4b et 5b.
[0004] Dans un tel moteur-fusée, les vannes-chambres sont des organes particulièrement critiques puisqu’elles sont chargées de régler de manière la plus précise et réactive possible le débit d’ergol parvenant à la chambre de combustion principale : le pilotage correct du point de fonctionnement du moteur- fusée dans les différentes phases de sa mission dépend donc du bon fonctionnement, de la précision et de la réactivité des vannes-chambres. Elles doivent également être capables d’interrompre complètement le débit d’ergol afin, par exemple, de pouvoir éteindre très rapidement le moteur fusée en cas d’urgence.
[0005] Etant exposées à des pressions très élevées, de l’ordre de 200 bar, et des débits également très élevés, de l’ordre de 300 kg/s, ces vannes-chambres doivent être capables de résister à des contraintes mécaniques très importantes. De même, une puissance très importante est nécessaire pour parvenir à actionner la vanne.
[0006] En conséquence, les vannes-chambres connues à ce jour, le plus souvent à boisseau ou à clapet, sont très encombrantes et très lourdes : ces vannes- chambres sont donc coûteuses à produire et impactent négativement la charge utile que peut emporter la fusée. Par exemple, les vannes-chambres du moteur Vulcain, du type vannes pneumatiques à boisseau sphérique, ont une masse supérieure à 30 kg. Ces vannes-chambres se basent en outre sur des technologies d’actionnement (pneumatique, hydraulique) à haute densité de puissance : ceci permet de limiter dans une certaine mesure la masse et l’encombrement de ces équipements mais ces technologies présentent des limitations fonctionnelles (température d’utilisation, difficultés voire impossibilité de régulation) qui limitent les fonctions que ces vannes peuvent remplir et impactent les performances du moteur. [0007] Les pressions très élevées connues par ces vannes posent également d’importants problèmes d’étanchéité, au niveau de l’obturateur bien sûr mais également à l’interface entre l’obturateur et son actionneur situé à l’extérieur du corps de vanne. La température très basse des ergols traversant ces vannes, inférieure à 100 K, ajoute une contrainte supplémentaire en interdisant un grand nombre de matériaux usuels. L’emploi de joints spécifiques est donc impératif, ce qui soulève des contraintes supplémentaires en termes de coût, de fiabilité, d’usure et de puissance consommée en raison des frottements. Ces contraintes sont d’autant plus critiques que ces vannes, et donc ces joints, sont constamment sollicités selon les besoins de la régulation du moteur. En particulier, ces joints s’usent rapidement, ce qui limite la possibilité de réutiliser le moteur, sauf à opérer une maintenance coûteuse entre chaque lancement.
[0008] Par ailleurs, en raison de la puissance très importante requise pour actionner ce type de vanne, il est à ce jour très difficile d’utiliser des actionneurs électriques, pourtant plus facilement pi lotables, sauf à augmenter drastiquement la masse totale de la vanne ou à en limiter la dynamique d’actionnement ce qui devient problématique pour réagir suffisamment rapidement dans les cas d’urgence.
[0009] Il existe donc un réel besoin pour une vanne et un moteur qui soient dépourvus, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux configurations connues précitées.
Exposé de l’invention
[0010] Le présent exposé concerne une vanne, comprenant un corps de vanne, comportant une première voie et une deuxième voie, un obturateur, mobile, configuré pour régler la section de passage entre la première voie et la deuxième voie, et un actionneur, électrique, configuré pour régler la position de l’obturateur, dans laquelle l’obturateur est apte à se déplacer linéairement entre une première position, dans laquelle il s’interpose complètement entre la première voie et la deuxième voie, portant à 0 la section de passage entre la première voie et la deuxième voie, et une deuxième position, dans laquelle la section de passage entre la première voie et la deuxième voie est portée à une valeur maximale, dans laquelle l’actionneur comprend un rotor installé dans une cavité de service du corps de vanne, ladite cavité de service étant en communication fluidique avec la première voie ou la deuxième voie, et dans laquelle l’actionneur est configuré pour entraîner le déplacement de l’obturateur par l’intermédiaire d’un organe de transmission rotatif-linéaire.
[0011] Grâce à un tel rotor immergé, le corps de vanne peut être complètement étanche : en effet, aucun joint n’est nécessaire à l’interface entre l’obturateur et l’actionneur puisque l’un et l’autre sont tous deux présents dans le corps de vanne. Le pilotage et l’entraînement du rotor de l’actionneur peuvent se faire pour leur part depuis l’extérieur, le flux magnétique généré par le stator de l’actionneur électrique pouvant traverser la paroi de la cavité de service. Cette configuration permet donc de se passer de joints dynamiques, complexes et coûteux et sujets à usure, pour assurer l’étanchéité du corps de vanne, en dehors bien sûr de la connexion de ses première et deuxième voies.
[0012] De plus, grâce à un tel obturateur coulissant linéairement, il n’est nécessaire d’assurer l’étanchéité de l’obturateur au sein du corps de vanne que lorsque ce dernier se trouve dans sa première position, c’est-à-dire sa position de fermeture. Il est donc possible de prévoir des joints qui ne sont sollicités que dans cette première position, ce qui réduit fortement leur usure et rend donc envisageable l’utilisation de la vanne pour la commande d’un moteur d’étage de lanceur réutilisable, sans maintenance poussée de la vanne entre chaque lancement. De plus, les dispositifs d’étanchéité n’étant soumis à aucun mouvement de rotation, ils peuvent être de conception plus simple que dans le cas d’un boisseau rotatif par exemple : en particulier, il est possible de se passer de dispositif élastique de chargement du joint de ces dispositifs d’étanchéité.
