Cellule d'essai à haute pression pour essais de combustion d'éprouvettes combustibles
La présente invention a pour objet une cellule d'essai à haute pression pour essais de combustion d'éprouvettes combustibles qui est caractérisée par le fait qu'elle comporte un récipient de pression présentant un évidement vertical débouchant sur le haut de ce récipient, une zone de combustion située entre le fond et la partie supérieure ouverte de ce récipient, au moins une fenêtre d'observation disposée en regard de ladite zone de combustion, un corps amovible obturant de façon étanche l'extrémité supérieure de l'évidement et présentant au moins un support allongé s'étendant vers le bas à partir de ce corps amovible au moins jusqu'au travers de ladite zone de combustion,
un dispositif de maintien fixé sur ce support allongé et comportant des organes supportant une éprouvette dans le champ d'observation de ladite fenêtre.
Un mode de réalisation de l'objet de l'invention sera décrit à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, sur lequel:
la fig. 1 représente en élévation frontale une cellule d'essai;
la fig. 2 est une coupe verticale suivant la ligne 2-2. de la fig. 1 ;
la fig. 3 est une coupe horizontale suivant-la ligne 3-3 de la fig. 2
la fig. 4 représente en élévation latérale l'assemblage de tête portant le support de l'éprouvette d'essai
la fig. 5 est une coupe, suivant la ligne 5-5 de la fig. fig. 4, de la partie terminale d'une tige de support de l'assemblage de tête
la fig. 6 est une vue inférieure en plan de l'assemblage de tête.
Sur le dessin, une cellule d'essai 10 comprend un corps vertical de forme allongée 11, dont la configuration générale est cylindrique et qui est fixé, au moyen de vis, sur une large embase 12. Ce corps 11 comprend deux parties allongées et cylindriques 13, 14, respectivement supérieure et inférieure, et une partie médiane cylindrique 15 à plus grand diamètre, comportant des méplats 16 diamétralement opposés.
Le corps 11 comporte un alésage axial ou chambre 17, qui est fermé à son extrémité inférieure, en 18, et qui est ouvert à son extrémité supérieure en 19; cette extrémité supérieure ouverte 19 de l'alésage 17 comporte un taraudage 20. La partie médiane et élargie 15 comporte des ouvertures 21, dont les axes sont alignés et s'étendent le long d'un diamètre horizontal de l'alésage 17 ; ces ouvertures 21 comportent des taraudages 22, qui sont utilisés pour monter d'une manière amovible les fenêtres 23, à travers lesquelles on peut regarder ou photographier la zone de combustion 24 de l'alésage.
Les deux fenêtres 23, représentées sur le dessin, sont d'une construction identique; il suffit par conséquent d'en décrire une seule d'une manière détaillée. Chaque fenêtre 23 comprend une monture annulaire 25 de glace d'observation, comportant une partie étranglée et filetée 26, qui peut se visser dans l'une des ouvertures 21 alignées horizontalement et formées dans la partie médiane 15 du corps 1 1; la partie rétrécie 26 comporte une cavité annulaire d'appui destinée à recevoir une bague élastique 27 à section ronde et une bague d'appui 28, de façon à réaliser un joint étanche à la pression entre la monture 25 et les surfaces d'accouplement de l'ouverture 21 du corps 11. La monture 25 comporte un alésage 29, s'ouvrant vers l'intérieur et muni d'une glace d'observation.
Cet alésage est aligné avec une ouverture étranglée d'observation 30, formée dans l'extrémité extérieure de la monture 25 ; la région annulaire de la monture 25, entourant l'ouverture 30, comporte une surface annulaire de butée 31, faisant face vers l'intérieur. Une glace épaisse 32, qui est, dans le mode de réalisation préféré, en silice fondue d'une épaiseur de 5 cm, est ajustée et appuyée dans l'alésage 29 ; la surface de butée 31 limite le déplacement de cette glace vers l'extérieur, suivant la direction de l'axe de la monture 25 ; la glace 32 est garnie d'un joint 33, qui peut être en argent tendre et qui est interposée entre la surface de butée 31 et la zone périphérique de la glace 32.
