Brevet FR2085297A1 — publié le 19711224

La présente invention concerne des vannes pour gaz chargés de particules, notamment les vannes destinées au réglage de débits de gaz chauds chargés de particules liquides ou solides Elle s'applique notamment à la gouverne des fusées par jets de gaz chauds. D2ns la technique des moteurs en général, et en particulier des moteurs de fusée à propergol solide, on utilise souvent des vannes à pièces mobiles pour la régulation d'un débit gazeur. Par exemple, au cours du vol d'un engin fusée on a souvent besoin pour le pilotage de créer des couples de gouverne soit par éjection de gaz issus d'une chambre de combustion, soit par injection d'un gaz dans la tuyère principale-de 1 engin afin ae créer par un moyen aérodXJnami- que une déviation du jet émis par cette tuyère. lies gaz utilises pour créer les couples de gouverne sont avantageusement des gaz chauds prélevés dans la chambre de combustion principale ; or ces gaz sont à une température élevée et sont généralement chargés de particules liquides qui peuvent se solidifier dans la vanne en début de fonctionnement lorsque les parois de celle-ci ne sont pas encore portées à une température proche de la température des gaz. lies pièces fixes et mobiles de la vanne sont donc soumises à l'effet thermique intense des gaz et à l'effet mécanique destructeur des particules se trouvant dans les gaz. On sait protéger les vannas contre l'effet thermique des gaz I1 est possible, par exemple, en dimensionnant convenablement une vanne, d'employer dans sa construction un ensemble de structures épaises en matériaux composites permettant d'assurer la résistance de la vanne à lteffet thermique des gaz (flux de convexion et de rayonnement ) et des par- ticules (flux de rayonnement) Cependant, dans les vannes connues, les portions actives des pièces fixes et mobiles, qui coopèrent pour définir la section de passage, sont soumises à l'érosion des particules qui les usent assez rapidement, de sorte que la section de pasaage correspondant à une position relative donnée de ces pièces varie dans le temps I1 en résulte l'inconvénient que le réglage QU la régulation du débit de gaz ne peuvent pas être assures correctement. lie même inconvénient se ren- contre chaque fo-is que les parties actives d'une vanne sont exposées à un courant de gaz chauds ou froids chargés de particules solives ou liquides Conformément à la présente invention, on élimine cet inconvénient en disposant, entre l'entrée de la vanne et ,es portions actives qui coopèrent pour définir la section de passage, une pièce consommable agencée de façon 2. former à la fois un bouclier recevant l'impact des particules et un déflecteur dirigent le courant de gaz vers l'orifice de ladite section de passage. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien oJprenoee les avantages de l'invention et l'art de la réaliser, toutes particularités qui ressortent tent du texte que des figures rentrant, bien entendu, 'dans le cadre de ladite invention La figure 1 est une vue en coupe d'une vanne à pointeau à entrée axiale selon l'invention la figure 2 est une vue analogue à la figure 1, montrant un perfectionnement la figure 3 est une vue en coupe d'une vanne à pointeau à entrée latérale selon l'invention la figure 4 est une vue analogue à la figure 3, montrant un perfectionnement la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 6, montrant une vanne à entrée tangentielleselon l'invention la figure 6 est une vue en coupe à plus petite échelle selon la ligne VI-VI de la figure 5. lies figures représentent des vannes à pointeau, comprenant un corps 1 dont la surface interne forme une tuyère convergente-divergente 2, et un pointeau ou corps central 3 pouvant etre déplacé en translation par un vérin " suivant l'axe XX' de cette tuyère, pour faire varier l'aire de l'o- rifice 5 de la section de passage annulaire comprise entre la tuyère et le corps central lia configuration d'une telle vanne à pointeau semble celle qui est le mieuradaptée au réglage du débit de gaz chauds servant par exemple à la gouverne d'une fusée.En associant au vérin 4 un distributeur actionné par un dispositif de régulation (non représentés) et alimentant sélectivement enLfluide les entrées 4a et 4-b de ce vérin, il est possible de régler à chaque instant la position du corps -central 3 et par conséquent l'aire de ltorifi- ce 5 afin de réaliser une régulation, suivant une loi prédéterminée, du débit de gaz chauds traversant cet orifice. Il est essentiel, pour obtenir une régulation correcte, que la forme géométrique des portions du corps de vanne 1 et du corps central 3 adjacentes à l'orifice 5 soit maintenue invariable pendant toute la durée de fonctionnement de la vanne. Dans chacun des modes dc réalisation représentés, la résistance de la vanne à l'effet t'nermique des gaz est assurée par la structure composite du corps de vanne 1, comprenant une enveloppe métallique 6 portant intérieurement un revêtement cn matériaux réfractaires 7. La résistance à l'effet d'érosion est obtenue par Ces moyens distincts. Sur la figure 1, l'entrée des gaz se