Brevet FR3109422A1 — publié le 20211022

Conduite d’alimentation de turbopompe cryogénique Conduite d’alimentation 20 de turbopompe cryogénique, comprenant un canal principal 21 apte à transporter un fluide cryogénique, une pluralité de canaux secondaires 22 parallèles à et disposés autour du canal principal 21 dans laquelle la pluralité de canaux secondaires sont disposés en périphérie d’un périmètre extérieur du canal principal. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Conduite d’alimentation de turbopompe cryogénique La présente invention concerne une conduite d’alimentation de turbopompe cryogénique. Dans le domaine des fusées à propulsion liquide, la propulsion est obtenue par la combustion d’ergols liquides. Les différents organes du moteur ont donc une température de fonctionnement proche de la température des ergols (20 K pour le LH2, 110 K pour le CH4, 900 K pour le LOx). La phase de mise en froid (en anglais, chilldown) consiste à amener les principaux organes du moteur de la température ambiante vers la température de fonctionnement nominal. Plus spécifiquement, dans un système cryogénique de propulsion, la mise en froid peut avoir l'objectif d'éviter l'apparition d'au moins les phénomènes suivants: - cavitation dans au moins une pompe d'alimentation en ergol cryogénique, entraînant une survitesse de la pompe et une chute de performance, - fragilisation des matériaux à cause des chocs thermiques, - perte d'étanchéité suite à des gradients thermiques non maîtrisés, - échauffement et divergence de paliers, et - déséquilibres statiques et/ou dynamiques de pièces rotatives, à cause de jeux dans les paliers. La mise en froid peut ainsi être finalisée lorsque des critères fonctionnels sont atteints, par exemple des critères relatifs au jeu entre composants mécaniques, à la température des parois, à la tenue mécanique de composants des turbopompes ou à l’homogénéité du fluide. Le fluide utilisé lors de la mise en froid est limité à cette utilisation. En particulier, lorsque l’ergol est utilisé pour la mise en froid, celui-ci ne peut pas être utilisé pour générer de la poussée, et la charge utile de la fusée est réduite. De plus, certains moteur sont réutilisables, ou présentent des évolutions rapides de température de fonctionnement, de sorte que la durée de la phase de transition thermique est une problématique critique pour l’amélioration des performances des moteurs et de la fusée. En particulier, au début de la phase de mise en froid, lorsque l’écart de température est maximal entre les parois à température ambiante et l’ergol, l’ergol se vaporise en formant un film de gaz isolant la paroi du cœur liquide (ébullition en film), et le transfert thermique se produit de manière non favorable. Dans certaines conduites d’alimentation, de nombreuses pièces supplémentaires ainsi que des revêtements (coating) sont utilisés pour réduire la durée du conditionnement thermique des pièces. Ces solutions complexifient la fabrication et l’assemblage des conduites soumises à une large plage de température, et le revêtement présente en outre un risque d’arrachement qui entraîne une pollution des circuits secondaires. Il existe donc un besoin pour une conduite d’alimentation de turbopompe cryogénique réduisant la durée de la mise en froid et réduisant la consommation d’ergol durant la mise en froid, et qui soit dépourvue, au moins en partie, des inconvénients des configurations connues précitées. Le présent exposé concerne une conduite d’alimentation de turbopompe cryogénique, comprenant : un canal principal apte à transporter un fluide cryogénique, une pluralité de canaux secondaires parallèles à et disposés autour du canal principal, dans laquelle la pluralité de canaux secondaires sont disposés en périphérie d’un périmètre extérieur du canal principal. Une telle conduite d’alimentation présente l’avantage de réduire le volume présent autour du canal principal, de sorte que la masse à amener à température lors de la mise en froid est d’autant plus réduite que les canaux sont nombreux et volumineux, tout en réduisant la conductance thermique entre le canal principal et une périphérie externe aux canaux secondaires. Cela permet d’utiliser une quantité réduite d’ergol pour mettre en température un volume réduit de matière limité à un proche voisinage du canal principal. De plus, les canaux secondaires permettent de concentrer l’ébullition en film en début de mise en froid aux dépens du canal principal, qui peut alors être refroidi par des échanges plus favorables. Dans certains modes de réalisation, vu d’une section transversale de la conduite, un contour passant par les centres de la pluralité de canaux secondaires peut présenter un rapport R entre la longueur du contour ne traversant pas un canal secondaire par la longueur totale L du contour inférieur à 40%, de préférence