FR3019251A1 - Interface amelioree pour une vanne de conduit de fluide cryogenique - Google Patents

Interface amelioree pour une vanne de conduit de fluide cryogenique Download PDF

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Abstract

Ensemble comprenant un conduit (1) d'écoulement de fluide cryogénique et une vanne (2), caractérisé en ce que le conduit (1) comprend une interface d'insertion de la vanne, formant une butée interne (51) et une butée externe (52), la vanne (2) étant configurée de manière à être insérée par coulissement dans ladite interface d'insertion, la vanne (2) comprenant un corps de vanne (3) présentant une première extrémité (31) et une seconde extrémité (32) le corps de vanne (3) étant adapté pour être boulonné dans ladite interface d'insertion, de sorte que la première extrémité (31) et la seconde extrémité (32) viennent en butée respectivement contre la butée interne (51) et la butée externe (52), l'ensemble comprenant un élément d'étanchéité interne (61) disposé entre la butée interne (51) et la première extrémité (31), et un élément d'étanchéité externe (62) disposé entre la butée externe (52) et la seconde extrémité (32).

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne l'intégration de composants d'un moteur d'engin spatial, et en particulier l'intégration d'une vanne sur un conduit de fluide cryogénique. ETAT DE L'ART L'intégration des différents composants d'un moteur d'engin spatial est 10 conventionnellement réalisée par boulonnage, par soudage, ou par une combinaison de boulonnage et de soudage. L'assemblage des différents composants par boulonnage est intéressant en ce qu'il permet un démontage et un remontage complet du moteur, 15 par exemple pour des opérations de maintenance. Cependant, un tel assemblage entraine une augmentation de la masse totale du système ce qui est particulièrement problématique dans les applications spatiales, et également de son coût en raison de la nécessité de pièces additionnelles telles que les liaisons à brides ou les joints. De plus, la 20 multiplication des éléments d'étanchéité qu'implique une telle méthode d'assemblage nuit à la fiabilité de l'ensemble ; notamment du fait des températures et pressions pouvant être atteintes dans de tels moteurs, et également en raison de la nature des fluides. 25 L'assemblage des différents composants par soudage permet quant à lui de remédier à ces problématiques de masse et de fiabilité, mais ne permet pas un démontage non-destructif du moteur et rend ainsi très problématiques les opérations de maintenance et le remplacement de composants du moteur. 30 Des assemblages mixtes ont également été utilisés, dans lesquels on utilise conjointement le soudage et le boulonnage. Le soudage est alors typiquement utilisé pour assembler les liaisons soumises aux contraintes les plus élevées, telles que les liaisons entre composants soumises à des températures ou pressions élevées, ou encore les liaisons pour lesquels le boulonnage entrainerait une augmentation de masse trop importante. Le boulonnage est utilisé pour les autres liaisons, afin de permettre le démontage du moteur. Cette solution présente toutefois un intérêt limité sur de nombreux types de moteurs, en ce qu'une majorité de liaisons sont toujours réalisées par boulonnage, avec les inconvénients qui en découlent.
La présente invention vise ainsi à améliorer l'assemblage d'un moteur d'engin spatial en permettant son démontage tout en réduisant la masse et le coût, et sans impacter la fiabilité. PRESENTATION DE L'INVENTION Afin de répondre au moins partiellement à ces diverses problématiques, la présente invention propose un ensemble comprenant un conduit d'écoulement de fluide cryogénique et une vanne adaptée pour sélectivement obturer ledit conduit, caractérisé en ce que le conduit comprend une interface d'insertion de la vanne, formant une butée interne du conduit et une butée externe du conduit, la vanne étant configurée de manière à être insérée par coulissement dans ladite interface d'insertion, la vanne comprenant un corps de vanne présentant une première extrémité et une seconde extrémité le corps de vanne étant adapté pour être boulonné dans ladite interface d'insertion, de sorte que la première extrémité et la seconde extrémité viennent en butée respectivement contre la butée interne et la butée externe du conduit, l'ensemble comprenant un élément d'étanchéité interne disposé entre la butée interne du conduit et la première extrémité du corps de vanne, et un élément d'étanchéité externe disposé entre la butée externe du conduit et la seconde extrémité du corps de vanne.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit conduit comprend une première portion et une seconde portion par rapport à la vanne, lesdites première et seconde portions n'étant pas alignées l'une par rapport à l'autre et formant une déviation de l'écoulement de fluide dans le conduit, l'interface d'insertion étant aménagée dans le prolongement de l'une de ces première ou seconde portions, de sorte que la vanne soit insérée dans le conduit et alignée avec ladite première ou seconde portion.
