Brevet FR2699602A1 — publié le 19940624

SYSTEME DE DELESTAGE DE LIQUIDE, NOTAMMENT POUR ENSEMBLES PROPULSIFS Domaine de l'invention La présente invention concerne un système de délestage de liquide destiné à pallier les effets d'un blocage du débit de liquide d'un dispositif à pompe centrifuge alimentant un échangeur thermique comme celui existant au niveau d'un ensemble propulsif de moteur-fusée. Art antérieur Dans de tels ensembles propulsifs et notamment dans les moteurs cryogéniques, il existe, lors du transitoire de démarrage, un comportement critique de la ligne hydrogène pouvant aller jusqu'au décrochage de la pompe hydrogène. Or, les conséquences d'un tel décrochage sont particulièrement graves puisqu'elles peuvent consister en un échec du vol spatial concerné. Ce comportement critique est dû principalement à un blocage du débit d'hydrogène au niveau du circuit de régénération d'hydrogène dont les canaux de refroidissement entourant la chambre de combustion sont l'objet d'échanges thermiques très violents. En effet, dans certaines conditions particulières de fonctionnement, comme par exemple lors d'une présence en excès de comburant ou d'un refroidissement insuffisant de ce circuit régénératif, la pompe ne peut plus débiter le débit nécessaire à son bon fontionnement. L'hydrogène brassé dans la pompe s'échauffe alors et en rejoignant la saturation entraîne le décrochage de la pompe (phénomène de cavitation). Une solution partielle à ce problème consiste à réduire l'échauffement du circuit régénératif en diminuant l'apport d'oxygène. Pour cela, il a été envisagé d'une part de modifier la séquence d'ouverture de la vanne d'injection d'oxygène lors du démarrage du moteur et d'autre part de réaliser la vanne d'injection sous la forme d'une vanne à ouverture progressive ou à deux temps. Toutefois, ces deux réalisations ne S'attaquant qu'à une cause spécifique (débit d'oxygène trop important) n'offrent pas une solution globale au blocage de débit pouvant apparaître au niveau du circuit régénératif. Une autre solution consiste à limiter les vaporisations lors de l'envoi de l'hydrogène dans le circuit régénératif en refroidissant celui-ci par un circuit spécifique. Mais, cette solution présente deux inconvénients majeurs : le premier réside dans une perte d'hydrogène qui ne participe pas à la combustion et le second consiste en une difficulté d'allumage liée à une injection d'ergols trop froids. Objet et description succincte de l'invention La présente invention a pour but de pallier les inconvénients précités et de réaliser un dispositif qui évite tout blocage de la pompe quelles qu'en soient les raisons : refroidissement insuffisant, excès d'oxygène ou une autre cause. Un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif dont la mise en oeuvre soit simple et qui soit adaptable aux ensembles propulsifs existants sans nécessiter une complète redéfinition des circuits d'alimentation ou de refroidissement. Dans le cadre d'un système propulsif comportant une chambre de combustion munie d'un circuit régénératif alimentée en combustible liquide à partir d'un réservoir et au travers d'une pompe, l'injection du combustible liquide au niveau de ce circuit étant contrôlée par une vanne d'injection, ces buts sont atteints par un système de délestage comprenant une vanne de délestage placée sur un circuit de dérivation qui assure un prélèvement du combustible en entrée du circuit génératif. Les circuits d'alimentation en oxygène et de refroidissement n'ont pas été modifiés et la dérivation du débit pompe réalisée en entrée du circuit régénératif permet d'obtenir un fonctionnement parfait du circuit de combustible liquide indépendamment des causes de blocage du débit de la pompe. Le prélèvement du combustible liquide peut être réalisé en aval de la vanne d'injection. Cette configuration permet de limiter les risques de fuite du combustible liquide. I1 peut aussi être réalisé en amont. Dans ce cas, cela favorise le refroidissement du circuit de dérivation du combustible liquide tout en améliorant le débit de la pompe. De même, ce prélèvement peut être assuré différemment, par le bas ou par le haut, afin de modifier les parts liquide ou vapeur prélevées. Dans une- autre variante, le