Brevet FR2063968A1 — publié le 19710716

la présente invention concerne un perfectionnement aux écrans thermiques à refroidissement tels que ceux constituant notamment les cloisons de séparation de chambre de combustion de réacteurs. On connait des écrans refroidis de séparation de deux fluides à températures très différentes qui sont constitués d'au moins deux plaques pleines disposées non jointivement légèrement en recouvrement l'une sur l'autre de telle sorte que le fluide chaud en mouvement à grande vitesse et pression faible entratne, à travers l'interstice, le fluide froid à plus faible vitesse et pression plus élevée pour produire le long de l'écran une couche pelliculaire de fluide moins chaud couramment désigné sous la dénomination "film cooling" destiné àlperotéger thermiquement. Dans de tels systèmes où la plage de recouvrement des plaques est nécessairement réduite, la distance de mélange intime et complet est bien souvent insuffisante pcur éviter les turbulences avec points chauds qui se produisent dans la zone de rencontre des deux fluides. De plus, les points de fixation des plaques entre elles créent des obstacles qui produisent des sillages tourbillonnaires particulièrement néfastes à la bonne répartition thermique du fluide chaud refroidi le long de la surface de l'écran, l'allongement de distances de recouvrement ayant de plus tendance à augmenter encore lesdits phénomènes néfastes de sillages. On connatt également des écrans refroidis de séparation de deux fluides à températures très différentes constitués d'une plaque ajourée de multiples orifices tels que des trous circulaires par exemple, mais si de tels écrans assurent une meilleure répartition thermique sans sillage parasite, ils réduisent encore par contre la distance de mélange en entratnant de multiples micro-turbulences qui sont sources de points chauds aux nombreux points de rencontre des fluides. Ces faits sont particulièrement évidents sur les structures chambres chaudes des / de combustion ou de post-combustion de réacteurs dans lesquelles la différence de température entre le flux d'air froid en provenance du "fan" dans le cas d'un réacteur double flux par exemple et le flux d'air chaud à évacuer vers la tuyère est particulièrement importante. Ainsi la Demanderesse qui avait connaissance des propriétés, en particulier de résistance mécanique, des plaques de conduite de fluide telles que celles notamment du type "sandwich" à noyau ondulé connues sous la dénomination commerciale de "NORSIAL" lui appartenant, a été amenée à envisager l'utilisation de ces plaques de conduite de fluide en lieu et place des systèmes antérieurs, afin de créer des conditions de refroidissement de structures de chambre de combustion de turbo-réacteurs plus efficaces que celles existant actuellement. De telles plaques de conduite de fluide désignées par la dénomination "flow duct plate" formant écran permettent en effet, dans une.disposition en recouvrement partiel selon l'invention où les conduits d'écoulement sont dirigés sensiblement dans le mdme sens, de produire, par échauffement convenable, une mise en vitesse importante du fluide froid à travers cesdits conduits de telle sorte que le mélange non perturbé des deux fluides soit reporté suffisamment en arrière afin d'assurer ainsi une protection thermique efficace de l'écran thermique. De plus la grande section relative de passage du fluide froid à travers les canaux due à une occultation très réduite des parois desdits canaux, permet une alimentation totale maximale et uniforme dudit fluide froid. Ltinvention permet en outre, gracie à un aménagement adéquat des sections de passage des conduits, un écoulement de fluide exactement adapté aux conditions posées par le refroidissement à effectuer. L'écran objet de l'invention peut bien entendu affecter de nombreuses conformations géométriques et se présenter notamment sous la forme de viroles cylindriques ou coniques embossées les unes dans les autres pour constituer ainsi une structure rigideaisément utilisable comme paroi du canal d'une chambre de combustion de réacteur. Dans un tel cas l'effet de protection thermique obtenu est, à poids inférieur, plus important que celui réalisé par les systèmes antérieurs de types connus. L'invention sera de toutes manières mieux comprise dans la suite du texte où il sera donné, à titre d'exemple non limitatif et à l'appui des dessins annexés, une forme de réalisation de l'invention visant une chemise de refroidissement. pour chambre de combustion de turbo-réacteur comportant des éléments à conduite defluide d'allures tronconiques embottés concentriquement et fixés les uns sur les autres. Sur les dessins La figure 1 est une vue schématique en élévation-coupe d'un écran thermique à parois pleines disposées non jointivement en