Brevet FR2266807A1 — publié le 19751031

La présente invention concerne une régulation des vitesses limites supérieure et inférieure de rotation d'un ou de plusieurs groupes turbopompes de moteursfusées à liquide dans lesquels des gaz propulseurs de température appropriée sont engendrés avec excès soit de combustible, soit d'oxygène pour la ou les turbines d'entraînement des pompes à ergol. Dans les machines à combustion, telles que moteurs et turbines à gaz, à éléments de machine et groupes tournants, le contre des vitesses limites supérieure et inférieure de ces appareils est exercé par des régulateurs centrifuges qui, au voisinage desdites vitesses, interviennent passagèrement et de façon automatique dans le système de commande ou de régulation du combustible pour diminuer l'afflux de ce dernier à la valeur limite supérieure de la vitesse et l'augmenter au contraire à la valeur limite inférieure. Un autre mode de mattrise des vitesses limites de rotation des groupes tournants de moteurs-fusées à liquideetàturbines à gaz consiste à utiliser comme grandeurs de commanue les pressions, proportionnelles aux vitesses de rotation, qui sont engendres par les pompes de circulation d'ergol, puis, par l'intermédiaire de dispositifs à bottes ou membranes de commande réagissant aux pressions les plus basses et les plus élevées et par régulation de débits appropriée, à commander par des dérivations de pompe, à l'arrivée aux vitesses limites, les quantités de combustible ou d'ergol à diriger par les pompes vers les buses d'injection. Suivant une disposition également connue pour les systèmes à combustible et ergol de moteurs-fusées et turbines à gaz, on utilise des dispositifs régulateurs de température qui, au franchissement vers le haut de la température maximale des gaz propulseurs agissant sur les turbines ou au franchissement vers le bas d'une basse température déterminée qui entrarnerait le risque d'une extinctionde la chambre de combustion, interviennent dans le système de combustible ou d'ergol pour y diminuer ou augmenter provisoirement le débit de l'un ou l'autre. L'invention a pour objet, dans un moteur-fusée à flux dérivé avec une chambre de combustion à flux dérivé pour la production de gaz propulseurs à l'usage de la ou des turbines d'entraînement des pompes de circulation d'ergol ou dans un moteur-fusée à flux non dérivé avec une ou plusieurs chambres de précombustion au même usages une régulation, de structure simple et de fonctionnement aisé et sûr, des vitesses limites de rotation supérieure et inférieure desdites turbines d'entraînement par modification de la température des gaz propulseurs. Cette régulation est caractérisée par une variation de la température des gaz propulseurs telle que, lorsque l'on atteint la vitesse limite inférieure de rotation, une quantité partielle appropriéezde l'ergol excédentaire soit retirée du générateur de gaz ou une quantité supplémentaire' également appropriée de l'ergol déficitaire soit aåoutéesaudit générateur de gaz ou, après celui-ci, aux gaz propulseurs et que, lorsque l'on atteint 1e vitesse limite supérieure, la quantité de l'ergol déficitaire amenée au générateur de gz soit réduite ou une quantité supplémentaire de l'ergol excédentaire soit amenée au générateur de gaz ou aux gaz propulseurs raval de celui-ci. Dans un mode' de réalisation préféré de l'invention,il est affecté à la conduite d'amenée de ergol excédentaire à la chambre de précombustion d'un moteur-fusée à flux non dérivé ou à la chambre de combustion à flux dérivé d'un moteur-fusée à tel flux un dispositif de commande composé d'un piston régleur subissant notamment la pression de la pompe de circulation de l'ergol excédentaire, d'un tiroir de commande intervenant dans la conduite précitée, lequel, dans la gamme de vitesses de rotation comprise entre les valeurs limites, agit en organe de préétranglement 1 fixé en cette position, et enfin d'un dispositif d'accouplement qui relie le piston régleur et le tiroir de commande et entre en action qu'aux vitesses limites inférieure et supérieure en ce sens que, lorsque l'on atteint la vitesse limite supérieure, le tiroir de commande diminue encore plus la section de la conduite d'amenée et, lorsque l'on atteint la vitesse limite supérieure, il dégage au contraireladite conduite. Suivant un deuxième mode de réalisation,il est affecté à la dérivation d'amenée de l'ergol déficitaire à la chambre de précombustion d'un moteur-fusée à flux non dérivé ou à la chambre de combustion à flux dérivé d'un moteur-fusée à tel flux un dispositif de commande fonctionnant