FR2499641A1 - Pipe stress limiting hydraulic accumulator - uses pressurised gas to stabilise fluid pressure in casing surrounding pipe - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif à accumulateur hydraulique pour la limitation des contraintes appliquées à une canalisation d'alimentation en fluide.Hydraulic accumulator device for limiting the stresses applied to a fluid supply pipe.
La présente invention a pour objet un dispositif à accumulateur hydraulique pour la limitation des contraintes appliquées à une canalisation principale d'alimentation en fluide de travail corrosif sous pression, du type comprenant une enceinte additionnelle située à proximité de la canalisation et définissant une cavité mise en communication avec l'intérieur de la canalisation par une série d'orifices ménagés dans la paroi de la canalisation. The present invention relates to a hydraulic accumulator device for limiting the stresses applied to a main pipe for supplying corrosive working fluid under pressure, of the type comprising an additional enclosure located near the pipe and defining a cavity communication with the interior of the pipeline through a series of holes in the wall of the pipeline.
Les systèmes d'alimentation en fluide combustible ou comburant de moteurs ou chambres de propulsion d'engins à partir d'un réservoir sont souvent l'objet de contraintes importantes dues aux vibrations auxquelles sont soumises les structures, par suite des couplages existant entre canalisations, fluides et carters et des modifications induites par la vidange du réservoir. Le problème est particulièrement aigu dans le cas d'un étage de propulseur fusée à ergols liquides. Fuel or oxidant fluid supply systems for engines or engine propulsion chambers from a tank are often subject to significant stresses due to the vibrations to which the structures are subjected, as a result of the couplings existing between pipes, fluids and crankcases and modifications induced by the emptying of the tank. The problem is particularly acute in the case of a rocket propellant stage with liquid propellants.
En effet, dans ce cas, la géométrie des canalisations et des structures du réservoir ou du propulseur reste fixe tandis que, au fur et a mesure de la consommation d'ergol, la pression de liquide dans les tuyauteries évolue et crée des oscillations pouvant provoquer des phénomènes de résonance qui obligent à augmenter très fortement la rigidité des structures et à réaliser une configuration de canalisation complexe pour assurer une résistance face aux vibrations basse fréquence dues aux phénomènes de couplage précités et connus sous le nom d'effet Pogo.Indeed, in this case, the geometry of the pipes and structures of the tank or propellant remains fixed while, as fuel is consumed, the liquid pressure in the pipes changes and creates oscillations which can cause oscillations resonance phenomena which make it necessary to very greatly increase the rigidity of the structures and to produce a complex channeling configuration to ensure resistance to low frequency vibrations due to the above-mentioned coupling phenomena and known under the name of Pogo effect.
On a déjà utilisé des accumulateurs hydrauliques servant de capacité pour amortir certains effets de variations de pression lors de l'écoulement de fluides dans des canalisations. Toutefois, dans le cas de liquides corrosifs, l'utilisation de membranes s'avère problématique compte tenu de itabsence de materiau répondant à toutes les spécifications requises. Hydraulic accumulators have already been used as a capacity to absorb certain effects of pressure variations during the flow of fluids in pipes. However, in the case of corrosive liquids, the use of membranes is problematic given the absence of material meeting all the required specifications.
La présente invention vise précisément réaliser un dispositif correcteur qui permette de pallier les inconvénients précités dus à l'effet Pogo, ou, d'une manière générale, dus à des phénomènes de circulation de fluide dans des canalisations. The present invention specifically aims to provide a corrective device which overcomes the aforementioned drawbacks due to the Pogo effect, or, in general, due to phenomena of fluid circulation in pipes.
Ces buts sont atteints grâce à un dispositif qui comprend en outre des moyens d'admiss#ion, ds la partie supérieure de la cavité, d'un fluide gazeux sous pression et une conduite d 'évacuation prenant naissance à un niveau prédéterminé de l'enceinte additionnelle au-dessus des orifices d'admission du fluide de la canalisation principale et débouchant à l'extérieur de l'enceinte à une pression inférieure à celle dudit fluide gazeux, afin de déterminer un niveau moyen de fluide présent dans l'enceinte correspondant audit niveau prédéterminé et assurer une stabilisation automatique de la pression de fluide dans la canalisation principale par accumulation sélective de fluide dans ladite enceinte.La conduite d'évacuation peut déboucher dans la canalisation principale en amont de l'enceinte. L'e.- ceinte additionnelle peut être réaliser de manière a e:- tourer localement la canalisation sur une faible hauteur. These aims are achieved by means of a device which furthermore comprises means for supplying, in the upper part of the cavity, a gaseous fluid under pressure and an evacuation pipe originating at a predetermined level of the additional enclosure above the fluid intake openings of the main pipe and opening to the outside of the enclosure at a pressure lower than that of said gaseous fluid, in order to determine an average level of fluid present in the corresponding enclosure at said predetermined level and ensure automatic stabilization of the fluid pressure in the main pipe by selective accumulation of fluid in said enclosure. The evacuation pipe can lead into the main pipe upstream of the enclosure. The additional enclosure can be carried out in such a way as to: - locally turn the pipeline to a small height.