[0013] Par ailleurs, de manière importante, ces joints n’étant sollicités que dans la première position, ils ne frottent pas et ne s’opposent donc pas au mouvement de l’obturateur durant son travail normal de régulation, ce qui réduit significativement la puissance nécessaire à sa manoeuvre. Le dimensionnement de l’actionneur peut donc être réduit, ce qui réduit son encombrement, sa masse et son coût. Il devient même possible d’utiliser un actionneur électrique, plus précis qu’un actionneur pneumatique par exemple. [0014] L’utilisation d’un obturateur coulissant et d’un organe de transmission rotatif- linéaire permet également de travailler sur une course angulaire de l’actionneur très longue, éventuellement sur plusieurs tours. Il est donc possible de commander la position de l’obturateur de manière beaucoup plus précise que ce qui est faisable avec un obturateur rotatif classique dont la course utile dépasse rarement 50°.
[0015] Grâce à ces différents gains, il est possible d’obtenir une vanne compacte et significativement moins lourde que l’état de la technique. Ainsi, par exemple, pour une vanne capable de voir passer un débit supérieur à 250 L/s, la longueur d’une telle vanne peut être inférieure à 50 cm, voire même inférieure à 40 cm, pour une masse largement inférieure à 30kg.
[0016] Dans certains modes de réalisation, la deuxième voie s’étend selon un axe principal de la vanne et la première voie forme un angle non nul avec ledit axe principal. La première voie ne se situe donc pas dans le prolongement de la première voie, ce qui laisse une place suffisante pour aménager la cavité de service.
[0017] Dans certains modes de réalisation, cet angle est un angle aigu, de préférence compris entre 10 et 80°, de préférence encore entre 30 et 60°. Cet angle est mesuré comme étant l’écart à la situation dans laquelle la première voie se situe dans le prolongement de la deuxième voie. Un angle s’écartant de l’angle droit permet de réduire la perte de charge à l’interface entre les première et deuxième voies.
[0018] Dans certains modes de réalisation, la première voie comprend un orifice de connexion et se divise en deux canaux, chaque canal contournant l’axe principal d’un côté différent de la vanne avant de déboucher dans la deuxième voie. Une telle configuration permet de limiter la perte de charge de la vanne tout en facilitant l’intégration de la cavité de service. Les deux canaux sont de préférence symétriques. Ils peuvent se rejoindre avant de rencontrer l’obturateur ou bien l’obturateur peut s’interposer devant chacun des canaux.
[0019] Dans certains modes de réalisation, les deux canaux de la première voie se divisent au niveau d’une arête de séparation faisant face à l’orifice de connexion de la première voie. Cette arête se positionne de préférence dans le plan axial ; elle forme l’angle le plus aigu possible, par exemple un angle inférieur à 20°, de préférence inférieur à 10°, de préférence encore inférieur à 5°. On minimise ainsi l’impact de cette séparation sur le débit de la première voie.
[0020] Dans certains modes de réalisation, le diamètre de l’orifice de connexion de la première voie et/ou le diamètre de l’orifice de connexion de la deuxième voie est supérieur à 10 mm, de préférence supérieur à 50 mm. De plus, le diamètre de l’orifice de connexion de la première voie et/ou le diamètre de l’orifice de connexion de la deuxième voie est de préférence inférieur à 300 mm, de préférence inférieur à 200 mm.
[0021 ] Dans certains modes de réalisation, le diamètre de l’orifice de connexion de la première voie est égal au diamètre de l’orifice de connexion de la deuxième voie.
[0022] Dans certains modes de réalisation, la cavité de service est en communication fluidique avec la deuxième voie.
[0023] Dans certains modes de réalisation, la première voie est la voie d’entrée de la vanne et la deuxième voie est la voie de sortie de la vanne. Toutefois, la configuration inverse est envisageable, la vanne pouvant en particulier être réversible.
[0024] Dans certains modes de réalisation, l’obturateur prend la forme d’un manchon cylindrique, de préférence à base circulaire. L’obturateur ferme ainsi progressivement le passage entre la première voie et la deuxième voie de manière sensiblement parallèle à la surface d’interface entre la première voie et la deuxième voie. En conséquence, l’angle formé entre la direction du déplacement de l’obturateur et la direction locale de l’écoulement est faible, inférieur à 45° , de préférence inférieur à 30° ; aiirement dit, l’obturateur lamine le flux lorsqu’il se déplace, donc sans opposer une résistance significative. En particulier, aucune surface de l’obturateur n’est orientée sensiblement perpendiculairement à l’une de deux voies. Dès lors, la manoeuvre de l’obturateur est particulièrement aisée et ne nécessite qu’une puissance réduite. En particulier, cette configuration assure un bon équilibrage des pressions de part et d’autre de l’obturateur. En effet, grâce à un tel obturateur du type laminage, la perte de charge de la vanne n’est pas directement reprise par l’actionneur : on parvient ainsi à découpler la perte de charge et la puissance d’actionnement nécessaire. La puissance requise pour l’actionneur est ainsi significativement réduite.