notamment en fonction de la vitesse de rotation et composé d'un régulateur centrifuge, d'un tiroir de'commande intervenant dans la dérivation précitée, lequel, dans la gamme de vitesses de rotation comprise entre les valeurs limites, agit en organe de préétr2llglement , fixe en cette position, et enfin d'un dispositif d'accouplement qui relie le régulateur centrifuge et le tiroir de commande et n'entre en action qiaux vitesses limites inférieure et supérieure en ce sens que, lorsque l'on atteint l'a vitesse limite inférieure, le tiroir de commande dégage la dérivation en question et, lorsque l'on atteint la vitesse limite supérieure, il diminue au contraire davantage la section de ladite dérivation I1 est parfaitement possible de combiner pour l'un ou 1' autre type de moteur-fusée les deux modes de régulation ci-dessus sous la forme d'une action exercée sur la température des gaz propulseurs des turbines, d'une part par commande du débit de l'ergol déficitaire, d'autre part par commande du débit de l'ergol excédentåire. Suivant un troisième mode de réalisation, la conduite d'ergol excédentaire menant à la chambre de précombustion dans le cas d'un moteur-fusée à flux non dérivé ou à la chambre de -combustion à flux dérivé dans -un moteurfusée à tel flux débouche dans lesdites chambres par trois dérivations qui introduisent dans celles-ci de l'ergol excédentaire , la première dans toute la gamme des vitesses de rotatif.. des groupes turbopompes, la deuxième dans toute la gamme excepté la zone de vitesse limite inférieure, la trois sième seulement d'ans la zone de vitesse limite supérieure. En extension de cette dernière réalisation, deux des trois dérivations comportent des soupapes de retenue réglées en sorte que celle de l'une ferme seulement lorsque l'on tombe au-dessous de la pression des pompes correspondant à la vitesse limite inférieure pour demeurer ouverte le reste au temps et que celle de l'autre n'ouvre que lorsque la pression des pompes correspond à la vitesse limite supérieure. l'invention sera mieùx comprise à l'aide de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel les figures la, lb, lo représentent un moteur-fusée à flux non dérivé comportant, pour la régulation des vitesses limites de rotation, des dispositifs de commande réagissant à la pression des pompes les figures 2a, 2b, 2c représentent des dispositifs de commande actionnés par des régulateurs centrifuges;; les figures 3a, 3b 3c représenient un moteur-fusée à flux dérivé comportant des soupapes d= retenue comme dispositifs de commande la figure 4 est un diagramme d'ergols avec commande de 1' ergol excédentaire en vue de la régulation des vitesses limites de rotation la figure 5 est un diagramme d'ergols avec commande au mtme effet de l'ergol déficitaire. Le moteur-fusée à flux non dérivé que représente la figure la comprend essentiellement : une chambre de précombustion 1 dans laquelle sont engendrés des gaz propulseurs riches en combustible ou en oxygène, dans le présent exemple des gaz riches en hydrogène ; une turbine haute pression 2 et une turbine basse pression 3 soumises à l'action de ces gaz propulseurs ; des pompes de circulation d'ergol 4 et 5, la première entraînée par l'intermédiaire d'un arbre creux 6 par la turbine haute pression 2 et véhiculant de l'hydrogène liquide, la seconde entraînée par l'intermédiaire d'un arbre central 7 par la turbine basse pression 3 et véhiculant de l'oxygène liquide ; enfin une chambre de combustion principale 8 avec tuyère d'éjection 9.L'hydrogène et oxygène sont stockés dans des réservoirs respectifs 10 et 11 reliés aux pompes correspondantes par des canalisations 12 et 13. La totalité de l'hydrogèoeconsommé par le moteur-fusée à flux non dérivé est dirigée vers la chambre de précombustion 1 par une conduite d'amenée 14 ; cet hydrogène parcourt d'abord en la refroidissant la paroi de la tuyère d'éjection 9 et de la chambre de combustion 8. L'oxygène consommé par ce même moteur-fusée n'est introduit qu'en partie dans la chambre de précombustion. Cette quantité partielle est déterminée par un distributeur 15 auquel arrive une canalisation d'oxygène 16 et duquel partent une dérivation 16a pour la chambre de précombustion I et une dérivation 16b pour la tête d'éjection 8a de la chambre de combustion principale 8. La conduite d'amenée d'hydrogène 14 coopère avec un dispositif de commande 17 comprenant un carter 18 dans lequel glisse, suspendu par des ressorts 19, un piston régleur 20 sollicité et déplacé d'un côté par la pres-sion de refoulement des pompes, à travers une conduite de