Brevet FR2038152A1 — publié le 19710108

La présente invention cc-ilcerne une structure de paroi qui a d'excellentes caractéristiques de résistance à la chaleur et d'excellentes caractéristiques de résistance aux températures élevées. Tandis qu'un grand nombre de constructions de parais selon l'état actuel de la technique, se réclament dl!Ere des structures résistant à la chaleur, elles n1 obtiennent cette revendication qu'au dépens dtun prix élevé. Par exemple, les constructions à double parois ont été trouvées très utiles dans les environs chauds d'une turbine à gaz; tel que dans les chambres de combustion et dispositif de post-combustion de turbine à gaz; cependant les dispositifs de refroidissement ou structures de parois utilisés possèdent un nombre de problèmes importallts. Le premier et plus important consiste en une utilisation excessive d'air de refroidissement nécessaire pour maintenir la température de la paroi exposée aux gaz chauds de la chambre de combustion ou du dispositif de post-combustion. Le deuxième aussi important que le premier, est que ces constructions selon l'état de la technique gaspillent la pression disponible et ont des endroits chauds et froids indésirables le long de la paroi avec pour résultat des gradients thermiques qui ont une mauvaise influence sur les caractéristiques de durée de fonctionnement de la structure de parois. Jusqu'ici, la description a été dirigée vers une structure de parois pour usage dans un milieu relativement chaud d'une turbine à gaz; cependant, ceci a été fait principalement par commodité et pour illustration. I1 doit etre évident à ceux du métier que la présente invention peut être utilisée dans n'importe quel milieu ot une structure de parois est utilisée et ou il est désiré soit de contrôler la température d'une paroi ou de refroidir la structure. Au moins un et probablement deux des problèmes susmentionnés, seront rencontrés indépendamment du fait que l'invention est utilisée soit dans un milieu à température élevée d'une turbine à gaz, ou dans un milieu moins sévère. Plus spécifiquement ou une quantité excessive de fluide de refroidissement nécessaire, où des gradients thermiques sont introduits dans la structure, la première d'une influence défavorable à la performance globale du système, tel qu'un moteur, les seconds d'une influence défavorable à la performance ou la durabilité de la structure à parois elle-même. Un objet principal de la présente invention est de fournir une construction de parois et technque de refroidissement pour lesquelles la température d'au moins une paroi de la structure est c-ontrlée, tout en- réduisant substantiellement la quantité de fluide de efroidisement nécessaire pour obtenir ce résultat. En plus, la structure parois a d'excellentes caractéristiques de durabilité étant le résultat de l'élimination de gradients thermiques défavorables ou sévères dans la structure à parois. Dans le-mode de réalisation le plus préféra, il est utilisé une paire de parois espacées entre elles. Entre les parois espacées, un passage d'écoulement s'étend sur toute la longueur des parois Un objet de la présente invention qui permet de controler la température de paroi à l'intérieur de limites acceptables est la fourniture ou l'alimentation d'un courant de fluide refroidissant et par établissement et le contrôle des pertes de pression de frottement de ce courant de refroidissement. Un autre objet consiste à diviser le passage d'écoulement en une pluralité de canaux ou d'ouvertures d'écoulement, ces canaux d'écoulement ayant un diamètre relativement petit d'environ 0,25mm à 5mm.Pour obtenir une perte de pression de frottement qui fournit une température de paroi désirée ou acceptable, un rapport prédéterminé entre la longueur et le diamètre de ces petits canaux ou ouvertures d'écoulement de l'ordre de 10 a 200 est préféré. Des modes de réalisation de a présente invention seront décrits ci-après en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1, est une coupe longitudinale d'une structure de paroi dont une partie est arrachée pour montrer un des petits canaux d'écoulement; La Figure 2, est une vue substantiellement prise le long de la ligne 2-2 montrant une pluralité de canaux ou d'ouvertures d'écoulement-; La Figure 3,- est un autre mode de réalisation de la présente invention utilisant une bande ondulée entre les deux parois; La Figure 4, est une vue prise substantiellement le long de la ligne 4-4, de-la Figure 3, montrant une pluralité de canaux d'éooulement. Se référant d'abord aux Figures 1 et 2, on y voit un mode de réalisation de la présente invention Telle que montrée, la