[0025] Dans certains modes de réalisation, la paroi périphérique de l’obturateur est pleine. La régulation du flux se fait donc par la progression de la bordure d’extrémité de l’obturateur.
[0026] Dans certains modes de réalisation, la paroi périphérique de l’obturateur comprend au moins une découpe. Une telle découpe permet d’obtenir une loi de régulation du débit qui n’est pas simplement proportionnelle à la distance parcourue par l’obturateur. En particulier, la largeur de cette découpe peut être évolutive.
[0027] Dans certains modes de réalisation, la vanne comprend au moins un palier de glissement configuré pour guider le déplacement de l’obturateur. Ce palier permet de guider l’obturateur en minimisant les efforts de friction lors du déplacement. La vanne peut notamment comprendre deux paliers, montés par exemple aux deux extrémités de l’obturateur. Les paliers peuvent par exemple être montés dans des encoches formées dans la surface externe de l’obturateur.
[0028] Dans certains modes de réalisation, la vanne comprend au moins un premier joint monté dans la deuxième voie, en avant de la confluence entre la première voie et la deuxième voie. Ce joint permet d’assurer l’étanchéité de l’obturateur, et donc la fermeture complète de la vanne, lorsque l’obturateur est dans sa première position.
[0029] Dans certains modes de réalisation, la vanne comprend un deuxième joint monté dans la deuxième voie, en arrière de la confluence entre la première voie et la deuxième voie. Ce joint permet d’assurer l’étanchéité de l’obturateur en arrière de la première voie, lorsque le fluide peut atteindre cette zone arrière, notamment lorsque l’obturateur comprend un passage interne..
[0030] Dans certains modes de réalisation, le premier joint est comprimé contre l’obturateur uniquement lorsque l’obturateur se trouve dans sa première position. L’usure du joint est donc réduite. De plus, le premier joint ne frottant pas contre l’obturateur en dehors de la première position, les forces de friction s’exerçant sur l’obturateur sont réduites, ce qui facilite sa manoeuvre. [0031] Dans certains modes de réalisation, le deuxième joint est comprimé contre l’obturateur uniquement lorsque l’obturateur se trouve dans sa première position. L’usure du joint est donc réduite. De plus, le deuxième joint ne frottant pas contre l’obturateur en dehors de la première position, les forces de friction s’exerçant sur l’obturateur sont réduites, ce qui facilite sa manoeuvre.
[0032] Dans certains modes de réalisation, l’obturateur comprend au moins un épaulement configuré pour coopérer avec au moins un joint. En tel épaulement permet de ne comprimer le joint que lorsque l’obturateur est dans une position particulière, typiquement la première position, c’est-à-dire lorsque le joint se retrouve en vis-à-vis de l’épaulement. En particulier, un tel épaulement peut être prévu pour chaque joint. Chaque épaulement peut notamment être précédé par une rampe pour comprimer progressivement le joint et réduire le risque de l’endommager.
[0033] Dans certains modes de réalisation, le premier et/ou le deuxième joint est un joint de butée. En particulier, en dehors du moment où l’obturateur atteint sa première position et met donc le ou les joints en compression, ces joints n’ont pas besoin d’accommoder un déplacement relatif entre le joint et l’obturateur. Il est ainsi possible de se passer de joints dynamiques, ce qui permet de réduire le nombre de pièces soumises à usure, le coût et la complexité de la vanne. En particulier, les joints dynamiques ont une faible durée de vie dans les applications cryotechniques.
[0034] Dans certains modes de réalisation, chaque joint est un joint à lèvre comprenant un expanseur métallique. Une telle configuration est tout particulièrement adaptée lorsque la vanne est traversée par un fluide à basse température, par exemple un ergol cryotechnique.
[0035] Dans certains modes de réalisation, la vanne comprend un organe antirotation monté de manière fixe dans le corps de vanne et configuré pour bloquer la rotation de l’obturateur. Cet organe anti-rotation peut en particulier coopérer directement avec l’obturateur afin de bloquer sa rotation. Cet organe anti-rotation permet d’astreindre l’obturateur à se déplacer exclusivement axialement. Cela peut notamment faciliter le fonctionnement de l’organe de transmission rotatif- linéaire. [0036] Dans certains modes de réalisation, l’organe anti-rotation comprend des fentes radiales dans lesquelles sont engagées des pattes radiales de l’obturateur.
[0037] Dans certains modes de réalisation, la vanne comprend une surface déflectrice montée dans la deuxième voie, à la confluence entre la première voie et la deuxième voie, la surface déflectrice étant profilée de manière à prolonger la première voie dans la deuxième voie. Cette surface déflectrice permet d’assurer une certaine continuité entre la première voie et la deuxième voie malgré l’angle formé entre ces dernières, ce qui permet de réduire la perte de charge à l’interface entre les deux voies.
[0038] Dans certains modes de réalisation, la surface déflectrice est portée par l’organe anti-rotation.
[0039] Dans certains modes de réalisation, l’actionneur est un moteur électrique, de préférence synchrone, de préférence encore à aimants permanents. Toutefois, le moteur électrique pourrait être d’un autre type, notamment asynchrone, par exemple avec un rotor du type cage d’écureuil.