De préférence, les orifices de communication entre la canalisation principale et la cavité de l'enceinte sont répartis en séries d'orifices situés dans des plans radiaux de la canalisation et un piston coulissant axialement dans l'enceinte est disposé de ma nière à pouvoir obturer sélectivement une ou plusieurs séries d'orifices de communication entre la canalisation et la cavité de l'enceinte pour modifier la section de passage du fluide de travail pénétrant dans l'enceinte. Preferably, the communication orifices between the main pipe and the cavity of the enclosure are distributed in series of orifices located in radial planes of the pipe and a piston sliding axially in the enclosure is arranged so as to be able to be closed. selectively one or more series of communication orifices between the pipe and the cavity of the enclosure to modify the passage section of the working fluid entering the enclosure.
Le mouvement du piston dans l'enceinte est commandé pneumatiquement, une chambre annulaire d'admission d'un fluide gazeux de commande étant ménagée entre une paroi inférieure du piston et le fond de l'enceinte. The movement of the piston in the enclosure is pneumatically controlled, an annular inlet chamber for a gaseous control fluid being formed between a lower wall of the piston and the bottom of the enclosure.
Selon un mode de réalisation particuliè- rement simple, l'enceinte comprend une paroi latérale cylindrique coaxiale à la canalisation principale et le piston comprend une première section cylindrique supérieure coulissant à l'intérieur de l'enceinte le long de ladite paroi latérale de l'enceinte, une seconde section cylindrique inférieure coulissant à l'intérieur de l'enceinte le long de la paroi de la canalisation principale et une troisième partie formant fond et raccordant la partie inférieure de la première section cylindrique supérieure à la partie supérieure de la deuxième section cylindrique inférieure. According to a particularly simple embodiment, the enclosure comprises a cylindrical side wall coaxial with the main pipe and the piston comprises a first upper cylindrical section sliding inside the enclosure along said side wall of the enclosure, a second lower cylindrical section sliding inside the enclosure along the wall of the main pipe and a third part forming the bottom and connecting the lower part of the first upper cylindrical section to the upper part of the second section cylindrical lower.
Le dispositif correcteur selon 1' inven- tion peut comprendre un réservoir commun de fluide gazeux pour l'alimentation de la partie supérieure de la cavité de l'enceinte et pour la commande des mouvements du piston. The corrective device according to the invention may comprise a common reservoir of gaseous fluid for supplying the upper part of the cavity of the enclosure and for controlling the movements of the piston.
Dans ce cas, un détendeur commun principal est associé au réservoir commun de fluide gazeux et des vannes de commande distinctes sont disposées en aval du détendeur dans des circuits d'alimentation en fluide gazeux respectivement de la partie supérieure de la cavité de l'enceinte et de la chambre annulaire de commande des mouvements du piston. In this case, a main common regulator is associated with the common gas fluid reservoir and separate control valves are arranged downstream of the regulator in gaseous fluid supply circuits respectively from the upper part of the chamber cavity and of the annular piston control chamber.
Selon une application particulièrement importante, le dispositif correcteur à accumulateur hydraulique est associé à une canalisation d'alimentation en ergol d'un propulseur fusée et l'enceinte est disposée sur la canalisation d'alimentation entre un réservoir d'ergol et une turbopompe d'alimentation du propul seur fusée, afin d'atténuer l'effet Pogo. According to a particularly important application, the corrector device with hydraulic accumulator is associated with an ergol supply line for a rocket propellant and the enclosure is disposed on the supply line between a propellant tank and a turbopump. powering the rocket propellant, in order to reduce the Pogo effect.
D'autres cractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui fait suite d'un mode particulier de réalisation, donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels
- la figure 1 est une vue schématique d'ensemble d'un dispositif a accumulateur hydraulique selon l'invention associé à son circuit de commande,
- les figures 2a a 2e représentent ltévolution de paramètres en fonction du temps en différents points du circuit de la figure 1,
- la figure 3 est une vue de détail agrandie de la partie du dispositif de la fig 1 qui coopère directement avec la canalisation à équiper du dispositif correcteur, la vue comprenant deux demi-coupes axiales dans des plans différents montrant le piston dans deux positions différentes de fonctionnement, et,
- la figure 4 est une vue schématique montrant l'implantation du dispositif selon l'invention dans un ensemble d'alimentation d'un propulseur fusée.Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows a particular embodiment, given solely by way of nonlimiting example, with reference to the appended drawings, in which
FIG. 1 is a diagrammatic overall view of a hydraulic accumulator device according to the invention associated with its control circuit,
FIGS. 2a to 2e represent the evolution of parameters as a function of time at different points of the circuit of FIG. 1,
- Figure 3 is an enlarged detail view of the part of the device of Fig 1 which cooperates directly with the pipe to be fitted with the correcting device, the view comprising two axial half-sections in different planes showing the piston in two different positions operating, and,
- Figure 4 is a schematic view showing the installation of the device according to the invention in a supply assembly of a rocket propellant.
On voit sur la figure 1 le schéma d'ensemble d'un dispositif selon l'invention destiné à réduire les vibrations susceptibles de survenir par suite de variations de pression hydrostatique dans une canalisation principale 8 parcourue par un fluide 80, ces variations de pression intervenant par exemple lorsqu'un réservoir alimentant la canalisation 8 en fluide se trouve déjà en grande partie vide de son contenu. FIG. 1 shows the overall diagram of a device according to the invention intended to reduce the vibrations liable to occur as a result of variations in hydrostatic pressure in a main pipe 8 traversed by a fluid 80, these variations in pressure occurring for example when a reservoir supplying the pipe 8 with fluid is already largely empty of its content.