commande 21. Le dispositif de commande 17 comporte en outre d'une part, un tiroir de commande 22 pénétrant dans la conduite 1 14, agissant en organe de préctranlement dans la gamme de vites ses comprise entre les valeurs limites et fixé en cette position par un ressort de traction et compression 23 inséré entre lui et une partie de construction fixe 24 ; d'autre part, un dispositif d'accouplement 25, 26 reliant le piston régleur 20 et le tiroir de commande 22.La partie 25 est formée par une douille d'entraînement munie de butées 25a, 25b de part et d'autre, la partie 26 par un organe de positionnement mobile librement entre les deux butées 25a et 25b. La référence 27 désigne un dispositif de mise en marche de la chambre de précombustion. On voit sur les figures la, lb, lc le dispositif de commande 17 dans ses trois positions de fonctionnement possibles. Sur la figure la , le moteur-fusée marche à une vitesse de rotation de la gamme comprise entre les deux vitesses limites et l'organe de positionnement 26 se trouve entre la butée 25a de vitesse limite supérieure et la butée 25b de vitesse limite inférieure. Si les deux groupes turbopompes 2,4 et 4, 5 atteignent leur vitesse limite supérieure de rotation, la pression monte dans la conduite d'amenée 14 et par conséquent aussi dans la canalisation de commande 21 ; à l'aide de la butée 25a, le tiroir de commande 22 est amené à la position selon la figure lb par l'organe de positionnement 26 et dégage ainsi entièrement la conduite d'amenée 14. I1 en résulte momentanément une arrivée plus massive d'hydrogène dans la chambre de précombustion 1 relativement à la quantité oxygène admise dans celle-ci et l'on enregistre provisoirement une forte baisse de la température des gaz propulseurs;Cette situation apparaît également dans le diagramme de la figure 4, sur la ligne verticale de droite, qui, désignée par max , indique la vitesse limite supérieure de rotation. La courbe d'hydrogène H2 margue ici une montée rapide AaH. Si les groupes turbopompes 2, 4 et 3, 5 atteignent par contre la vitesse limite inférieure de rotation,la pression baisse dans la canalisation de commande 21 & l'aide de la butée 25b, le tiroir de commande 22 est alors amené par 1' organe de positionnement 26 & la position selon la figure lc et pénètre ainsi encore davantage dans la conduite d'amenée, dont la section se trouve encore réduite. I1 en résulte, par rapport â la quantité d'oxygène momentanément ìntro- duite dans la chambre de précombustion 1, une moindre arrivée d'hydrogène â cellè-ci, d'où une forte augmentation provisoire de la température des gaz propulseurs.Le diagramme de la ti- gure 4 traduit également cette situation, sur la ligne verticale de gauche, qui, désignée par min, indique la vitesse limite inférieure0 La courbe d'hydràgène H2 marque ici une chute rapide ME On voit sur les figures 2a, 2b, 2c un dispositif de commande 117 qui est actionné en fonction de la vitesse de-rotation du groupe turbopompe 3, 5 et dont les tiroirs de commande 122 pénètrent dans la dérivation d'oxygène 16a conduisant â la chambre de précombustion l. Ce dispositif de commande 117 comprend en outre un régulateur centrifuge 28 et un organe de positionnement 126 maintenu à se position normale par un ressort de traction et compression 123 pris entre lui et le carter 118. Ledit organe de positionnement est cou plé avec les extrémités de levier 28a du régulateur centrifuge 28 par des organes de traction 29 en sorte que ces derniers soient lâches dans la gamme de vitesses de rotation comprise entre les valeurs limites, le ressort 123 étant réglé en sorte que le tiroir de commande 122 agisse alors en dispositif de pré- étranglement et réduise quelque peu la section de la dérivation d'oxygène 16e. L'organe de positionnement 126 en forme de pis- ton est divisé en deux parties, celle de l'avant rotative de par les roulements 126a. Si les groupes turbopompes 2, 4 zt-D, 5 atteignent la vitesse limite supérieure de rotation, les poids du régulateur centrifuge 28 s'écartent davantage vers l'extérieur comme sur la figure 2b et ses extrémités de levier 28a déplacent organe de positionnement 126 et par conséquent aussi le tiroir de commande 122 vers la droite, si bien que la section de la dérivation 16a diminue encore. Il arrive de la sorte moins d'oxygène à la chambre de prêcombustion 1 et la température des gaz propulseurs diminue. Il en résulte une réduction de vitesse des turbines 2 et 3. Cette situation ap parfît également dans le diagramme de la figure 5, sur la ligne verticale de droite désignée par max, laquelle