fait suivant la flèche 8, face au corps central 3, par une tubulure 9 disposée dans l'axe Xx' de la tuyère convergente-divergente 2, et la sortie des gaz se fait suivant la flèche 10 par une tubu- lure latérale 11. Dans la région centrale de la tubulure 9 est disposé un obstacle profilé en forme générale de cloche 12 supporté par des bras 13 dirigés radialement Cet obstacle profilé 12 forme à la fois devant le corps central 3 un boudin et un déflecteur et ne permet le passage des gaz que dans les portions, situées entre les bras 13, de l'espace annulaire compris entre l'obstacle 12 et la surface interne de la tubulure 9. L'obstacle 12 est consormable, puisqu'il sera usé par l'impact des particules, mais l & variation de sa forme géométrique au cours du fonctionnement de la vanne n'goura aucun effet sur la loi de régulation du débit de gaz. Une grande partie des particules se trouvant dans l'écoulement gazeux sera arrêtée par l'obstacle 12 et leur énergie cinétique sera transformée en chaleur. lies particules restantes traverseront l'espace annulaire compris entre l'obstacle 12 et la tubulure 9 et seront concentrées vers la surface de la tuyère convergente-divergente 2 par les gaz déviés vers cette tuyère par obstacle 12, celui facilitera le passage des particules dons l'orifice 5. L'obstacle 12 est placé en amont du corps central 3, à une distance telle que son sillage empêche les particu les de venir frapper la face frontale 14 de ce corps central. La protection du corps central sera ainsi assurée quel que soit le débit de gaz puisque, conne on ie sait, des particules en suspension dans un courant gazeux ne suivent qu'avec un certain retard les variations de vitesse de l'écoulement gazeux. Grece à la forme profilée de l'obstacle 12, les particules qui ont été arrêtées par l'obstacle sont collectées sur a surface par l'écoulement et concentrées par celui-ci vers la paroi de la tuyère convergente-divergente 2 Dans le mode de réalisation de la figure 2, on met à profit la tendance de l'écoulement à se coller à cette paroi, pour prolonger celle-ci par une surface divergente recourbée 15 aboutissant dans le corps de vanne à une chambre annulaire 16 dans laquelle sont envoyées les particules ainsi collectées sur la surface de l'obstacle. Ces particules sont accélérées progressivement par l'écoulement le long de la surface 15 et parviennent par inertie dans la chambre 16 Qui forme un cul de sac et joue ainsi le rôle de piège à particules Dans le mode de réalisation de la figure 3, les gaz chauds chargés de particules entrent dans le vanne suivant la flèche 17 par la tubulure latérale 11 et sortent suivant la flèche 18 par la tubulure axiale Çj. Le corps central 3 est monté coulissant dans la pièce consommable, qui est constituée par une gaine protectrice 19 faisant office de bouclier protégeant le corps central contre l'impac::t des particules contenues dans l'écoulement de gaz entrant par la tubulure 11. L'extrémité 20 de cette gaine, située du côté de la tubulure 9 est profilée comte on le voit sur le dessin, c'est-à-dire forme une surface recourbée vers le corps central, de sorte oua la gaine 19 forme aussi un déflecteur nui dirige les gaz vers l'orifice 5 et concentre les particules restantes, comme dans les modes de réalisation des figures 1 et 2, an un courant Qli s'écoule tangentiellement le long de la surface de la tuyère corvergente-divergente 2 La gaine 19 fait partie de la protection thermique da la vanne et est en matériaux isolants du type ablatif ; la variation de sa forme géométrique n'a aucune influence sur la section de passage de la vanne Pour la meme raison, toutes les parties du revêtcment 7 situées en dehors de la portion de ce revêtement qui forme a tuayere convergente-diverente 2 pourraient être en matériaux ablatifs, aussi bien dans le mode de réalisation de la figure 3 que clone les modes de réa libation des autres figures lia figure Ll montre un perfectionnement au mode de réalisation de la figure 3, permettant d'éviter un dépot et une solidification des particules liquides eontenues dans le gaz sur les parois froides de la vanne et plus particulièrement du corps central 3 en début de fonctionnement lie perfectionnement consiste à déposer sur les parois internes du corps de vanne (à l'exclusion de la tuyère convergente-divergente 2) et sur le surface de la gaine 19 une couche 2 de propergol solide susceptible de brûler en formant des gaz sans particules, en amont de la section de tassage définie entre cette tu Guère et le corps central 3 Au moment de l'allumage de la fusée, les gaz chauds de l'écoulement entrant en 17 dans la vanne provoqueront la combustion de la couche de propergol 2w et les gaz chauds produits par cette combustion serviront à préchaufíer les surfaces de ls vanne exposées à l'écoulement. Ainsi, après l'évacuation de ces gaz de combustion, les parois de la vanne et la gaine 19 seront à une température supérieure à la température de solidification des particules. lies figures 5 et 6 montrent un mode de réalisation dans lequel la tubulure d'entrée de la vanne, au lieu d'être disposée radialement