Le dispositif de la figure 1 comprend essentiellement un ensemble 100 qui coopère directement avec la canalisation 8 et un dispositif de commande 200 destiné à réaliser l'alimentation en fluide gazeux du système 100, qui contribue à assurer une stabilisation de la pression de fluide de travail 80 dans la canalisation 8. The device of FIG. 1 essentially comprises an assembly 100 which cooperates directly with the pipe 8 and a control device 200 intended to supply the gaseous fluid to the system 100, which contributes to ensuring stabilization of the working fluid pressure 80 in line 8.
L'ensemble 100 comprend essentiellement une enceinte 110 qui entoure la canalisation 8 sur une hauteur limitée et peut se composer d'un fond 111, d'une paroi latérale 117 et d'un couvercle 112 qui peut titre forme par une bride solidaire de la canalisation 8. The assembly 100 essentially comprises an enclosure 110 which surrounds the pipe 8 over a limited height and can consist of a bottom 111, a side wall 117 and a cover 112 which can be formed by a flange secured to the pipeline 8.
Dans l'exemple représenté aux Fig. 1 et 3, le fond 111 et la paroi latérale 117 de l'enceinte 110 constituent un pot dont le rebord supérieur 118 est raccordé à l'extrémité 119 de la bride 112 par des moyens de liaison 115. Des joints 113 et 114 (Fig 3) assurent l'étanchéité d'une part entre la canalisation 8 et le fond 111 de l'enceinte 110 et d'autre part, entre le rebord supérieur 118 et la bride 112. Il est ainsi constitué à l'intérieur de l'enceinte 110 une cavité de révolution 116 qui est mise en communication avec l'intérieur de la canalisation 8 par des orifices 82, 83 répartis dans des plans radiaux de la canalisation 8. In the example shown in Figs. 1 and 3, the bottom 111 and the side wall 117 of the enclosure 110 constitute a pot, the upper rim 118 of which is connected to the end 119 of the flange 112 by connection means 115. Joints 113 and 114 (Fig. 3) seal on the one hand between the pipe 8 and the bottom 111 of the enclosure 110 and on the other hand, between the upper flange 118 and the flange 112. It is thus formed inside the enclosure 110 a cavity of revolution 116 which is placed in communication with the interior of the pipe 8 by orifices 82, 83 distributed in radial planes of the pipe 8.
Dans l'exemple de la figure 3, on peut voir une première série de six orifices 82 dans un premier plan radial supérieur et une deuxième série de seize orifices 83, de plus grande section, disposés dans un second plan radial inférieur, les orifices étant régulièrement répartis autour de la canalisation. In the example of FIG. 3, we can see a first series of six orifices 82 in a first upper radial plane and a second series of sixteen orifices 83, of larger section, arranged in a second lower radial plane, the orifices being regularly distributed around the pipeline.
Un piston 120 monté coulissant dans la cavité 116 de l'enceinte 110 est prévu pour obturer se- lectivement l'une au moins des séries d'orifices 82, 83. A piston 120 mounted to slide in the cavity 116 of the enclosure 110 is provided for selectively closing at least one of the series of orifices 82, 83.
Le piston 120 comprend un premier tronçon cylindrique supérieur 121 coulissant le long de la paroi cylindrique latérale 117 de l'enceinte 110, un deuxième tronçon cylindrique inférieur 122 coulissant le long de la canalisation 8 et une partie 123 de raccordement entre la partie supérieure du tronçon 122 et la partie inférieure du tronçon 121. The piston 120 comprises a first upper cylindrical section 121 sliding along the lateral cylindrical wall 117 of the enclosure 110, a second lower cylindrical section 122 sliding along the pipe 8 and a part 123 for connection between the upper part of the section 122 and the lower part of the section 121.
Dans une première position basse, représentée sur la figure 1 et la partie droite de la figure 3, le piston 120 repose sur le fond 111 de l'enceinte 110 et dégage l'ensemble des orifices 82, 83 Dans une deuxième position haute, représentée sur la partie gauche de la figure 3, le piston 120 vient en butée contre la bride 112 et obture la deuxième série d'orifices 83, ne permettant plus une communication entre l'intérieur de la canalisation 8 et la cavité 116 qu'au niveau de la première série d'orifices 82 de-section réduite. Le déplacement du piston 120 permet ainsi d'ajuster la section de passage du fluide 80 entre la canalisation 8 et la cavité 116 de l'enceinte 110. In a first low position, represented in FIG. 1 and the right part of FIG. 3, the piston 120 rests on the bottom 111 of the enclosure 110 and releases all of the orifices 82, 83 In a second high position, represented on the left side of FIG. 3, the piston 120 abuts against the flange 112 and closes the second series of orifices 83, no longer allowing communication between the interior of the pipe 8 and the cavity 116 except at the level of the first series of orifices 82 of reduced section. The displacement of the piston 120 thus makes it possible to adjust the cross section of the fluid 80 between the pipe 8 and the cavity 116 of the enclosure 110.