Une bague de retenue 34 filetée est vissée dans des taraudages complémentaires formés dans la partie intérieure extrême de l'alésage 29 de la monture 25, de façon à maintenir solidement la glace 32 dans l'alésage 29 ; un autre joint de garnissage 33', analogue au joint 33, est interposé entre les surfaces adjacentes de la glace 32 et de la bague de retenue 34. La périphérie de la glace 32 en silice fondue est rendue étanche au moyen d'une bague élastique 35 à section ronde, qui est appliquée dans une gorge annulaire de l'alésage 29.
Pour protéger la surface de la glace 32, tournée vers l'intérieur, contre les détériorations que pourraient causer les produits de la combustion, on recouvre cette surface de chaque glace 32 au moyen d'un disque circulaire mince 36 en verre, qui est formé de préférence par un verre relativement peu coûteux, comme celui des lunettes de sécurité.
Le disque de verre de protection 36 est maintenu en position, à l'intérieur de l'alésage 37 de la bague de retenue 34, au moyen d'une bague de retenue 38 du type à déclic, qui se déclenche dans une gorge de retenue appropriée 39 ouverte vers l'intérieur et formée dans la bague de retenue 34, et d'une bague d'écartement 40, disposée entre la bague de retenue à déclic 38 et le disque de verre 36 ; cette bague d'écartement 40 est maintenue dans l'alésage de la bague de retenue 34 par la bague 38, et elle s'appuie contre la surface du disque 36, tournée vers l'intérieur, près de la périphérie de ce disque.
L'assemblage de tête, indiqué dans son ensemble par le nornbre de référence 41 et servant à supporter l'éprouvette d'essai 49 qui doit être brûlée dans la zone de combustion 24 de la chambre 17, et que l'on suppose être une bande mince d'un mono-combustible solide, comprend une tête cylindrique 42, comportant le long de sa partie inférieure un filetage 43, vissé dans l'extrémité supérieure ouverte 19 de l'alésage 17, c'est-à-dire dans le taraudage 20. Deux longues tiges de support 44 et 45 sont fixées dans la tête 42 et s'étendent vers le bas à partir de celle-ci, jusqu'en dessous des fenêtres 23, de façon à constituer des guides de support pour une plate-forme 46 portant un support d'éprouvette 47.
La plate-forme 46 comporte des orifices dans lesquels peuvent coulisser les tiges de support 44, 45 ; elle comporte aussi des vis de réglage 48, qui peuvent s'engager contre les tiges de support 44, 45 de façon à verrouiller la plateforme à une hauteur choisie. Le support d'éprouvette 47 comporte aussi, sensiblement en son centre, une douille ouverte vers le haut et destinée à recevoir une éprouvette d'essai, comme par exemple la bande de combustible 49 ; une vis 50, s'étendant à l'intérieur de la douille, fixe la bande d'essai 49 sur le support d'éprouvette 47. On peut utiliser évidemment d'autres supports connus pour les éprouvettes, par exemple des supports du type à mandrin.
On peut fixer le support 47 sur la plate-forme 46 d'une manière amovibile, en formant par exemple sur le support 47 un goujon fileté qui s'étend vers le bas à travers un orifice de la plate-forme et qui est fixé en position sur celle-ci au moyen d'un écrou de verrouillage 51.
Deux tiges courtes de support 52, 53 sont également fixées sur la tête 42 et s'étendent vers le bas à partir de celle-ci ; ces tiges 52, 53 comportent à leurs extrémités extérieures ou inférieures des dispositifs d'accouplement 54 qui permettent de fixer sur ces tiges un fil d'allumage 55 ; ce fil s'étend entre les deux tiges de façon à se trouver en contact avec le bord supérieur de la bande d'essai 49. Les tiges 44, 45 comportent aussi à leurs extrémités inférieures des dispositifs d'accouplement 54, permettant de fixer sur ces tiges des thermocouples ou d'autres dispositifs électriques désirés.
