Brevet FR2784443A1 — publié le 20000414

VANNE EN MATERIAU COMPOSITE CARBONE/CARBONE NOTAMMENT POUR LE VANNAGE DE GAZ CHAUDS La présente invention a trait plus particulièrement au vannage de gaz chauds et concerne une vanne du type à obturateur, à fonctionnement en tout ou rien, tout carbone, c'est-à-dire formée de pièces en matériau composite thermostructural carbone/carbone. L'invention s'applique par exemple au pilotage en force d'engins spatiaux tels que des missiles et vise à proposer une vanne apte à résister aux efforts importants provoqués par des chocs au niveau du système obturateur lors des ouvertures/fermetures, dans des ambiances de fortes pressions, typiquement 50 à 60 bars et de hautes températures pouvant dépasser 2000 C. A cet effet, I'invention a pour objet une vanne en matériau composite carbone/carbone, notamment pour le vannage de gaz chauds, du type à obturateur fonctionnant en tout ou rien, caractérisée en ce qu'elle est constituée : -d'un corps monobloc présentant un trou borgne cylindrique taraudé débouchant sur l'une de ses faces, un évidement cylindrique coaxial audit trou, ménagé dans le fond de ce dernier et de diamètre sensiblement inférieur à celui du trou, ledit évidement étant susceptible d'tre relié à une source de fluide de commande via un passage approprié ménagé dans ledit corps, et une chambre annulaire ménagée dans la paroi du trou borgne entre le fond et le débouché, ladite chambre étant susceptible d'tre reliée à une source de gaz chaud à haute pression à vanner, via un passage ménagé dans ledit corps ; -d'une tuyère monobloc cylindrique filetée fixée de préférence par vissage dans le trou borgne dudit corps et en contact étanche avec le fond dudit trou, ladite tuyère comportant, dans I'axe du trou, un divergent débouchant sur la face d'extrémité externe de la tuyère, prolongé par un col débouchant dans une chambre cylindrique ouverte sur la face opposée à la tuyère tournée vers ledit évidement du corps, une pluralité de canaux étant ménagés dans la tuyère en sorte de relier ladite chambre annulaire du corps à ladite chambre de la tuyère, les axes des canaux intersectant I'axe de la tuyère et étant inclinés vers l'extrémité interne de la tuyère, lesdits canaux étant en outre tangents à une surface tronconique de raccordement de la chambre de la tuyère au col de cette dernière ; -et d'un obturateur formé d'un piston cylindrique monobloc monté coulissant dans la chambre de la tuyère et présentant, sur sa face aval, une surface biseautée parallèle à ladite surface tronconique de la tuyère ; -lesdits corps, tuyère et piston étant en un matériau composite thermostructural carbone/carbone. Une telle vanne présente t'avantage d'un nombre réduit de pièces, toutes réalisées en un matériau composite, en sorte qu'elles ont des conductibilités thermiques et des coefficients de dilatation identiques ou très voisins permettant un assemblage desdites pièces de manière démontable sans poser de problème au niveau de t'étanchéité, compte tenu des fortes pressions en jeu. A cette fin, les pièces sont usinées avec un jeu de l'ordre de quelques micromètres et de manière à avoir un bon positionnement des fibres par rapport aux efforts de matage consécutifs aux chocs du piston en fin de course, t'étanchéité étant par ailleurs avantageusement renforcée, d'une part, par l'interposition d'un joint de graphite entre la face interne de la tuyère et le fond du trou borgne servant d'appui et, d'autre part, par une étanchéification du filetage de la tuyère à l'aide d'une poudre de graphite appliquée en suspension dans un véhicule approprié. Le matériau composite constitutif des trois pièces de la vanne, identique ou non, est choisi de préférence dans le groupe des matériaux composites de type à architecture 3D. Avantageusement, le matériau composite est constitué d'une architecture tissée 3D de fibres de carbone, densifiée au brai et graphitée à 2 600 C, à des fins de renforcement de t'étanchéité du matériau. Le choix du matériau composite est en particulier fait en fonction de la nature des gaz chauds à vanner, notamment des gaz propergols, qui doivent tre compatibles avec le matériau utilisé. La vanne obtenue conformément à l'invention présente ainsi une très bonne tenue aux efforts mécaniques et aux chocs, ainsi qu'une bonne étanchéité en dépit du mode d'assemblage, par vissage, de la tuyère, ceci permettant un démontage et un remontage de la vanne pour des tests ou en vue d'une réutilisation après nettoyage. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de la vanne selon l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels : -Figure 1 est une vue schématique en coupe verticale axiale d'une vanne selon l'invention, et -Figures 2 et 3 sont des schémas illustrant le fonctionnement d'une vanne selon la figure 1, respectivement dans les positions de fermeture et d'ouverture. Sur la figure 1, on a représenté en 1 un corps monobloc dans lequel est ménagé un trou borgne 2, d'axe 3, taraudé. Dans le trou 2 est reçue une tuyère monobloc 4 de forme générale cylindrique, filetée extérieurement, fixée par vissage dans le trou taraudé 2. La tuyère 4 est traversée, dans I'axe 3, d'un passage délimitant, depuis l'intérieur du trou 2 jusque sur la face externe 5 de la tuyère, une chambre cylindrique 6 dans laquelle peut librement coulisser un piston 7 faisant office d'obturateur, un col 8 et un divergent 9. Le piston 7, la tuyère 4 et le corps 1 sont des éléments monoblocs réalisés en un matériau composite thermostructural carbone/carbone. Dans le fond 10 du trou borgne 2 est ménagé un évidement cylindrique 11, coaxial au trou 2 et de diamètre sensiblement inférieur à celui dudit trou. Entre le fond de t'évidement 11 et le fond annulaire 10 du trou 2, est réalisé un évidement annulaire 12 destiné à accueillir un joint de graphite d'étanchéité annulaire 13 interposé entre le corps 1 et la tuyère 4. Le joint 13 est café latéralement par des épaulements ménagés respectivement dans la tuyère 4 et dans le corps 1, comme illustré par la figure 1. Le piston 7 présente un diamètre inférieur à celui de t'évidement 11 qui délimite ainsi, lorsque le piston 7 est en butée par sa face plane interne contre le fond de t'évidement 11, comme illustré par la figure 1, une chambre annulaire communiquant, par un passage approprié 14, avec une source externe (non représentée sur la figure 1) de fluide de commande de la vanne. Un biseau 15 réalisé sur le bord périphérique du piston 7 permet au fluide de commande dans la chambre 11 d'actionner le piston 7 lorsque ce dernier est dans la position de la figure 1. Par ailleurs, une chambre annulaire 16, de section rectangulaire, est ménagée dans la paroi du trou borgne 2, entre les deux extrémités du trou, cette chambre 16 communiquant, par un passage approprié 17, avec une source (non représentée sur la figure 1) de gaz chauds à haute pression à vanner. A des fins d'étanchéification des filetages de liaison des pièces 1 et 4, avantageusement on appliquera, par exemple au pinceau, avant insertion de la tuyère 4 dans le trou 2, une poudre de graphite en solution par exemple dans de I'alcool isopropylique. Après évaporation de I'alcool, subsiste sur les filets une mince couche de graphite symbolisée en 18 sur la figure 1, assurant une bonne étanchéité. La chambre annulaire 16 communique avec la chambre cylindrique 6 par un jeu de canaux 19 d'axe intersectant I'axe 3 et inclinés en direction du fond 10 du trou 2 en sorte que lesdits canaux 19 soient orientés vers le col 8 de la tuyère, lesdits canaux étant en outre tangents à une surface tronconique 20 de raccordement de la chambre 6 audit col 8. La face externe du piston 7 présente une zone centrale circulaire plane 21, de diamètre sensiblement égal à celui du col 8, raccordée à la face cylindrique du piston par une première surface tronconique 22, parallèle à la surface 20 et une seconde surface tronconique 23. Dans la position illustrée par la figure 1 du piston, de retrait maximal de la chambre 6 (position d'ouverture de la vanne) la surface 22 est à une distance de la surface 20 correspondant au diamètre des canaux 19. Les figures 2 et 3 illustrent