Naturellement, les orifices 82, 83 pourraient entre répartis en plus de deux séries superposées et le piston pourrait alors présenter plus de deux positions, allant d1une position basse dans laquelle tous les orifices sont obturés, en passant par des positions intermédiaires dans lesquelles un nombre progressif de séries d'orifices est obture, de manière à accroître la finesse de réglage de la section de passage du liqui de. Naturally, the orifices 82, 83 could be distributed in more than two superimposed series and the piston could then have more than two positions, going from a low position in which all the orifices are closed, passing through intermediate positions in which a progressive number series of orifices is closed, so as to increase the fineness of adjustment of the passage section of the liquid.
Une chambre annulaire 130 est ménagée -en- tre le piston 120 et le fond 111 de l'enceinte 110. Une canalisation 151 débouchant dans la chambre annulaire 130 permet l'admission d'un fluide sous pression dans la chambre 130 afin de commander les mouvements de déplacement du piston 120. An annular chamber 130 is provided - between the piston 120 and the bottom 111 of the enclosure 110. A pipe 151 opening into the annular chamber 130 allows the admission of a pressurized fluid into the chamber 130 in order to control the displacement movements of the piston 120.
Des joints toriques 125, 126 assurent l'étanchéité entre le tronçon supérieur 121 du piston 120 tandis qu'un joint torique 124 assure l'étanchéité entre la canalisation 8 et le tronçon Inférieur 122 du piston 120 isolant ainsi la chambre annulaire 130 de la cavité i16 en communication avec l'intérieur de la canalisation 8. O-rings 125, 126 seal between the upper section 121 of the piston 120 while an O-ring 124 seals between the pipe 8 and the lower section 122 of the piston 120 thus isolating the annular chamber 130 from the cavity i16 in communication with the interior of pipeline 8.
Conformément à l'invention, (voir fig 1),
il est ménagé à la partie supérieure de l'enceinte 110,
dans la bride 112, des moyens 160 d'admission d'un gaz
sous pression dans la partie supérieure 170 de la cavité
116, qui permet de réaliser un asservissement automati
que du niveau du fluide 180 présent dans l'enceinte 116
autour d'un niveau moyen prédéterminé. Afin de tenir compte du phé
nomène de dissolution du gaz dans le liquide 180 en fonctionnement,
l'alimentation en gaz sous pression par l'orifice 160 est maintenue
en permanence et il est installé une conduite d'évacuation 140 dont
l'orifice d'entrée 141 est situé au niveau prédéterminé auquel doit
etre maintenu le niveau moyen de la surface libre du liquide
180.L'orifice de sortie 142 de la conduite d'évacuation
140, qui doit se situer à un niveau de pression infé
rieur à la pression présente au niveau de l'orifice d'en
trée 141, peut simplement se trouver à l'extérieur de
l'enceinte 110 et constituer un orifice de purge. Toute
fois, dans la mesure où une partie du fluide 180 peut également s'échapper par la conduite 140, il est préférable que l'extrémité 142 débouche dans la canalisation principale 8, en amont de l'ensemble du système correcteur 100. Par ailleurs, la longueur de la conduite 140 peut etre réglable pour ajuster la position de l'orifice d'admission 141.In accordance with the invention, (see fig 1),
it is arranged in the upper part of the enclosure 110,
in the flange 112, means 160 for admitting a gas
under pressure in the upper part 170 of the cavity
116, which enables automatic control
that of the level of the fluid 180 present in the enclosure 116
around a predetermined average level. In order to take into account the phe
nomene for dissolving the gas in the liquid 180 in operation,
the supply of pressurized gas through port 160 is maintained
permanently and there is installed a discharge pipe 140 of which
inlet 141 is located at the predetermined level at which
maintain the average level of the free surface of the liquid
180.The outlet 142 of the exhaust pipe
140, which must be at a lower pressure level
laughing at the pressure present at the orifice
very 141, may just be outside of
the enclosure 110 and constitute a purge orifice. Any
times, insofar as part of the fluid 180 can also escape via the line 140, it is preferable for the end 142 to open into the main pipe 8, upstream of the entire correction system 100. Furthermore, the length of the pipe 140 can be adjustable to adjust the position of the intake orifice 141.
Le système correcteur 100 comprend ainsi, à l'intérieur de l'enceinte 110, un ensemble équivalent à un système oscillatoire amorti comprenant une inductance réalisée par les orifices 82, 83 de passage du
fluide 80 entre l'intérieur de la canalisation 8 et la cavité 116, et une capacité constituée par le volume de
fluide 180 contenu à l'intérieur de l'enceinte 110, dans
la cavité 116.Les caractéristiques du système correc
teur peuvent ainsi etre ajustées soit å l'aide de l'en
semble d'application de gaz sous pression dans la par tie supérieure 170 de la cavité 116, afin de modifier la capacité constituée par le volume fluide moyen 180, soit à l'aide de l'ensemble de commande du déplacement du piston 120 qui permet de modifier également la section de passage des orifices 82, 83 et par suite de modifier la valeur de l'inductance équivalente.The corrector system 100 thus comprises, inside the enclosure 110, an assembly equivalent to a damped oscillatory system comprising an inductance produced by the orifices 82, 83 for passage of the
fluid 80 between the interior of the pipe 8 and the cavity 116, and a capacity constituted by the volume of
fluid 180 contained inside the enclosure 110, in
the cavity 116.The characteristics of the correct system
can be adjusted either with the help of the
seems to apply pressurized gas in the upper part 170 of the cavity 116, in order to modify the capacity constituted by the average fluid volume 180, that is to say with the aid of the control assembly for the displacement of the piston 120 which allows to also modify the passage section of the orifices 82, 83 and consequently to modify the value of the equivalent inductance.