[0040] Dans certains modes de réalisation, le rotor de l’actionneur comprend des aimants permanents. Le rotor, immergé, ne comprend donc aucun organe électrique.
[0041] Dans certains modes de réalisation, le stator de l’actionneur est installé dans une chambre de pilotage entourant la cavité de service, ladite chambre de pilotage étant séparée de la cavité de service de manière étanche par une paroi de séparation. Les organes électriques de l’actionneur sont donc maintenus dans une zone à l’écart du ou des fluides qui traversent la vanne. En particulier, aucun passage physique d’aucune sorte, et donc aucun joint, n’est prévu entre la cavité de service et la chambre de pilotage.
[0042] Dans certains modes de réalisation, l’épaisseur de la paroi de séparation est inférieure à 10 mm, de préférence inférieure à 5 mm, de préférence encore inférieure à 2 mm. En effet, plus cette épaisseur est réduite, plus l’entrefer entre le stator et le rotor de l’actionneur peut être réduit et donc plus le rendement de ce dernier est important. De plus, plus cette épaisseur est réduite, plus les courants de Foucault apparaissant nécessairement dans la paroi sont réduits, ce qui préserve encore mieux le rendement de l’actionneur.
[0043] Dans certains modes de réalisation, la chambre de pilotage est accessible axialement depuis l’arrière du corps de vanne. Ceci permet, le cas échéant, de faciliter la maintenance de l’actionneur. Une trappe peut notamment fermer l’extrémité l’arrière de la chambre de pilotage.
[0044] Dans certains modes de réalisation, le stator de l’actionneur est installé dans la cavité de service. Le stator de l’actionneur est donc également immergé : cette variante est particulièrement adaptée lorsque le fluide traversant la vanne n’est pas conducteur électrique et ne présente pas de risque d’auto-inflammation. Ceci retire la contrainte de devoir prévoir une paroi de séparation entre le rotor et le stator. Le rendement de l’actionneur peut également être amélioré.
[0045] Dans certains modes de réalisation, la vanne comprend un roulement prévu entre le rotor de l’actionneur et la paroi périphérique de la cavité de service. Le roulement est donc immergé. Il peut notamment s’agir d’un roulement à billes.
[0046] Dans certains modes de réalisation, la vanne comprend un résolveur, le rotor du résolveur étant installé dans la cavité de service de manière solidaire au rotor de l’actionneur. Le rotor du résolveur est donc également immergé. Ce résolveur permet de connaitre la position angulaire du rotor et donc d’en déduire la position de l’obturateur. Un tel résolveur peut ainsi contribuer au pilotage de l’actionneur, en particulier contribuer au pilotage des phases électriques de l’actionneur.
[0047] Dans certains modes de réalisation, le stator du résolveur est installé dans la chambre de pilotage. Toutefois, il pourrait également être installé dans la cavité de service dans les cas où le stator de l’actionneur se trouve lui-aussi installé dans la cavité de service.
[0048] Dans certains modes de réalisation, la paroi de séparation comprend au moins une première portion cylindrique possédant un premier diamètre et au moins une deuxième portion cylindrique possédant un deuxième diamètre, différent du premier diamètre. Ceci permet de s’adapter au diamètre respectif du rotor de l’actionneur et du rotor du résolveur.
[0049] Dans certains modes de réalisation, la vanne comprend un module de pilotage configuré pour piloter l’actionneur en fonction d’une consigne. [0050] Dans certains modes de réalisation, l’organe de transmission comprend un ensemble vis-écrou. Une telle configuration est particulièrement pratique et peu coûteuse à mettre en oeuvre.
[0051] Dans certains modes de réalisation, l’ensemble vis-écrou comprend une vis à rouleaux satellites. Une telle configuration permet d’obtenir un pas très fin, pratiquement sans jeu, ce qui assure un pilotage très précis de la position de l’obturateur. Toutefois, dans d’autres modes de réalisation moins exigeants, l’ensemble vis-écrou pourrait comprendre une vis à billes ou encore une vis et un écrou classiques.
[0052] Dans certains modes de réalisation, l’écrou est solidaire du rotor de l’actionneur et la vis est solidaire de l’obturateur.
[0053] Dans certains modes de réalisation, le pas de la vis est compris entre 0,5 et 1 ,5 mm.
[0054] Dans certains modes de réalisation, la course de l’obturateur entre la première position et la deuxième position est supérieure à 10 mm, de préférence supérieure à 50 mm. Elle est de préférence inférieure à 300 mm.
[0055] Dans certains modes de réalisation, l’actionneur est configuré pour déplacer l’obturateur de la deuxième position vers la première position en moins de 1000 ms.
[0056] Dans certains modes de réalisation, l’actionneur est configuré pour amener l’obturateur dans n’importe quelle position intermédiaire entre la première position et la deuxième position.
