Brevet FR2516172A1 — publié le 19830513

Dispositif de soupape pour la commande de fluides en écoulement a haute température, notamment pour le dosage des débits de gaz riches en combustible dans des moteurs-fusées du type statoréacteur La présente invention concerne un dispositif de soupape pour la commande de fluides en écoulement à haute température avec une forte part de constituants solides, notamment pour des moteurs-fusées du type statoréacteur en vue du dosage des débits de gaz riches en combustible qui passent de la chambre de précombustion à la chambre de com- bustion principale, avec un alésage de traversée central commandé par une bille qui est guidée librement par un poussoir de réglage et déplaçable en même temps librement en direction radiale entre des limites déterminées. En construction mécanique, on connait sous de nombreu- ses formes de réalisation des soupapes de commande insérées, pour le dosage des débits de fluides en écoulement, dans des conduites et des appareils à fonctionnement hydraulique ou pneumatique Ces éléments de machine mobiles doivent en général fonctionner exactement, être adaptés aux conditions de service et, afin de maintenir aussi faibles que possible les pertes d'écoulement, avoir une configuration favorable à l'écoulement. De plus, ces organes de commande doivent présenter le moins possible de poids de construction afin de réduire les torces liées à la masse et de permettre des fréquences de fonction- nement élevées. On utilise aussi, dans différentes machines, des soupapes commandées par bille C'est ainsi que la figure 5 de la demande de brevet allemand DE-OS 28 16 806 représente, dans une installation antiblocage pour freins de véhicules, une soupape à bille dans laquelle la bille commandant un alésage de traversée est actionnée par un poussoir La traversée du dispositif de soupape s'effectue en direction axiale aussi bien en amont qu'en aval dudit alésage de commande* Dans certains modes de fonctionnement déterminés, il se présente des difficultés particulières qui requièrent aussi des soupapes insérées des propriétés spécifiques pour surmonter ces problèmes C'est ainsi que, dans maintes machines thermiques, telles que des moteurs-fusées du type statoréacteur, qui fonc- tionnent avec des gaz riches en combustible, lesquels sont engendrés dans une chambre de précombustion à partir d'un combustible chimique solide et s'écoulent par une ou plusieurs conduites vers une chambre de combustion principale à laquelle est amené l'oxygène de l'air pour la combustion stoechiométrique finale, il se présente des petites particules solides dans le courant de gaz chaud Ces particules développent, par leur caractère adhésif, des caractéristiques extrêmement gênantes. Les conduites se salissent et il se forme en particulier sur les soupapes, en leurs arêtes, angles et contredépouilles, et dans des cavités des dépôts qui peuvent conduire à des défail- lances de ces organes importants. Le dispositif de-soupape connu selon la demande de brevet allemand précitée DE-OS 28 16 806 n'est également pas capable d'exclure de façon certaine cette situation nuisible, car il n'y est pas prévu de mesures particulièrespour empôcher de façon active de combattre les dépôts dans les espaces critiques, c'est-à-dire dans la chambre à bille et dans la valve. L'invention a par conséquent pour objet un dispositif de soupape du genre annoncé qui évite les inconvénients des soupapes connues et représente un dispositif d'ensemble de fonctionnement aisé, de faible poids de construction afin de ne nécessiter que peu de force de réglage et qui permette en outre une disposition peu encombrante et évite avant tout de façon active et certaine des dépôts de petites particules se trouvant dans le courant de gaz chaud, en sorte que la pleine capacité de fonctionnement de ladite soupape soit garantie même sous des conditions thermiques de fonctionnement extrêmes. Ce dispositif de soupape est caractérisé par le fait que, en aval de la section de commande de la bille, l'écoule- ment du fluide, ou des gaz riches en combustible, s'effectue tout d'abord par une tuyère annulaire de direction essentiel- lement radiale, puis par un coude et enfin par un volume annulaire axial ou par des canaux eux-mèmes axiaux, la tuyère annulaire radiale servant en même temps de limitation du mouvement de la bille et comportant un angle propre qui dépasse le blocage automatique de celle-ci, et que plusieurs buses de dérivation réparties sur le pourtour, contournant l'organe de commande proprement dit, ou la bille, et débouchant dans le coude sont reliées à la chambre d'afflux ou au volume intérieur de la chambre de précombustion. Le dispositif selon l'invention est de fabrication peu coûteuse, d'un fonctionnement aisé, présente de faibles masses, nécessite peu de volume d'insertion et se distingue particuliè- rement par le fait que, par son agencement et son fonctionnement favorables à l'écoulement, il reste exempt de résidus indésira- bles même lorsqu'il est soumis à l'action de courantsde gaz chauds enrichis très fortement, jusqu'à 50 Sa, de petites parti- cules ou constituants solides, ce qui garantit sa capacité de fonctionnement. L'invention sera mieux comprise a l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré schématiquement par le dessin annexé,dont la figure unique représente un tel dis- positif de soupape placé entre la chambre de précombustion et la chambre de combustion principale d'un moteur-fusée du type statoréacteur. Dans une chambre de précombustion t o est placé un i O ergol solide 2 à bilan d'oxygène insuffisant, on engendre par grillage de celui-ci des gaz G riches en combustible qui, par un dispositif de soupape commandé par bille, affluent en quantité dosée dans une chambre de combustion principale 3 à laquelle on amène encore de l'oxygène de l'air pour la combustion stoechiométrique finale. 