La butée interne et la butée externe du conduit sont typiquement formées par deux surfaces parallèles, et dans lequel l'élément d'étanchéité interne a une souplesse supérieure à celle de l'élément d'étanchéité externe.
La vanne peut également comprendre un actionneur assemblé sur ledit corps de vanne, hors du conduit. La vanne est par exemple de type vanne à clapet, à boisseau cylindrique 20 ou à tube. L'écoulement du fluide dans le conduit est typiquement configuré de sorte que la première portion soit une portion amont par rapport à la vanne, et que la seconde portion soit une portion aval par rapport à la 25 vanne. De manière alternative, l'écoulement du fluide dans le conduit peut également être configuré de sorte que la première portion soit une portion aval par rapport à la vanne, et que la seconde portion soit une portion amont par rapport à la vanne. 30 L'invention concerne également un moteur d'engin spatial comprenant un tel ensemble, dans lequel la seconde portion et la première portion du conduit sont assemblées par soudage au moteur.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des figures 1 et 2 annexées qui schématisent le montage d'une vanne sur un conduit selon un aspect de l'invention.
Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un conduit 1 de moteur d'engin spatial sur lequel est montée une vanne 2. La figure 1 représente la vanne 2 engagée partiellement dans le conduit 1, tandis que la figure 2 représente la vanne 2 fixée au conduit 1 de telle sorte qu'elle soit fonctionnelle.
Le conduit 1 comprend une première portion 11 et une seconde portion 12 définies par rapport à la vanne 2. A titre d'exemple, la première portion 11 correspondant par exemple à l'admission de fluide dans le conduit 1 et la seconde portion 12 correspondant alors au refoulement de fluide par le conduit 1, étant entendu que le sens d'écoulement inverse est également possible. La première portion 11 peut donc être une portion aval et la seconde portion 12 une portion amont par rapport à la vanne 2, ou inversement, la première portion 11 peut être une portion amont et la seconde portion 12 une portion aval par rapport à la vanne 2. Ces première 11 et seconde 12 portions sont liées à d'autres composants d'un moteur d'engin spatial non représentés sur les figures par soudage, assurant ainsi une bonne tenue mécanique et une bonne étanchéité du conduit 1. Le conduit 1 est muni d'une vanne 2, adaptée pour sélectivement obturer le conduit 1, et donc permettant de piloter le débit de fluide passant par le conduit 1. La vanne 2 comprend un corps de vanne 3 adapté pour être fixé au conduit 1, et un obturateur 4, monté mobile par rapport au corps de vanne 3, le corps de vanne 3 définissant une portion d'obturation du conduit 1 contre laquelle l'obturateur 4 peut venir en butée. Dans le mode de réalisation représenté, l'obturateur 4 comprend un clapet 41 couplé à une tige 42 montée coulissante dans un logement 43 fixe par rapport au corps de vanne 3, de sorte que le coulissement de la tige 42 1 5 détermine l'obturation totale, partielle ou nulle du conduit 1 par le clapet 41. Afin de réaliser l'assemblage de la vanne 2 sur le conduit 1, le conduit 1 comprend une interface d'insertion pour la vanne 2, cette dernière étant 20 configurée de manière à être insérée dans ladite interface d'insertion. L'interface d'insertion comprend deux butées ; une butée interne 51 et une butée externe 52. La butée interne 51 est formée dans le volume interne du conduit 1, 25 dans la section d'écoulement du fluide dans le conduit 1. La butée externe 52 est formée hors du conduit 1, sur une surface du conduit 1 n'étant pas dans la section d'écoulement du fluide. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, l'interface d'insertion définit un volume cylindrique pour l'insertion de la vanne 2. 30 La butée externe 52 est formée par une portion annulaire formant une portée hors du conduit 1, tandis que la butée interne 51 est formée par une portion annulaire aménagée dans le conduit 1.
Le corps de vanne 3 présente une première extrémité 31 et une seconde extrémité 32, adaptées pour venir en butée respectivement contre la butée interne 51 et la butée externe 52 lorsque la vanne 2 est insérée dans l'interface d'insertion du conduit 1.