Les tiges de support 44, 45, 52, 53 sont d'une construction analogue; chacune d'elles comprend un tube 56, à travers lequel s'étend un fil métallique conducteur 57 jusqu'à un point adjacent à l'extrémité inférieure du tube 56. Le fil 57 est isolé du tube 56 par une gaine 58 en matière isolante. A l'extrémité inférieure de chaque tige de support se trouve un isolateur 59, qui est vissé dans un large alésage taraudé, formé à l'extrémité du tube 56. Un organe de contact 60, comportant une partie filetée 60a et une partie 60b creusée en forme de cuvette, entoure l'extrémité du fil 57 et se trouve en contact intime avec cette extrémité dans la région axiale sur laquelle s'étend l'isolateur 59 ; un organe de contact 60 est monté à l'extrémité inférieure de chaque tige de support.
Une rondelle de verrouillage 61 est ajustée sur la partie inférieure filetée 60a ; un écrou hexagonal 62 et un organe moleté 63 sont vissés sur la partie 60a, par-dessus la rondelle 61.
Les fils conducteurs 57, contenus dans les tiges de support 44, 45, 52. 53, s'étendent au-dessus de leurs tiges associées de support, à travers des alésages appropriés de la tête 42, et sont connectés aux contacts d'une prise de courant 64 à contacts multiples, qui est supportée au-dessus de la tête 42 au moyen de tiges de support 64'.
Un dispositif d'étanchéité aux hautes pressions est préyu à l'endroit où chaque fil conducteur 57 sort de la tête 42 ; ce dispositif d'étanchéité comprend un manchon déformable 65, entourant le fil 57 et une gaine 58, dans une partie supérieure élargie de l'alésage à travers lequel passe le fil 57, un organe d'appui en acier 66, entourant le fil 57 et la gaine 58, au-dessus du manchon 55, et un écrou de presse-étoupe 66', qui est vissé dans la partie supérieure élargie de l'alésage, de façon à s'appuyer sur l'organe 66 et à exercer sur celui-ci une pression dirigée vers le bas, dans le but de comprimer le manchon 65 dans cette partie élargie de l'alésage et de former un joint d'étanchéité aux hautes pressions.
L'organe d'appui 66 comporte de préférence dans son extrémité inférieure une cavité conique, pour que le manchon 65 se comprime facilement en s'appliquant fortement d'une manière étanche autour du fil 57 et de la gaine 58. Une bague élastique 42a à section ronde est disposée dans une gorge périphérique appropriée de la tête 42, pour rendre étanche la jonction entre la tête 42 et l'extrémité supérieure 19 de l'alésage 17.
Il est désirable que l'essai de combustion soit exécuté dans une atmosphère de gaz inerte à haute pression ; à cet effet, on utilise un raccord fileté d'entrée 67 et un alésage d'entrée communiquant avec le raccord, pour introduire dans l'alésage 17 un gaz inerte, par exemple de l'azote ; on utilise aussi un raccord de sortie 68 et un alésage de sortie communiquant avec ce raccord, ainsi qu'un dispositif ordinaire de distribution pour évacuer le gaz inerte en dehors de l'alésage 17 à la fin de l'essai. Un raccord supplémentaire de sortie 69, communiquant avec la partie inférieure de l'alésage 17, est utilisé pour évacuer le gaz dont la pression est excessive et pour maintenir une pression constante dans l'alésage 17.