inférieur à 25%. Les échanges thermiques à travers et entre les canaux secondaires étant de plus faible amplitude que les échanges radiaux à travers les espaces entre les canaux secondaires ; le rapport est assimilable au rapport entre la surface d’échange en présence de canaux secondaires, et la surface d’échange si les canaux secondaires n’étaient pas présents, ce qui revient approximativement au rapport de la conductance thermique entre une périphérie radialement intérieure et une périphérie radialement extérieure aux canaux secondaire en présence de canaux secondaires par la même conductance thermique en l’absence de canaux secondaires. Dans certains modes de réalisation, les canaux secondaires peuvent être discontinus. Les canaux secondaires peuvent ainsi jouer le rôle de « bras morts », dans lesquels le fluide cryogénique peut pénétrer et s’établir. Dans certains modes de réalisation, la conduite peut présenter des orifices radiaux de connexion entre les canaux primaire et secondaires. Ces orifices permettent de faciliter l’alimentation des canaux secondaires en fluide à partir du canal primaire, tout limitant la circulation du fluide à travers les canaux secondaires, et de faciliter des opérations de nettoyage ou de maintenance sur la conduite, par exemple la purge de résidus de matière après fabrication ou la purge de l’ergol résiduel après utilisation. Dans certains modes de réalisation, la pluralité de canaux secondaires peut être débouchante sur l’une au moins d’une extrémité amont et d’une extrémité aval de la conduite. Cette structure permet d’alimenter la pluralité de canaux secondaires en fluide et de faciliter le nettoyage des canaux secondaires. Dans certains modes de réalisation, le canal principal et la pluralité de canaux secondaires peuvent être séparés par une bande d’épaisseur inférieure à 3 mm, de préférence inférieure à 2 mm. Un tel dimensionnement permet de préserver l’intégrité structurelle de la conduite tout en limitant la matière présente dans un voisinage direct de la conduite. Dans certains modes de réalisation, les canaux secondaires peuvent avoir une section transversale sensiblement circulaire. La forme circulaire est préférentielle pour minimiser le périmètre du canal principal, et donc la surface d’échange, pour une aire de section de canal principal donnée. Dans certains modes de réalisation, une section transversale du canal principal peut présenter une surface entre 50 mm 2 et 700 mm 2 , de préférence entre 75 mm 2 et 450 mm 2 , perpendiculairement à une direction d’écoulement. Dans certains modes de réalisation, un écart entre deux canaux secondaires successifs à proximité d’un élément du périmètre de la du canal principal ne présentant pas d’arête peut être inférieur à 3 mm, de préférence 2 mm. Un tel dimensionnement permet de préserver l’intégrité structurelle de la conduite tout en réduisant la conductance thermique. Dans certains modes de réalisation, le canal principal peut avoir une section transversale sensiblement circulaire. Dans un deuxième mode de réalisation, le canal principal peut avoir une section transversale en forme de goutte d’eau, présentant une base ayant sensiblement une forme d’arc de cercle présentant deux extrémités desquelles s’étendent deux segments se rejoignant. La forme en goutte permet de faciliter la fabrication par méthode additives en réduisant les angles de matière en aplomb (overhang) et limitant ainsi le risque d’effondrement lors de la fabrication. Dans certains modes de réalisation, un matériau isolant peut être prévu dans les canaux secondaires. Le matériau isolant permet de limiter les risques de pollution à travers la conduite, par exemple en prévenant le passage de particules détachables à travers les canaux secondaires. Dans certains modes de réalisation, le matériau isolant est une résine époxy spéciale pour applications cryogéniques. Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication de la conduite d’alimentation, le procédé présentant au moins une étape de fabrication par une méthode de fabrication additive. Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé. Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. En outre, des éléments (ou parties d'élément) appartenant à un exemple de réalisation différent mais ayant une fonction analogue sont repérés sur les figures par des références numériques incrémentées de 100. La figure 1 est une vue schématique d’un lanceur spatial, la figure 2 est une vue en perspective isométrique d’une conduite du lanceur spatial de la figure 1, la figure 3 est une vue selon une coupe transversale de la conduite de la figure 2, la figure 4A est un premier exemple d’une vue d’une coupe axiale de la conduite, la figure 4B est un deuxième exemple d’une vue d’une coupe axiale de la conduite, la figure 5A est une vue d’une coupe de la conduite selon l’axe B-B de la figure 3, lors de la mise en froid, la figure 5B correspond à la figure 5A à un instant postérieur de la mise en froid, la figure 5C correspond aux figures 5A et 5B à un instant encore postérieur de la mise en froid, la figure 5D correspond à une fin de mise en froid dans le cas de la conduite du premier exemple, la figure 6 est une vue en perspective isométrique d’une conduite selon un deuxième mode de réalisation, la figure 7 est une vue schématique selon une coupe transversale de la conduite de la figure 6. Dans le présent exposé, les termes « axial », « radial », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à l’axe principal de la conduite ; on entend par « plan axial » un plan passant par l’axe principal de la conduite et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la direction circulation de fluide dans la conduite. La figure 1 représente schématiquement une fusée 1 comprenant au moins un réservoir 10, au moins une turbopompe 30 et au moins un moteur-fusée 40 communiquant au moyen de conduites 20. Le réservoir 10 contient un ergol amené au moteur-fusée 40 au moyen de la turbopompe 30 et des conduites 20. La température de fonctionnement des turbopompes 30 est proche de la température des ergols, et est par exemple d’environ 20 K (Kelvin) pour le dihydrogène liquide (LH2), 110 K pour le méthane (CH4) et 90 K pour l’oxygène. Une représentation schématique selon une vue en perspective de la conduite 20 est présentée sur la figure 2. La conduite 20 peut être réalisée en alliage adapté aux utilisations cryogéniques, par exemple en Inconel 718. Le matériau de la conduite 20 est ci-après désigné par « le matériau de la conduite » ou « le matériau interstitiel ». La conduite 20 présente un axe principal A-A s’étendant dans la direction principale de la conduite 20. La conduite 20 comprend un canal principal 21, dans lequel l’ergol peut circuler. Une pluralité de canaux secondaires 22 sont disposés autour du canal principal 21, parallèlement au canal principal 21. Par exemple, les canaux secondaires peuvent être au nombre de 10 à 30. Il est avantageux qu’une section transversale de la conduite 20 soit identique le long de l’axe principal A-A, par exemple pour limiter les pertes de charge et/ou la conduction thermique vers l’extérieur de la conduite 20. Toutefois, la présente invention n’est pas limitée à ce mode de réalisation, et les formes et dimensions peuvent varier, par exemple en présence d’un coude. La figure 3 présente un exemple de section transversale de la conduite 20 selon un plan radial. Le canal principal 21 et la pluralité de canaux secondaires 22 ont des sections transversales de formes sensiblement circulaires. Les canaux secondaires 22 sont disposés en périphérie du canal principal 21. En particulier, dans une vue en coupe transversale, les centres des canaux secondaires sont disposés sur un cercle concentrique au contour extérieur circulaire du canal principal 21, le cercle représenté en trait discontinu. Le canal principal 21 a un diamètre D, et les canaux secondaires ont un diamètre d, inférieur au diamètre D. La disposition des canaux secondaires 22 autour d’un périmètre extérieur du canal principal 21 est telle que les canaux secondaires 22 n’intersectent pas le canal principal 21. Ainsi, peut être définie une distance entre un point d’une périphérie d’un canal secondaire 22 et un point d’une périphérie du canal principal 2. En particulier, cette distance atteint un minimum entre le point d’un canal secondaire 22 le plus proche du centre du canal principal 21 et le point du canal secondaire 22 en regard direct, situé sur une même plan radial, correspondant à la distance a représentée sur la figure 3. Autrement dit, dans le cas présent de canaux 21, 22 circulaires et vus dans une section transversale, une couronne est définie entre le contour extérieur du canal principal 21 et le plus petit cercle concentrique et tangent aux canaux secondaires 22, cette couronne présentant une épaisseur a. Le cercle passant par les centres des canaux secondaires a donc un périmètre L tel que : [Math. 1] L = 2π(D/2+a+d/2) Les canaux secondaires 22 sont disjoints, et le cercle passant par les centres des canaux secondaires 22 traverse successivement les canaux secondaires 22 et le matériau interstitiel de la conduite 20. Un rapport R est défini, correspondant au ratio du périmètre de ce cercle qui traverse le matériau interstitiel de la conduite 20. Autrement dit, le rapport R est le rapport de la somme totale des distances b entre les contours des canaux secondaires 22 en parcourant le cercle, divisé par le périmètre L du cercle. Cet écart b entre deux canaux secondaires 22 successifs est inférieur à 3 mm, de préférence inférieur à 2 mm. Dans le cas où le nombre de canaux secondaires est supérieur à 10, la distance b entre deux canaux