Brevet FR2283383A1 — publié le 19760326

La présente invention concerne un dispositif de jonction pour canalisation de fluide cryogénique, du genre comportant deux bouts de canalisation liés entre eux par un soufflet de dilatation. On sait que le transfert de fluide cryogénique, par exemple d'un réservoir d'un engin aérospatial au moteur de propulsion, présente de nombreuses difficultés s L'une de ces difficultés est déterminée par les variations importantes de dimensions que subissent les canalisations entre le réservoir et les moteurs, du fait notamment de l'abaissement important de température lorsque l'engin est mis en service. Ces variations dimensionnelles provoquent indirectement des variations de volume et de pression du fluide transféré dans la canalisation, variations qui, à leur tour, peuvent provoquer des phénomènes irréversibles d'instabilité susceptibles d'entrainer un endommage~ gemment, voire la destruction, de l'engin aérospatial.On explique couramment ce phénomène par les variations dans les conditions de transfert du fluide cryogénique qui conduisent à des modifications dans le fonctionnement du moteur, elles-eêes provoquant des variations dans l'alimentation à partir des réservoirs.Ceci a pour conséquence de développer parfois dea vibrations qui, lorsqu'elles sont à une fréquence proche de la fréquence de résonance de la structure de l'engin aérospatial, sont susceptibles d'entraîner sa destruction totale. t Un objet de la présente Invention consiste en un dispositif de jonction pour canalisation de fluide cryogénique où les variations de volute et de pression dans la canalisation sont automatiquement compensées0 Un autre objet de l'invention est un dispositif de jonction pour canalisation de fluide cryogénique qui évite de transmettre des surcharges à la structure de support de ladite canalisation. L'objet de la présente invention est d'adapter et de rendre opérationnel aux basses températures un dispositif de jonction pour canAlisa tion de fluide, connu en sois qui comporte une chambre annulaire de coapeasrrc tion coaxiale extérieurement à la jonction, en communication avec ladite canalisation, à parois longitudinales interne et externe incorporant des soufflets compensateurs et à parois de front rigides, chaque paroi de front axialement la plus proche d'un bout de canalisation étant solidaire par liaison rigide avec l'autre bout de canalisation. Ce genre de dispositif de jonction permet en principe de résoudre le problème de la compensation des volumes et des forces exercés sur la jonction* puisque les forces qui tendent à écarter les bouts de canalisation l'un de l'autre au niveau du soufflet de dilatation sont automatiquement compensées par l'effet de rapprochement dû aux soufflets compensateurs de la chambre de compensation. Pour cela, il suffit que les efforts exercés par la chambre de compensation soient substantiellement égaux à ceux exercés par le fluide à l'intérieur de la canalisation et, à cet effet, il convient donc de réaliser une chambre annulaire avec une section transversale dimensionnée de façon sensiblement égale à celle de la canalisation de trans- fert de fluide cryogénique.Ce choix dimensionnel permet donc d'équilibrer les efforts qui s'exercent sur les soufflets tendant à éloigner les bouts de canalisation l'un de l'autre, mais en outre et simultanément, il permet une compensation des volumes puisque toute augmentation du volume de la canalisation au niveau du soufflet de dilatation est #compensée par une réduction simultanée et correspondante du volume intérieur de la chambre de compensation et vice-versa. De la sorte, tout risque de génération de mouvements vibratoires dûs à des conditions d'alimentation défectueuses provenant de variations volumiques de la canalisation de transfert sont ipso-facto écartés.Cependant, de tels dispositifs de jonction connus en soi pour le transfert de fluide à température ambiante sont difficilement adaptables au transfert de fluide à basse température. E; effet, il convient d'abord, bien entendu, d'isoler la canalisation, notamment le dispositif de jonction, pour éviter au maximum l'entrée d'un flux thermique vers le fluide cryogénique transféré, ce qui ne manquerait pas de provoquer des vaporisations nuisibles. En effet, il convient que non seulement la canalisation à l'endroit de la jonction soit isolée, mais également que la chambre annulaire de compensation soit également isolée car elle ne fonctionne correctement que lorsqu'elle est soumise à la même pression que celle du fluide qui la parcourt. En d'autres termes, cette chambre annulaire doit entre constamment emplie de fluide cryogénique.Le problème de l'isolation de ce dispositif de jonction présente certaines difficultés précisément de