Brevet FR2599429A1 — publié le 19871204

L'invention a pour objet une structure-support pour une tuyère d'expansion refroidie par liquide, fixée par bride à une chambre de combustion de moteur-fusée et composée pour l'essentiel d'une pluralité de tubes de refroidissement adjacents, reliés entre eux de manière fixe, le profil transversal des tubes donnant une structure de tuyère relativement rigide dans les directions longitudinale et circonférentielle, en particulier pour une tuyère d'expansion fabriquée par enroulement en spirale et soudage de tubes rectangulaires de refroidissement. La fabrication séparée de la chambre de combustion et de la tuyère ainsi que leur assemblage à l'aide d'un raccord à brides sont courants essentiellement pour des grands moteurs-fusées parce que la fabrication, la manipulation et l'essai de ces deux composants en sont simplifiés et que l'utilisation de différents matériaux adaptés de manière optimale est possible. Le raccord par brides est également utilisé pour faire passer le liquide de refroidissement, du H2 par exemple, dans les structures. La structure de tuyère en particulier est en général composée d'une pluralité de tubes de refroidissement adjacents, brasés ou soudés entre eux. Les tubes peuvent etre disposés dans la direction longitudinale de la tuyère et posséder une largeur variable afin de s'adapter au diamètre variable de la tuyère divergente.Il peut être plus avantageux d'utiliser des tubes de section transversale constante enroulés en spirale dont la largeur effective dans la direction circonférentielle de la structure de tuyère peut être adaptée par variation de l'angle de spirale. En cas d'utilisation de tubes de section transversale à peu près rectangulaire, on obtient des structures de tuyère à surface lisse avec des sections transversales intérieures et extérieures presque parfaitement circulaires qui sont particulièrement favorables pour l'écoulement, indéformables et résistantes à une sollicitation par pression interne. Etant donné que les tubes ont une paroi relativement mince en vue d'un bon effet de refroidissement et qu'une épaisseur de structure de quelques millimètres est suffisante pour les sections de passage nécessaires, il est toutefois possible, avec de grandes tuyères d'expansion à vide d'un diamètre maximum de 1,8 m, par exemple, que la structure de tuyère soit surchargée par la contrainte de la pression interne ou se déforme de manière non admissible du fait d'une sollicitation asymétrique, dans le cas d'un pivotement du propulseur, par exemple. Pour y remédier, il serait pensable d'augmenter l'épaisseur de paroi des tubes ou l'épaisseur de la structure (hauteur des tubes). Du fait de la dégradation du refroidissement qui en résulte, le faible gain de solidité mécanique ne saurait compenser raisonnablement l'augmentation de la masse. Le brevet US 2 976 679 décrit la manière de faire résister à la pression interne la structure de tuyère et de chambre de combustion d'un petit moteur-fusée composé de tubes à peu près rectangulaires, par des bandes de serrage 12 extérieures, agissant directement sur la structure. Des mesures de ce type sont connues aux Etats-Unis d'Amérique également pour des propulseurs plus importants, ce qui suppose toutefois l'utilisation de tubes de refroidissement ayant une section transversale élastique déformable (cercle, ellipse, etc). Des modifications dimensionnelles très variables conditionnées par la température, des éléments de renforcement, d'une part, et de la structure de tuyère, d'autre part, ne peuvent être compensées pour l'essentiel que par une déformation élastique des sections transversales des tubes de refroidissement. Dans le cas de grandes structures de tuyère, relativement rigides, formées de tubes de refroidissement à peu près rectangulaires, un assemblage direct avec des éléments de renforcement ou-de support rigides n'est pas conseillé, étant donné que les contraintes élevées apparaissant aux points de contact pourraient entraîner des déformations persistantes ou une rupture de la structure. Ainsi, l'invention a pour objet de créer une structure-support légère et simple pour une tuyère d'expansion refroidie par liquide, fixée par bride à une chambre de combustion de moteur-fusée et