Brevet FR2780478A1 — publié le 19991231

La présente invention concerne une vanne d'arrêt notamment pour carburant liquéfié cryogène de moteurs de fu- sée comprenant un vérin à double effet commandé par un fluide sous pression pour actionner la vanne, un verrouillage de fin de course agissant transversalement au mouvement du vérin et bloquant celui-ci par une liaison de forme à la fin de la course, et un montage à piston de commande comportant un pis- ton de commande actionné par le fluide sous pression pour la course d'ouverture de la vanne du vérin, contre la force d'un ressort précontraint et qui maintient le verrouillage de fin de course en position de libération. Les vannes d'arrêt de ce type sont utilisées comme vannes de carburant pour les moteurs de fusée et doi- vent rester en position ouverte du début de l'allumage, jus- qu'à la fin de la combustion du moteur; elles comportent un actionneur commandé en pression, assurant la commutation de la vanne; cet actionneur se présente sous la forme d'un vé- rin à double effet ou d'un vérin à simple effet sollicité dans la direction de fermeture de la vanne par un ressort; pour chacune des deux positions de fin de course de l'unité piston/cylindre, il y a un verrouillage transversal à la tige du piston du vérin, qui assure une liaison par la forme et garantit le maintien du vérin dans la position respective, même en cas de chute de pression de commande.- (DE 36 09 765 Al, DE 42 21 230 Cl, DE 43 23 846 Cl). Le verrouillage se fait à l'aide de deux surfaces de verrouillage opposées, associées et précontraintes par des ressorts, et d'un dispositif à pistons multiples commutable par pression. Ce vérin soulève la surface de verrouillage respectivement accrochée, en agissant contre la précontrainte de ressort lorsque le vérin est activé, pour se dégager de la liaison par la forme avec la tige de piston pendant que l'autre surface de verrouillage reste appliquée contre la tige de piston par la force de ressort jusqu'à ce qu'à la fin de la course du vérin, elle s'engage dans une cavité corres- pondante de la tige de piston. Une telle vanne d'arrêt à dou- ble verrouillage opposé, commandée en pression, présente néanmoins une construction et un fonctionnement mécaniquement relativement compliqués; du fait du contact par friction en- tre le verrouillage des positions de fin de course et la tige de piston pendant le mouvement de soulèvement, ce dispositif est relativement exposé à l'usure et dans ces conditions la fiabilité de sa commutation est limitée; on risque ainsi que la surface de verrouillage et la tige de piston se grippent pendant la course d'ouverture, et qu'ainsi le vérin reste bloqué dans une position intermédiaire, partiellement ou- verte, de la vanne. La présente invention a pour but de diminuer les moyens constructifs et le poids d'une vanne d'arrêt et en même temps d'améliorer la fiabilité de la commutation. A cet effet, l'invention concerne une vanne d'arrêt du type défini cidessus, caractérisée en ce qu'une vanne de commutation alimente alternativement le piston de commande ou un branchement de fluide avec la pression d'actionnement et, la course de réglage du piston de commande est déterminée en fonction des deux branchements de fluide du vérin pour qu'en position de verrouillage du piston de com- mande, un branchement de fluide communique avec le fluide sous pression, et qu'en position d'ouverture du piston de commande, l'autre branchement de fluide reçoive du fluide sous pression. Comme un vérin à double effet, (contrairement à un vérin avec une direction d'obturation précontrainte par ressort), même en cas de disparition de la pression de com- mande, est toujours maintenu uniquement par la pression agis- sant sur le plateau de la vanne par le fluide de travail commandé par la vanne (notamment la pression du carburant li- quéfié dans un moteur de fusée) avec certitude en position d'ouverture de vanne, l'invention permet de supprimer une construction compliquée ayant un verrouillage double entaché de frottement dans les deux directions de déplacement; au lieu de cela on retient le vérin seulement en position de fermeture par une liaison par la forme. Cela réduit considé- rablement les moyens constructifs et le poids pour le ver- rouillage en position de fin de course, ainsi que la sensibilité à l'usure de l'entraînement du vérin, tout en ré- duisant de manière considérable le risque de blocage, car la tige