par son rôle qui consiste à subir des déformations longitudinales sous l'effet des variations de température, alors qu'aucun isolant connu ne peut résister à de telles déformations. Un objet de la présente invention est donc d'avoir su trouver toutes les modalités d'adaptation aux basses températures d'un tel dispositif de jonction fonctionnant normalement à température ambiante. Cette adaptation est réalisée conformément à l'invention par la mise en oeuvre combinée des trois mesures suivantes a/ l'une des liaisons rigides s'étendant dans l'espace entre la chambre annulaire et le bout de canalisation, tandis que l'autre s'étend extérieurement à ladite chambre annulaire sous forme d'une virole, des revêtements d'isolation thermique sont ménagés d'une part extérieurement sur ladite virole jusqu'à recouvrir le bout de la canalisation qui lai est solidaire, d'autre part sur l'autre bout de canalisation au moins jusqu'au niveau transversal de l'extrémité de ladite virole une paroi annulaire incorporant un soufflet d1 isolation, de force négligeable, en regard du soufflet de dilatation et des soufflets compensateurs, s'étend axialement depuis la paroi frontale de ladite chambre de compensation qui est rigidement liée à la virole et vient s'ancrer exte- rieurement sur le revêtement d'isolation thermique du bout de canalisation non solidaire à ladite virole ;; c/ l'espace interstitiel entre les bouts de canalisation, l'extérieur du soufflet de dilatation, l'intérieur du soufflet d'isolatia, l'extérieur de la chambre de compensation et l'intérieur de la virole for e une chambre d'isolation étanche vis#vie via de l'atmossphbre extérieure et ladite chambre d'isolation est adaptée à recevoir un gaz non condensable à la température froide de fonctionnement de la jonction. C'est l'ensemble de ces mesures qui permet d'obtenir le résultat annoncé s En effet, il convient d'isoler vers l'extérieur les différentes pièces qui sont assemblées, sans pour autant pouvoir recouvrir de revêtement thermiquement isolant les parties soumises à des variations dimensionnelles. Ceci est obtenu par la création d'une chambre interstitielle étanche vis b vis de l'extérieur grâce à un soufflet d'isolation et cette chambre étanche, dans laquelle se situent toutes les pièces ayant des variations dimensionnelles, telles les soufflets, est elle-même emplie d'un gaz non condensable à la température de fonctionnement, par exemple de 1 'hélium gazeux si le fluide transporté est de ltoxygène ou de l'hydrogène liquide.Le soufflet d'isolation présente une face externe à l'atmosphbre ambiante mais il est protégé du rayonnement cryogénique provenant des pièces de la canalisation précisément par le revêtement thermiquement isolant, de sorte que sa température ne risque pas de s'abaisser beaucoup en dessous de la température ambiante. On évite ainsi tout effet de cryccondensation qui, sans cette disposition, se produirait sur les soufflets de dilatation et de compensation et l'on reporte sur un soufflet d'isolation, lui-même interposé entre l'atmoephère ambiante et le revêtement d'isolant, la fonction de séparation entre la jonction et l'atmosphère extérieure. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description rui suit, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé, dans lequel la figure unique représente en coupe axiale un dispositif de jonction selon l'invention, En se référant à ce dessin, un dispositif de jonction comporte deux bouts de canalisation 1 et 2 disposés à faible distance longitudinale d l'un. de l'autre et substantiellement en alignement, ces deux bouts de canalisation 1 et 2 étant reliés entre eux par un soufflet de dilatation 3 qui est ancré d'une part sur une collerette 4 solidaire du bout de canalisation 1, d'autre part sur une paroi 5 à collerette 6 solidaire du bout de canalisation 20 Le dispositif de compensation est ici constitué d'une chambre annulaire 8 délimitée d'une part coaxialement par deux parois 9 et 10, la première incorporant une paroi cylindrique rigide 9a et un soufflet 9b, tandis que la seconde paroi 10 est formée d'un soufflet, d'autre part transversalement par deux parois frontales 11 et 120 Cette chambre de compensation 8 est solidarisée du côté de son extrémité qui est la plus engagée le long du bout de canalisation 2, c'est-à-dire par sa paroi frontale 11 par l'intermédiaire d'un manchon de raccordement perforé 13 à une extrémité 14 d'une virole 15 qui l'enveloppe extérieurement à distance et qui a son autre extrémité 16 ancrée au bout de canalisation lo Se même, la chambre de compensation 8 est solidarisée du coté de son extrémité la moins engagée le long du bout de canalisation 2, ou du côté de son extrémité la plus proche du bout de canalisation 1, ctest-à-dire