Brevet FR2672964A1 — publié le 19920821

Dispositif de fermeture à rupture d'un volume comportant un fluide à très haute pression La présente invention concerne un dispositif de fermeture à rupture permettant d'obtenir une ouverture très rapide et parfaitement contrôlée d'un passage de sortie d'un volume comportant un fluide à très haute pression. Dans le domaine aérotechnique et plus spécialement spatial, il est nécessaire pour la réalisation de certains essais, de disposer en soufflerie d'une vitesse d'air atteignant Mac 20. De manière connue en soi par les scientifiques confrontés à ces demandes et tel que schématisé à la figure 1 ci-jointe, la soufflerie comporte une chambre 1 dans laquelle de l'air est porte à une pression d'environ 250ut bars à très haute température. pe ure. Cet air transformé en plasma est admis à s'écouler à travers une vanne 3 et des dispositifs de tuyères 4 en direction de la soufflerie 5 dans laquelle est disposée la maquette 6 à étudier. Un tel écoulement peut durer quelques centaines de millisecondes. La vanne 3 est ouverte pour la sortie de l'air au moment désiré pour l'essai. Compte tenu de la pression et de la vitesse d'écoulement de l'air sortant de la chambre 1, il est tout à fait impossible de refermer ladite vanne 3 si l'on désire arrêter l'écoulement en cours ; l'arrêt de la rafale ne peut être commandé que par une dépression rapide de la chambre. A cet effet, l'on prévoit une seconde sortie de la chambre 1 en direction d'un réservoir 9, nommé poubelle, se faisant par un canal de sortie 70 à travers un dispositif de fermeture 7 à rupture comportant un opercule et une tuyère divergente 8. Le passage de sortie ouvert par le dispositif lorsque l'on veut vider la chambre à arc doit avoir, dans cette application, un diamètre de 40 mm. Le dispositif de fermeture 7 doit être capable de s'ouvrir de lui-même si la pression régnant dans la chambre 1 atteint une valeur de consigne définie par avance afin de préserver la sécurité lors de l'essai, le dispositif 7 doit également être tel que l'évacuation de la chambre l intervienne à une date précise à la milliseconde sur un ordre automatique. L'opercule du dispositif de fermeture doit alors être à la fois un opercule à ouverture automatique pour la sécurité, dont la nécessité se comprend aisément lorsque l'on sait que la pression du plasma peut atteindre 3 000 bars et faire exploser tout le banc d'essai, et un opercule à ouverture commandable lorsque l'on désire vidanger la chambre 1 afin d'arrêter l'écoulement en direction de la soufflerie 5 sans chercher à fermer la vanne 3. Certains dispositifs connus permettent de réaliser les objectifs définis ci-dessus mais nécessitent une installation complexe et chère qu'il est nécessaire de remplacer totalement après chaque utilisation. C'est pourquoi selon la présente invention on a cherché à résoudre le problème pose de manière plus économique en proposant un dispositif de fermeture à rupture d'un volume comportant un fluide à très haute pression , caractérisé en ce qu'il comporte un opercule muni de zones de fragilisation symétriques sur ses deux faces et de moyens pyrotechniques placés dans lesdites zones de telle sorte qu'il puisse soit s'ouvrir de lui-même par rupture provoquée par la pression régnant dans ledit volume lorsqu'elle dépasse une valeur maximum prédéterminée, soit être fissuré sur commande par la mise en oeuvre des moyens pyrotechniques, afin d'abaisser instantanément sa résistance mécanique et permettre à la pression régnant dans ledit volume d'en chasser les éléments à un instant choisi. Le dispositif de fermeture selon l'invention est encore remarquable en ce que - lesdites zones de fragilisation dudit opercule sont formées par des rainures circulaires de diamètre égal à celui du canal de sortie que l'on désire ouvrir, et par des rainures rectilignes diamétrales, lesdites rainures étant creusées dans les faces aval et amont de l'opercule afin que l'épaisseur de celui-ci au fond de ces rainures soit t-elle qu'il ne pourra supporter une pression superieure à la valeur maximale prédéterminée, - les nervures rectilignes sltuées dans la face aval dudit opercule sont larges afin de former le logement de l'explosif, - les secteurs définis par les rainures rectilignes sur la face aval de l'opercule constituent des plots d'épaisseur importante, et donc rigides, - mis à part l'opercule, il comporte - un porte détonateur présentant un disque capable de positionner le détonateur par rapport à l'explosif de l'opercule, - une contre plaquer - ladite contre plaque est fragilisée par des rainures