La première portion 11 et la seconde portion 12 du conduit 1 sont deux portions linéaires désaxées l'une par rapport à l'autre ; la vanne 2 est ainsi positionnée à un point de déviation de l'écoulement du fluide dans le conduit 1.
L'interface d'insertion de la vanne 2 est réalisée dans le prolongement de l'une des première 11 ou seconde 12 portions du conduit 1. Dans l'exemple illustré, l'interface d'insertion de la vanne 2 est réalisée dans le prolongement de la première portion 11 du conduit 1 ; la vanne 2 est ainsi insérée dans l'interface d'insertion par coulissement dans selon l'axe de la première portion 11 du conduit 1. La butée interne 51 et la butée externe 52 sont alors avantageusement formées par deux surfaces parallèles, typiquement perpendiculaires ou inclinées par rapport à l'axe de la première portion 11 du conduit 1. La première extrémité 31 et la seconde extrémité 32 du corps de vanne 3 sont alors avantageusement également parallèles l'une par rapport à l'autre, et configurées de manière à venir en appui plan contre lesdites butées interne 51 et externe 52 lorsque la vanne 2 est insérée dans le conduit 1.
L'obturateur 4 est dimensionné de manière à présenter un diamètre externe inférieur au diamètre externe du corps de vanne 3, de sorte que le corps de vanne 3 et l'obturateur 4 peuvent être insérés conjointement dans l'interface d'insertion de la vanne 2 par coulissement. Le corps de vanne 3 et/ou le conduit 1 comprennent typiquement des moyens d'indexation assurant ainsi que le corps de vanne 3 soit orienté de manière appropriée par rapport au conduit 1 lors de son insertion.
On distingue ainsi deux interfaces entre le conduit 1 et la vanne 2 : - une interface interne entre la butée interne 51 du conduit 1 et la première extrémité 31 du corps de vanne 3, et - une interface externe entre la butée externe 52 du conduit 1 et la seconde extrémité 32 du corps de vanne 3. L'interface interne est située à l'intérieur du conduit 1, au sein de l'écoulement du fluide. L'interface externe est quant à elle située à l'extérieur du conduit 1, hors de l'écoulement du fluide.
Des éléments d'étanchéité sont avantageusement positionnés de manière à assurer l'étanchéité de l'ensemble comprenant le conduit 1 et la vanne 2 insérée dans le conduit 1. Les éléments d'étanchéité sont avantageusement de type autoclave, leur étanchéité augmentant avec la pression à laquelle ils sont soumis.
On positionne ainsi un élément d'étanchéité interne 61 au niveau de l'interface interne entre la butée interne 51 et la première extrémité 31, et un élément d'étanchéité externe 62 au niveau de l'interface externe entre la butée externe 52 et la seconde extrémité 32.
Les éléments d'étanchéité interne 61 et externe 62 sont par exemple des joints métalliques de type C-ring adaptés pour une utilisation avec un fluide cryogénique, qui sont déformés lors de l'insertion de la vanne 2 dans le conduit 1. L'élément d'étanchéité interne 61 a typiquement une souplesse supérieure à celle de l'élément d'étanchéité externe 62, de sorte que lors de l'insertion de la vanne 2 dans le conduit 1, on observe dans un premier temps une déformation de l'élément d'étanchéité interne 61, puis dans un second temps une déformation de l'élément d'étanchéité interne 61 et de l'élément d'étanchéité externe 62. L'élément d'étanchéité interne 61 joue ainsi un rôle de tampon, et 30 compense le jeu éventuel dû aux tolérances de fabrication et d'assemblage des pièces. L'élément d'étanchéité interne 61 joue en effet un rôle moins important que l'élément d'étanchéité externe 62. En effet, ce dernier est soumis à un différentiel de pression entre le milieu extérieur et la pression au sein du conduit 1, tandis que l'élément d'étanchéité interne 61 est uniquement soumis à un différentiel de pression résultant des pertes de charge de la vanne 2. La vanne 2 est ensuite boulonnée sur le conduit 1 via des moyens d'assemblage, typiquement au niveau de la butée externe 52, et de sorte que les moyens d'assemblage soient isolés du fluide circulant dans le conduit 1 par l'élément d'étanchéité externe 62. Les moyens d'assemblage 7 assurent ainsi typiquement le serrage de la vanne 2 dans le conduit 1, et donc le serrage des éléments d'étanchéité 61 et 62 au niveau de l'interface interne et de l'interface externe assurant donc l'étanchéité de l'ensemble ainsi formé.