secondaires 22 en parcourant le cercle est assimilable à la distance entre les périmètres des canaux secondaires 22. Les dimensions de la conduite sont telles que le rapport R est inférieur à 40%, de préférence inférieur à 25%. La conductance thermique à travers le matériau interstitiel de la conduite 20 étant environ deux ordres de grandeur plus importante que la conductance à travers les canaux secondaires comprenant un mélange gazeux, cette diminution du rapport R permet de réduire la conductance thermique entre le canal principal 21 et l’extérieur de la conduite 20. En particulier, du fait des ordres de grandeurs de conductance, la conductance thermique entre le canal principal 21 et l’extérieur de la conduite 20 est assimilable à la conductance thermique à travers le matériau interstitiel de la conduite 20. Dès lors, la conductance thermique est proportionnelle au rapport R, de sorte qu’un rapport R de 25% divise par 4 la résistance thermique de la conduite 20, ce qui permet de réduire la masse à mettre en froid, diminuant ainsi la durée de mise en froid ainsi que la quantité d’ergol consommée pour la mise en froid. La section transversale du canal principal 21 présente une surface entre 50 mm 2 et 700 mm 2 , de préférence entre 75 mm 2 et 450 mm 2 . En particulier, dans le cas d’une section circulaire, cela correspond à un diamètre du canal principal 21 environ compris entre 8 mm et 30 mm, de préférence entre 10 mm et 24 mm. L’épaisseur a de la couronne est inférieure à 3 mm, de préférence inférieure à 2 mm. Trois exemples de mise en œuvre des canaux secondaires seront décrits relativement aux figures 4A et 4B, représentant des coupes selon un plan axial dont une intersection avec le plan radial de la figure 3 est représentée par l’axe B-B. La figure 4A est une représentation schématique de la conduite 20, dans laquelle les canaux secondaires 22 sont discontinus, et présentent un espace interstitiel 23 entre deux canaux successifs situés sur un même axe. Cet espace interstitiel 23 empêche la communication entre deux canaux secondaires 22 d’un même axe. Comme représenté sur la figure 4A, les canaux secondaires 22 peuvent également être débouchants sur l’une au moins d’une extrémité amont et d’une extrémité aval de la conduite 20, permettant ainsi l’entrée de l’ergol dans une partie des canaux secondaires 22. La figure 4B est une représentation schématique de la conduite 20, dans laquelle une pluralité d’orifices radiaux 24 sont prévus entre le canal principal 21 et les conduits secondaires 22 afin de permettre la circulation du fluide entre les canaux principal 21 et secondaires 22. Ces trois exemples de mise en œuvre sont compatibles, et peuvent être mis en place indépendamment les uns des autres. En particulier, si l’un au moins des trois exemples de mise en œuvre est utilisé, l’ergol peut emplir les canaux secondaires 22. Un tel exemple de section axiale de conduite 20 est décrit relativement aux figures 5A, 5B et 5C présentant dans cet ordre trois phases successives de mise en froid, ainsi que la figure 5D présentant une fin de mise en froid dans le cas d’une conduite présentant des canaux secondaires 22 avec des espaces interstitiels 23. L’ergol liquide est représenté par un motif de remplissage avec des tirets, tandis que le matériau interstitiel de la conduite 20 est représenté par un motif de traits continus diagonaux. Une phase gazeuse est représentée par une surface unie. Une flèche représente le sens de circulation de l’ergol vers la partie aval. La figure 5A représente une première phase de mise en froid, dans laquelle le liquide vient de pénétrer les canaux principal 21 et secondaires 22. Le gradient de température est élevé, les surfaces des canaux étant encore chaudes comparativement à la température cryogénique de l’ergol. Une couche de vapeur non favorable aux échanges thermiques se forme alors entre les canaux et l’ergol, tandis qu’une partie aval de l’ergol se fragmente en gouttes. Par la suite, comme représenté dans les figures 5B et 5C, la présence de l’ergol dans les canaux secondaires 22 permet d’accélérer la mise en température de la couronne située entre le canal principal 21 et les canaux secondaires 22, ce qui diminue l’écart de température entre les canaux et le fluide, et permet ainsi la propagation du front liquide sur toute la longueur de la conduite 20. En particulier, dans l’exemple de la figure 5D, les canaux secondaires 22 peuvent être emplis d’ergol tandis que les espaces interstitiels 23 empêchent la circulation de l’ergol sur toute la longueur des canaux secondaires 22, qui jouent alors le rôle de « bras morts » dans lesquels l’ergol va stagner et progressivement se vaporiser.. Cela permet de faciliter le refroidissement autour des canaux secondaires 22, mais aussi d’assurer l’isolation thermique du canal principal 21 lorsque l’ergol