circulaire et rectilignes creusées dans l'une de ses faces, - ledit opercule a une épaisseur plus importante sur sa périphérie que dans sa partie central, ladite partie centrale assurant le positionnement du disque du porte détonateur, - le porte détonateur comporte un corps creux tubulaire lié à la face aval dudit disque, l'alésage interne dudit corps destiné à la mise en place du détonateur traversant ledit disque afin d'être en communication avec le logement de l'explosif et l'extrémité dudit corps cylindrique opposée au disque étant fermée par une paroi transversale traversée par un alésage de diamètre plus faible que celui de l'alésage interne, - la contre plaque se présente sous la forme d'un disque peu épais, de diamètre égal à celui de l'opercule et traversé par une ouverture pour son montage autour du corps cylindrique du porte détonateur, - il est mis en place devant un canal de sortie du volume constitué par la chambre par un montage comportant un corps presentant un alésage de positionnement dudit dispositif sur lequel est monté par vissage une virole formant l'embouchure du canal de sortie de la chambre. La présente invention sera mieux comprise ainsi que d'autres caractéristiques et avantages de celle-ci par la description qui va suivre en référence au dessin sur lequel : - la figure 1 est une vue schématique d'un banc d'essai auquel est destiné le dispositif de fermeture selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe du dispositif selon lllnventlon, - la figure 3 est une vue de la face amont de l'opercule de fermeture, - la figure 4 est une vue de la face aval de l'opercule, - la figure 5 est une vue de la face amont de la contre plaque que comporte le dispositif selon l'invention, - la figure 6 est une vue semblable à la figure 2 pour une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 7 représente la mise en place du dispositif selon l'invention sur le banc d'essai. Sur la figure 2, l'on peut voir le dispositif de fermeture 7 selon l'invention isolé du banc d'essai. Ce dispositif comporte en premier lieu un opercule de fermeture 10 du canal de sortie 70 de la chambre 1 fragilisé par des rainures creusées sur ses faces amont et aval. La face amont de l'opercule 10 est représentée à la figure 3 et l'on remarque qu'une rainure circulaire 17 ainsi que des rainures rectilignes diamétrales 18 partagent ladite face amont en secteurs 19. Dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures deux rainures rectilignes diamétrales sont prévues disposées a angle droit. La nervure circulaire de grand diamètre 17 est celle selon laquell doit s'ouvrir ledit opercule, c'est-àdire celle ayant un diamètre de 40 mm. Sur la face aval de l'opercule 10, une rainure circulaire 13 est disposée à l'arrière de ladite rainure externe 17 tandis que des rainures rectilignes diamétrales 14 sont disposées à l'arrière des rainures rectilignes 18. Ces rainures sont telles que l'épaisseur de l'opercule au fond de ces rainures soit telle que celui-ci ne pourra pas supporter une pression dans la chambre dépassant la valeur de consigne pour laquelle ii est ainsi conçu. On peut voir sur la figure 2 que les rainures 14 ont une section carrée et sont larges tandis que la rainure 13 presente une face plane perpendiculaire à la surface de l'opercule du côté externe et une face inclinée du côté interne et est moins large que lesdites rainures 14. Lorsque la pression dans la chambre devient supérieure à la pression de consigne, ledit opercule se fend tout d'abord au point de rencontre des rainures rectilignes diamétrales 18, 14, puis le long de celles-ci et enfin, sous lleffet de la pression régnant dans la chambre, les secteurs 19 sont expulsés et l'opercule est découpé de manière précise et quasi instantanée selon les rainures circulaires 17, 13 définissant ainsi l'ouverture d'un diamètre de 40 mm recherchée. Une ou des rainures i7' comme celle représentée à la figure 3 sont prévues dans l'opercule 10 si nécessaire afin de le fragiliser davantage. Sur la face aval de l'opercule 10, les secteurs compris entre les rainures rectilignes 14 ont une épaisseur importante afin que ceux-ci soient rigides et que la rupture de l'opercule se fasse obligatoirement le long des rainures et non de maniere incontrôlée dans la surface de l'opercule. L'on voit les plots 15 ainsi constitués sur la face aval sur les figures 2 et 4. La rainure 13 partage l'opercule 10 en deux parties, la périphérie il par laquelle il est disposé en appui contre un épaulement du canal de sortie 70 et la partie centrale 12 devant être expulsée pour ouvrir la sortie