le fonctionnement d'une vanne du type de la figure 1. Le fonctionnement est en tout ou rien, le piston 7 étant dans la position de fermeture de la vanne (figure 2), lorsque la surface tronconique 22 du piston est appliquée contre la surface tronconique 20 de la tuyère 4, sous l'action d'un fluide de commande (flèches 24) envoyé par un distributeur à tiroir 25 commandé par un électro-aimant 26. Le fluide de commande 24 est à une pression supérieure à celle du gaz chaud à vanner (flèches 27) présent en permanence dans la chambre annulaire 16. Dans l'autre position stable du piston 7 (figure 3), ce dernier est plaqué par sa face arrière contre le fond de t'évidement 11. A cet effet, le tiroir du distributeur 25 est actionné pour mettre à l'atmosphère (flèches 28) la chambre 11, tandis que le piston 7, soumis par sa face tronconique 23 faisant office de cône de"chasse", à la pression du gaz chaud 27, est repoussé vers le fond de ladite chambre 11. Le gaz chaud à haute pression 27 s'écoule alors par le jet (flèches 29) de la tuyère 4. La commande par exemple, à une fréquence déterminée et pendant une durée déterminée, de l'électro-aimant 26 du distributeur 25, permet de vanner les gaz chauds (27) par exemple provenant de la combustion de propergols de propulsion d'un missile et de piloter en force ce dernier en corrigeant sa trajectoire. Cette commande peut bien entendu suivre une loi quelconque. Les températures et les pressions des gaz à vanner dans ce type d'application ont respectivement des valeurs atteignant ou dépassant 2000 C et des valeurs de 30 à 70 bars, cependant que les fréquence et durée d'actionnement de la vanne sont respectivement de l'ordre de 20 Hz et de plusieurs dizaines de secondes. D'une manière générale, t'étanchéité de la vanne est obtenue, d'une part, par la précision d'assemblage des pièces 1,4 et 7 et, d'autre part, par l'utilisation de matériaux composites qui présentent un coefficient de dilatation faible et une conductibilité thermique élevée. Ceci se traduit au niveau des pièces constitutives de la vanne par une bonne homogénéité thermique n'entrainant pas de problème de jeu dans I'assemblage desdites pièces. L'étanchéité est par ailleurs renforcée par le joint de graphite 13 et la couche d'étanchéification également en graphite 18. Pour renforcer encore t'étanchéité, on réduira avantageusement la porosité ou perméabilité au matériau composite en le soumettant à une densification et à une graphitation. A titre d'exemple, on pourra utiliser un matériau formé d'une architecture tissée 3D de fibres de carbone, densifiée au brai et graphitée à 2600 C. Le matériau composite à architecture de type 3D tri-orthogonal dénommé commercialement AEROLOR 32 et fabriqué par la Société AEROSPATIALE convient particulièrement. Les matériaux composites utilisés pour la vanne se prtent particulièrement au vannage de gaz très chauds du fait de leur tenue en température et, par ailleurs, leur relative plasticité leur confère un bon comportement au matage résultant des chocs répétés du piston 7 contre les surfaces de contact amont et aval. Afin d'accroître la raideur du matériau composite, l'usinage des pièces 1,4,7 est de préférence réalisé en sorte de positionner correctement les fibres par rapport aux efforts mécaniques. II est à noter par ailleurs que le coulissement du piston 7 dans la chambre 6 est facilité par le caractère lubrifiant du graphite de graphitation de la matrice. Les matériaux desdites pièces 1,4,7 sont ou non identiques, en particulier la matrice de carbone peut varier selon que l'on désire pour l'une particulière desdites pièces des propriétés de résistance mécanique, de porosité, ou de conductibilité thermique différentes. Pour tenir compte de la sensibilité des matériaux composites à l'érosion, les canaux 19 d'injection des gaz chauds dans la tuyère 4 sont inclinés par rapport à I'axe 3, par exemple de l'ordre de 30 à 35 , et les parois (surfaces 20 et 22) de la zone de la chambre 6 dans laquelle les gaz chauds à haute pression sont dirigés par lesdits canaux 19 sont parallèles à I'axe de ces