comportant une structure de tuyère relativement rigide qui augmente considérablement la stabilité mécanique de la structure de tuyère et permet très largement des modifications dimensionnelles de la structure de tuyère conditionnées par la température. Cet objectif est réalisé, selon l'invention, en ce qu'une bague de raccordement est reliée de manière fixe à la bride, côté chambre de combustion, de la tuyère d'expansion, en ce que plusieurs longerons répartis sur le pourtour de la tuyère et adaptés à la forme de la tuyère s'étendent à distance radiale de la surface de la structure de tuyère, à partir de la bague de raccordement en direction de l'extrémité de la tuyère côté sortie, en ce que les longerons sont maintenus réunis à la manière d'une cage à distance axiale de la bague de raccordement par une ou plusieurs bagues disposées dans la direction circonférentielle et en ce que des éléments élastiques de compensation sont placés entre les longerons et/ou la bague ou les bagues, d'une part, et la surface de la structure de tuyère, d'autre part, pour introduire des efforts de support dans la structure de tuyère et pour compenser des déplacements relatifs conditionnés par la température. La structure-support est donc constituée d'une pièce rigide semblable à une cage qui comporte des éléments disposés en directions longitudinale et circonférentielle et entoure la structure de tuyère sur au moins une partie de sa longueur ainsi que d'éléments élastiques de compensation destinés à la transmission de force et à la compensation de déplacements relatifs conditionnés par la température entre la tuyère et la cage-support. La transmission de force entre la tuyère et la structure-support a lieu à plusieurs endroits répartis sur le pourtour et la longueur de la tuyère, essentiellement en direction radiale, si bien que la structure de tuyère est divisée entre les points de transmission de force en petits éléments de surface, sollicités essentiellement en flexion par la pression interne de la tuyère.Des sollicitations agissant unilatéralement sur la structure de tuyère, lors du pivotement de la tuyère, par exemple, sont interceptées au moins partiellement par la structure-support et transmises par la bague de raccordement au raccord à brides stable qui assure la liaison avec la chambre de combustion. L'élasticité des éléments de compensation réduit certes les forces pouvant être transmises sur la structure-support, mais elle empêche également des pointes de tension locales inadmissibles dans la structure de tuyère et rend ainsi possible l'utilisation d'une structure-support rigide. Suivant un premier mode de réalisation, les éléments de compensation sont reliés de manière fixe avec la structure de tuyère par l'intermédiaire de surfaces d'appui coopérant par paire et inclinées selon un angle aigu par rapport à la surface de la structure de tuyère et des surfaces axiales de glissement sont disposées aussi bien sur les éléments de compensation que sur les longerons et/ou la bague ou les bagues pour absorber des forces de support radiales. Suivant un autre mode de réalisation, les éléments de compensation sont reliés de manière fixe aussi bien avec la structure de tuyère qu'avec les longerons et/ou la bague ou les bagues et possèdent une forme procurant une flexibilité en directions axiale et radiale. Les éléments de compensation peuvent présenter dans ce cas une section transversale en U ou enn dans la direction longitudinale de la tuyère. La conception des éléments de compensation selon le premier mode de réalisation est certes un peu compliquée mais elle est particulièrement favorable du point de vue statique. En choisissant de manière appropriée l'angle d'inclinaison des surfaces d'appui, des modifications dimensionnelles instationnaires conditionnées par la température, du diamètre de la structure de tuyère ne se répercutent pratiquement pas sur le diamètre extérieur des éléments de compensation. La disposition de surfaces axiales de glissement permet des déplacements relatifs axiaux très libres entre la tuyère et la structure-support. Les autres modes de réalisation sont plus simples mais ils ne sont pas aussi précis que le premier mode de réalisation dans leur action de support. Les sections transversales