de la chambre en direction de la poubelle. Une rainure circulaire 16 est encore creusée dans la face amont de la périphérie il pour la mise en place d'un joint d'étanchéité 71 destiné à être positionné contre ledit épaulement du canal de sortie 70 prévu pour l'appui axial du dispositif de fermeture selon l'invention. Selon l'invention, l'opercule 1U du dispositif de fermeture doit non seulement s'ouvrir, comme il vient d'etre décrit, lorsque la pression dans la chambre dépasse une valeur de consigne, mais également s'ouvrir en réponse à un ordre et ceci à une date définie à + 1 ms. A cet effet, l'invention propose l'utilisation de moyens pyrotechniques, c'est pourquoi les rainures rectilignes diamétrales 14 de la face aval de l'opercule ont été prévues larges afin de former un logement pour la charge explosive 60. A l'aval de l'opercule 10 est disposé un porte détonateur 20, l'opercule JO présente pour cela une épaisseur plus importante sur sa périphérie 11 que dans sa partie centrale 12. Le porte détonateur 20 comporte un disque plat 21 de diamètre égal au diamètre interne de la périphérie il de l'opercule 10 et d'épaisseur égale à la différence d'épaisseur entre ladite périphérie 11 et la partie centrale 12 de cet opercule 10. Le disque plat 21 est ainsi adapté à etre inséré facilement mais sans jeu à 1 l'intérieur de l'opercule, du côte aval, en étant en appui par sa face amont contre la partie centrale 12 de celui-ci tout en ayant sa face aval dans le meme plan que la face aval de la périphérie 11. Ledit disque 21 enferme ainsi l'explosif 60 dans son logement formé par les rainures 14 de l'opercule 10. De manière préférée et pour rendre sa mise en place plus rapide, l'explosif 60 est prévu sous la forme de cordons rectilignes de longueur adaptée pour être positionnés dans chaque moitié des rainures 14 au contact de la charge amorçante du détonateur. Le porte détonateur 20 comporte de plus un corps creux tubulaire 22 lié à la face aval dudit disque 21. L'alésage interne 23 de ce corps 22 traverse le disque 21 afin d'être en communication avec le logement de l'explosif à l'intersection des rainures rectilignes diamétrales 14 de l'opercule 10. L'extrémité du corps cylindrique 22 opposée au disque 21 est fermée par une paroi transversale 24 traversee par un alésage 25 de diamètre plus faible que celui de l'alésage interne 23 pour laisser passer la commande de mise à feu constituée par exemple par des fils électriques, une fibre optique, un tube à choc... Le détonateur 30 est, lors de l'installation du dispositif de fermeture selon l'invention, disposé dans l'alésage interne 23 du porte détonateur 20 et est relié au dispositif de commande par le moyen de commande 31 traversant l'alésage 25 de la paroi transversale 24. ne contre plaque 40 complète le dispositif de fermeture, celle-ci est de mëme diamètre externe que l'opercule et permet d'enfermer le disque du porte détonateur dans l'espace interne de l'opercule 10. En variante, l'on pourrait coller le disque 21 du porte détonateur 20 sur la partie centrale 12 de l'opercule. Cette disposition est toutefois complexe a mettre en oeuvre et nécessite d'être faite par du personnel qualifié, c'est pourquoi l'on préfère prévoir une telle contre plaque. Cette contre plaque 40 est rendue nécessaire par le fait que le porte détonateur 20 est fabriqué en matière plastique moulée ou usinée, par exemple du polyéthylène. Comme on pourra aisement le comprendre, on ne peut pas prévoir le disque 21 du porte détonateur avec un diamètre externe égal à celui de l'opercule afin de le maintenir par des moyens externes en appui contre l'opercule et l'épaulement 71 du canal de sortie car la pression régnant dans la chambre est telle que ledit disque 21 serait écrasé et ne remplirait plus sa fonction. Cette contre plaque 40 se présente sous la forme d'un disque peu épais, de diamètre égal à celui de l'opercule 10 et traversé par une ouverture 41 pour son montage autour du corps cylindrique 22 du porte détonateur. L'une des faces de cette contre plaque 40 est totalement lisse tandis que l'autre présente des rainures circulaire 42 et rectilignes 43 afin que lors de l'ouverture de l'opercule 10, ladite contre plaque 40 s'ouvre elle aussi suivant un diamètre de 40 mm sans opposer de résistance risquant de différer l'ouverture. Sur les dessins, la contre plaque 40 est disposée avec la face lisse comme face aval et la face rainurée comme face amont. L'on ne sortirai pas du cadre de la présente invention en disposant ladite contre plaque de manière inverse. La rainure circulaire 42 est de même diamètre