16 172 La section en forme d'alésage arrondi 4 du dispositif de soupape est commandée par une bille 5 qui est déplacée en avant et en arrière par un poussoir de réglage 6 actionné par un mouvement a vis 7. En aval de la section de commande 8 de la bille 5, l'écoulement des gaz riches en combustible G a lieu tout d'abord par une tuyère annulaire 9 de direction essentiellement radiale Celle-ci présente un angle de divergence a assez grand pour empecherun blocage automatique ou un coincement de la bille 5 dans ladite tuyère annulaire 9 en cas de mouvements radiaux L'écoulement des gaz riches en combustible G se poursuit ensuite par un coude 10 et s'achève par des canaux 11 de direction axiale Des buses de dérivation 12 sont reliées au volume intérieur de la chambre de précombustion 1 Elles contournent l'organe de commande proprement dit, ou la bille de soupape 5,et débouchent directement dans le coude 10. Le dispositif selon l'invention fonctionne avantageu- sement de la façon suivante: comme on l'a déjà mentionné, lors du grillage de l'ergol solide 2 pour la production des gaz riches en combustible G il se présente jusqu'à 50 fc de petites particules solides qui, par suite des températures élevées, se trouvent à l'état de fusion et ont par conséquent la caracté- ristique désagréable d'être très adhésives En outre, l'a dit plus haut, la température des gaz riches en combustible G atteint au moins 20000 C L'organe de commande, à savoir la bille 5, est par conséquent exposé à un choc thermique uni- latéral pendant la phase du début Aussi bien par l'effet des processus d'écoulement ou balayagesdissymétriques sur la bille 5 que par celui de dép 8 tsdissymétriquesde petites particules solides sur cette m 9 me bille 5, celle-ci devient instable et est incitée par conséquent à des rotations qui font que, de façon favorable, premièrement la bille 5 n'est pas échauffée uni- latéralement et, deuxièmement, les dépôts effectués sur la bille 5 parviennent dans des zones de thermicités différentes, de préférence dans la zone "d'tombre" d'écoulement située après la section de commande 8, si bien que les dépôts se désagrègent de la bille 5 et sont ensuite entraînés par l'écoulement accéléré de la tuyère annulaire, L'organe de commande utilisé, sous la forme de la bille 5, est donc l'élément de machine qui convient le mieux au but proposé et à la situation prédominante, car, eu égard à sa liberté de mouvement assurée, il'n'est pas capable de se bloquer, de ce fait aussi qu'en vertu de l'angle a de la tuyère annulaire 9 maintenu au-dessus du blocage auto- matique, la bille 5 ne peut pas non plus se coincer ici En l'état de fonctionnement stable, la bille 5 oscille donc autour de la position médiane idéale, en dépit de toutes influences de fonctionnement contraires, etremplit ainsi de façon certaine sa tâche d'organe de commande en vue d'un dosage suffisamment exact des débits de gaz. Le dispositif de soupape selon l'invention résout également le deuxième problème que constitue le bouchage du coude 10 sur la paroi intérieure de dehors de laquelle les petites particules solides sont apportées, et restent adhé- rentes, par l'effet de la force centrifuge créée par la déviation de l'écoulement La force à effet de nettoyage de l'écoulement accéléré B des buses de dérivation 12 intervient ici pour chasser les dépôts, si bien que ces derniers sont entraînés par l'écoulement général vers la chambre de com- bustion principale 3, o ils fondent complètement ou se subliment et sont brûlés. REVENDICATION Dispositif de soupape pour la commande de fluides en écoulement à haute température avec une forte part de consti- tuants solides, notamment pour des moteurs-fusées du type statoréacteur en vue du dosage des débits de gaz riches en combustible qui passent de la chambre de précombustion à la chambre de combustion principale, avec un alésage de traversée central commandé par une bille qui est guidée librement par un poussoir de réglage et déplaçable en même temps librement en direction radiale entre des limites déterminées, dispositif caractérisé par le fait que, en aval de la section de commande ( 8) de la bille ( 5), l'écoulement du fluide, ou des gaz riches en combustible (G) s'effectue tout d'abord par une tuyère annulaire ( 9) de direction essentiellement radiale, puis par un coude ( 10) et enfin par un volume annulaire axial ou des canaux ( 11) eux-mêmes axiaux, la tuyère annulaire radiale ( 9) servant en même temps de limitation au mouvement de la bille ( 5) et comportant un angle propre (a) qui dépasse le blocage automatique de celle-ci et que plusieurs buses de dérivation ( 12) réparties sur le pourtour, contournant l'organe de commande proprement dit, ou la bille ( 5), et débouchant dans le coude ( 10) sont reliées à la chambre d'afflux ou au volume intérieur de la chambre de precombustion ( 1).