de piston, au moment de la course d'ouverture, est com- plètement dégagée de tout contact avec le verrouillage de po- sition de fin de course. La vanne d'arrêt selon l'invention convient ainsi de manière remarquable pour les applications dans lesquelles, comme dans les vols spatiaux, il faut res- pecter des conditions de fiabilité très strictes à des tempé- ratures extrêmes et avec de strictes limitations de poids. Le raccordement de fluide pour la chambre active du vérin qui produit la course d'ouverture de la vanne, est fermé en position de blocage du verrouillage de la position de fin de course; le raccordement est commandé en position de libération pendant que le branchement du fluide vers la chambre de fermeture de la vanne est en permanence ouvert. Il en résulte que la chambre du vérin qui produit la course d'ouverture, n'est activée en pression qu'après le dégagement complet du verrouillage de fin de course, ce qui permet ainsi un fonctionnement pratiquement sans usure et sans risque de grippage, même au cours de l'opération de déverrouillage. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention la chambre qui produit la course d'ouverture de vanne du vérin est reliée par une ouverture de fluide dont l'ouverture est commandée à la fin de la course de libération du piston de commande pour être raccordée à la chambre de pression de commande du piston de commande. Ainsi, on a une activation en pression temporisée du vérin, réalisée d'une manière constructive particulière- ment simple et intéressante par une ouverture de fluide déri- vant de la chambre de pression de commande du piston de commande et coopérant directement avec ce piston, en étant raccordée à la chambre d'ouverture de vanne du vérin Suivant une autre caractéristique de l'invention, le branchement de fluide vers la chambre du vérin qui produit la course d'ouverture de la vanne, comporte un point d'étranglement de section réduite par rapport au branchement d'écoulement vers la chambre de fermeture de vanne. Ainsi, le branchement de fluide vers la chambre d'ouverture de la vanne dans le vérin présente de préférence un point d'étranglement rétréci par rapport au branchement de fluide de la chambre de fermeture de la vanne. Ainsi la force engendrée par la pression du fluide actif, commandée par la vanne, (c'est-à-dire de manière caractéristique du carburant liquide), exercée sur le plateau de la vanne, soutient le mouvement de la chambre d'ouverture de la vanne, et compense par une activation en fluide sous pression, sans point d'étranglement et ainsi relativement accentuée, de la chambre de fermeture de la vanne, pour avoir ainsi un comportement symétrique de la vanne d'arrêt dans le sens de la fermeture et dans celui de l'ouverture. Dans de nombreux cas, par exemple pour une appli- cation préférentielle comme vanne d'arrêt de carburant li- quide à basse température, les joints dynamiques du vérin n'assurent pas de séparation suffisante entre le fluide de commande dans les chambres actives et le fluide de travail qui traverse la vanne. Aussi, d'une manière particulièrement avanta- geuse, le vérin comporte deux pistons distincts reliés soli- dairement en translation et qui délimitent, avec une cloison intermédiaire de cylindre placée entre les pistons, chaque fois l'une des chambres de travail et, avec la paroi frontale d'extrémité du cylindre, chaque fois une chambre collectrice évacuée en permanence. Ainsi, pour chacune des deux chambres de travail, on a une zone tampon sans pression qui reçoit les éventuelles fuites à la fois du côté de la chambre de travail et du côté du fluide de travail commandé par la vanne, pour les re- cueillir et les évacuer. On garantit ainsi une isolation ré- ciproque extrêmement protégée pour les deux systèmes de fluide sous pression. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation, en liaison avec les dessins représentant ce mode de réalisa- tion de manière fortement schématique. Ainsi: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une vanne d'arrêt selon l'invention en position de fermeture, - les figures 2 et 3 montrent une vanne d'arrêt selon la figure 1, à échelle plus réduite, dans des positions intermédiaires pendant la course d'ouverture et la course de fermeture de la vanne. La vanne d'arrêt représentée aux figures est une vanne à deux positions pour les carburants alimentant des fu- sées, tels que de l'azote liquide cryogène ou de l'hydrogène liquide; cette vanne comprend comme composants principaux, une partie de vanne formée du siège de vanne 2 et du plateau10 de vanne 4; un entraînement linéaire sous la forme d'un vé- rin à double effet 6 actionne le plateau de vanne 4 un moyen de verrouillage de position de fin de course portant globale- ment la référence 8 est prévu pour le vérin 6, pour la posi- tion de fermeture de la vanne représentée à la figure 1. Le verrouillage de fin de course 8 comprend un piston de commande 10 mobile, transversalement au mouvement du vérin 6, une tige de commande 12, une coulisse de ver- rouillage 14 y compris la surface de verrouillage 16 ainsi qu'un ressort de compression 18 sollicitant la coulisse de20 verrouillage 14 dans le sens du verrouillage; une chambre de pression de commande 20 commute le piston de commande 10 con- tre la force du ressort de compression vers la position de libération. Le vérin 6 est monté dans une cloison 22 qui est délimitée en commun chaque fois avec un piston simple 24, 26 pour d'une part la chambre de fermeture de vanne 28 et d'autre part la chambre d'ouverture de vanne 30 du vérin 6. Les deux pistons simples 24, 26 sont reliés par la tige de piston 32 qui arrive jusqu'au plateau de vanne 4 et traverse de manière étanche la cloison 22 reliant solidairement en translation les deux pistons du vérin 6. La face frontale li- bre des pistons 24, 26 délimite avec les segments d'extrémité du cylindre, chaque fois une chambre collectrice 36, 38 éva- cuée de manière permanente par un canal de retour 34; cela permet de recueillir les fuites éventuelles au niveau des joints dynamiques; qu'il s'agisse de carburant liquéfié par le joint de piston 40, ou de fluide de commande pour le vérin 6 à travers les joints de piston non représentés; ces fuites peuvent ainsi être évacuées, ce qui permet une séparation ga- rantie entre le fluide de commande et le système du carburant liquéfié. Les fuites de fluide de commande provenant des chambres actives 28, 30 en passant par la tige de piston 32, la coulisse de verrouillage 14 et la tige de réglage 12, ar- rivent dans la chambre à ressort 42 du piston de commande 10 pour être évacuées par un autre canal de retour 44 ventilé de manière permanente (canal représenté en traits interrompus) pour arriver également au branchement collecteur 46. Le fluide de commande utilisé pour entraîner la vanne d'arrêt est du gaz comprimé; il s'agit de manière ca- ractéristique de l'hélium sous une pression de l'ordre de 70 bars; ce fluide est fourni sélectivement aux chambres de travail 28, 30 du vérin 6 et à la chambre de pression de com- mande 20 du verrouillage de fin de course 8 par l'intermédiaire d'une électrovanne de commande 48; cette électrovanne est reliée d'un côté à une conduite de gaz sous pression et à une conduite d'évacuation 50, 52; en sortie, cette électrovanne est reliée à la chambre de commande 20 et, par un canal de branchement de fluide de commande 54 dans la cloison 22, avec la chambre de fermeture 28 du vérin 6. Le branchement de fluide de commande 56 de la chambre d'ouver- ture de vanne 30 dérive de la chambre de pression de commande à partir d'un orifice de fluide d'écoulement 58 fermé par le piston de commande 10 en position de verrouillage du moyen de verrouillage de fin de course 6, et contient un point d'étranglement 60 de section réduite par rapport à celle du canal de branchement 54. Dans la position de la vanne représentée à la fi- gure 1, la chambre de fermeture de vanne 28 est sollicitée en gaz comprimé par la vanne de commutation 48; le plateau de vanne 4 est tenu en position de fermeture de vanne contre la pression de carburant appliquée sur le plateau et qui corres- pond sensiblement à 15 bars. En plus, la tige de piston 32 est bloquée en déplacement par la coulisse de verrouillage 14 qui est accrochée par l'action d'un ressort dans une cavité correspondante 62 réalisée dans la tige de piston, de sorte que, même en cas de disparition du gaz sous pression, la vanne d'arrêt reste en position de fermeture. Lorsque la vanne de commutation 48 est mise dans la position de commutation représentée à la figure 2, la chambre de fermeture de vanne 28 est évacuée et la chambre de pression de commande 20 est mise sous pression; ainsi, le piston de commande 10 descend contre la force du ressort 18 et dégage la surface de verrouillage 16 de la cavité 62 de la tige de piston; l'orifice de fluide 58 reste