Brevet FR3029986A1 — publié le 20160617

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des systèmes correcteurs adaptatifs pour conduits cryogéniques, trouvant notamment une application particulière dans le domaine des engins spatiaux. ETAT DE L'ART Les systèmes d'alimentation en fluide cryogéniques comprennent avantageusement des moyens visant à atténuer les fluctuations de pression dans les lignes d'alimentation, communément appelé effet POGO. Ces fluctuations sont généralement issues de couplages entre des modes mécaniques de l'étage et des modes fluides. De tels systèmes comprennent usuellement un réservoir aménagé autour d'un conduit d'alimentation en fluide cryogénique, dans lequel est formée une bulle de gaz, de sorte que le réservoir comprend un volume de gaz et un volume de fluide cryogénique. La bulle de gaz permet de réaliser une modification des modes d'ensemble de la ligne d'alimentation dans le débit de fluide cryogénique, avec l'objectif d'éviter tout couplage possible avec les modes mécaniques de structure de l'étage, et d'absorber les fluctuations de pressions dans la ligne principale. Dans le cas de système correcteur POGO adaptif à multiples volume de bulle, comme présenté par exemple dans la demande de brevet FR 2975440 au nom de la demanderesse, ces systèmes nécessitent l'utilisation de nombreuses électrovannes cryogéniques afin de réguler les débits de fluide cryogénique et de gaz dans le réservoir pour modifier ainsi les fréquences propres du système. Or, de tels composants sont non seulement coûteux, mais également très pénalisants en terme de masse pour des applications spatiales. 3029986 2 PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention vise ainsi à remédier au moins partiellement à ces problématiques, et propose un système d'amortissement de 5 l'écoulement d'un fluide cryogénique dans une conduite, comprenant un réservoir disposée autour d'une portion de ladite conduite, reliée à la conduite de manière à définir une admission de fluide cryogénique dans le réservoir, le système comprenant : 10 - une source d'alimentation en gaz débouchant dans le réservoir, de manière à établir un volume de gaz dans le réservoir, le volume restant du réservoir étant rempli de fluide cryogénique prélevé de la conduite, - une première ligne de repiquage définissant un premier volume 1 5 de gaz dans le réservoir, au-delà duquel le gaz excédentaire est évacué dans la conduite via la première ligne de repiquage, - une seconde ligne de repiquage définissant un second volume de gaz dans le réservoir, strictement supérieur au premier volume de gaz, au-delà duquel le gaz excédentaire est évacué dans la 20 conduite via la seconde ligne de repiquage, caractérisé en ce que la première ligne de repiquage comprend une restriction présentant une section calibrante S1 définissant un premier débit de fuite du réservoir vers la conduite, 25 la seconde ligne de repiquage comprend une restriction présentant une section calibrante S2 définissant un second débit de fuite du réservoir vers la conduite lesdites sections calibrantes S1 et S2 étant telles que S1 1 x pgaz S2 > 2 x peryo où 30 pgaz est la masse volumique du gaz injecté dans le réservoir, et 3029986 3 puy, est la masse volumique du fluide cryogénique circulant dans la conduite, 1 est le coefficient de pertes de charges de la première ligne de repiquage 5, et 5 2 est le coefficient de pertes de charges de la seconde ligne de repiquage 6. Le coefficient de perte de charge i (i=1 ou 2) est la constante permettant de relier la perte de charge d'un tube de repiquage (AM) et 10 son débit volumique (Qvi) via la relation connue suivante : APi= E-'?