des éléments de compensation possèdent la forme d'un U ou d'un-R couché, une branche étant reliée de manière fixe avec la structure de tuyère et l'autre étant reliée de manière fixe avec la partie en forme de cage de la structure-support. Les éléments de compensation agissent ainsi en direction axiale à la manière de membranes de roulement. La division de la partie en forme de cage de la structure-support à au moins deux endroits du pourtour avant l'assemblage avec la structure de tuyère permet son montage ultérieur sur la structure de tuyère finie. Il n'est toutefois pas exclu que la cage-support soit assemblée par brasage ou soudage lors de l'assemblage avec la tuyère. Il convient à présent d'expliquer plus en détails l'invention à l'aide des modes de mise en oeuvre représentés sur les dessins de manière simplifiée la figure 1 représente une vue partielle en perspective de la structure-support reliée à la tuyère, la figure 2 représente une coupe longitudinale partielle de la zone de tuyère entourée par la structure-support, la figure 3 représente une coupe partielle selon III-III de la figure 2, les figures 4, 5, 6 représentent différents modes de mise en oeuvre des éléments de compensation, selon une vue partielle en perspective. La figure 1 est vue de l'arrière, selon une direction oblique, sur le côté extérieur d'une tuyère d'expansion 13 munie d'une structure-support 1. L'extrémité avant de tuyère dont le'diamètre est plus petit est munie d'une bride 15 qui sert d'élément d'assemblage avec la chambre de combustion non représentée. Le liquide de refroidissement est en outre amené par la bride 15 et réparti régulièrement sur les nombreux tubes de refroidissement 16 de la structure de tuyère 14. La bague de raccordement 2 de la structure-support 1 est vissée de manière fixe ou reliée autrement à l'arrière de la bride 15. Plusieurs longerons 3 répartis sur le pourtour de la tuyère partent de la bague de raccordement 2.Pour plus de clarté, un seuil de ces longerons 3 est représenté, mais on reconnait la réalisation sous forme de longeron en T soudé, résistant à la flexion-et comportant des trous d'allègement. A l'extrémité arrière, les longerons 3 sont reliés de manière fixe à une bague circulaire 4, si bien que les éléments 2, 3 et 4 forment une cage-support relativement rigide pour la structure de tuyère 14. La cage-support peut être réalisée encore plus stable et à mailles plus fines par d'autres bagues 4 espacées axialement. Des éléments de compensation 5 placés en direction circonférentielle constituent les véritables éléments de transmission de force vers la structure de tuyère 14. A leurs points d'appui, ils sont soudés ou reliés autrement de manière fixe à la structure de tuyère 14. Des surfaces d'appui 8 coopérant par paire dépassent en biais vers l'extérieur des points d'appui et sont reliées en forme de créneaux par des surfaces axiales de glissement 10.Les surfaces de glissement 12 des longerons 3 reposent sur les surfaces de glissement 10 des éléments de compensation 5, si bien que des déplacements axiaux relatifs résultant de températures très différentes des pièces, en particulier peu après le démarrage du propulseur, sont possibles entre la cage-support composée des parties 2, 3 et 4 et les éléments de compensation 5 reliés à la structure de tuyère 14. I1 peut également arriver que l'enveloppe extérieure de la structure de tuyère 14 soit par exemple plus chaude et se dilate plus fortement que les surfaces de glissement 10 des éléments de compensation 5 en forme de créneaux.Les surfaces d'appui inclinées 8 sont ainsi écartées plus fortement, leurs extrémités appliquées contre la surface de la tuyère s'éloignant l'une de l'autre et se déportant simultanément sur le diamètre dilaté plus grand de la tuyère. En choisissant l'angle d'écartement des surfaces d'appui 8 de manière appropriée, le diamètre extérieur sur lequel se trouvent les surfaces de glissement 10 reste approximativement le même. A la figure 1, les éléments de compensation 5 sont dessinés sous la forme de bandes continues. Cet agencement est intéressant lorsqu'il existe un nombre relativement important de longerons 3. Avec peu de longerons 3 il suffit de prévoir quelques éléments de compensation 5 espacés en direction