On décrira maintenant en référence aux figures 1 et 2a à 2e le circuit 200 de commande pneumatique relié à l'ensemble correcteur 100 par les canalisations 151, 161 d'alimentation en gaz de la chambre 130 et de l'espace 170 respectivement. Will now be described with reference to Figures 1 and 2a to 2e the pneumatic control circuit 200 connected to the corrector assembly 100 by the pipes 151, 161 for supplying gas to the chamber 130 and the space 170 respectively.
Le circuit de commande 200 représenté sur la figure 1 comprend essentiellement un réservoir 210 de fluide sous pression qui peut entre gonflé à une pression prédéterminée à l'aide d'un groupe -de commande 400 extérieur au système, à partir a d'une ligne d'alimen- tation 401 munie d'un clapet anti-retour 410. Le gonflage du réservoir s'effectue par l'intermédiaire d'un ré gulateur de débit 201 muni de filtres appropriés, d'un distributeur 202 commandé par un moteur 203 et d'un filtre 204.La pression pneumatique PD provenant du réservoir 210 et présente au point D, qui correspond à la sortie du distributeur 202; est appliquée par une ligne 214 comprenant un filtre 205,à un détendeur 206 dont la sortie E est connectée à deux distributeurs 207, 208 assurant la commande de l'alimentation en gaz de la chambre annulaire 130 et de l'espace 170 de la cavité 116. The control circuit 200 shown in FIG. 1 essentially comprises a reservoir 210 of pressurized fluid which can be inflated to a predetermined pressure by means of a control group 400 external to the system, from a line supply 401 provided with a non-return valve 410. The reservoir is inflated by means of a flow regulator 201 provided with suitable filters, a distributor 202 controlled by a motor 203 and of a filter 204. The pneumatic pressure PD coming from the reservoir 210 and present at point D, which corresponds to the outlet of the distributor 202; is applied by a line 214 comprising a filter 205, to a regulator 206 whose output E is connected to two distributors 207, 208 ensuring the control of the gas supply to the annular chamber 130 and the space 170 of the cavity 116.
Le distributeur 207 alimente par l'intermédiaire d'un filtre 211 un réseau 155 de canalisations telles que 151 reliées à des chambres telles que 130 de dispositifs correcteurs tels que celui désigné par la référence 100. The distributor 207 supplies, via a filter 211, a network 155 of pipes such as 151 connected to chambers such as 130 of corrective devices such as that designated by the reference 100.
De même, le distributeur 208 alimente par l'intermédiai- re d'un clapet tare anti-retour 209 et d'un filtre 212, un réseau 165 de canalisations telles que 161 reliées chacune par l'intermédiaire de filtres-régulateurs tels que 213 à un orifice 160 débouchant dans un espace 170 d'un dispositif correcteur 100. Il est ainsi possible de réaliser la commande simultanée de plusieurs dispositifs correcteurs tels que 100 tout en conservant un circuit de commande 200 dont de nombreux éléments sont communs à la commande des divers dispositifs correcteurs 100.Similarly, the distributor 208 supplies, via a non-return tare valve 209 and a filter 212, a network 165 of pipes such as 161 each connected by means of filter-regulators such as 213 to an orifice 160 opening into a space 170 of a corrective device 100. It is thus possible to carry out the simultaneous control of several corrective devices such as 100 while retaining a control circuit 200 of which many elements are common to the control of the various corrective devices 100.
Le fonctionnement du système de la fig 1 sera plus particulièrement décrit dans son application en tant que système correcteur anti-pogo visant à limiter les vibrations de résonance pouvant intervenir dans la structure d'un étage de propulseur fusée par suite des phénomènes de circulation de fluide dans les canalisations d'alimentation en propergol. On a schématisé sur la fig. 4, la structure d'ensemble d'un moteur de propulseur fusée avec les différents circuits d'alimentation en fluides, et la localisation dans cette structure d'un dispositif correcteur 100 conforme à l'invention. Cette structure inclut un ensemble turbo-pompe qui correspond sensiblement à la description faite dans le brevet français n0 2 040 548. The operation of the system of FIG. 1 will be more particularly described in its application as an anti-pogo corrective system aiming to limit the resonance vibrations that can intervene in the structure of a rocket propellant stage as a result of fluid circulation phenomena. in the propellant supply lines. We have schematized in fig. 4, the overall structure of a rocket propellant engine with the various fluid supply circuits, and the location in this structure of a corrective device 100 according to the invention. This structure includes a turbo-pump assembly which corresponds substantially to the description made in French Patent No. 2,040,548.