(Qvi)2 P Où p est la masse volumique du gaz (pgaz) ou du liquide (Dcryo) dans le tube de repiquage considéré, selon que le tube de repiquage considéré 15 rejette du gaz ou du liquide. Les différentiels de pression API. et APZ sont sensiblement égaux, soit = AP2 = Al) 20 Les sections calibrantes S1 et S2 sont par exemples telles que 0,032 S2. La source d'alimentation en gaz comprend par exemple un système d'alimentation en gaz adapté pour définir : 25 - un premier débit d'alimentation en gaz, inférieur ou égal à la capacité de rejet maximale gaz de la première ligne de repiquage, - un second débit d'alimentation en gaz, strictement supérieur à la capacité de rejet maximale gaz de la première ligne de repiquage, et inférieur ou égal à la capacité cumulée maximale de rejet gaz des 30 première et seconde lignes de repiquage. 3029986 4 Le débit d'alimentation en gaz est alors typiquement piloté au moyen d'électrovannes situées en amont d'un clapet anti-retour par rapport au réservoir. 5 Les lignes de repiquage débouchent par exemple dans la conduite au moyen de tubes de rejet, définissant chacun une zone de sillage dans l'écoulement de fluide cryogénique, lesdits tubes de rejet comprenant chacun des orifices dans leurs zones de sillage respectives. 10 Les lignes de repiquage ont par exemple des coefficients de pertes de charges identiques. PRESENTATION DES FIGURES 15 D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 présente un système selon un aspect de l'invention dans une configuration intermédiaire, 20 - La figure 2 présente un système selon un aspect de l'invention dans une première configuration stable, - La figure 3 présente un système selon un aspect de l'invention dans une seconde configuration stable. 25 Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE 30 Les figures 1 et 2 présentent un exemple de système selon un aspect de l'invention, selon deux configurations de fonctionnement distinctes. 3029986 5 On représente schématiquement sur ces figures une conduite de fluide cryogénique 1, dans laquelle s'écoule un fluide cryogénique, selon une direction indiquée par une flèche F. 5 Le fluide cryogénique est typiquement de d'Oxygène liquide, ou de l'Hydrogène liquide, ou tout autre fluide cryogénique. Un réservoir 2 est aménagé autour d'une portion de la conduite 1, par exemple autour d'une portion linéaire de la conduite 1, de manière à se trouver dans une section ayant un écoulement sensiblement régulier. 10 Le réservoir 2 est typiquement un réservoir entourant tout ou partie d'une portion de la conduite 1, et est reliée à la conduite par des orifices d'admission 21 de manière à permettre une circulation de fluide cryogénique entre la conduite 1 et le réservoir 2. 15 Comme représenté sur les figures, les orifices d'admission 21 sont typiquement aménagés à proximité du fond du réservoir 2. Le réservoir 2 est également relié à une source d'alimentation en gaz 3, 20 typiquement de l'Hélium. Dans le mode de réalisation représenté, le réservoir 2 est relié à la source d'alimentation en gaz 3 via un clapet anti-retour 31 et une restriction 32, définissant un débit maximum de gaz pouvant être injecté dans le réservoir 2. 25 L'alimentation en gaz est typiquement réalisée via la partie supérieure du réservoir 2, par opposition aux orifices d'admission 21 qui sont représentés à proximité du fond du réservoir 2. 30 Le réservoir 2 comprend de manière optionnelle un conduit de purge 4 muni d'une électrovanne 41 pilotée par une commande 42 à laquelle s'oppose un ressort de rappel 43, adaptée pour sélectivement obturer 3029986 6 ou ouvrir ledit conduit de purge 4, afin de purger le gaz présent dans le réservoir 2. Tout comme l'alimentation en gaz, le conduit de purge optionnel 4 est 5 disposé en partie supérieure du réservoir 2, par opposition aux orifices d'admission 21 qui sont représentés à proximité du fond du réservoir 2. Comme représenté sur les figures, le gaz injecté dans le réservoir 2 forme une bulle dans la