[0057] Dans certains modes de réalisation, au moins le corps de vanne est fabriqué par fabrication additive. Cela est de préférence également le cas de l’obturateur et/ou de l’organe anti-rotation. L’emploi d’une technique de fabrication additive permet d’obtenir, facilement et de manière relativement peu coûteuse, une géométrie complexe et donc particulièrement optimisée pour le corps de vanne : ceci est notamment particulièrement utile pour l’obtention de la paroi de séparation délimitant la cavité de service. L’emploi d’une technique de fabrication additive est tout particulièrement intéressante ici en raison du faible ratio de surface devant être reprise en usinage traditionnel pour cause d’état de surface ou de précision requise importante. [0058] Dans certains modes de réalisation, la vanne est configurée pour être traversée par un liquide, un gaz ou un fluide diphasique. Dans les applications les plus exigeantes, la pression de ce fluide peut notamment être supérieure à 200 bar et son débit supérieur à 250 L/s. De même, dans les applications les plus exigeantes, la température du fluide peut être comprise entre 15 et 120 K. Toutefois, cette vanne est également tout à fait adaptée pour des applications moins exigeantes, par exemple des applications dans lesquelles la pression de ce fluide est inférieure à 15 bar et/ou dans lesquelles la température de ce fluide est proche de la température ambiante, par exemple comprise entre 270 et 350 K. Selon l’application visée, notamment lorsque le fluide est à température ambiante, certains organes, et en particulier les joints ou l’organe de transmission, peuvent être simplifiés pour répondre aux exigences de l’application visée à moindre coût.
[0059] Dans certains modes de réalisation, la vanne est configurée pour être traversée par un ergol, de préférence cryotechnique. Il peut notamment s’agir d’hydrogène liquide LH2, d’oxygène liquide LOX ou de méthane liquide LCH4.
[0060] Dans certains modes de réalisation, la vanne est configurée pour être traversée par de l’hydrogène gazeux, de l’oxygène gazeux, du méthane gazeux ou encore du kérosène. Par exemple, une telle vanne pourrait être utilisée à bord d’un avion utilisant de l’hydrogène comme carburant. Une telle vanne pourrait également être utilisée à bord d’un navire pour les besoins de sa propulsion.
[0061] Le présent exposé concerne également un moteur, comprenant au moins une vanne selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
[0062] Dans certains modes de réalisation, ce moteur est un moteur de véhicule astronautique, par exemple de lanceur ou de véhicule orbital. Il s’agit de préférence d’un moteur-fusée.
[0063] Dans certains modes de réalisation, ce moteur est un moteur de véhicule aéronautique. Il peut notamment s’agit d’un moteur à hydrogène.
[0064] Dans certains modes de réalisation, ce moteur est un moteur naval.
[0065] Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation de la vanne et du moteur proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.
Brève description des dessins
[0066] Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé.
[0067] Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence.
[0068] [Fig. 1] La figure 1 est un schéma de principe d’un moteur-fusée.
[0069] [Fig. 2] La figure 2 est une vue de face d’un exemple de vanne.
[0070] [Fig. 3] La figure 3 est une vue en coupe selon le plan III de la figure 2, vanne fermée.
[0071] [Fig. 4] La figure 4 est une vue en coupe selon le plan III de la figure 2, vanne ouverte.
[0072] [Fig. 5] La figure 5 est une vue en coupe selon le plan V de la figure 2, vanne ouverte.
Description des modes de réalisation
[0073] Afin de rendre plus concret l’exposé, un exemple de vanne est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.
[0074] La figure 1 représente de manière schématique un moteur fusée. Comme cela a été présenté dans la partie introductive du présent exposé, chaque circuit d’alimentation en ergol 4, 5 comprend une vanne-chambre 4c, 5c régulant le débit d’ergol atteignant la chambre de combustion 2.
[0075] Les figures 2 à 5 illustrent maintenant un exemple de vanne 10 selon l’exposé, pouvant convenir pour former de telles vannes-chambres 4c, 5c. La vanne 10 est donc configurée dans cet exemple pour être traversée par un ergol cryotechnique, par exemple du LH2 ou du LOX, à une pression de l’ordre de 200 bar, une température de l’ordre de 20 à 1 10 K et un débit de l’ordre de 250 L/sec. Toutefois, cette vanne pourrait également être adaptée pour former les vannes de prélèvement 4f, 5f ou les vannes de barrage 4g, 5g, quitte à modifier leurs dimensionnements.
[0076] La vanne 10 comprend un corps de vanne 1 1 comportant une partie principale 12, cylindrique et s’étendant selon un axe principal A, et une volute 20 prévue autour de la portion arrière de la partie principale 12. Le corps de vanne 1 1 est fabriqué en une seule pièce à l’aide d’une technique de fabrication additive.
[0077] La portion avant de la partie principale 12 comprend un passage axial 13 débouchant à l’extrémité avant du corps de vanne 1 1 au niveau d’un orifice de connexion 14 entouré par une bride de connexion 14a. Ce passage axial 13 forme ainsi la deuxième voie II de la vanne 10.
[0078] La portion arrière de la partie principale 12 comprend pour sa part, en son centre, une cavité de service 15 ouverte à son extrémité avant de manière à communiquer fluidiquement avec la deuxième voie II de la vanne 10. La périphérie et l’extrémité arrière de la cavité de service 15 sont pour leur part fermée par une première paroi de séparation 16.
[0079] La portion arrière de la partie principale 12 comprend également, de manière coaxiale à la cavité de service 15, une cavité de manoeuvre 17, annulaire et ouverte à son extrémité avant de manière à communiquer fluidiquement également avec la deuxième voie II. Elle est délimitée sur son côté radialement intérieur par une deuxième paroi de séparation 18.