prélèvement de combustible est réalisé en phase vapeur sur le circuit régénératif, améliorant ainsi l'évacuation de la vapeur et évitant tout bouchon de gaz. De préférence, le système de délestage selon l'invention comporte en outre un dispositif de calibrage ou diaphragme placé en amont de la vanne de délestage sur le circuit de dérivation. D'une façon plus générale, dans tout dispositif comportant un échangeur thermique alimenté en combustible liquide à partir d'un réservoir et au travers d'une pompe, l'injection du combustible étant contrôlé par une vanne d'injection, un tel système de délestage de liquide comporte une vanne de délestage placée sur un circuit de dérivation qui assure un prélèvement du combustible en entrée de l'échangeur thermique. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description suivante faite, à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés, sur lesquels: -la figure 1 est un premier exemple de réalisation d'un système de délestage selon l'invention, - la figure 2 est un second exemple de réalisation d'un système de délestage selon l'invention, - la figure 3 est un autre exemple de réalisation d'un système de délestage selon l'invention, - la figure 4 présente des courbes montrant notamment la variation de la pression dans la pompe en fonction du temps lors du démarrage d'un moteur mettant en oeuvre ou non le système de délestage selon l'invention, et - la figure 5 est un schéma synoptique simplifié d'un ensemble propulsif de l'art antérieur. Description détaillée de modes particuliers de réalisation La figure 5 représente la schéma synoptique simplifié d'un ensemble propulsif biergols d'engin spatial de l'art antérieur. Une chambre de combustion 1 prolongée par un divergent 2 est alimentée en ergols à partir d'un réservoir 3 au travers de deux circuits distincts véhiculant l'un de l'oxygène liquide et l'autre de l'hydrogène liquide. Le circuit d'oxygène liquide (indicé A) comporte principalement une pompe oxygène 10A en sortie du réservoir 3 et une vanne d'injection oxygène 11A disposée entre cette pompe et le dispositif d'injection 4 de la chambre de combustion 1. Un prélèvement d'oxygène est réalisé en amont de la vanne d'injection pour alimenter un générateur 5 au travers d'une vanne d'admission oxygène 12A. De même, le circuit d'hydrogène liquide (indicé B) comporte principalement une pompe hydrogène 10B en sortie du réservoir 3 et une vanne d'injection hydrogène 11B disposée entre cette pompe et le dispositif d'injection 4 de la chambre de combustion 1. Un prélèvement est également pratiqué en amont de la vanne d'injection d'hydrogène pour alimenter le générateur 5. Le système propulsif comporte également un démarreur 6 qui agit sur une turbine 7 pour le lancement des pompes 10A, 10B. La liaison entre cette turbine et les pompes est réalisée par l'intermédiaire d'un réducteur 8 dont la lubrification est assurée par de l'hydrogène gazeux prélevé au niveau de la chambre de combustion, cet hydrogène gazeux assurant également une pressurisation de l'hydrogène liquide contenu dans le réservoir 3. L'oxygène liquide est, quant à lui, pressurisé à partir d'un réservoir, sous haute pression, de gaz de pressurisation 2 relié au réservoir 3. Dans une telle architecture classique cryotechnique à deux ergols, il est apparu dans certaines conditions de fonctionnement un sous-débit de la pompe hydrogène 10B pouvant aller jusqu'à son décrochage. Or, ce risque majeur de blocage momentané du débit d'hydrogène liquide n'est pas acceptable, du fait du danger qu'il fait encourir à l'ensemble de la mission. La figure 1 montre, dans une réalisation préférentielle, la solution apportée à ce problème par la présente invention Pour des raisons de simplification graphique, il n'a été représenté que le circuit du combustible liquide entre la pompe 10B et la chambre de combustion 1, étant entendu que le reste de l'architecture est inchangé. En particulier, il n'est procédé à aucune modification au niveau du circuit du comburant et par exemple la séquence d'ouverture de la vanne d'injection n'est pas modifiée. Cette partie de l'architecture de l'ensemble propulsif représentée sur la figure 1 est toutefois mieux détaillée que sur la figure 5. La chambre