partie supérieure du réservoir 2, du fait de sa 10 densité inférieure à celle du fluide cryogénique. Le haut est défini soit par la gravité, soit par le sens d'accélération du système comprenant le réservoir 2, notamment dans le cas d'un engin spatial. Le fluide cryogénique a en effet une densité fortement supérieure à celle 15 du gaz, typiquement de l'ordre de 1000 fois supérieure entre de l'oxygène liquide et de l'hélium à une pression de environ 3 bar. Le système comprend de plus deux lignes de repiquage, adaptées pour prélever du fluide cryogénique ou du gaz dans le réservoir 2, et le 20 réinjecter dans la conduite 1. On définit ainsi une première ligne de repiquage 5 et une seconde ligne de repiquage 6, reliant chacune le réservoir 2 à la conduite 1. 25 La première ligne de repiquage 5 comprend une restriction 5, définissant ainsi une première section calibrante S1 de passage pour le fluide cryogénique ou le gaz par la première ligne de repiquage 5. La première ligne de repiquage 5 débouche ensuite dans la conduite 1 par un premier tube de rejet 52, s'étendant dans l'écoulement du fluide 30 cryogénique dans la conduite 1. Le premier tube de rejet 52 définit ainsi une zone de sillage, ayant une pression réduite par rapport à la pression au sein de la conduite 1. Des orifices de rejet 53 sont aménagés dans le premier tube de rejet 52, dans ladite zone de sillage. 3029986 7 La zone de sillage du premier tube de rejet 52 entraine alors une aspiration par la première ligne de repiquage 5, qui aspire alors du gaz ou du fluide cryogénique dans le réservoir 2, et le réinjecte dans la conduite 1. 5 De la même manière, la seconde ligne de repiquage 6 comprend une restriction 61, définissant ainsi une seconde section calibrante S2 de passage pour le fluide cryogénique ou le gaz par la seconde ligne de repiquage 6. 10 La seconde ligne de repiquage 6 débouche ensuite dans la conduite 1 par un second tube de rejet 62, s'étendant dans l'écoulement du fluide cryogénique dans la conduite 1. Le second tube de rejet 62 définit ainsi une zone de sillage, ayant une pression réduite par rapport à la pression au sein de la conduite 1. Des orifices de rejet 63 sont aménagés dans le 15 second tube de rejet 62, dans ladite zone de sillage. La zone de sillage du second tube de rejet 62 entraine alors une aspiration par la seconde ligne de repiquage 6, qui aspire alors du gaz ou du fluide cryogénique dans le réservoir 2, et le réinjecte dans la conduite 1. 20 Comme représenté sur les figures, les première et seconde lignes de repiquage 5 et 6 ont des orifices d'admission situés à des niveaux distincts au sein du réservoir 2. Dans le mode de réalisation représenté, la seconde ligne de repiquage 6 25 a un orifice d'admission 60 positionné plus proche du fond du réservoir 2 que l'orifice d'admission 50 de la première ligne de repiquage 5. L'orifice d'admission 50 de la première ligne de repiquage 5 est donc plus proche de la partie supérieure du réservoir 2 que l'orifice d'admission 60 de la seconde ligne de repiquage 6. 30 Du fait de l'aspiration au sein des lignes de repiquage 5 et 6, du gaz et/ou du fluide cryogénique est aspiré par les lignes de repiquage 5 et 6 3029986 8 et réinjecté dans la conduite 1, ce qui permet notamment de réguler le volume de gaz au sein du réservoir 2. En effet, comme on le voit sur les figures, les lignes de repiquage 5 et 6 5 définissent des valeurs seuils. La première ligne de repiquage 5 définit un volume minimal de gaz dans le réservoir 2, en dessous duquel le gaz n'est plus aspiré par lesdites lignes de repiquage 5 et 6. La seconde ligne de repiquage 6 définit un volume minimal de fluide 10 cryogénique dans le réservoir 2, en dessous duquel le fluide cryogénique n'est plus aspiré par lesdites lignes de repiquage 5 et 6. Ces deux configurations définissent ainsi deux volumes de gaz dans le réservoir 2, définissant ainsi deux modes de fonctionnement distincts. 