recouvrement, selon l'art antérieur. La figure 2 en est une vue en coupe schématique faite suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue schématique en élévation-coupe d'un écran thermique à paroi munie d'orifices de communication, selon l'art antérieur. La figure 4 en est une vue en coupe schématique faite suivant la ligne IV-IV de la figure 3. La figure 5 est une vue en perspective et selon une section arrachée d'une partie d'écran thermique à plaques de conduite de fluide conforme à l'invention. Les figures 6, 7, 8 représentent respectivement une vue schématique en élévation-coupe longitudinale axiale et en coupes transversales faites suivant les lignes Vil-Vil et VIII-VIII de la figure 6 d'une chambre de combustion de turbo-réacteurs munie d'une chemise à écran thermique avec élément de conduite de fluide conformes à l'invention. La figure 9 est une vue à plus grande échelle représentant en perspective un détail en section arrachée d'un des modes d'assemblage possible des éléments d'écrans entre eux référencés en E sur la figure 6. les figures 10, 11, 12 et 13 sont des coupes schématiques partielles montrant quelques formes possibles d'aménagement de sections d'entrée ou de sortie de fluide pour des éléments d'écrans conformes à l'invention. le problème posé par la conception d'un écran thermique interposé entre un fluide estremement chaud en déplacement rapide et un fluide relativement froid à pression élevée, était résolu de différentes manières dans l'art antérieur. Selon les figures 1 et 2 qui représentent un type d'écran thermique connu destiné à~rotéger une paroi externe 2 des cou rants de fluide chaud 3 en présence de courants de fluide froid D, 9 on aménageait cet écran thermique désigné dans son ensemble par la référence 1, de telle sorte que des plaques pleines la, lb mises en recouvrement par l'intermédiaire d'entretoises lc, permettaient au fluide froid 4, se trouant à pression pluB élevée que le fluide chaud 3, de pénétrer à travers l'interstice 7 afin que-des courants réfrigérants de protection 6 puissent être amenés dans une région- aval le long d-e la face antérieure de ltélément lb de manière à protéger thermiquement ce dernier. Il est connu que ce type d'écran présente toutefois différents inconvénients inhérents au fait que, d'une part, la mise en vitesse des courants réfrigérants 6 à travers l'interstice 7 n'est pas assez importante pour produire un mélange efficace suffisamment en aval d'où une apparition de zones turbulentes 5 favorables à l'apparition de zones chaudes 8 aux points de- re-- contre des fluides chauds et froids et que, d'autre part, la présence des entretoises îc entraxe des sillages turbulents propices à l'apparition de points chauds d'allure ondulatoire-ou des régions caractéristiques 8a se trouvant situées dans le prolongement desdites entretoises. Selon les figures 3 et 4, qui représentent un autre type d'écran thermique connu destiné à protéger une paroi externe 12 des courants de fluide chaud 13 en présence de courants de fluide froid 14 à plus haute pression, on prévoyait une plaque il percée de nombreux orifices d'intercommunication îîa de telle sorte froid que, gracie à sa pression plus élevée, ledit fluide/puisse passer selcn 16 à travers cesdits orifices pour venir finalement se mélanger audit fluide chaud. Ce type d'écran, qui possédait une certaine efficacité, présentait néanmoins l'inconvénient de produire de nombreuses turbulences 15 sources de points chauds néfastes à la plaque 11. L'invention propose en conséquence un type d'écran à plaques de conduite de fluide en recouvrement qui ne présente aucun des inconvénients cités et qui possède de plus des qualités de légèretd et de rigidité bien supérieures aux écrans de types connus. Selon la figure 5 qui représente partiellement en persXec- tive un écran thermique repéré 21 dans son ensemble, on voit que cet écran est constitué de la combinaison de plaques de conduites de fluide selon l'invention 21a, 21b, 21-c, disposées en recou- vrement afin de protéger une paroi 22 d'un courant de fluide chaud 23 à canaliser en présence d'un fluide froid 24.Il est aisé de constater que les canaux 21al...2ib1...21c1... des plaques 21a, 21b, 21c disposés sensiblement dans-le prolongement les uns des autres vont mettre en vitesse le fluide froid 24 afin qu'à son émergence, cedit fluide froid accéléré 26 ne puisse venir se mélanger intimement et complètement avec le fluide chaud 24 que très en arrière de son point de sortie. Dans un tel cas, et bien qu'il n'ait été retenu dans cet exposé qu'un système de canaux formés d'ondulations, il est bien évident que tout autre système permettant le passage convenable du fluide froid peut convenir, en particulier le système de plaques de conduite de fluide comportant plusieurs rangées de conduits