par sa paroi frontale 12, à la paroi 5 et par la collerette 6 au bout de la canalisation 2. On notera que la chambre de compensation 8 communique avec l'intérieur de la canalisation par une perforation Sa de la plaque 5. La virole 15 est recouverte d'un isolant 17 qui s'étend sur toute son extension longitudinale et qui se prolonge d'ailleurs sur la partie cylindrique du bout de canalisation 1 t de même, le bout de canalisation 2 est lui-mSme recouvert d'un revttement isolant 18 qui s'étend jusqu'au niveau transversal et à faible distance de l'extrémité 17' du revêtement isolant 17. Une paroi d'isolation 19, à soufflet d'isolation 20 est soudée d'un côté sur ltextrémité de virole 14 et est ancrée d'un autre côté, par l'intermédiaire d'une collerette 21 sur une plaque d'ancrage 22 formée par exemple d'un tissu de verre imprégné de résine et noyé dans le revêtement isolant 18. Cette forme de réalisation qui vient d'être décrite d'un dispositif de jonction est faite en prenant soin à ce que la surface de la section transversale moyenne de la chambre de compensation 8 soit sensiblement égale à la surface de la section transversale des bouts de canalisation 1 ou 2. On constate ainsi que lorsque ces bouts de canalisation 1 ou 2 sont emplis d'un fluide sous pression, les efforts qui se développent sur la canalisation et qui tendent à écarter les deux bouts de canalisation 1 et 2 l'un de l'autre, en dilatant le soufflet de dilatation 5 sont automatiquement compensés par des efforts antagonistes qui se développent en sens inverse sur les parois frontales 12 et 11,respectivement, de la chambre de compensation 8 et qui agissent respectivement sur le bout de canalisation 2 et le bout de canalisation 1 pour les rapprocher.On constate ainsi que le soufflet de dilatation3 n'est soumis qu'au simple mouvement de dilatation nécessité par levs modifications dimensionnelles de la canalisation, à l'exclusion de tout effort supplémentaire dû à l'existence d'une pression d'un fluide dans la canalisatiomz On constate également que lorsque steffectuent de detels mouvements de dilatation par exemple lorsque la canalisation passe de la température ambiante à la température froide, ou vice-versa, les variations de volume de la canalisation,par exemple une réduction ou augmentation de volume si la température décroft ou croit respectivement, sont automatiquement compensées par une variation égale, mais de sens contraire, du volume de la chambre de compensation 8, en sorte que toute variation due à un changement de température ne conduit, grace à la disposition décrite, à aucune variation du volume de fluide en cours de transfert, éliminant ainsi toute variation intempestive dans les conditions d'alimentation du récepteur, par exemple du moteur.On constate, en outre, que tout l'espace interstitiel entre l'extérieur du soufflet de dilatation 5, l'extérieur de la chambre de compensation, l'intérieur du soufflet d'isolation 20 et l'intérieur de la virole 15, constitue une chambre fermée étanche vers l'extérieur et qui peut être aisément emplie d'un gaz non condensable à la température de fonctionnement, ce qui évite ainsi tout phénomène de condensation sur les soufflets, qui ne manquerait pas de provoquer une perturbation dans le fonctionnement de ces soufflets à température froide.On notera à ce sujet que le soufflet 20 qui, seul, se présente en contact direct avec l'atmosphère extérieure ne risque pas, en ce qui le concerne, de subir les effets endommageables d'une cryocondensation extérieure s en effet, ce soufflet d'isolement est pratiquement isolé, par les revêtements 17 et 18, des parties froides de la jonction~ Avantageusement, cette charge gazeuse peut etre constituée par de l'hélium et est animée d'un mouvement permanent de balayage par exemple en introduisant de l'hélium dans l'embout d'introduction 25 et en laissant échapper, par exemple dans l'embout d'évacuation 26, l'hélium en esches dans ltatmosphère ambiante. Gracie à ces dispositions, o; s'assure d'une part que les différents soufflets de trvail, qui sont les soufflets de dilatation 5 et de compensation 9 et 10 sont constamment à l'abri de dépits de condensation et voient ainsi leur fonctionnement à coup str non perturbé par ce phénoine. En ce qui concerne le soufflet de dilatation, il est bien évident que celui-ci doit titre conçu de façon à apporter, dans le système de forces en présence, les perturbatiOn8 les plus faibles possibles et à cet effet la force de ce soufflet d'isolation 20 est considérablement faible par rapport à la force des soufflets de dilatation 3 et de compensation 9 et 10. Ainsi, l'effet d'équilibre de ces derniers soufflets n'est pas perturbé. On note que, malgré sa relative complexité, la jonction selon