circonférentielle et possèdant chacun une surface de glissement 10, deux surfaces d'appui 8 et deux surfaces de contact côté tuyère. Au moment du choix du nombre et de la position des points d'introduction d'efforts, il convient de tenir compte du fait que la pression interne de la tuyère est la plus importante près de la bride 15 et diminue fortement en direction de la sortie de tuyère.Il peut par conséquent être intéressant d'augmenter de façon continue les écartements axiaux des éléments de compensation de la bague de raccordement 2 vers la bague 4 et d'arrêter la structure-support 1 axialement avant la sortie de tuyère. I1 est également possible de conférer à la bague de raccordement 2 et à la bague ou aux bagues 4 un plan de division commun. La structure complexe de tuyère 14 peut ainsi être fabriquée en entier, y compris la bride 5, puis être munie ultérieurement des éléments de compensation 5 et de la cage-support divisée, composée des parties 2, 3 et 4. La possibilité de la division peut être conservée en assemblant par vissage toutes les pièces de la cage ; la division peut être éliminée en soudant ou en brasant la cage sur la tuyère d'expansion 13. La figure 2 représente une coupe longitudinale radiale partielle à proximité d'un longeron 3. Pour plus de simplicité, la structure de tuyère 14 est représentée hachurée sous la forme d'un corps massif ; en réalité, les tubes de refroidissement coupés 16 devraient être visibles. On reconnaît bien la disposition axiale des surfaces de glissement 10, 12 ainsi que l'arrêt de la structuresupport avant le diamètre le plus grand de la tuyère. La coupe III-III mène à la figure 3 sur laquelle les tubes de refroidissement 16 de section transversale rectangulaire sont clairement visibles. Du fait du grand nombre de tubes répartis sur le pourtour de la tuyère, la structure de tuyère 14 a une surface plane à l'intérieur et à l'extérieur et est presque idéalement circulaire. La figure 3 représente quatre surfaces de glissement 10 côté tuyère mais, pour plus de simplicité, un seul longeron 3 avec une surface de glissement 12. Les surfaces de glissement 10 avec leurs surfaces d'appui 8 ne présentent naturellement un intérêt que - là où une transmission de force est possible en liaison avec des contre-surfaces de glissement 12 ; dans le cas contraire, il est préférable d'interrompre la structure en créneaux afin d'économiser du poids. D'autre part, les surfaces de glissement 12 peuvent être prévues non seulement sur les longerons 3 mais également sur la ou les bagues 4. Les figures 4, 5, 6 mettent en parallèle des éléments de compensation 5, 6 et 7 réalisés différemment. L'élément de compensation 5 en forme de créneaux conformément à la figure 4 a déjà été expliqué précédemment. L'élément de compensation 6 de la figure 5 fonctionne selon un principe comparable. Des surfaces d'appui 9 qui sont orientées alternativement vers l'extrémité avant et arrière de la tuyère, sont prévues inclinées en direction axiale pour compenser des différences de dilatation. Du fait des fentes radiales terminées par des trous réduisant la tension, l'élément de compensation peut être fabriqué à partir d'un profilé en T droit et être courbé en forme de cercle relativement facilement. Dans ce mode de mise en oeuvre, la surface axiale de glissement 11 forme un cercle continu.Comme la réalisation selon la figure 4, l'élément de compensation 6 peut ne transmettre que des efforts radiaux de poussée. L'élément de compensation 7 de la figure 6 présente d'autres conditions de transmission de force et de déplacement. Sa section transversale possède la forme d'un U couché, l'ouverture entre les deux branches pouvant être orientée vers l'extrémité avant ou arrière de la tuyère d'expansion 13. Du fait des nombreuses fentes radiales ménagées à des écartements réguliers, avec des trous terminaux réduisant la tension, ce profilé peut également être courbé en forme de cercle et être adapté ainsi au diamètre de la tuyère.La branche du U se trouvant radialement à l'intérieur et interrompue à de multiples reprises par des fentes est reliée de manière fixe, soudée par exemple, à la structure de tuyère 14, et la branche continue extérieure du U aux longerons 3 etXou à la bague 4 ou aux bagues 4. L'élément