indique la vitesse limite supérieure de rotation.La courbe d'oxygène 02 accuse ici une chute rapide AfO. Si les groupes turbopompes 2, 4 et 3, 5 atteignent par contre la vitesse limite inférieure de rotation, les poids du régulateur centrifuge 28 se rapprochent vers l'intérieur comme sur la figure 2c et ses extrémités de levier 28a entraînent par les organes de traction 29 l'organe de positionnement 26, et par suite aussi le tiroir de commande 122, vers la gauche, Si bien que provisoirement ce dernier libère entièrement la section d'écoulement de la dérivation 16a. I1 arrive alors davantage d'oxygène dans la chambre de précombustion 1 et la température des gaz propulseurs augmente fortement. D'où une remontée des vitesses de rotation des turbines2 et 3. Cette situation apparaît aussi sur la figure 5, sur la ligne verticale de gauche désignée par min, laquelle représente la vitesse limite inférieure de rotation. La courbe d'oxygène 02 accuse ici une montée rapide AsO. Le moteur-fusée à courant dérivé représenté sur la figure 3a se compose essentiellement d'une chambre de combustion de fusée 30 avec tuyère d'éjection 4 d'une chambre de combustion à flux dérivé 31 et d'un groupe turbopompe comprenant une turbine 32 et deux pompes de circulation d'ergol 33 et 34. La pompe 33 aspire dans un réservoir 36, par une canalisation 35, de l'hydrogène liquide qu'elle refoule, d'une part vers la tête d' injection 30a de la chambre de combustion de fusée par une conduite 37, d'autre part dans la chambre de combustion à flux dérivé 31 par une conduite 38.La pompe 34 aspire dans un réservoir 40, par une canalisation 39, de l'oxygène liquide qu'elle refoule, d'une part vers la tête d'injection 30a de la chambre de combustion de fusée 30 par une dérivation 41, d'autre part vers la chambre de combustion à flux dérivé 31 par une dérivation 42. Dans l'exemple considéré, la chambre de combustion à flux dérivé 31 fonctionne avec forte teneur en hydrogène, c'est-à-dire que l'hydrogène représente l'ergol excédentaire. Le dispositif de commande de régulation des vitesses limites de rotation se compose de soupapes de retenue insérées dans des dérivations de la conduite d'amenée 38 et accordées entre elles de façon appropriée, la conduite d'amenée 38 formant au total trois dérivations 38a, 38b , 38c avant la chambre de combustion à flux secondaire.Les deux dérivations 38a et 38c comportent les soupapes de retenue 43 et 44 Les gaz propulseurs engendrés dans le moteur-fusée à flux dérivé 31 s'écoulent par une canalisation 45 vers la turbine 32 et agissent sur celle-ci . La référence 46 désigne un dispositif de mise en marche de la turbine 32. Sur la figure 3a, on voit le moteurfusée dans une situation~de fonctionnement en Ian ue 1k-- le groupe turbopompe 32, 33, 34 tourne à une vitesse comprise entre les valeurs limites pour engendrer une puissance voulue qui est déterminée de façon habituelle par un régulateur non représenté. En même temps il arrive continuellement dans la chambre de combustion à flux dérivé une quantité partielle déterminée d'hydrogène par la dérivation 38b et une autre, également déterminée, par la dérivation 38c, la pression des pompes aux vitesses de rotation normales, c'est-à-dire comprises entre les valeurs limites, étant suffisante pour maintenir ouverte la soupape de retenue 44. in revanche, la pression normale ne suffit pas à ouvrir la soupape de retenue 43 dans la dérivation 38a ; ladite soupape reste fermée en cette situation de fonctionnement. En cas de dépassement de la vitesse limite supérieure de rotation, la situation est celle de la figure 3b. La pression des pompes et par conséquent la pression de la dérivation 38a montent tellement que la soupape de retenue 43 s'ouvre elle aussi, si bien que les trois dérivations 38a, 38b, 38c sont ouvertes et qu'une plus grande quantité d'hydrogène entre provisoirement dans la chambre de combustion à flux dérivé, la température des gaz propulseurs baissant du même fait. La turbine 32 retombe par conséquent à une vitesse de rotation normale. Lorsque l'on atteint la vitesse limite inférieure de rotation du troupe turbopompe 32, 33, 34, la pression baisse dans la conduite d'amenée 38 dans une mesure telle que la soupape de retenue 44 se ferme elle aussi, si bien qu'il ne parvient plus d'hydrogène à la chambre de combustion à flux dérivé 31 que par la dérivation 38b. Il en résulte que la température et la pression des gaz propulseurs, et par conséquent aussi la vitesse de rotation, remontent. La soupape de retenue 43 qui intéresse la vitesse limite supérieure de rotation