Un support central 1 surmonte une chambre de combustion 11 dans laquelle sont injectés par les systèmes d'injection 2 et 3 un comburant et un combustible non cryogéniques qui peuvent etre par exemple du peroxyde d'azote (N204) et de 1'UDMH. Le support central 1 supporte un ensemble turbo-pompe destiné à permettre l'alimentation de la chambre de combustion du moteur fusée à une pression élevée. L'ensemble turbo-pompe peut regrouper deux parties sensiblement équilibrées.L'une des parties comprend la pompe 4 d'un premier ergol (le combustible) et le tore 17 d'admission des gaz provenant d'un générateur de gaz 16 et destinés d'une part à réaliser la pressurisation des réservoirs d'ergols, non représentes et d'autre part à alimenter des roues de turbine 18 qui, également incluses avec un tore d'échappement 19, dans ladite première partie de l'ensemble turbopompe, permettent l'emtratnement des diverses pompes. A central support 1 surmounts a combustion chamber 11 into which are injected by the injection systems 2 and 3 a non-cryogenic oxidant and fuel which can be, for example, nitrogen peroxide (N204) and UDMH. The central support 1 supports a turbo-pump assembly intended to allow the supply of the combustion chamber of the rocket engine at a high pressure. The turbo-pump assembly can combine two substantially balanced parts. One of the parts comprises the pump 4 of a first propellant (the fuel) and the toroid 17 for admitting the gases coming from a gas generator 16 and intended firstly to pressurize the fuel tanks, not shown and secondly to supply turbine wheels 18 which, also included with an exhaust toroid 19, in said first part of the turbopump assembly, allow the storage of various pumps.
Une deuxième partie comprend une pompe 5 d'alimentation en second ergol (le carburant) et une pompe à eau 20 alimentée depuis un réservoir, non représenté, par l'in termédiaire d'une vanne 21. Dans le mode de réalisation représenté, le combustible est fourni au système d'injection 3 depuis la pompe 4 par une canalisation coudée 6 tandis que le comburant est fourni directement au moteur par la pompe 5 à travers le support central 1 Les références 22 et 23 désignent un commutateur de gaz chauds et un filtre de gaz chauds associes à un régulateur thermique.A second part comprises a pump 5 for supplying the second propellant (the fuel) and a water pump 20 supplied from a tank, not shown, by means of a valve 21. In the embodiment shown, the fuel is supplied to the injection system 3 from the pump 4 by a bent pipe 6 while the oxidant is supplied directly to the engine by the pump 5 through the central support 1 The references 22 and 23 designate a hot gas switch and a hot gas filter associated with a thermal regulator.
Les alimentations en fluides sont régularisées à l'aide d'un régulateur principal 15 qui assure aussi bien la régularisation des débits des deux ergols, que celle du débit de l'eau de refroidissement des gaz du générateur 16, en égalisant la pression du foyer moteur et la pression pilote de fluide gazeux, constitue par de l'azote.Un régulateur d'équilibre 14 incorporé dans le support central 1 au voisinage de la pompe 5 et coopérant par un circuit d'huile avec un pot d'équilibre de combustible 24 et un pot d'équilibre de comburant 25 maintient au méme niveau les pressions des deux ergols avant l'entrée dans l'injecteur 2 du moteur pour éviter le changement du rapport de mélange pendant le vol, pro voqué par l'augmentation des accélérations et la diminution de hauteur des colonnes hydrauliques a l'intérieur du système de canalisations d'alimentation en ergols raccordées par des vannes 12, 13 aux réservoirs de stockage des ergols, non représentés. Les parties de canalisation 7, 8 en forme de tibias, situées en aval des vannes 12, 13 sont raccordées à l'ensemble turbo-pompe par des coudes 9, 10. The fluids supplies are regulated using a main regulator 15 which regulates both the flow rates of the two propellants and that of the flow of the water for cooling the gases of the generator 16, by equalizing the pressure of the hearth engine and pilot pressure of gaseous fluid, constituted by nitrogen. A balance regulator 14 incorporated in the central support 1 in the vicinity of the pump 5 and cooperating by an oil circuit with a fuel balance pot 24 and an oxidizer balance pot 25 maintains the pressures of the two propellants at the same level before entering the injector 2 of the engine to avoid the change of the mixing ratio during the flight, caused by the increase in accelerations and reducing the height of the hydraulic columns inside the propellant supply piping system connected by valves 12, 13 to the propellant storage tanks, not shown. The pipe parts 7, 8 in the form of shins, located downstream of the valves 12, 13 are connected to the turbo-pump assembly by elbows 9, 10.
