FR3119653A1 - Dispositif flexible de supportage des organes internes d’un réservoir ou d’une ligne cryogénique embarqué. - Google Patents

Dispositif flexible de supportage des organes internes d’un réservoir ou d’une ligne cryogénique embarqué. Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif flexible de supportage des organes internes d’un réservoir ou d’une ligne cryogénique, par l’intermédiaire de câbles, dans le but de diminuer les transferts thermiques, d’assurer les déplacements engendrés par les dilatations et les forces de pression, d’amortir les accélérations et les vibrations dynamiques afin de stabiliser les fluides et leur transfert, ou a contrario de générer des oscillations au sein des fluides afin de contrôler les flux de chaleur et/ou les phénomènes de nucléation. Figure pour l’abrégé : [Fig 2]

Description

DISPOSITIF FLEXIBLE DE SUPPORTAGE DES ORGANES INTERNES D’UN RÉSERVOIR OU D’UNE LIGNE CRYOGÉNIQUE EMBARQUÉ.
La présente invention concerne un dispositif de supportage des organes internes d’un réservoir ou d’une ligne cryogénique. Ces organes internes sont composés d’enveloppes, de tuyauteries, de pompes, de vannes et d’accessoires de tous genres.
Les réservoirs performants sont généralement constitués d’une ou de plusieurs enveloppes internes (1) dans lesquelles sont contenus le ou les différents fluides de stockage, et d’une enveloppe extérieure (2), dans laquelle réside un certain niveau de vide. Il résulte de cette conception qu’il est nécessaire de maintenir en position l’enveloppe ou les enveloppes internes ainsi que leurs fluides, par rapport à l’enveloppe extérieure, par l’intermédiaire de supports. Par ailleurs, dans le cadre de réservoirs embarqués, susceptibles de recevoir de fortes accélérations, ces supports doivent reprendre les efforts liés aux forces d’inertie des enveloppes internes et de leur fluide.
Au-delà de la problématique de la tenue mécanique, ces supports d’enveloppes internes doivent également :
  • Minimiser les transferts thermiques entre l’enveloppe extérieure (chaude) et l’enveloppe interne (froide).
  • Autoriser le déplacement relatif entre l’enveloppe interne et l’enveloppe extérieure lors des phases transitoires de mise en froid ou de réchauffement.
Les échanges de chaleur entre l’enveloppe extérieur et la ou les enveloppes internes via les supports sont principalement générés par la conduction. La résistance thermique de conduction du support est proportionnelle à la longueur du support et inversement proportionnelle à la section et au coefficient de conduction thermique du matériau. Ce dimensionnement thermique conduit à des pièces rigides, longues et fines, susceptibles de subir des déformations de flexion et flambage, très pénalisantes en dimensionnement mécanique.
Le degré de liberté de mouvement relatif en l’enveloppe interne et l’enveloppe externe, nécessite-lui une obligation de glissement ou de roulage à l’extrémité du support, qui engendrent des forces tangentielles de flexion aux extrémités du support. Par ailleurs, cette nécessité de mouvement interdit une construction fixe et rigide permettant de travailler en traction et en compression.
Le dispositif selon l’invention consiste donc à remplacer tout ou partie des supports par des systèmes de câbles (3) illustré . Les câbles en général sont des éléments structurels ayant une grande capacité de supporter une charge axiale, avec des raideurs de flexion et de torsion relativement faibles. De fait, pour un chargement axial, ils consentent à réduire la section et le poids des systèmes mécaniques. Ces câbles peuvent être constitués de plusieurs matériaux différents ou d’un ensemble de matériaux différents.
Ils peuvent être gainés ou revêtus et peuvent être précontraints. Dans le cas où le câble est composé de brins de fils et/ou de fibres métalliques, synthétiques ou naturelles, il peut être enrichi d’un ensimage. Les câbles peuvent être raccordés soit par épissures à œil avec ou sans manchon et avec ou sans cosse, soit par épissure à boucle avec ou sans manchon et avec ou sans cosse, soit par raccord, soit par douilles coniques, soit par serre-câbles, soit par un embout à tête, soit par tout autre moyen.
Les attaches des câbles sur les enveloppes externes et internes peuvent contenir un manchon intérieur dans une matière plus isolante thermiquement. Pour diminuer le transfert thermique via les câbles, il est possible d’augmenter la longueur desdits câbles en utilisant des accessoires tels que des poulies (4) fixes ou mobiles. Dans le même objectif de diminuer le transfert thermique, le câble principal pourra aussi être composé de plusieurs câbles assemblés entre eux, soit directement, soit par l’intermédiaire d’une pièce de liaison.
Les notions de vibrations, omniprésentes dans les systèmes embarqués, sont particulièrement préjudiciables dans le cadre des réservoirs cryogéniques et notamment pour un réservoir de carburant de type hydrogène. En effet sur ces constructions, le plus souvent soudées ou en composite dur, les vibrations génèrent fréquemment des ruptures par fatigue vibratoire. Il en est de même pour les nombreuses canalisations et accessoires fixés sur la ou les enveloppes internes du réservoir. Par ailleurs, les vibrations favorisent les transferts de chaleur au sein d’un fluide et au contact d’une paroi et d’un fluide. De même les variations d’accélération et les vibrations peuvent générer des oscillations de pression. Dans le cadre d’un réservoir de carburant, ces oscillations de pression peuvent provoquer des instabilités de combustion aux conséquences fâcheuses voir destructives.
Dans certaines conditions, elles peuvent même être à l’origine de phénomènes d’évaporation du fluide par cavitation. De fait, dans le cas d’un réservoir cryogénique, les vibrations et les variations d’accélération transmises à l’enveloppe interne, ainsi que les déformations dynamiques de fortes amplitudes de sa surface de contact avec le fluide, risquent d’augmenter les phénomènes de nucléation et d’ébullition au sein du fluide. Les systèmes à câbles présentent une élasticité et un amortissement naturelle et progressive qui peut être augmentée par l’ajout d’un ressort (5) et/ou d’un amortisseur (6). Ainsi doté d’amortissement, il est possible de filtrer et de diminuer les vibrations, ainsi que d’atténuer les accélérations et les déformations de l’enveloppe ou des enveloppes internes des réservoirs cryogéniques. Les systèmes d’amortissement ainsi définis peuvent être naturels ou pilotés. Le présent système peut être augmenté ou remplacé par un système de tendeur (7), qui peut lui-même jouer le rôle d’amortisseur, piloté ou pas. Par accélération et vibration, il convient de considérer ici à la fois, les effets gravitationnels et sismiques, les forces et accélérations dynamiques de fonctionnement classiques, mais également les accélérations provoquer par des chocs ou accidents en dehors des phases de fonctionnement traditionnelles.
A contrario, un système piloté pourra lui-même générer des vibrations d’amplitudes et de fréquences variables, avec pour effets principaux l’intensification du brassage du fluide et la perturbation des couches limites induite par le déplacement de la surface. Lesquelles vibrations sont donc utilisées pour intensifier les transferts de chaleur en situation de convection naturelle, d’ébullition, et de convection forcée sans et avec ébullition. Ainsi défini, ce dispositif permettra donc de piloter et de réguler les transferts thermiques et par conséquent la température et l’évaporation du fluide.
Le présent dispositif, illustré , éventuellement additionné de capteurs de mesures, peut également contribuer à déterminer la masse de l’enveloppe interne, la quantité de fluide dans le réservoir, ainsi que la consommation de fluide. Ainsi équipé, il est également possible d’identifier la rupture d’une liaison, ce qui permet d’assurer un fonctionnement sécuritaire du réservoir ou de la ligne cryogénique.
Le présent dispositif peut être étendu au supportage de toutes canalisations ou accessoires présents à l’intérieur de l’enceinte à vide d’un réservoir ou d’une ligne cryogénique.
Dans le système de supportage par câble, le nombre et le positionnement des câbles (ancrages et angles) seront judicieusement déterminés de manière à reprendre les efforts et les accélérations. Dans la plupart des cas, un dimensionnement hyperstatique sera privilégié, ce qui assurera un bon niveau sécuritaire et limitera les déplacements. Bien entendu, les degrés de liberté de mouvement de l’enveloppe ou des enveloppes internes, des tuyauteries ou des accessoires, par rapport à l’enveloppe extérieure, devront être compatibles avec la rigidité et les fixations des différentes canalisations, avec les autres organes et les accessoires contenus dans le réservoir ou la ligne cryogénique.
Dans les calculs, ces mouvements devront s’additionner aux autres mouvements liés aux phénomènes de dilatation, de mise en pression ou autres. Dans le cas où la flexibilité naturelle des tuyauteries ou des fixations des accessoires n’est pas suffisante, il sera nécessaire d’augmenter les jeux ou de rajouter des flexibles, ou des soufflets ou des espaceurs glissants ou fixes, des patins amortisseurs, ou autres éléments susceptibles de tolérer un déplacement de la canalisation, de l’organe ou de l’accessoire, sans générer une contrainte mécanique trop importante sur ce dernier.
Les dispositifs flexibles de supportage des organes internes de réservoirs ou de lignes cryogéniques énoncées ci-avant, pourront être embarqués sur tous les types d'engins, aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins.