15 Un actionneur 8 est assemblé sur le corps de vanne 3, cet actionneur 8 pilotant typiquement l'ouverture et la fermeture de la vanne 2. L'actionneur 8 peut être assemblé sur le corps de vanne 3 par soudage, par boulonnage ou par tout autre technique s'assemblage adaptée. Dans 20 le mode de réalisation représenté, l'actionneur 8 est monté sur le corps de vanne 3 par boulonnage. Un élément d'étanchéité de vanne 63 est donc ici positionné à l'interface entre l'actionneur 8 et le corps de vanne 3. Le type d'assemblage choisi pour l'actionneur 8 sur le corps de vanne 3 dépend notamment de la fiabilité de l'actionneur choisi et donc de la 25 nécessité ou non de pouvoir le démonter indépendamment de la vanne 2. La structure proposée permet ainsi de réaliser un assemblage d'une vanne 2 sur un conduit 1 répondant conjointement aux problématiques 30 posées précédemment, à savoir permettre un démontage de la vanne tout en minimisant la masse globale de l'assemblage et en minimisant les risques de fuite. Le conduit 1 peut en effet être assemblé par soudage à un moteur, seule la vanne 2 étant boulonnée. 10

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Ensemble comprenant un conduit (1) d'écoulement de fluide cryogénique et une vanne (2) adaptée pour sélectivement obturer ledit conduit, caractérisé en ce que le conduit (1) comprend une interface d'insertion de la vanne, formant une butée interne (51) du conduit (1) et une butée externe (52) du conduit (1), la vanne (2) étant configurée de manière à être insérée par coulissement dans ladite interface d'insertion, la vanne (2) comprenant un corps de vanne (3) présentant une première extrémité (31) et une seconde extrémité (32) le corps de vanne (3) étant adapté pour être boulonné dans ladite interface d'insertion, de sorte que la première extrémité (31) et la seconde extrémité (32) viennent en butée respectivement contre la butée interne (51) et la butée externe (52) du conduit (1), l'ensemble comprenant un élément d'étanchéité interne (61) disposé entre la butée interne (51) du conduit (1) et la première extrémité (31) du corps de vanne (2), et un élément d'étanchéité externe (62) disposé entre la butée externe (52) du conduit (2) et la seconde extrémité (32) du corps de vanne (3).
  2. 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel ledit conduit (1) comprend une première portion (11) et une seconde portion (12) par rapport à la vanne (2), lesdites première (11) et seconde (12) portions n'étant pas alignées l'une par rapport à l'autre et formant une déviation de l'écoulement de fluide dans le conduit (1), l'interface d'insertion étant aménagée dans le prolongement de l'une de ces première (11) ou seconde (12) portions, de sorte que la vanne (2) soit insérée dans le conduit (1) et alignée avec ladite première (11) ou seconde (12) portion.
  3. 3. Ensemble selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la butée interne (51) et la butée externe (52) du conduit (1) sont formées par deux surfaces parallèles, et dans lequel l'élément d'étanchéité interne (61) a une souplesse supérieure à celle de l'élément d'étanchéité externe (62).
  4. 4. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ladite vanne (2) comprend en outre un actionneur (8) assemblé sur ledit corps de vanne (3), hors du conduit (1).
  5. 5. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la vanne (2) est de type vanne à clapet, à boisseau cylindrique ou à tube.
  6. 6. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel 1 5 l'écoulement du fluide dans le conduit (1) est configuré de sorte que la première portion (11) est une portion amont par rapport à la vanne (2), et la seconde portion (12) est une portion aval par rapport à la vanne (2). 20
  7. 7. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'écoulement du fluide dans le conduit (1) est configuré de sorte que la première portion (11) est une portion aval par rapport à la vanne (2), et la seconde portion (12) est une portion amont par rapport à la vanne (2). 25
  8. 8. Moteur d'engin spatial comprenant un ensemble selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la seconde portion (12) et la première portion (11) du conduit (1) sont assemblées par soudage au moteur. 30
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