15 On décrit ci-après le système dans la configuration représentée sur la figure 1. Comme on le voit sur cette figure, le système est dans une configuration intermédiaire. L'orifice d'admission 50 de la première ligne de repiquage 20 5 se situe dans le volume de gaz au sein du réservoir 2, tandis que l'orifice d'admission 60 de la seconde ligne de repiquage 6 se situe dans le volume de fluide cryogénique au sein du réservoir 2. La première ligne de repiquage 5 prélève ainsi du gaz dans le réservoir 2 25 et le réinjecte dans la conduite 1, tandis que la seconde ligne de repiquage 6 prélève du fluide cryogénique dans le réservoir 2 et le réinjecte dans la conduite 1. On comprend bien que le niveau de gaz dans le réservoir 2 dépend du 30 débit de fluide cryogénique et de gaz réinjecté dans la conduite 1, et du débit d'alimentation en gaz. 3029986 9 En fonctionnement, on cherche à définir des régimes stables, correspondant à des niveaux de gaz prédéfinis dans le réservoir 2, afin d'amortir de façon prédéfinies différentes fréquences propres du système. 5 On définit ainsi autant de régimes stables qu'il y a de lignes de repiquage, soit deux régimes stables dans l'exemple illustré. L'état du système tel que représenté sur la figure 1 est donc un état 10 transitoire entre deux régimes stables. L'alimentation en gaz peut être par exemple pilotée par différents couples d'électrovannes et/ou de restrictions 32 montés en parallèle. 15 Le débit de fluide cryogénique ou de gaz prélevé dans le réservoir 2 par les lignes de repiquage 5 et 6 est déterminé par la section des lignes de repiquage 5 et 6, qui est déterminée par les restrictions 51 et 61, et par la dépression au niveau des tubes de rejet 61 et 62. 20 Le débit volumique via une ligne de repiquage est déterminé selon la relation suivante : (Qv)2 = 2xS2> Qvcryo2 Où Qvgazl est le débit volumique de gaz évacué du réservoir 2 par la première ligne de repiquage 5, et Qvcryo2 est le débit volumique de fluide cryogénique évacué du 30 réservoir 2 par la seconde ligne de repiquage 6. 3029986 On a donc 11 Qvgazl Qvcryo2> 1 2xS12xLP Qvgazl = x pgaz Or, Où pgazest la densité du gaz, 5 .8.1p est le différentiel de pression entre la zone de sillage du premier tube de rejet 52, comprenant les orifices de rejet 53 et la pression dans le réservoir 2; est le coefficient de perte de charge de la première ligne de repiquage. 2 x S22 x AP Qvcryo2 peryo 10 Où Pcryo est la masse volumique du fluide cryogénique, .8,P est le différentiel de pression entre la zone de sillage du second tube de rejet 62, comprenant les orifices de rejet 63 et la pression dans le réservoir 2; 1 5 2 est le coefficient de perte de charge de la seconde ligne de repiquage. Les pertes de charge AP des deux repiquages sont sensiblement égales, du fait d'un côté d'un piquage dans un même réservoir, et de l'autre de rejets dans des zones proches générant des conditions de sillages elles 20 aussi sensiblement égales. Après calcul, on obtient ainsi la relation suivante : Qvgazl_ Qvcryo2 S2 >1 1x pgaz 2 x peryo 3029986 Soit 12 Si ,\1" x pgaz S2> 2 x peryo Et donc S1> O. x pgaz 2 x S2 x peryo Les premier et second tubes de rejet 52 et 62 sont avantageusement 5 configurés de manière à ce que les différentiels de pression engendrés soient sensiblement égaux. De même, les constantes 1 et 2 des deux lignes de repiquage 5 et 6 sont avantageusement égales, dès lors que les lignes de repiquage 5 et 6 ont des géométries similaires. 