derniers, ce qui réduit d'autant le pouvoir érodant de ces gaz sur la surface des pièces 4 et 7. Par ailleurs, on utilisera de préférence des propergols contenant le moins possible de particules susceptibles d'éroder le matériau de la vanne. Enfin, I'invention n'est évidemment pas limitée au mode de réalisation représenté et décrit ci-dessus, mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment en ce qui concerne les formes et dimensions de la tuyère 4 et du piston 7, ainsi que la configuration des réseaux (canaux 14 et 19) d'acheminement des fluides à vanner et de commande. Par ailleurs, la fixation de la tuyère 4 dans le corps 1 se fait de préférence par vissage, mais pourrait tre réalisée par tout autre moyen, tel qu'un emmanchement avec bridage. REVENDICATIONS 1. Vanne en matériau composite carbone/carbone, notamment pour le vannage de gaz chauds, du type à obturateur fonctionnant en tout ou rien, caractérisée en ce qu'elle est constituée : -d'un corps monobloc (1) présentant un trou borgne (2) cylindrique taraudé débouchant sur l'une de ses faces, un évidement cylindrique (11) coaxial audit trou (2), ménagé dans le fond (10) de ce dernier et de diamètre sensiblement inférieur à celui du trou, ledit évidement (11) étant susceptible d'tre relié à une source de fluide de commande via un passage approprié (14) ménagé dans ledit corps (1), et une chambre annulaire (16) ménagée dans la paroi du trou borgne (2) entre le fond et le débouché, ladite chambre (16) étant susceptible d'tre reliée à une source de gaz chaud à haute pression à vanner, via un passage (17) ménagé dans ledit corps ; -d'une tuyère monobloc (4) cylindrique filetée fixée de préférence par vissage dans le trou borgne (2) dudit corps (1) et en contact étanche avec le fond dudit trou (2), ladite tuyère (4) comportant, dans I'axe (3) du trou, un divergent (9) débouchant sur la face d'extrémité externe de la tuyère, prolongé par un col (8) débouchant dans une chambre cylindrique (6) ouverte sur la face opposée à la tuyère tournée vers ledit évidement (11) du corps, une pluralité de canaux (19) étant ménagés dans la tuyère en sorte de relier ladite chambre annulaire (16) du corps à ladite chambre (6) de la tuyère, les axes des canaux intersectant I'axe (3) de la tuyère et étant inclinés vers l'extrémité interne de la tuyère, lesdits canaux (19) étant en outre tangents à une surface tronconique (20) de raccordement de la chambre (6) de la tuyère au col (8) de cette dernière ; -et d'un obturateur formé d'un piston cylindrique monobloc (7) monté coulissant dans la chambre (6) de la tuyère et présentant, sur sa face aval, une surface biseautée (22) parallèle à ladite surface tronconique (20) de la tuyère ; -lesdits corps (1), tuyère (4) et piston (7) étant en un matériau composite thermostructural carbone/carbone. 2. Vanne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau composite est choisi dans le groupe des matériaux composites de à architecture 3D, lesdites pièces (1,4,7) étant ou non en mme matériau. 3. Vanne suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau composite est densifié au brai et graphité. 4. Vanne suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'à des fins de renforcement de l'étanchéité, un joint de graphite (13) est interposé entre la face interne de la tuyère (4) et la partie de fond en regard (12) du trou borgne (2). 5. Vanne suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'à des fins de renforcement de t'étanchéité, un dépôt de poudre de graphite (18) est appliqué sur les filetages de la liaison corps (1)-tuyère (4). 6. Vanne suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'inclinaison des canaux (19) d'acheminement des gaz chauds dans la tuyère (4) sont inclinés sur I'axe (3) de cette dernière d'un angle de l'ordre de à 35 . 7. Vanne suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit piston (7) présente sur au moins l'une de ses deux extrémités une surface biseautée (15,23) permettant le déplacement du piston sous la pression desdits gaz chauds à vanner et fluide de commande respectivement.