néanmoins en- core fermé par le piston de commande 10. Ce n'est que lorsque la surface de verrouillage 16 est complètement dégagée de son contact avec la tige de piston 32, que l'orifice de fluide 58 est libéré par le piston de commande 10 et ainsi la chambre d'ouverture de vanne 30 peut recevoir du gaz sous pression. Comme la pression de carburant exercée sur le plateau de vanne 4 agit également dans le sens de l'ouverture, l'envoi de gaz sous pression, étranglé dans la chambre d'ouverture de vanne 30, donne à la vanne d'arrêt un comportement de commu- tation sensiblement identique dans le sens de l'ouverture et dans le sens de la fermeture. A la fin de la course d'ouverture, la vanne d'arrêt reste en position complètement ouverte, puisque la chambre d'ouverture de vanne 28 est toujours soumise à la pression. Même en cas de disparition de gaz sous pression, la poussée exercée sur le plateau 4 par le fluide qui s'écoule dans la direction de la flèche à travers la vanne d'arrêt, c'est-à-dire du carburant liquide, maintient la vanne d'arrêt en position d'ouverture complète, ce qui permet de supprimer tout moyen de verrouillage de fin de course supplémentaire pour la position d'ouverture de la vanne. Pour la course de retour en position de fermeture de la vanne, la vanne de commutation 48 est de nouveau rappe- lée dans la position représentée aux figures 1 et 3; puis la chambre de fermeture de vanne 28 reçoit du gaz sous pression et la chambre de pression de commande 20 est vidée. La cou- lisse de verrouillage 14 arrive ainsi, sous l'effet du res- sort de compression 18 et par sa surface de verrouillage 16, en appui contre la tige de piston 32 pour que le piston de commande 10, du fait de sa liaison rigide avec la coulisse de verrouillage 14 par la tige de réglage 12, soit maintenu dans la position de déplacement inférieure libérant l'ouverture d'écoulement 58, et permette ainsi d'évacuer la chambre d'ouverture de vanne 30 jusqu'à ce que le vérin 6 arrive de nouveau en position de fermeture de vanne et que la coulisse5 de verrouillage 14 s'accroche dans la cavité 62 de la tige de piston. R E V E N DI C A T I ON S 1 ) Vanne d'arrêt notamment pour carburant liquéfié cryogène de moteurs de fusée comprenant: - un vérin à double effet commandé par un fluide sous pres- sion pour actionner la vanne et, - un verrouillage de fin de course agissant transversalement au mouvement du vérin et bloquant celui-ci par une liaison de forme à la fin de la course, - un montage à piston de commande comportant un piston de commande (10) actionné par le fluide sous pression pour la course d'ouverture de la vanne du vérin, contre la force d'un ressort précontraint (18), et qui maintient le verrouillage de fin de course en position de libération, caractérisée en ce que - une vanne de commutation (48) alimente alternativement le piston de commande (10) ou un branchement de fluide (56) avec la pression d'actionnement et, - la course de réglage du piston de commande est déterminée en fonction des deux branchements de fluide (54, 56) du vérin pour qu'en position de verrouillage du piston de commande (10), un branchement de fluide (54) communique avec le fluide sous pression, et qu'en position d'ouverture du piston de commande (10), l'autre branchement de fluide (56) reçoive du fluide sous pression. 2 ) Vanne d'arrêt selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre (30) qui produit la course d'ouverture de vanne du vérin (6) est reliée par une ouverture de fluide (58) dont l'ouverture est commandée à la fin de la course de libération du piston de commande (10), pour être raccordée à la chambre de pression de commande (20) du piston de commande. 3 ) Vanne d'arrêt selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le branchement de fluide (56) vers la chambre (30) du vérin (6) qui produit la course d'ouverture de la vanne, comporte un point d'étranglement (60) de section réduite par rapport au branchement d'écoulement (54) vers la chambre de fermeture de vanne (28). 4 ) Vanne d'arrêt selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le vérin (6) comporte deux pistons (24, 26) distincts reliés solidairement en translation et qui délimitent, avec une cloison intermédiaire de cylindre (22) placée entre les pis- tons, chaque fois l'une des chambres de travail (28, 30) et, avec la paroi frontale d'extrémité du cylindre, chaque fois une chambre collectrice évacuée en permanence (36, 38).