Claims (12)

  1. Dispositif pour supporter les organes internes (1) d’un réservoir cryogénique (2), caractérisé en ce que tout ou parti desdits supports sont constitués de câbles (3).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits câbles sont munis d’un dispositif de précontrainte (5) et/ou (6) et/ou (7).
  3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la longueur desdits câbles est augmentée en utilisant des accessoires tels que des poulies (4) et/ou (7).
  4. Dispositif suivant les revendications de 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits câbles sont munis d’un système d’amortissement (5) et/ou (6) et/ou (7).
  5. Dispositif suivant les revendications 4, caractérisé en ce que le système d’amortissement est piloté.
  6. Dispositif suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits câbles sont munis d’un système de tendeur (6).
  7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de tendeur de câbles (6) est piloté.
  8. Dispositif suivant les revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu’il existe un système actif générateur de vibrations.
  9. Dispositif suivant les revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le dispositif contient un système capable de mesurer la masse de fluide contenu dans l’enveloppe et d’identifier une rupture de la liaison.
  10. Dispositif suivant les revendications 1 à 9, caractérisé par l’extension au supportage des canalisations internes d’une ligne de transfert ou de distribution cryogénique.
  11. Dispositif suivant les revendications 1 à 10, caractérisé par l’extension au supportage de toutes canalisations et/ou accessoires présents à l’intérieur des réservoirs ou des lignes cryogéniques.
  12. Dispositif suivant les revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que lesdits dispositifs de supportage sont utilisés dans le cadre d’engins aériens, spatiaux, terrestres, navals ou sous-marins.
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