que les rainures circulaires 13 et 17 de l'opercule 10. Les rainures 17, 18 et 42, 43 des faces amonts des opercule 10 et contre plaque 40 sont usinées avec leurs parois à 45a par rapport au plan desdites faces. Des essais ont montré que l'acier 38CD4 peut être considéré comme particulièrement adapté à la fabrication de l'opercule 10 et de la contre plaque 40. Lors du montage du dispositif selon l'invention, l'on remplit le logement de l'opercule 10 formé par les rainures rectilignes diamétrales 14 à l'aide d'un explosif tel que du cordeau découpeur à l'hexogène et l'on dispose le porte détonateur 20 remplit d'un détonateur JU, chargé généralement à ÛO mg de pentrite, contre la face aval d ladite plaque 10. La contre plaque 40 est alors enfilée autour du corps 22 du porte détonateur 20 en prenant soin de disposer les rainures 42, 43 en vis à vis des rainures 13, 14 et donc 17, 18 de la plaque 10. Bien entendu lesdites rainures n'assurent pas uniquement l'ouverture de l'opercule dans sa fonction de securité mais aident eyalement l'explosif dans la fragilisation rapide dudit opercule. Lorsque l'on désire mettre fin à l'écoulement en direction de la soufflerie 5, l'on active le détonateur 30 ce qui provoque l'explosion de l'explosif contenu dans l'opercule 10. Lors de l'explosion de l'explosif 60 selon l'invention, l'opercule IU et la contre plaque 40 sont découpes de manière parfaite le long des rainures rectilignes 14, 18, 43 créant ainsi une accumulation de la contrainte de cisaillement sur les rainures 13, 17 et 42. La partie centrale 12 de l'opercule 10 et la partie de la contre plaque 40 située à l'intérieur de la rainure circulaire 42 sont découpées en secteurs selon les rainures rectilignes 14, 18, 43 pUiS séparées des parties externes desdits opercule et contre plaque par l'action de la pression régnant dans la chambre. L'on retrouve après le tir ces secteurs au fond de la poubelle. La séparation de ces secteurs laisse dans 1'opercule une ouverture parfaitement cylindrique du diamètre recherché. il est intéressant de remarquer que sous l'effet de la pression régnant dans la chambre, l'opercule 10 et la contre-piaque 40 sont légèrement bombés vers l'extérieur lors de la mise à feu du détonateur 30, ce dernier exerce une poussée en sens inverse dloù il résulte un effet de torsions en sens inverse gui fragilise un peu le métal et favorise une rupture franche. Une gamme de dispositif de fermeture comportant des opercules conçus pour se briser à différentes pressions prédéterminées sera proposée parmi laquelle les laboratoires pourront choisir en fonction de l'essai à réaliser. De ce fait, on pourra adapter la dimension de l'opercule à la pression régnant dans la chambre afin d'assurer que ladite pression sera effectivement capable d'expulser les secteurs après la rupture le long des rainures rectilignes. Le dispositif de fermeture représenté à la figure 6 diffère de celui que nous venons de décrire en regard des figures 2 à 5 par la forme des plots 115. Comme on peut le voir sur cette figure 6, lesdits plots 115 sont plus pais à leur périphérie qu'au centre. La périphérie 112 desdits plots est alors de même hauteur que la périphérie il de l'opercule tandis que la partie centrale 212 est disposé en retrait pour servir à l'appui du disque 121 du porte détonateur 120. Une telle disposition permet de réduire le temps d'usinage et donc le prix de l'opercule 110 en réduisant le volume de métal à enlever d'une rondelle d'acier de diamètre égal au diamètre externe dudit opercule et d'épaisseur égale à celle de la périphérie dudit opercule. Dans cette disposition, l'on réduit également la quantité de matière plastique nécessaire à la fabrication du porte détonateur lof0. Nous allons maintenant décrire en référence à la figure 7 un exemple de mise en place du dispositif de fermeture selon l'invention dans le banc d'essai. Le dispositif selon l'invention formé de l'opercule 10 à ouverture fragile ou pyrotechnique, du porte détonateur 20 et de la contre plaque 40 est mis en place par l'utilisation d'un montage 8 inséré dans un passage 80 de la chambre 1 de diamètre supérieur au diamètre du canal de sortie 70 recherché. Ledit montage 8 comporte un corps 81 présentant à son extrémité dirigée vers la chambre un alésage 86 de diamètre égal au diamètre externe du dispositif de fermeture séparé d'une partie arrière 84 en forme de tuyère 85. Ledit montage comporte également une virole 82 destinée à être vissée sur le corps 81 pour maintenir le dispositif de fermeture. La virole 82 présente une ouverture axiale formant l'embouchure du