comme sur la figure 3, est disposée tan gentiellement. lie corps de vanne 1 est donc pourvu de la tubulure axiale 9, par où les gaz sortent suivant la flèche 18, et d'une tubulure Ilc^ aboutissant tangentiellement à la paroi interne du corps de vanne, les gaz rentrant suivant la flèche 17a dans cette tubulure Ila Cette configuration procure à la vanne une charge thermique et mécanique mieux répartie.La tubulure lle n'étant pas dirigée vers la gaine de protection 19, celle-ci est soumise moins directement à l'impact des particules, de sorte que son érosion et son affaiblissement sont réduits. lies gaz sont entraînés dans un mouvement tourbillon mairie. lies particules projetées par le champ d'accélération s'accumulent près des parois du corps de vanne, et cette forme d'écoulement provoque une évacuation plus aisée du débit de particules. Aussi bien du point de vue de l'érosion que du flux de chaleur orienté vers le corps central 3, cette solution semble particulièrement avantageuse. On remarquera CL'iC dons tous les modes de téalisation décrits, l'extrémité du corps central ou pointeau formant sa portion active est protégée par le bouclier 12 ou la gaine 19, non seulement contre llilnpacL des particules mai aussi contez l'impact direct des gaz chauds I1 va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre lie l'invention. En psrticulier, une couche de propergol solide telle que 21 peut être utilisée avantageuse- ment dans tous les modes de réalisation.L'invention n'est pas limitée aux vannes à pointeau, mais peut s'appliquer à la protection des éléments actifs de vannes d'un autre typez L'invention s'applique de façon particulièrement avantageuse aux vannes à gaz chauds utilisées dans les propulseurs à poudre, pour la régulation soit d'un débit de gaz secondaire prélevé dans la chambre de combustion du propulseur et injecté dans la tuyère principale pour orienter le vecteur poussée, soit d'un débit de gaz éjecté par des tuyères indépendantes pour engendrer de forces latérales de gouverne. Cependant, les vannes selon l'invention sont aussi utilisables dans tous les dispositifs comportant le réglage ou la régulation de débit de gaz chauds ou froids chargés de particules solides ou liquides. On peut envisager cette technique pour la réalisation de tuyères propulsives à poussée variable. R E V E N D I C A T I o IT S 1. Une vanne ayant une section de passage comprise entre des portions actives de pièces mobiles relativement, et destinée au réglage ou à la régulation d'un débit de gaz chargés de particules solides ou liquides, comprenant une pièce consommable disposée entre l'entrée de la vanne et lesdites portions actives et agencée de façon à former à la fois un bouclier recevant l'impact des particules et un déflecteur dirigeant le courant des gaz vers l'orifice de ladite section de passage 2.Une vanne selon la revendication 1, du type à pointeau, dort les portions actives comprennent une tuyère cor- vergente-divergente formée par le corps de vr;iic et l'extrémité d'un corps central ou pointeau mobile suivant l'axe de cette tuyère, dans laquelle la pièce consommable est agence de façon à dévier le gaz vers ladite tuyère, de sorte que le particules que cette piece nlG pas arrêtées sont concentrées en un courant qui s'écoule le long de le surface de cette tuyère. 3. Une vanne selon la revendication 2, dans laquelle la pièce consommable est conformée de façon que les particules qu'elle a arrêtées soient collectées par l'écoulement de gaz et entraînées par celui-ci vers la surface de la tuyère con vergenta-divergente, et que cette surface se raccorde vers l'aval à une surface recourbée formant une chambre en cul de sac qui fait office Ce piège à particules. 4. Une vanne selon une quelconque des revendiccations 2 ou 3, destinée eu réglage ou à la régulation d'un débit de gaz chauds chargé de particules et dont les parois sont protégées contre les effets thermiques par une couche de matériaux isolants, la portion active du pointeau étant dépour- vue d'une telle protection. 5. Une vanne eelon une quel connue des revendications 2, 3 ou -, dans laquelle les gaz entrent par une tubulure dirigée face au pointeau, la pièce consommable étant un obstacle en forme générale de cloche fixé dans l'axe de la tubulure par des bras dirigés radialement. 6. Une vanne selon une quelconque des revendications 2, 3 ou 4, dans laquelle les gaz entrent par une tubulure latérale, et la pièce consommable est constituée par une gai -ne entourant le pointeau et dont l'extrémité forme une surface recourbée aboutissant en amont de la portion active du poin teau. 7. Une vanne selon la revendication 5, dans laquelle la gaine est faite en matériaux du type ablatif. 8. Une vanne selon une quelconque des revendications 6 ou 7, dans laquelle la tubulure d'entrée latérale aboutit tangentiellement à la surface interne du corps de vanne. 9. Une vanne selon la revendication L ou selon la re- vendication 5 et une quelconque des revendications 5 à 8, dont les surfaces internes sont recouvertes d'une couche de propergol solide dont la combustion ne produit pas de particules.