Brevet FR2788576A1 — publié le 20000721

La présente invention concerne une vanne de régu- lation motorisée pour des applications à basses températures, notamment pour carburants de fusée liquéfiés cryogéniques, avec un boîtier de vanne à entrée et sortie coaxiales, com- prenant une chambre d'actionnement centrée dans le boîtier et un manchon de réglage coulissant de manière étanche centré dans le boîtier et la chambre d'actionnement, manchon de ré- glage qui règle la section d'ouverture en libérant des fentes d'écoulement, au moyen d'une transmission en aval d'un moteur électrique. Les vannes de régulation pour des carburants cryogéniques, liquéfiés alimentant les gros moteurs de fusées sont exposées à des conditions de fonctionnement difficiles dont il faut prendre en compte les effets dès la construc- tion. Il faut entre autres tenir compte des conditions de fonctionnement telles que le débit massique important, la pression élevée, le temps de commutation court à l'ouverture et à la fermeture ainsi que la faible puissance consommée. Dans les vannes de ce type, les forces d'ouverture et de fermeture nécessaires à la commutation sont définies principalement par les efforts perturbateurs agis- sant sur le poussoir de la vanne. Comme dans de telles vannes on ne peut effectuer une réduction ou une compensation des efforts d'écoulement par des mesures constructives, cela se répercute de manière particulièrement négative sur la puis- sance d'actionnement nécessaire, par des diamètres nominaux importants, des pressions nominales élevées et des temps de commutation courts. Pour remédier à ces inconvénients, la présente invention consiste à créer une vanne de régulation du type ci-dessus, caractérisé en ce que la chambre d'actionnement communique avec l'écoulement de carburant de façon telle qu'un équilibrage de pression réalise un positionnement du manchon de réglage sans aucune force. La présente invention concerne une vanne de régu- lation pour des carburants de fusée, liquéfiés, cryogéniques, qui grâce à sa particularité de construction permet de com- penser la force hydraulique agissant sur le poussoir de la soupape. Les forces d'ouverture et de fermeture nécessaires à la commutation de la vanne sont ainsi diminuées, et la puis- sance d'actionnement nécessaire est réduite au minimum. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le manchon de réglage possède à sa périphérie plusieurs fentes d'écoulement dont la taille, la forme et la posi- tion définissent la caractéristique de régulation de la vanne, - le manchon de réglage a une contre-dépouille dans le dia- mètre extérieur au niveau des fentes d'écoulement pour permettre une libération sans dommage d'un joint à lèvres pour assurer l'étanchéité du manchon de réglage, - le manchon de réglage est entraîné par l'intermédiaire d'un arbre d'actionnement avec un élément d'arbre excen- trique et une bielle, - le manchon de réglage est déplacé par l'intermédiaire d'un levier entraîné par une broche, - pour éviter une fuite externe, l'étanchéité de la chambre d'actionnement est réalisée par des soufflets dont les forces, grâce au montage opposé, sont neutres vis à vis de l'actionnement lorsque la pression est appliquée. Deux exemples de réalisation de l'invention se- ront décrits ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un premier mode de réalisation d'une vanne de régulation en position ouverte, - la figure 2 montre un second mode de réalisation d'une vanne de régulation en position fermée. La figure 1 montre une vanne de régulation pour des fluides à basses températures notamment du carburant de fusée, liquéfié cryogénique. L'actionnement de la vanne est assuré par un moteur électrique, une transmission et un arbre à excentrique. La vanne de régulation 1 comprend un boîtier 2 avec une entrée coaxiale 3 et une sortie 4 ainsi qu'une cham- bre d'actionnement 5 située à l'intérieur. L'appui de la chambre d'actionnement 5 dans le boîtier 2 se fait par une structure d'appui 6 qui se compose d'une ou plusieurs nervu- res d'appui au niveau du canal d'écoulement 7 en forme d'anneau de cercle. Le canal d'écoulement 7 arrive derrière la structure d'appui 6, radialement sur le manchon de réglage 8 coulissant qui est monté à la fois dans le boîtier de sou- pape 2 et dans la chambre d'actionnement 5, de préférence de façon étanche par l'intermédiaire de bagues de glissement 9, et par des joints à lèvres 11, 12. Le manchon de réglage 8 possède plusieurs fentes d'écoulement 13 réparties à la péri- phérie dont la taille, la forme et la position définissent la caractéristique de régulation de la vanne. La libération des fentes d'écoulement 13 dans le canal d'écoulement 7 et ainsi l'ouverture et la fermeture de la vanne de régulation se font par déplacement du manchon de réglage 8 dans le boîtier de vanne 2. L'actionnement de la vanne de régulation se fait par l'intermédiaire d'un moteur à courant continu 14 à commu- tation de préférence électronique qui entraîne par l'intermédiaire d'une structure planétaire 15 bridée sur le boîtier 2, un arbre d'actionnement 16 monté dans le boitier 2. Le palier de l'arbre d'actionnement 16 est constitué de préférence par deux paliers