structure de paroi 10, comporte une première paroi 12, et une seconde pai 14, e-spae-ae de la première paroi 12. Tel que envisagé par ce mode de réalisation de la présente invention, l'espace entre les deux parois est un passage d'écoulement 16, qui est séparé ou partagé en cloisons en une pluralité de petites ouvertures ou petits canaux d'écoulement 18. Tel que représenté par les Figures, ces canaux d'écoulement 18, sont formés par des nervures ou d'ailettes 20, s'étendant de la première paroi 12. Bien entendu, la structure de paroi 10, peut être formée d'une manière quelconque qui ne fait par partie de la présente invention. Par exemple, les canaux d'écoulement 18, peuvent être formés par des techniques d'emboutissage ou de laminage convention- nelles. Plus spécifiquement, la première paroi 12, qui est représentée comme étant le membre de support de la nervure ou de l'ai- lette peut être formée d'une plaque ou bande dans la configuration représentée. La géométrie de ces canaux d'écoulement peut donc être formée à partir d'un feuillard ou bande pour obtenir la configuration montrée. La géométrie de ces canaux d'écoulement peut être contrôlée pour obtenir n'importe quelle forme, diamètre ou longueur désirée, la géométrie ayant une importance pour des raisons décrites ci-après. Telle que susmentionnée, la construction de paroi du présent mode de réalisation est particulièrement utile en qualité de sa structure résistant à la chaleur. Plus particulièrement, la première paroi 12, est une paroi d'enceinte pour un premier courant de fluide ou de gaz relativement chaud. Du fait, d'être exposée à ce gaz relativement chaud, il devient souhaitable de refroidir et/ou de maintenir la température de la paroi 10, à un niveau particulier de température. Pour obtenir ceci, un second courant relativement plus froid que le premier courant est introduit dans les canaux d'écoulement 18, -tel qu'à l'endroit désigné par 22. Telleque susmentionnée, la géométrie des canaux d'écoulement 18, est importante du fait que cette géométrie des canaux d'écoulement 18, détermine la vitesse de transfert de la chaleur du premier courant à travers la première paroi et dans le deuxième courant. La première et unique caractéristique de la géométrie de ces canaux d'écoulement est le diamètre relativement petit de chacun de ces canaux; plus spécifiquement, le diamètre de ces canaux d'écoulement est de préférence entre 0,25mm et 50mm, ceci pour maintenir la première paroi à un niveau de température acceptable. Deuxièmement, chacun des canaux d'écoulement 18, s'étend sur tou te la longeur des parois, la longueur des canaux d'écoulement 18, ayant un rapport prédéterminé avec le diamètre des canaux d'écoulement 18. Plus spécifiquement, il y a une gamme préférée de rapports longueur-diamitre afin d'établir et de contrôler les pertes de pression de frottement du deuxième courant circulant à travers les canaux d'écoulement. Pour des modes de réalisation. les plus préférés, il a eté détermine qu'un rapport longueur-diamatre d'environ 10 à 200 fournirait une structure dans laquelle la première paroi ne serait non seulement maintenue à la température désirée, mais aussi à une température uniforme.Cette dernière caractéristique, le maintient d'une température uniforme est importante du fait quelle élimine substantiellement les gradients thermiques et ajoute ou améliore ainsi les caractéristiques de durée de vie de la structure de paroi. La construction à nervures ou ailettes du présent mode de réalisation fournit un avantage supplémentaire du fait que les nervures ou ailettes 20, fournissent une surface supplémentaire à l'intérieur des canaux d'écoulement 18; pour l'enlèvement de chaleur de la paroi intérieure 12, vers la paroi extérieure 14. Plus spécifiquement, cette construction fournit un chemin supplémentaire à la chaleur allant de la paroi 12, au courant de refroidissement. Les Figures 3 et 4, représentent un deuxième mode de réalisation de la présente invention. La construction de la paroi de ce mode de réalisation utilise les mêmes membres structuraux essentiels, tel que représentés par les Figures 1,et 2, c'est-à-dire. une construction à double parois avec un passage d'écoulement dans le sens de la longueur. Cependant, tels que montrés sur les Figures 3 et 4, les canaux d'écoulement 50, qui existent entre la première paroi 52, et Ia deuxième paroi 54, sont fournis par un troisième membre 56. Ce troisième élément est de préférence d'une construction ondulée, ce membre ondulé comprenant au moins une section de nervures 58, qui s'étend entre la première paroi et la deuxième paroi sur toute la