[0080] La portion arrière de la partie principale 12 comprend également, de manière concentrique entre la cavité de service 15 et la cavité de manoeuvre 17, une chambre de pilotage 19. Cette chambre de pilotage 19 est isolée de manière étanche de la deuxième voie II de la vanne grâce aux première et deuxième parois de séparation 16, 18. Elle est par ailleurs fermée à son extrémité arrière par une trappe amovible 19a permettant le cas échéant d’accéder à la chambre de pilotage 19 depuis l’extérieur de la vanne 10.
[0081 ] La volute 20 forme pour sa part la première voie I de la vanne 10. La volute
20 comprend ainsi un orifice de connexion 21 , également entouré par une bride de connexion 21 a. Cet orifice de connexion 21 a pour direction centrale un axe B formant un angle 0 d’environ 60° avec l’axe principal A. Dans le présent exemple, le diamètre du deuxième orifice de connexion 21 est égal à 90 mm.
[0082] La volute 20 comprend ensuite deux canaux 22a, 22b se divisant à partir d’une arête de séparation 23 s’étendant dans un plan axial en vis-à-vis de l’orifice de connexion 21. Chaque canal 22a, 22b contourne alors la partie principale 12 du corps de vanne 11 d’un côté et de l’autre, de manière symétrique, jusqu’à déboucher chacun dans le passage axial 13 de la partie principale 12 par une ouverture 23a, 23b.
[0083] Dans cet exemple, la première voie I constitue la voie d’entrée, c’est-à-dire la voie amont, de la vanne 10, tandis que la deuxième voie II constitue la voie de sortie, c’est-à-dire la voie aval ; toutefois, la circulation au sein de la vanne 10 pourrait très bien être inversée.
[0084] La vanne 10 comprend en outre un organe anti-rotation 30 prévu dans le passage axial 13 de la deuxième voie II. Plus précisément, cet organe antirotation 30, fabriqué par fabrication additive, est monté de manière rigide sur une couronne structurale 16a marquant la jonction entre les première et deuxième parois de séparation 16 et 18. L’organe anti-rotation 30 comprend une surface périphérique de révolution formant une surface déflectrice 31 avançant dans la deuxième voie II dans le prolongement des canaux 22a, 22b de la première voie I. L’organe anti-rotation 30 comprend également un passage central 32, s’étendant axialement, et une pluralité de fentes de guidage 33, ici au nombre de quatre, s’étendant dans des plans radiaux entre le passage central 32 et la surface déflectrice 31.
[0085] La vanne 10 comprend en outre un obturateur 40 en forme de manchon cylindrique capable de se déplacer linéairement entre une première position extrême, représentée sur la figure 3, et une deuxième position extrême, représentée sur la figure 4. L’obturateur 40 est également fabriqué par fabrication additive.
[0086] Dans la première position extrême, la paroi périphérique 41 de l’obturateur 40, dite paroi d’obturation, s’étend le long de l’intégralité de la surface périphérique du passage axial 13 du corps de vanne 11 , s’interposant ainsi entre la première voie I et la deuxième voie II. Dans cette position, une surface de butée 42 prévue à l’extrémité avant de l’obturateur 40 se trouve en butée contre un épaulement 13a du passage axial 13 tandis que l’extrémité arrière de la paroi d’obturation 41 est engagée dans la cavité de manoeuvre 17.
[0087] Dans la deuxième position extrême, la paroi d’obturation 41 de l’obturateur 40 est intégralement rétractée dans la cavité de manoeuvre 17, son extrémité arrière se trouvant en butée contre le fond de la cavité de manoeuvre 17. Dans cette position, la paroi d’obturation 41 ne dépasse pas du tout sur les ouvertures 23a, 23b des canaux 22a, 22b de la première voie.
[0088] La surface externe de la paroi d’obturation 41 comprend, à proximité de chacune de ses extrémités axiales, une encoche 43 dans laquelle est prévu un palier de glissement 44 afin de guider le mouvement de translation de l’obturateur 40 et réduire les forces de friction s’exerçant lors de ce dernier. En particulier, ce palier de glissement 44 peut être du type segment déformable, par exemple en PTFE ou en matériau dérivé à faible coefficient de frottement.
[0089] La surface externe de la paroi d’obturation 41 comprend également, à proximité de chacune de ses extrémités axiales, un épaulement 45 faisant saillie radialement sur l’ensemble de la paroi d’obturation 41 . Ces épaulements 45 sont ici prévus juste en avant de chaque encoche 43. L’épaulement arrière 45 est de plus précédé ici d’une rampe 46.
[0090] Le corps de vanne 1 1 comprend pour sa part un premier joint 47a, annulaire, monté en avant de la confluence entre la première voie I et la deuxième voie II, ici à l’extrémité avant du passage 13, et un deuxième joint 47b, annulaire, monté en arrière de la confluence entre la première voie I et la deuxième voie II, ici à l’extrémité arrière du passage 13, juste avant la cavité de manoeuvre 17. La distance axiale séparant les joints 47a, 47b est égale à la distance axiale séparant les épaulements 45.