Un dispositif est également prévu pour diriger le gaz inerte, qui est par exemple de l'azote comprimé, en travers des surfaces internes des disques de protection en verre 36, afin d'empêcher le ternissement de ces disques et de maintenir claires ces surfaces des fenêtres pendant l'essai. Dans ce but, on dispose un raccord d'entrée de gaz 70 et un alésage communicant 71, près de chaque fenêtre 23, dans la partie médiane élargie 15 du corps 11. L'alésage 71 comporte des parties en coïncidence dans la portion étranglée 26 de chaque monture 25 et dans la bague de retenue 34, pour admettre le gaz inerte dans la zone se trouvant immédiatement à l'intérieur par rapport au disque de verre 36.
Les bagues d'écartement 40 comportent aussi des bords dentelés, comme on le voit en 72, près des disques de verre 36 ; ces bords dentelés forment des orifices à travers lesquels l'azote peut passer pour s'étendre en travers de la face avant de la surface interne du disque adjacent 36, en vue d'empêcher le ternissement de ce disque.
Pour utiliser l'appareil, on introduit l'éprouvette d'essai, qui est par exemple en forme de bande mince et rectangulaire, dans la douille destinée à la recevoir et formée dans le support 47, après avoir retiré du corps 1 1 I'assemblage de tête 41; on monte le fil d'allumage 55 sur les tiges de support 52, 53 et on lui donne la forme voulue pour qu'il s'applique sur le bord supérieur de l'éprouvette d'essai 49 ; on monte, s'il y a lieu, les thermocouples ou les autres dispositifs électriques sur les extrémités inférieures des longues tiges de support 44, 45 et on visse l'assemblage de tête dans l'extrémité supérieure du corps 11. On a réglé au préalable, suivant la direction axiale des tiges de support 44, 45, la plate-forme 46 supportant le porte-éprouvette 47, de façon à placer la bande d'essai 49 dans le champ de vision des glaces 32.
On ouvre ensuite un distributeur ordinaire commandant l'admission de l'azote à haute pression, de manière à admettre l'azote dans l'alésage d'essai 17, à travers le raccord d'entrée 67 ; ensuite, on fait passer un courant dans le fil d'allumage 55, de façon à allumer la bande d'essai 49. Pendant la combustion de la bande d'essai 49, il est facile d'observer visuellement, ou d'enregistrer par la photographie à grande vitesse, certains phénomènes, ou caractéristiques, tels que la vitesse de combustion, la configuration de la surface de combustion, les caractéristiques de la flamme, les produits de la combustion, la transition de la phase solide à la phase gazeuse, etc...
Bien que les glaces 32 soient montées très près de la zone de combustion 24, elles sont cependant protégées, grâce aux disques de verre 36, contre les détériorations que pourraient provoquer les produits de la combustion ; ces disques 36 sont protégés efficacement contre le ternissement ou contre tout autre obscurcissement, du fait que l'azote se répand radialement vers l'intérieur, le long des surfaces internes des disques 36, à partir des raccords d'entrée 70, et à travers les orifices formés par les bords dentelés 72 des bagues d'écartement 40. Quand l'essai de combustion est terminé, on peut évacuer l'azote à haute pression de l'alésage 17, à travers le raccord de sortie 68, et on peut retirer aussi de cet alésage l'assemblage de tête 41, en vue d'introduire une nouvelle bande d'essai.
Une cellule d'essai de ce genre, comportant un alésage 17 d'un diamètre de 7 cm et d'une longueur de 26, 35 cm, ainsi que deux glaces d'observation d'une épaisseur de 5 cm en silice fondue, a fonctionné effectivement avec des pressions de travail atteignant jusqu'à 350 kg/cm2, avec un trajet optique d'environ 4,57 cm de longueur entre l'axe central et vertical de l'alésage et le disque de protection en verre. La configuration des fenêtres, la nature cylindrique et épaisse des glaces 32, la forme et la position des joints d'étanchéité, constituent des facteurs qui contribuent tous à l'obtention des hautes pressions réalisables avec l'appareil décrit.