10 Dans ce cas de figure, après calcul, on obtient ainsi la relation suivante : Qvgaz1 S1 peryo Soit Et donc Qvcryo2 S2 pgaz > 1 S1 jpgaz > S2 peryo S1> x S2 Or, le rapport entre la densité du gaz, typiquement de l'Hélium, et la 15 densité du fluide cryogénique, typiquement de l'oxygène liquide, est très important, typiquement de l'ordre de 1000 pour une pression prise en exemple de l'ordre de 3 bar. En considérant un tel rapport, on a donc par exemple la relation 20 suivante : S1 > 0,032 x S2 3029986 13 Cette relation permet d'avoir deux positions possibles de bulles stables, en faisant varier le débit d'alimentation, typiquement en Hélium. 5 A titre d'exemple purement illustratif, en considérant un rapport 1000 entre la densité du gaz utilisé et celle du fluide cryogénique utilisé, on peut par exemple configurer les restrictions 51 et 61 telles que S1=1mm2, et S2=2mm2. 1 0 La relation S1 > 0,032 x S2 est alors bien vérifiée ; 0,032 x S2 = 0,064 REVENDICATIONS1. Système d'amortissement de l'écoulement d'un fluide cryogénique dans une conduite (1), comprenant un réservoir (2) disposée autour d'une portion de ladite conduite (1), reliée à la conduite (1) de manière à définir une admission de fluide cryogénique dans le réservoir (2), le système comprenant : - une source d'alimentation (3) en gaz débouchant dans le réservoir (2), de manière à établir un volume de gaz dans le réservoir (2), le volume restant du réservoir (2) étant rempli de fluide cryogénique prélevé de la conduite (1), - une première ligne de repiquage (5) définissant un premier volume de gaz dans le réservoir (2), au-delà duquel le gaz excédentaire est évacué dans la conduite (1) via la première ligne de repiquage (5), - une seconde ligne de repiquage (6) définissant un second volume de gaz dans le réservoir (2), strictement supérieur au premier volume de gaz, au-delà duquel le gaz excédentaire est évacué dans la conduite (1) via la seconde ligne de repiquage (6), caractérisé en ce que la première ligne de repiquage (5) comprend une restriction (51) présentant une section calibrante S1 définissant un premier débit de fuite du réservoir (2) vers la conduite (1), la seconde ligne de repiquage (6) comprend une restriction (61) présentant une section calibrante S2 définissant un second débit de fuite du réservoir (2) vers la conduite (1), lesdites sections calibrantes S1 et S2 étant telles que .'11 x pgaz S2 > 2 x peryo Où Pgaz est la masse volumique du gaz dans le réservoir (2), et peryo est la masse volumique du fluide cryogénique circulant dans la conduite (1), 3029986 17 est le coefficient de pertes de charges de la première ligne de repiquage 5, et 2 est le coefficient de pertes de charges de la seconde ligne de repiquage 6. 5 2. Système selon la revendication 1, dans lequel les sections calibrantes S1 et S2 sont telles que S1 13,032 S2. 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la source 10 d'alimentation en gaz (3) comprend un système d'alimentation en gaz adapté pour définir : - un premier débit d'alimentation en gaz, inférieur ou égal à la capacité de rejet maximale gaz de la première ligne de repiquage (5), - un second débit d'alimentation en gaz, strictement supérieur à la 15 capacité de rejet maximale gaz de la première ligne de repiquage (5), et inférieur ou égal à la capacité cumulée maximale de rejet gaz des lignes de repiquage (5 et 6). 4. Système selon la revendication 3, dans lequel le débit d'alimentation 20 en gaz est piloté au moyen d'électrovannes situées en amont d'un clapet anti-retour (31) par rapport au réservoir (2). 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel lesdites lignes de repiquage (5, 6) débouchent dans la conduite (1) au moyen de 25 tubes de rejet (52, 62), définissant chacun une zone de sillage dans l'écoulement de fluide cryogénique, lesdits tubes de rejet comprenant chacun des orifices (53, 63) dans leurs zones de sillage respectives. 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel lesdites 30 lignes de repiquage (5, 6) ont des coefficients de pertes de charges identiques.