En cours de fonctionnement, la variation de la quantité d'ergol présente dans les réservoirs exerce une influence importante sur la stabilité de l'ensemble de la structure. Il y a en effet un couplage entre les canalisations ou réservoirs et leur contenu, et les changements des accélérations et des hauteurs des colonnes hydrostatiques d'ergol pendant le vol entraI- nent des variations de pression qui peuvent induire des vibrations préjudiciables à la bonne marche de l'ensemble. C'est pourquoi, un dispositif correcteur anti-pogo 100, du type décrit plus haut est avantageusement dispose sur une canalisation principale d'alimentation en ergol telle que la canalisation 8 d'amenée de N204. Le dispositif correcteur 100 est disposé en amont de la turbo-pompe ou les pressions sont plus faibles qu'à l'entrée de la chambre de combustion.Sur la Fig. 4, on n'a représenté que l'ensemble 100 de façon schématique sans le système de commande associé 200 qui peut étre localisé à une certaine distance du dispositif correcteur proprement dit 100 qui comprend l'enceinte 110 d'un accumulateur hydraulique. During operation, the variation in the quantity of propellant present in the tanks exerts an important influence on the stability of the entire structure. There is indeed a coupling between the pipes or tanks and their contents, and the changes in accelerations and heights of the hydrostatic propellant columns during the flight cause pressure variations which can induce vibrations detrimental to the smooth running from the whole. This is why an anti-pogo correction device 100, of the type described above is advantageously arranged on a main propellant supply pipe such as the supply pipe 8 for N204. The correction device 100 is arranged upstream of the turbo-pump or the pressures are lower than at the inlet of the combustion chamber. In FIG. 4, only the assembly 100 has been shown diagrammatically without the associated control system 200 which can be located at a certain distance from the corrective correcting device 100 which comprises the enclosure 110 of a hydraulic accumulator.
Un exemple de séquence de commande d'un dispositif correcteur 100 au moyen du circuit pneumatique 200 de la fig. 2 sera décrit ci-dessous en référence aux figures 2a à 2e. An example of a control sequence for a correction device 100 by means of the pneumatic circuit 200 of FIG. 2 will be described below with reference to FIGS. 2a to 2e.
Il est d'abord réalisé par une commande au sol et par 11 intermédiaire du groupe de commande 400 un gonflage de la pression du réservoir d'azote 210 une valeur qui peut etre par exemple de l'ordre de 220 bars. Pour tenir compte du temps de formation d'un volume gazeux 170 dans la cavité 116 au-dessus du volume de fluide 180 contenu dans l'enceinte 110, alors que le piston 120 désactivé est en position basse et dégage les orifices 82, 83 de communication avec l'intérieur de la canalisation 8 déja remplie de fluide 80, l'ouverture de la vanne 208 de commande des lignes d'alimentation 165 intervient très peu après la fin Ho du compte à rebours précédent la mise a feu.Le temps de formation du volume gazeux 170 dans le dispositif correcteur 100 pouvant être inférieur à environ 7 secondes, l'activation de la vanne 208 peut entre effectuée par exemple au temps Ho-4s. It is first achieved by a ground control and through the control group 400 an inflation of the pressure of the nitrogen tank 210 a value which can be for example of the order of 220 bars. To take into account the time of formation of a gas volume 170 in the cavity 116 above the volume of fluid 180 contained in the enclosure 110, while the deactivated piston 120 is in the low position and releases the orifices 82, 83 from communication with the interior of the pipeline 8 already filled with fluid 80, the opening of the valve 208 for controlling the supply lines 165 occurs very shortly after the end of the countdown preceding the firing. formation of the gas volume 170 in the corrector device 100 which can be less than approximately 7 seconds, the activation of the valve 208 can between carried out for example at time Ho-4s.
La commande de la vanne 208 déclenche en amont du filtre 213 une arrivée d'azote a température ambiante et à une pression qui peut entre de l'ordre de 21 bars absolus. En aval du filtre 213, qui peut définir par exemple au niveau du col un orifice calibré dont le diamètre est de l'ordre de 0,6 mm, au niveau de l'entrée 160 (point B) il se produit d'abord une poussée vers le bas de l'ergol 180 contenu dans la cavité 116, puis une remontée de-l'ergol dans la cavité 116 entre les temps to et tl (Fig 2a) entraînant une augmentation de la pression du gaz dans l'enceinte, puis enfin une stabilisation du niveau de l'ergol au niveau de l'orifice d'entrée 141 de la conduite 140, pour une pression au point
B B qui est, dans l'exemple considéré, de l'ordre de 6 bars, c'est-à-dire très légèrement supérieure à celle de l'ergol qui peut être de l'ordre de 4 à 5 bars. La configuration est alors celle représentée sur la figure 1 et correspond aux diagrammes des Fig 2a à 2e entre les temps to et Ho + T1.The control of the valve 208 triggers upstream of the filter 213 a supply of nitrogen at ambient temperature and at a pressure which can be between about 21 bar absolute. Downstream of the filter 213, which can define for example at the level of the neck a calibrated orifice whose diameter is of the order of 0.6 mm, at the level of the inlet 160 (point B) there first occurs a pushing down the propellant 180 contained in the cavity 116, then a rise of the propellant in the cavity 116 between the times to and tl (FIG. 2a) resulting in an increase in the pressure of the gas in the enclosure, then finally stabilization of the level of the propellant at the level of the inlet orifice 141 of the pipe 140, for a pressure at the point
BB which is, in the example considered, of the order of 6 bars, that is to say very slightly greater than that of the propellant which can be of the order of 4 to 5 bars. The configuration is then that shown in FIG. 1 and corresponds to the diagrams in FIGS. 2a to 2e between the times to and Ho + T1.