longueur des deux parois. Evidemment, l'élément de bande ondulée peut avoir une forme et longueur quelconque, ceci dépend, bien entendu du mode de réalisation ou usage auquel la présente construction est destinée. L'élément de bande ondulée 56, a la même fonction que l'é lement-20, pour créer les ouvertures 18, des Figures 1 et 2, c'est adire fournir une pluralité de canaux d'écoulement avec un diamè tre ou ouverture relativement petit, de préférence le diamètre ou l'ouverture étant entre 0,25mm à 5mm. En outre, l'élément ondulé 56, doit fournir le meme rapport longueur-diamètre, plus spécifiquement pour fournir les pertes de pression de frottement du courant refroidisseur circulant à travers les canaux d'écoulement, le rapport longueur-diamètre devrait être d'environ 10 à 200. De cette façon, la première paroi 52, qui est exposée à un fluide ou un gaz a une température plus élevée que le fluide coulant à travers les canaux d'écoulement 50, peut- être maintenue à la température désirée.De même, grâce aux canaux d'écoulement qui s'étendent sur la totalité de la longueur de la structure de paroi, celle-ci est maintenue à cette température désirée sans gradients thermiques, ceci améliorant les caractéristiques de durée de vie de la structure. L'élément de bande ondulée est en contact, alternativement avec la paroi intérieure 52, et la paroiextérieure 54, a une fonction semblable aux nervures ou ailettes 20. Plus spécifiquement elle améliore le transfert de chaleur ou l'enlèvement de chaleur de la paroi 57, au courant de refroidissement en fournissant un chemin supplémentaire pour la chaleur. Dans chacun des modes de réalisation représentés par les Figures 1 et 4, la deuxième paroi 14 et 54 respectivement peut être utilisée comme un moyen de frontière pour un troisième courant de fluide 60, dans la plupart des cas, il existe une relation de transfert de chaleur entre les deuxième et troisième courants de fluide. Bien que l'on ait décrit la présente invention par rapport à un mode de réalisation particulier de cette dernière, on comprendra bien qu'elle est susceptible de modifications supplémentaires la présente application étant envisagée de façon à tenir compte de toutes variations, utilisations ou adaptations de l'invention, suivant en général les principes de l'invention et comprenant tout écart à la présente description qui rentre dans la pratique connue ou courante de la technique à laquelle se rapporte l'invention. Une structure de paroi comprenant une première paroi four vissant ure enceinte pour contenir un premier courant de fluide et une deuxième paroi espacée de la première, l'espacement fournissant un passage d'écoulement entre elles pour un deuxième courant de fluide, le deuxième courant étant relativement plus froid par rapport au premier courant ; caractérisée par le fait que des mo yens -cso disposés à l'intérieur du passage d'écoulement pour éta blir et contrdler les pertes de pression de frottement du deuxième courant pour contrôler ainsi la température de la première paroi. 2 Une structure de paroi selon la revendication 1, caractérisée par le fat que les moyens à l'intérieur du passage d'écoulement sont une pluralité d'ouvertures relativement petites chaque cuverture se prolongeant sur toute la longueur du passage d'écoule mnt et ayant un diamètre de l'ordre de 0,25mm à 5mm. 3. Une structure de paroi sablon la revendication 2, caractérisée par le fait que les pertes de pression de frottement sont établies et contrôlées en fournissant un rapport longueur-diamètre da l'ordre de 10 à 200 à ces ouvertures. 4. Une structure de paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la deuxième paroi sur le coté éloigné de la première paroi comporte une enceinte pour un troisième courant de fluide. 5. Une structure de paroi selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'une pluralité d'ailettes s'étend entre les deux parois, les ailettes étant en contact avec chaque paroi et fournissent un chemin pour l'enlèvement de chaleur de la deuxième paroi vers le courant de refroidissement. 6. Une méthode pour contrôler la température de l'une des parois formant la structure de paroi selon ltune quelconque des revendications précédentes, par quoi la paroi dont la température doit être controlée est exposée à un courant de fluide , la méthode étant caractérisée par le passage d'uncourant d'un fluide d'une température relativement plus froide à travers les passages d'écoulement, et par l'établissement d'une relation de transfert de chaleur entre les deux courants en fonction des pertes de pression de frottement du courant relativement plus froid.