de combustion 1 est entourée par un circuit régénératif 100 (l'ensemble formant un échangeur thermique) comportant une série de canaux de refroidissement alimentés en combustible liquide à partir par exemple d'un tore 101 placé en entrée de la chambre de combustion et auquel est relié un collecteur d'entrée 102. La liaison du collecteur d'entrée avec le circuit principal de combustible liquide est assurée par la vanne d'injection 11B précédée d'un diaphragme 13B. Comme précédemment, il est procédé à un prélèvement de combustible liquide en amont de cette vanne d'injection à destination du générateur 5, au travers de la vanne 12B (figure 5). Un circuit de dérivation 20B est placé en entrée de l'échangeur, c'est-àdire de la chambre de combustion 1, pour prélever une partie du combustible liquide destiné à cette chambre. Ce circuit de dérivation comporte une vanne de délestage 21B-précédée d'un dispositif de calibrage pouvant être constitué par un diaphragme 22B. Dans la réalisation préférentielle de la figure 1, le prélèvement du combustible liquide est réalisé en aval de la vanne d'injection hydrogène 11B au niveau du collecteur d'entrée 102. En sortie de la vanne de délestage, le combustible liquide est évacué vers l'extérieur (à air libre par exemple). Par cette solution qui assure un débit minimum à la pompe 10B, il est ainsi possible de traiter directement le risque de blocage de cette pompe et cela quelle qu'en soit l'origine, cette dérivation du circuit principal du combustible liquide étant indépendante du fonctionnement de la chambre de combustion. En outre, l'emplacement aval du prélèvement permet de ne pas ajouter de fuites de combustible liquide pendant le mise en froid, la vanne de délestage étant alors isolé. Le fonctionnement du dispositif est alors le suivant (voir figure 4): Après ouverture de la vanne de délestage (au niveau de la référence 40), il est procédé à celle de la vanne d'injection du combustible liquide de la chambre (référence 41), ce qui a pour effet une mise en froid du circuit régénératif et de la vanne de délestage. .11 peut être procédé ensuite à l'ouverture de la vanne d'injection du comburant (référence 42). .L'allumage du démarreur (référence 43) qui assure le lancement des pompes précède celui du générateur (référence 44) qui les entraîne alors à leur vitesse nominale, cette montée en puissance du générateur permettant une fermeture de la vanne de délestage (référence 45). ll doit être noté que l'instant de fermeture de la vanne de délestage peut être fixé à différents moments: par exemple, à la fin du blocage de débit si l'on veut minimiser les pertes de combustible liquide ou plus tard mais, en ce cas, il faut éviter les coups de bélier. Le choix de cet instant est fait en fonction du type de pompe et du type de chambre de combustion utilisées. La figure 2 montre une première variante de réalisation du dispositif de la présente invention dans laquelle le prélèvement du combustible liquide par le circuit de dérivation 20B est effectué en amont de la vanne d'injection 11B. Cette configuration permet une meilleure mise en froid de la vanne de délestage dont l'ouverture peut être programmée selon le niveau désiré pour cette mise en froid. Il doit être noté que cette configuration améliore le débit du délestage mais qu'une bonne mise en froid supposant une utilisation importante de combustible, il est préférable de procéder à une récupération du débit évacué, qui peut par exemple être réintroduit dans le réservoir. La séquence d'ouverture de la vanne de délestage est identique. Toutefois, l'instant d'ouverture de cette vanne dépend du temps de refroidissement désiré pour le circuit de dérivation (niveau de la mise en froid). La figure 3 présente une autre variante de réalisation du dispositif selon l'invention dans lequel le prélèvement est toujours réalisé en aval de la vanne d'injection du combustible liquide 11B mais au niveau du tore d'admission du combustible 101, en un endroit distinct du collecteur d'entrée 102, par exemple à l'opposé de ce dernier, sans que cette disposition ne soit aucunement limitative. En effet, ce prélèvement peut être réalisé sur l'ensemble du circuit régénératif. Il doit être noté que plus le prélèvement est