[0091 ] Grâce à une telle configuration, les joints 47a, 47b sont comprimés contre les épaulements 45 lorsque l’obturateur 40 est dans sa première position extrême, ce qui assure l’étanchéité de l’obturateur 40 lorsque la vanne 10 est fermée. En revanche, dans la deuxième position extrême, ainsi que dans toute position intermédiaire, les joints 47a et 47b ne sont pas comprimés, le premier joint 47a ne se situant plus en face de l’obturateur 40 et le deuxième joint 47b faisant face à une portion moins épaisse de la paroi d’obturation 41 .
[0092] Dans le présent exemple, les joints 47a, 47b comprennent une lèvre s’étendant radialement à partir d’un corps possédant une cavité annulaire dans laquelle est insérée un expanseur métallique. Chaque joint 47a, 47b comprend également un talon de retenue en queue d’aronde s’étendant à partir du corps afin d’assurer sa fixation. En particulier, le corps de ces joints 47a, 47b peut être usinée dans un polymère qui garde une certaine élasticité à basse température et qui est compatible avec le fluide véhiculé, par exemple du PTFE chargé. A noter que la structure de ces joints 47a, 47b pourrait être simplifiée pour d’autres applications moins critiques.
[0093] L’obturateur 40 comprend par ailleurs des nervures 48 s’étendant axialement le long de la surface interne de la paroi d’obturation 41 . Le nombre de ces nervures 48 est égal au nombre des fentes de guidage 33 de l’organe antirotation 30, chaque nervure 48 étant engagée dans l’une des fentes de guidage 33. Les nervures 48 se prolongent à leur extrémité avant par des pattes de connexion radiales 49.
[0094] La vanne 10 comprend en outre un actionneur 50, du type moteur électrique, comprenant un rotor 51 et un stator 52. Le rotor 51 de l’actionneur 50, ayant l’axe principal A comme axe de rotation, est logé dans la cavité de service 15 et se trouve donc immergé lorsque la vanne est en service. Il est plus précisément monté en rotation au sein de la cavité de service 15 par l’intermédiaire d’un palier à roulement 53 monté contre la surface interne de la couronne structurale 16a. Un jeu minimal est laissé entre le rotor 51 et la portion 16b de la paroi de séparation 16 qui entoure le rotor 51. De plus, le rotor 51 de l’actionneur 50 comporte un passage central 54, s’étendant le long de l’axe principal A.
[0095] Le stator 52 est logé pour sa part dans la chambre de pilotage 19, plaqué contre la portion 16b de la paroi de séparation 16, de manière concentrique par rapport au rotor 51 . Afin de minimiser l’entrefer entre le rotor 51 et le stator 52, au moins la première portion 16b de la première paroi de séparation 16 possède une épaisseur inférieure à 10mm, de préférence inférieure à 5 mm, de préférence encore inférieure à 2 mm. [0096] Dans le présent exemple, l’actionneur 50 est un moteur électrique synchrone à aimants permanents. Il est du type à pôles lisses avec force électromotrice sinusoïdale à couplage double étoile. L’actionneur 50 comprend ici six paires de pôles. Les aimants du rotor sont encapsulés grâce à des soudures laser et suivent un arrangement alterné ou bien un arrangement Halbach.
[0097] La vanne 10 comprend également un résolveur 55 comprenant lui aussi un rotor 56 et un stator 57. Le rotor 56 du résolveur 55 est lui aussi logé dans la cavité de service 15 et se trouve donc immergé lorsque la vanne 10 est en service. Le rotor 56 du résolveur 55 est solidaire du rotor 51 de l’actionneur 50, dans le prolongement de ce dernier le long de l’axe principal A, sur son côté arrière : le rotor 56 du résolveur 55 a donc également l’axe principal A pour axe de rotation.
[0098] Le rotor 56 du résolveur 55 possédant un diamètre plus faible que le rotor 51 de l’actionneur 50, le diamètre de la première paroi de séparation 16 diminue à partir de l’extrémité arrière de sa première portion cylindrique 16b jusqu’à atteindre une deuxième portion cylindrique 16c dont le diamètre est juste supérieur à celui du rotor 56 du résolveur 55, à un jeu près. Le diamètre de la première paroi de séparation continue ensuite de diminuer jusqu’à s’annuler, fermant ainsi l’extrémité arrière de la cavité de service 15. De plus, le rotor 56 du résolveur 55 comporte un passage central 59, s’étendant le long de l’axe principal A.
[0099] Le stator 57 du résolveur 55 est pour sa part logé dans la chambre de pilotage 19, plaqué contre la portion 16c de la paroi de séparation 16, de manière concentrique par rapport au rotor 56. Dans le présent exemple, le résolveur 55 est un résolveur sans balai bifilaire.
[0100] La vanne 10 comprend également un module de pilotage, logé dans la chambre de pilotage 19, permettant de piloter l’actionneur en fonction d’une consigne transmise à la vanne 10. A cet égard, dans le présent exemple, le pilotage de l’actionneur 50 est effectué en boucle fermée par une commande de courant sinus via le retour de position fourni par le résolveur 55.
[0101 ] La vanne 10 comprend en outre un organe de transmission rotatif-linéaire 60.
Cet organe de transmission 60 comprend d’une part un écrou à rouleaux 61 solidaire du rotor 51 de l’actionneur 50. Cet écrou à rouleaux 61 est plus précisément monté à l’extrémité avant du rotor 51 , de manière centrée sur l’axe principal A. L’écrou à rouleaux 61 tourne donc autour de l’axe principal A de manière solidaire au rotor 51 de l’actionneur 50.