présente donc une pression de commande, ou contre-pression, qui correspond à la pression des pompes dans la zone de vitesse maximale de rotation ; quant à la soupape de retenue 44 intéressant la vitesse limite inférieure de rotation, elle est réglée pour une pression de commande, ou contre-pression, égale à la pression des pompes dans la zone de vitesse limite inférieure de rotation. REVEND ICAT IONS 1. Régulation des vitesses limites supérieure et inférieure de rotation d'un ou de plusieurs groupes turbopompes de moteurs-fusées à liquide dans lesquels des gaz propulseurs de température appropriée sont engendrés avec excès soit de combustible, soit d'oxygène pour la ou les turbines d'entrarnement des pompes à ergol, régulation caractérisée par le fait que, par une variation de la température des gaz propulseurs telle que, lorsque l'on atteint la vitesse limite inférieure, une quantité partielle appropriée de l'ergol excédentaire soit retirée du générateur de gaz ou une quantité supplémentaire également appropriée de l'ergol défi cataire soit ajoutée audit générateur de gaz ou, après celuici, aux gaz propulseurs et que, lorsque l'on atteint la vitesse limite supérieure, la quantité de ergol déficitaire amenée au générateur de gaz soit réduite ou une quantité supplémentaire de l'ergol excédentaire soit amenée au générateur de gaz ou aux gaz propulseurs en aval de celui-ci. 2. Régulation selon la revendication 1 caractérisée par le fait qu'il est affecté à la conduite d1a- menée de l'ergol excédentaire à la chambre de précombustion d'un moteur-fusée à flux non dérivé ou à la chambre de combustion à flux dérivé d'un moteur-fusée à tel flux un dispositif de commande compose d'un piston régleur subissant notamment la pression de la pompe de circulation de l'ergol excédentaire, d'un tiroir de commande intervenant dans la conduite précitée, lequel, dans la gamme des vitesses de rotation comprise entre les valeurs limites, agit en organe de préétranglement, fixé en cette position, et enfin d'un dispositif d'accouplement qui relie le piston régleur et le tiroir de commande et n'entre en action qu'aulx vitesses limites inférieure et supiiieure en ce sens que, lorsque l'on atteint la vitesse limite inférieure, le tiroir de commande diminue encore plus la section de la condui- te d'amenée et, lorsque l'on atteint la vitesse limite supérieure, il dégage au contraire ladite conduite. 3. Régulation selon la revendication 1 caractérisée par le fait qu'il est affecté à la dérivation d'amenée de l'ergol déficitaire à la chambre de précombustion d'un moteur-fusée à flux non dérivé ou à la chambre de combustion à flux dérivé d'un moteur-fusée à tel flux un dispositif de commande fonctionnant notamment en fonction de la vitesse de rotation et composé d'un régulateur centrifuge, d'un tiroir de commande intervenant dans la dérivation précitée, lequel dans la gamme de vitesses de rotation comprise entre les valeurs limites, agit en organe de préétranglement , fixé en cette position, et enfin d'un dispositif d'accouplement qui relie le régulateur centrifuge et le tiroir de commande et n'entre en action qu'aux vitesses limites inférieure et supérieure en ce sens que, lorsque l'on atteint la vitesse limite inférieure, le tiroir de commande dégage la dérivation en question et, lorsque l'on atteint la vitesse limite supérieure, il diminue au contraire davantage la section de ladite dérivation. 4. Régulation selon la revendication 1 caractérisée par la combinaison des moyens selon les revendications 2 et 3. 5. Régulation selon la revendication 1 caractérisée par le fait que la conduite d'ergol excédentaire menant à la chanbre de précombustion dans le cas d'un moteurfusée à flux non dérivé o; à la chambre de combustion à flux dérivé dans un moteur-fusée à tel flux débouche dans lesdites chambres par trois dérivations qui introduisent dans celles-ci de ergol excédentaire, la première dans toute ia gamme des vitesses de rotation des groupes turbopompes, la deuxième dans toute la gamme excepté la zone de vitesse limite inférieure, la troisième seulement dans la zone de vitesse limite supérieure. 6. Régulation selon la revendication 5 caractérisée par le fait que dans deux des trois dérivations sont insérées des soupapes de retenue réglées en sorte que celle de l'une ferme seulement lorsque l'on tombe au-dessous de la pression des pompes correspondant à la vitesse limite an- férieure pour rester ouverte le reste du temps et celle de l'autre n'ouvre que lorsque l'on atteint la pression des pompes correspondant à la vitesse limite supérieure.