effectué en aval, plus la part de combustible liquide est faible par rapport à la part de gaz prélevée. Par cette configuration, l'évacuation de la vapeur est donc favorisée évitant tout bouchon de gaz susceptible d'apparaître compte-tenu des échanges thermiques très violents apparaissant au niveau du circuit régénératif. Comme précédemment, la séquence de fonctionnement du dispositif est inchangée, l'instant d'ouverture de la vanne de délestage étant identique à celui défini dans la première configuration à prélèvement aval. ll est intéressant de noter que l'orientation du piquage pour le prélèvement du combustible peut avoir une importance vis à vis des parts liquides ou vapeur prélevées. Ainsi, un piquage vers le bas favorisera un prélèvement du combustible liquide alors qu'un piquage vers le haut favorisera au contraire un prélèvement de vapeur. La figure 4 montre les effets du système de délestage sur le niveau de pression du circuit de combustible en entrée de la chambre de combustion. Il peut être observé qu'en l'absence de système de délestage (courbe 50), il apparait une chute de pression après le démarrage de la pompe. Au contraire, avec le système de délestage selon l'invention (courbe 51), cette chute est évitée. Cette figure montre également la variation de la vitesse de rotation de la pompe (courbe 52) ainsi que les séquences de fonctionnement des différentes vannes mises en oeuvre (références 40 à 44). Ces courbes ont été relevées sur un moteur cryotechnique à hydrogène liquide lors d'essais au sol. Il est important de noter que l'application décrite n'est pas limitative et que le système de délestage de liquide selon l'invention est applicable au niveau de tout dispositif présentant des échanges thermiques importants entraînant une vaporation du liquide en circulation et pour lequel une pompe présentant des difficultés de fonctionnement à bas débit, comme un pompe centrifuge, est mise en oeuvre. REVENDICATIONS 1. Système de délestage de liquide destiné à un ensemble comportant un échangeur thermique (1,100) alimenté en combustible liquide à partir d'un réservoir (3) et au travers d'une pompe (lOB), l'injection du combustible liquide au niveau de cet échangeur étant contrôlé par une vanne d'injection (1 lob), caractérisé en ce que ledit système comporte une vanne de délestage (22B) placée sur un circuit de dérivation (20B) qui assure un prélèvement du combustible en entrée de l'échangeur thermique (1,100). 2. Système de délestage de liquide pour un ensemble propulsif comportant une pompe (lOB) alimentant en combustible liquide, à partir d'un réservoir (3), une chambre de combustion (1) munie d'un circuit de régénération du liquide (100), l'injection de combustible liquide au niveau de ce circuit étant contrôlée par une vanne d'injection (1 lob), caractérisé en ce que ledit système comporte une vanne de délestage (22B) placée sur un circuit de dérivation (20B) qui assure un prélèvement du combustible en entrée du circuit de régénération (100). 3. Système de délestage de liquide selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit prélèvement de combustible est réalisé en aval de la vanne d'injection (11B). 4. Système de délestage de liquide selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit prélèvement de combustible est réalisé en amont de la vanne d'injection (1 lob). 5. Système de délestage de liquide selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le combustible est prélevé en phase vapeur. 6. Système de délestage de liquide selon les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit prélèvement est effectué par le bas, favorisant un prélèvement du liquide. 7. Système de délestage de liquide selon les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit prélèvement est effectué par le haut, favorisant l'évacuation de la vapeur. 8. Système de délestage de liquide selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit de dérivation (20B) comporte en outre un dispositif de calibrage ou diaphragme (21B) placé en amont de la vanne de délestage (22B). 9. Système de délestage de liquide selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un ensemble propulsif biergols cryotechniques ayant pour combustible de l'Fydrogène liquide.