contenu dans les canaux secondaires 22 est vaporisé. L’ergol peut alors circuler dans le canal principal 21 en restant majoritairement en phase liquide, ce qui correspond à la fin de la mise en froid. Les canaux secondaires 22 peuvent également être remplis d’un matériau isolant, par exemple une résine époxy spéciale pour applications cryogéniques. Un deuxième mode de réalisation de conduite est présenté relativement aux figures 6 et 7. La figure 6 est une vue en perspective d’une conduite 120 dans laquelle le canal principal 121 a une section transversale en forme de goutte d’eau, c’est-à-dire présentant une basse ayant une forme sensiblement d’arc de cercle aux extrémités desquelles sont disposés deux segments se rejoignant. Des canaux secondaires 122 de forme circulaire sont disposés de sorte que leurs centres sont situés sur un contour ayant une forme semblable à la forme du canal principal 121. Le rapport R est alors défini le long du contour passant par les centres des canaux secondaires 122, tandis qu’une section transversale de la conduite 120 présente un bandeau d’épaisseur a entre les canaux principal 121 et secondaires 122. La conduite 20, 120 peut être mise en œuvre par des méthodes de fabrication additive. En particulier, la forme de goutte permet de faciliter la mise en œuvre par des méthodes de fusions sur lit de poudre, tandis que les communications entre les canaux 121, 122 ainsi que les canaux secondaires 122 débouchants permettent de faciliter l’évacuation des poudres résiduelles. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. Conduite d’alimentation (20, 120) de turbopompe cryogénique, comprenant : un canal principal (21, 121) apte à transporter un fluide cryogénique, une pluralité de canaux secondaires (22, 122) parallèles à et disposés autour du canal principal (21, 121), dans laquelle la pluralité de canaux secondaires sont disposés en périphérie d’un périmètre extérieur du canal principal. Conduite d’alimentation suivant la revendication 1, dans laquelle, en section transversale, un contour passant par les centres de la pluralité de canaux secondaires (22, 122) présente un rapport (R) entre la longueur du contour ne traversant pas un canal secondaire par la longueur totale (L) du contour inférieur à 40%, de préférence inférieur à 25%. Conduite d’alimentation suivant la revendication 1 ou 2, dans lequel les canaux secondaires (22, 122) sont discontinus. Conduite d’alimentation suivant l’une quelconque des revendications 1 à 3 présentant des orifices radiaux (24) de connexion entre les canaux primaire (21, 121) et secondaires (22, 122). Conduite d’alimentation suivant l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans laquelle la pluralité de canaux secondaires (22, 122) est débouchante sur l’une au moins d’une extrémité amont et d’une extrémité aval de la conduite (20, 120). Conduite d’alimentation suivant l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans laquelle le canal principal (21, 121) et la pluralité de canaux secondaires (22, 122) sont séparés par une bande d’épaisseur (a) inférieure à 3 mm, de préférence inférieure à 2 mm. Conduite d’alimentation suivant l’un quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle les canaux secondaires (22, 122) ont une section transversale sensiblement circulaire. Conduite d’alimentation suivant l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle une section transversale du canal principal (21, 121) présente une surface entre 50 mm 2 et 700 mm 2 , de préférence entre 75 mm 2 et 450 mm 2 , perpendiculairement à une direction d’écoulement. Conduite d’alimentation suivant l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle un écart (b) entre deux canaux secondaires (22, 122) successifs à proximité d’un élément d’un contour du canal principal (21, 121) ne présentant pas d’arête est inférieur à 3 mm, de préférence 2 mm. Conduite d’alimentation suivant l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle le canal principal (21) a une section transversale sensiblement circulaire. Conduite d’alimentation suivant l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle le canal principal (121) a une section transversale en forme de goutte d’eau, présentant une base ayant sensiblement une forme d’arc de cercle présentant deux extrémités desquelles s’étendent deux segments se rejoignant. Conduite d’alimentation suivant l’une quelconque des revendications 1 à 11 dans laquelle un matériau isolant est prévu dans les canaux secondaires (22, 122). Conduite d’alimentation suivant la revendication 12 dans laquelle le matériau isolant est une résine époxy spéciale pour applications cryogéniques. Procédé de fabrication de la conduite d’alimentation suivant l’une quelconque des revendications 1 à 13, présentant au moins une étape de fabrication par une méthode de fabrication additive.