de compensation 7 peut ainsi transmettre en direction radiale également des efforts de traction aussi bien que de poussée. Lors de déplacements axiaux relatifs entre les pièces reliées aux branches du U, le profilé en U réalise un mouvement de roulement à la manière d'une membrane de roulement, sans qu'aucune surface ne glisse sur une autre. I1 serait en principe également possible de réaliser la branche du U se trouvant radialement à l'extérieur en tant que surface de glissement et de ne relier que la branche intérieure du U de manière fixe avec la structure de tuyère 14. Les conditions de déplacement seraient alors semblables à celles des éléments de compensation 5 et 6. Au lieu du profilé en U couché il serait également possible d'utiliser une profilé en jL couché. Sa fabrication serait possible en partant d'un profilé en U et en recourbant sa branche intérieure radialement vers l'intérieur à angle droit environ et sa branche extérieure radialement vers l'extérieur à angle droit environ. Un U couché avec une branche extérieure recourbée radialement vers l'extérieur serait également pensable. Des variations de ce type doivent être essentiellement adaptées au type d'assembalge avec les pièces voisines. REVENDICATIONS 1. Structure-support pour une tuyère d'expansion refroidie par liquide, fixée par bride à une chambre de combustion de moteurfusée et composée pour l'essentiel d'une pluralité de tubes de refroidissement adjacents, reliés entre eux de manière fixe, le profil transversal des tubes donnant une structure de tuyère relativement rigide dans les directions longitudinale et circonférentielle, en particulier pour une tuyère d'expansion fabriquée par enroulement én spirale et soudage de tubes rectangulaires de refroidissement, caractérisée en ce qu'une bague de raccordement (2) est reliée de manière fixe à la bride (15), côté chambre de combustion, de la tuyère d'expansion (13), en ce que plusieurs longerons (3) répartis sur le pourtour de la tuyère et adaptés à la forme de la tuyère s'étendent à distance radiale de la surface de la structure de tuyère (14), à partir de la bague de raccordement (2) en direction de l'extrémité de la tuyère côté sortie, en ce que les longerons (3) sont maintenus réunis à la manière d'une cage à distance axiale de la bague de raccordement (2) par une ou plusieurs bagues (4) disposées dans la direction circonférentielle et en ce que des éléments élastiques de compensation (5, 6, 7) sont placés entre les longerons (3) et/ou la bague (4) ou les bagues (4), d'une part, et la surface de la structure de tuyère (14), d'autre part, pour introduire des efforts de support dans la structure de tuyère (14) et pour compenser des déplacements relatifs conditionnés par la température. 2. Structure-support selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments de compensation (5, 6) sont reliés de manière fixe avec la structure de tuyère (14) par l'intermédiaire de surfaces d'appui (8, 9) coopérant par paire et inclinées selon un angle aigu par rapport à la surface de la structure de tuyère (14) et en ce que des surfaces axiales de glissement (10, 11, 12) sont disposées aussi bien sur les éléments de compensation (5, 6) que sur les longerons (3) et/ou la bague (4) ou les bagues (4) pour absorber des forces de support radiales. 3. Structure-support selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments de compensation sont reliés de manière fixe aussi bien avec la structure de tuyère (14) qu'avec les longerons (3) et/ou la bague (4) ou les bagues (4) et possèdent une forme procurant une flexibilité en directions axiale et radiale. 4. Structure-support selon la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments de compensation (7) possèdent une section transversale en U dans la direction longitudinale de la tuyère. 5. Structure-support selon la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments de compensation possèdent une section transversale en Jn- dans la direction longitudinale de la tuyère. 6. Structure-support selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la bague de raccordement (2) et la bague (4) ou les bagues (4) sont chacune divisées à au moins deux endroits de leur pourtour avant l'assemblage avec la structure de tuyère (14).