[0102] L’organe de transmission 60 comprend d’autre part une vis 62 s’étendant axialement, le long de l’axe principal A, en prise avec l’écrou à rouleaux 61 . La rotation de l’écrou à rouleaux 61 entraîne donc la translation de la vis 62 le long de l’axe principal A, la vis 62 étant capable de progresser vers l’avant à travers le passage central 32 de l’organe anti-rotation et vers l’arrière à travers les passages centraux 54 et 59 des rotors 51 et 56 de l’actionneur 50 et du résolveur 55.
[0103] La vis 62 comprend de plus, à son extrémité avant, une pièce de connexion 63 permettant de joindre les pattes de connexion radiales 49 de l’obturateur 40 et de les connecter rigidement à la vis 62. Ainsi, lorsque la vis 62 progresse vers l’avant ou vers l’arrière, elle entraîne solidairement en translation l’obturateur 40.
[0104] A cet égard, que ce mouvement de l’obturateur 40 et de la vis 62 est purement axial puisque les fentes de guidage 32 de l’organe anti-rotation 30 empêchent l’obturateur 40, et donc la vis 62, de tourner autour de l’axe principal A.
[0105] Ainsi, l’actionneur 50 est capable d’amener l’obturateur 40 dans n’importe quelle position entre ses deux positions extrême de manière rapide et précise. Dans le présent exemple, l’actionneur 50 est ainsi capable de manoeuvrer l’obturateur 40 de sa première position extrême, complètement fermée, à sa deuxième position extrême, complètement ouverte, en moins d’une seconde avec une puissance électrique inférieure à 2000 W (avec une tension d’alimentation comprise entre 50 et 400V).
[0106] 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.
[0107] 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] Vanne, comprenant un corps de vanne (11), comportant une première voie (I) et une deuxième voie (II), un obturateur (40), mobile, configuré pour régler la section de passage entre la première voie (I) et la deuxième voie (II), et un actionneur (50), électrique, configuré pour régler la position de l'obturateur (40), dans laquelle l'obturateur (40) est apte à se déplacer linéairement entre une première position, dans laquelle il s'interpose complètement entre la première voie (I) et la deuxième voie (II), portant à 0 la section de passage entre la première voie (I) et la deuxième voie (II), et une deuxième position, dans laquelle la section de passage entre la première voie (I) et la deuxième voie (II) est portée à une valeur maximale, dans laquelle l'actionneur (50) comprend un rotor (51) installé dans une cavité de service (15) du corps de vanne (11), ladite cavité de service (15) étant en communication fluidique avec la première voie (I) ou la deuxième voie (II), et dans laquelle l'actionneur (50) est configuré pour entraîner le déplacement de l'obturateur (40) par l'intermédiaire d'un organe de transmission rotatif- linéaire (60).
[Revendication 2] Vanne selon la revendication 1, dans laquelle la deuxième voie (II) s'étend selon un axe principal (A) de la vanne (10) et la première voie (I) forme un angle (0) non nul avec ledit axe principal (A).
[Revendication 3] Vanne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la première voie (I) comprend un orifice de connexion (21) et se divise en deux canaux (22a, 22b), chaque canal (22a, 22b) contournant l'axe principal (A) d'un côté différent de la vanne (10) avant de déboucher dans la deuxième voie (II).
[Revendication 4] Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'obturateur (40) prend la forme d'un manchon cylindrique.
[Revendication 5] Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant deux joints (47a, 47b), un premier joint (47a) étant monté dans la deuxième voie (II), en avant de la confluence (23a, 23b) entre la première voie (I) et la deuxième voie (II), et un deuxième joint (47b) étant monté dans la deuxième voie (II), en arrière de la confluence (23a, 23b) entre la première voie (I) et la deuxième voie (II).
[Revendication 6] Vanne selon la revendication 5, dans laquelle le premier joint (47a) est comprimé contre l'obturateur (40) uniquement lorsque l'obturateur (40) se trouve dans sa première position, et dans laquelle le deuxième joint (47b) est comprimé contre l'obturateur (40) uniquement lorsque l'obturateur (40) se trouve dans sa première position.
[Revendication 7] Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant un organe anti-rotation (30) monté de manière fixe dans le corps de vanne (11) et configuré pour bloquer la rotation de l'obturateur (40).
[Revendication 8] Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant une surface déflectrice (31) montée dans la deuxième voie (II), à la confluence (23a, 23b) entre la première voie (I) et la deuxième voie (II), la surface déflectrice (31) étant profilée de manière à prolonger la première voie (I) dans la deuxième voie (II).
[Revendication 9] Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle l'actionneur (50) est un moteur électrique, de préférence synchrone, de préférence encore à aimants permanents.
[Revendication 10] Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle le stator (52) de l'actionneur (50) est installé dans une chambre de pilotage (19) entourant la cavité de service (15), ladite chambre de pilotage (19) étant étanche et séparée de la cavité de service (15) par une paroi de séparation (16).
[Revendication 11] Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle l'organe de transmission (60) comprend une vis (62) et un écrou (61), l'écrou (61) étant de préférence un écrou à rouleaux.
[Revendication 12] Moteur, comprenant au moins une vanne (10) selon l'une quelconque des revendications l à 11.
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