l'invention se présente sous une forme particulièrement compacte. Cette compacité est obtenue en disposant côte à cote la chambre annulaire de compensation, le soufflet de dilatation et le soufflet d'isolation0 Ainsi qu'on le remarque au dessin, le soufflet de dilation 3 est pratiquement disposé au niveau du bout de canalisation 1 tandis que la chambre de compensation 8 est ménagée au niveau du bout de canalisation 2. On constate également que l'extrémité 14 de la virole 15 est rabattue considérablement vers l'axe, ce qui permet, grâce au revêtement isolant qui recouvre également cette zone rabattue, d'agencer le soufflet d'isolement 20 aussi proche de l'axe que possible, en même temps qu'on réduit au strict minimum la fente (qui varie en fonction de la dilatation de la canalisation) entre le revêtement isolant 17 associé au bout de canalisation 1 et le revêtement isolant 18 associé au bout de canalisation 2. A noter également que de tels matériaux ont été décrits dans les brevets français 70 05191 et 70 05193 et sont notamment connus commercialement sous la dénomination " CELLULAIRE H 917 L'invention s'applique essentiellement à la jonction de canalisatiens de transfert de liquides cryogéniques tels que oxygène ou hydrogène liquéfiés. REVEKDICATIOES 1. - Dispositif de jonction pour canalisation de fluide cryogénique, du genre comportant deux bouts de canalisation liés entre eux par un soufflet de dilatation, avec, en outre, une chambre annulaire de compensationtcoaxiale extérieurement à la jonction, en communication avec ladite canalisation à parois longitudinales interne et externe incorporant des soufflets compensa~ teurs et à parois de front rigides, chaque paroi de front axialement la plus proche d'un bout étant solidaire par liaison rigide avec l'autre bout de canalisation, l'une des liaisons rigides s'étendant dans l'espace entre ladite chambre annulaire, tandis que l'autre s'étend extérieurement à ladite chambre annulaire sous forme d'une virole fixée de façon étanche au bout de canalisation, caractérisé par la combinaison des mesures suivantes a/ des revetements d'isolation thermique sont ménagés d'une part extérieurement sur ladite virole jusqu'à recouvrir le bout de canalisation qui lui est solidaire, d'autre part sur l'autre bout de canalisation au moins au niveau transversal de 1 1extrémité de ladite virole une paroi annulaire incorporant un soufflet d' isolation, de force négligeable au regard du soufflet de dilatation et des soufflets compensateurs, stétend axialement depuis la paroi frontale de ladite chambre de compensation, qui est rigidement liée à ladite virole, et vient s'ancrer extérieurement sur le revente en d'isolation thermique du bout de canalisation non solidarisé avec ladite virole ;; c/ l'espace interstitiel entre les bouts de canalisation,l'extérieur du soufflet de dilatation, l'intérieur du soufflet d'isolation, I1 extérieur de la chambre de compensation et l'intérieur de la virole forme une chambre d' isolation étanche vis-à-vis de l'atmosphère extérieur et ladite chambre d'isolation est adaptée à recevoir un gaz non condensable à la température froide de fonctionnement de la jonction. 2. - Dispositif de jonction selon la revendication 1 caractérisS en ce que des moyens d'introduction et d'extraction d'un gaz sont aménagés à des extrémités axialement éloignées dans ladite chambre d'isolation. 3. - Dispositif de jonction selon la revendication 2, caractérisS en ce que ces moyens d'admission sont adaptés à etre connectés à une source de gaz non condensable sous pression supérieure à la pression atmosphérique. 4. - > ispositif de jonction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'isolation thermique consistent en un revetesent en matériau mécaniquement résistant, par exemple du type connu sous la dénomination commerciale " CEIlIJLÂIRE H 917 ". 5. - Dispositif de jonction selon la revendication 4* caractérisé en ce que le soufflet d'isolation est ancré dans le revêtement de mousse par l'intermédiaire d'une plaque d'ancrage, par exemple formée d'une couche de résine armée de fibres de verre. 6. - Dispositif de jonction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le soufflet de dilatation s'étend axialement substantiellement au regard d'un bout de canalisation, tandis que la chambre annulaire de compensation s'étend en regard de l'autre bout de canalisation. 7. - Dispositif de jonction selon la revendication 1, caractérisé en ce que la virole présente une partie terminale, éloignée du bout de canalisation auquel elle est solidarisée, qui est rabattue vers l'axe. 8. - Dispositif de jonction selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'extrémité terminale de virole est solidaire de la paroi de fond par une plaque perforée.