à roulement 17, 18. L'arbre d'actionnement 16 possède à l'extrémité inférieure, un élé- ment d'arbre excentré 19 recevant à rotation la bielle 20 et avec un mouvement d'articulation 21 elle est reliée au man- chon de réglage 8. En tournant l'arbre d'actionnement 16 par l'intermédiaire de l'élément d'arbre excentré 19 et de la bielle 20, on déplace le manchon de réglage 8 dans la direc- tion axiale et par les fentes d'écoulement 13, on libère une section d'écoulement dépendant de la position. Du côté de la transmission, l'arbre d'actionnement 16 est rendu étanche de préférence par un joint à lèvres 22. La figure 2 montre une vanne de régulation pour les fluides à basses températures, notamment du carburant de fusée, liquéfié cryogénique. L'actionnement de la vanne est assuré par l'intermédiaire d'un moteur électrique, d'une transmission à broche et d'un levier articulé. La constitution de la vanne est la même que celle décrite ci-dessus pour la figure 1, à l'exception de l'actionnement. L'actionnement de la vanne de régulation se fait par un moteur à courant continu 14 de préférence à commuta- tion électronique qui entraîne une tige de translation 31 par l'intermédiaire d'une transmission planétaire 15 bridée sur le boîtier 2 et d'un actionnement à broche 30. La tige de translation 31 est fermée de manière étanche par deux souf- flets 32, 33 à effet opposé, par rapport à la chambre d'actionnement 5. Les soufflets 32, 33 évitent ainsi toute fuite externe et conduisent par rapport à la tige de transla- tion 31 à une compensation des efforts des soufflets agissant sous l'action de la pression. Le manchon de guidage 34 est guidé en coulissement dans la chambre d'actionnement de pré- férence par des bagues de glissement 35, 36 et il est relié à la tige de translation 31 par l'intermédiaire d'un levier coudé 38 monté tournant sur une articulation 37. Le levier coudé 38 est articulé d'un côté par la patte 39 et les arti- culations 40, 41 au boîtier 2 et d'autre part, par la patte 42 et les articulations 43, 44 au manchon de réglage 8. En coulissant la tige 31, le levier coudé 38 ar- ticulé sur le manchon de guidage 34 déplace le manchon de ré- glage 8 dans la direction axiale et libère une section d'écoulement dépendant de la position par l'intermédiaire des fentes d'écoulement 13. La particularité de la construction représentée aux figures 1 et 2 assure ainsi tant pour la position fermée que pour la position ouverte de la vanne, une compensation poussée des efforts hydrauliques et ainsi une réduction mini- mum des forces d'actionnement et ainsi de la puissance con- sommée grâce à la combinaison des caractéristiques suivantes: 1. En position de fermeture de la vanne, il n'y a pas d'influence sur la force d'actionnement par les forces hy- drauliques du fait de la sollicitation exclusivement ra- diale du manchon de réglage 8. 2. En position ouverte de la vanne, il n'y a pas d'action im- portante de la force par le manchon de réglage 8, par des forces hydrauliques du fait de l'équilibrage voulu de la pression entre le canal d'écoulement 7 et la chambre d'actionnement 5. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Vanne de régulation motorisée pour des applications à basses températures, notamment pour carburants de fusée li- quéfiés cryogéniques, avec un boîtier de vanne à entrée et sortie coaxiales, comprenant une chambre d'actionnement cen- trée dans le boîtier et un manchon de réglage coulissant de manière étanche centré dans le boîtier et la chambre d'actionnement, manchon de réglage qui règle la section d'ouverture en libérant des fentes d'écoulement, au moyen d'une transmission en aval d'un moteur électrique, caractérisée en ce que la chambre d'actionnement (5) communique avec l'écoulement de carburant de façon telle qu'un équilibrage de pression réa- lise un positionnement du manchon de réglage (8) sans aucune force. 2 ) Vanne de régulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le manchon de réglage (8) possède à sa périphérie plusieurs fentes d'écoulement (13) dont la taille, la forme et la posi- tion définissent la caractéristique de régulation de la vanne. 3 ) Vanne de régulation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le manchon de réglage (8) a une contre-dépouille dans le dia- mètre extérieur au niveau des fentes d'écoulement (13) pour permettre une libération sans dommage d'un joint à lèvres (11) pour assurer l'étanchéité du manchon de réglage (8). 4 ) Vanne de régulation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce que le manchon de réglage (8) est entraîné par l'intermédiaire d'un arbre d'actionnement (16) avec un élément d'arbre (19) excentrique et une bielle (20) ) Vanne de régulation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce que le manchon de réglage (8) est déplacé par l'intermédiaire 5 d'un levier (38) entraîné par une broche (30). 6 ) Vanne de régulation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisée en ce que10 pour éviter une fuite externe, l'étanchéité de la chambre d'actionnement (5) est réalisée par des soufflets (32, 33) dont les forces, grâce au montage opposé, sont neutres vis à vis de l'actionnement lorsque la pression est appliquée.