A un temps Ho + T1, qui peut entre programme en fonction de la séquence de vidage du réservoir as socié à la canalisation 8, l'ouverture de la vanne 207 provoque l'arrivée d'azote sous pression dans la chambre annulaire 130 par la ligne 151, ce qui repousse le piston 120 vers le haut et obture les orifices 83. Il y a ainsi passage d'une position "petite inductance, avec les orifices 82 et 83 tous dégagés, à une position "grande inductance", avec les seuls orifices 82 non ob turés par le piston 120. A un temps Ho + Ta, la fermeture
de la vanne 207 provoque le passage en sens inverse d'une "grande inductance" à une "petite inductance", le piston 120 revenant en position basse.At a time Ho + T1, which can enter the program as a function of the emptying sequence of the tank as associated with the pipe 8, the opening of the valve 207 causes the arrival of nitrogen under pressure in the annular chamber 130 by the line 151, which pushes the piston 120 upwards and closes the orifices 83. There is thus a transition from a "small inductance" position, with the orifices 82 and 83 all released, to a "large inductance" position, with the only orifices 82 not blocked by the piston 120. At a time Ho + Ta, the closure
of the valve 207 causes the passage in the opposite direction from a "large inductance" to a "small inductance", the piston 120 returning to the low position.
Les courbes b,c,d,e, d'évolution de la pression d'azote en fonction du temps en différents points B (orifice d'entrée 160), C (entrée de la chambre 130), D (sortie du réservoir 210) et E (sortie du détendeur 206) sont représentées respectivement sur les
Fig. 2b a 2e. La figure 2a représente la courbe a d'évolution du niveau d'ergol 180 dans la cavité 116 par rapport à l'orifice 160, en fonction du temps, le niveau No correspondant à une cavité 116 de l'accumulateur hydraulique 110 complètement vide d'ergol, le niveau zéro à une cavité 116 remplie d'ergol et le niveau Ni, au niveau du volume d'ergol asservi par la présence du volume gazeux sous pression 170.The curves b, c, d, e, of evolution of the nitrogen pressure as a function of time at different points B (inlet orifice 160), C (inlet of the chamber 130), D (outlet of the tank 210 ) and E (regulator outlet 206) are shown on the
Fig. 2b to 2e. FIG. 2a represents the curve a of evolution of the level of propellant 180 in the cavity 116 with respect to the orifice 160, as a function of time, the level No corresponding to a cavity 116 of the hydraulic accumulator 110 completely empty d 'propellant, the level zero to a cavity 116 filled with propellant and the level Ni, at the level of the propellant volume controlled by the presence of the pressurized gas volume 170.
Les différentes courbes a à e correspondent a une évolution type du système. Ces courbes peuvent naturellement etre différentes en fonction des applications envisagées et de la séquence d'évolution de la pression dans la canalisation principale. Ainsi, dans certains cas, le piston 120 peut nitre pas activé et il n'y a pas alors de passage "petite inductance" "grande inductance". The different curves a to e correspond to a typical evolution of the system. These curves can naturally be different depending on the applications envisaged and the sequence of development of the pressure in the main pipeline. Thus, in certain cases, the piston 120 may not be activated and there is then no passage "small inductance" "large inductance".
On notera que le dispositif correcteur 100 selon l'invention peut fonctionner de façon très économique. En effet, il n'est par exemple consommé que quelques grammes de gaz par seconde pour un débit de liquide 80 dans la canalisation principale 8 qui est de l'ordre d'une centaine de litres par seconde. Le volume du réservoir 210 peut donc etre relativement réduit, de l'ordre de deux litres, pour le cas de ce fonctionnement dans le cadre d'un dispositif anti-pogo appliqué a un moteur-fusée. Note that the correction device 100 according to the invention can operate very economically. Indeed, it is for example consumed only a few grams of gas per second for a liquid flow 80 in the main pipe 8 which is of the order of a hundred liters per second. The volume of the tank 210 can therefore be relatively reduced, of the order of two liters, for the case of this operation in the context of an anti-pogo device applied to a rocket engine.
Le volume de la capacité de la cavité 116 peut entre de l'ordre de 6 litres, dans le cas de l'application précitee, avec un volume de liquide 180 d'environ 5 litres et un volume de gaz 170 d'environ 1 li- tre. The volume of the capacity of the cavity 116 can be of the order of 6 liters, in the case of the aforementioned application, with a volume of liquid 180 of approximately 5 liters and a volume of gas 170 of approximately 1 li - be.
Bien entendu le système selon l'invention constitue un moyen efficace de correction de l'effet pogo mais peut également etre plus généralement applique à la régulation d'un niveau moyen de liquide dans une enceinte associée à une canalisation en vue de stabiliser l'ecoulement de fluide dans cette canalisation, par un amortissement des variations de pression dans celle-ci. Par ailleurs, la détermination des différents paramètres du système peut 8tre effectuée et optimisée de façon simple par une modélisation qui utilise des circuits électriques RLC simulant sous forme d'analogie électrique le fonctionnement du système. Of course the system according to the invention constitutes an effective means of correcting the pogo effect but can also be more generally applied to the regulation of an average level of liquid in an enclosure associated with a pipe in order to stabilize the flow. of fluid in this pipe, by a damping of the variations of pressure in this one. Furthermore, the determination of the various parameters of the system can be carried out and optimized in a simple manner by modeling which uses RLC electrical circuits simulating in the form of electrical analogy the operation of the system.
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