canal de sortie 70. Une entretoise 83 dont l'alésage interne est usine afin de fournir au canal d'évacuation de la chambre 1 vers la poubelle une forme recherchée. Cette entretoise permet d'adapter le montage 8 à la mise en place de dispositifs de fermeture selon l'invention d'épaisseurs différentes. Le montage 8 est mobile en translation par la mise en oeuvre de moyens extérieurs non représentés afin d'être éloigne de la chambre ou mis en place comme représenté pour 1 'essai. Lors de la préparation d'un essai, le montage 8 étant éloigné de la chambre l, l'on dispose dans l'alésage 86 du corps 81 l'entretoise 83 et le dispositif de fermeture comportant l'opercule 10. La virole 82 est alors vissée sur l'extrémité du corps 81 après avoir mis en place dans l'ouverture axiale de celui-ci un piston en graphite 90 destiné à ralentir la propagation de la chaleur régnant dans la chambre 1 vers le dispositif de fermeture. Le montage 8 est alors rapproché de la chambre, inséré dans le passage 80 et maintenu en place. RVENDICATIONS 1 Dispositif de fermeture à rupture d'un volume (i) comportant un fluide à très haute pression , caractérisé en ce qu'il comporte un opercule (10, 110) muni de zones de fragilisation symétriques sur ses deux faces et de moyens pyrotechniques placés dans lesdites zones de telle sorte qu'il puisse soit s'ouvrir de lui-meme par rupture provoquée par la pression régnant dans ledit volume lorsqu'elle dépasse une valeur maximum prédéterminée, soit être fissuré sur commande par la mise en oeuvre des moyens pyrotechniques, afin d'abaisser instantanément sa résistance mécanique et permettre à la pression régnant dans ledit volume d'en chasser les éléments à un instant choisi. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce que lesdites zones de fragilisation dudit opercule (10, 110 > sont formées par des rainures circulaires (l3, 17) de diamètre égal à celui du canal de sortie (7U) que l'on désire ouvrir, et par des rainures rectilignes diametrales (14, 18), lesdites rainures étant creusées dans les faces aval et amont de l'opercule (in), 110) afin que l'épaisseur de celui-ci au fond de ces rainures soit telle qu'il ne pourra supporter une pression supérieure à la valeur maximale prédéterminée. 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nervures rectilignes (14) situées dans la face aval dudit opercule (10, 110) sont larges afin de former le logement de l'explosif (60). 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les secteurs définis par les rainures rectilignes (14) sur la face aval de l'opercule (10, ilO) constituent des plots (15) d'épaisseur importante, et donc rigides. 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que mis à part l'opercule (10, 110), il comporte - un porte détonateur (20, lys0) présentant un disque (21, 121) capable de positionner le détonateur par rapport à l'explosif (60) de l'opercule (10, 110), - une contre plaque (40). 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite contre plaque (40) est fragilisée par des rainures circulaire (42) et rectilignes (43) creusées dans l'une de ses faces. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit opercule (10, 110) a une épaisseur plus importante sur sa périphérie (1l) que dans sa partie centrale (12, 212), ladite partie centrale assurant le positionnement du disque (21, 121) du porte détonateur (20, 120). 8 Dispositif selon lune quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le porte détonateur (20, 120) comporte un corps creux tubulaire (22) iie à la face aval dudit disque (21, 121), l'alésage interne (23 > dudit corps (22) destiné à la mise en place du détonateur (30) traversant ledit disque (2l, 121) afin d'être en communication avec le logement de l'explosif (60) et l'extrémité dudit corps cylindrique (22) opposée au disque (21, 121) étant fermée par une paroi transversale (24) traversée par un alésage (25) de diamtre plus faible que celui de l'alésage interne (2 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la contre plaque (4U) se présente sous la forme d'un disque peu epais, de diamètre égal a celui de l'opercule (10, 110) et traversé par une ouverture (41) pour son montage autour du corps cylindrique (22) du porte détonateur (20, 120). 10 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en place devant un canal de sortie du volume constitué par la chambre (1) par un montage (8) comportant un corps (81) présentant un alésage (86) de positionnement dudit dispositif sur lequel est monté par vissage une virole (82) formant l'embouchure du canal de sortie (70) de la chambre (i).