superposés. les sections de passage des canaux des plaques constitutives de l'écran 21 peuvent être, en plus de la configuration normale représentée sur les figures 5 et 10, aménagées en toutes combinaisons, pour présenter une configuration en aplatissement de sortie comme représenté sur la figure 11, avec embout 27 percé d'orifices 27a en entrée comme représenté sur la figure 12 ou en double aplatissement en entrée comme représenté sur la figure 13. A titre d'exemple de forme de réalisation caractéristique, la figure 6 représente en coupe longitudinale axiale une chambre de combustion de réacteur munie d'un écran thermique refroidi selon l'invention peur former un conduit à l'écoulement des gaz chauds pouvant atteindre une température G 2 de 20000C tandis que l'air venant du "fan" de refroidissement(dans le cas d'un réacteur double flux) peut aller jusqu'à une température 41 d'environ 4000C. Ce conduit repéré 31 dans son ensemble est essentiellement constitué sur l'exemple de sept viroles tronconiques 31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f, 31g embottées et fixées les unes dans les autres.La texture de ces viroles, dont une section transversale VIII-VIII représentée sur la figure 8 montre qu'elle est caractéristique de a technologie du produit connu commercialement sous la dénomination "NORSIAI", met en oeuvre une feuille 31" d'alliage de NICKEL (RENE 41 aux USA) ondulé de 0,1 mm d'épaisseur et 2,3 mm de hauteur d'ondes soudée électriquement sur deux feuilles 31' de RENE 41 de 0,15 mm d'épaisseur pour former des canaux 31"'.Un tel conduit de refroidissement qui a 1050 mm de longueur et 1000mm de diamètre, vient s'embotter sur un canal 33 de 500 mm de longueur et l'ensemble ainsi constitué est fixé (au moyen de supports convenables non représentés) à l'intérieur de la paroi externe de la chambre de combustion 32. La section transversale VII-VII de la figure 6,représentée sur la figure 7, montre l'aplatissement caractéristique des canaux 31"' sortie suivant le principe de la figure 11, de manière à accroire la mise en vitesse du gaz froid et par conséquent de reculer au maximum la distance de mélange intime et complet. le détail E de la figure 6 représenté sur la figure 9 montre que le mode de fixation des viroles entre elles met en oeuvre une pièce de jonction 34, soudée par points 35 sur la face externe d'une virole amont 31d et sur la face interne points d'une virole aval 31e-, suivant la technique du soudage par/à l'arc par électrode réfractaire sous atmosphère inerte couramment désignée T.I.G. ou "Tungsten Inert Gas". Il est aisé de constater qu'un tel conduit de refroidissement sera bien plus léger que les systèmes connus puisque l'épaisseur équivalente de la structure "NORSIAL" considérée, qui est de 0,47 mm, est très inférieure à l'épaisseur de 1,2mm utilisée couramment dans les écrans à plaques non tubulaires antérieurs. Par ailleurs, l'efficacité de refroidissement, qui se trouve considérablement améliorée, permet d'envisager des températures d'utilisation très élevées correspondant à des chambres de combustion de turbo-machines dépassant Mach 3. Bien entendu, la présente forme de réalisation visant une chambre de combustion-de réacteur n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif. Il est bien évident que la nature des matériaux, la configuration et le nombre des canaux des plaques de conduite de fluide ou des viroleS l'aménagement de ces canaux en entrée et/ou en sortie,les modes de liaison et tout ceci pour un usage aéronautique ou extra aéronautique avec mise en oeuvre de fluides de n'importe quelle nature, pression, vitesse, resteraient dans le cadre de l'invention, lequel est défini dans les revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Ecran thermique à refroidissement pour la séparation entre un courant de fluide chaud et un courant de fluide froid à plus haute pression, caractérisé par le fait qu'il est constitué par au moins deux éléments munis de canaux longitudinaux conducteurs de fluide à section de passage adaptée, lesdits éléments étant disposés longitudinalement avec recouvrement partiel et les canaux conducteurs sensiblement dans le prolongement les uns des autres de façon à contraindre le fluide froid traversant lesdits canaux conducteurs à s'accélérer par échauffement et, gracie à cette vitesse accrue de sortie, de ne permettre son mélange intime et complet avec le fluide chaud que très loin en aval de son point de sortie, gracie à quoi l'écran thermique se trouve protégé de l'effet calorifique du fluide chaud. 2. Application de l'écran thermique selon la revendication 1 à la réalisation d'un conduit refroidi de canalisation des gaz d'une chambre de combustion de réacteur, caractérisée par le fait que les éléments munis de canaux longitudinaux conducteurs de fluide à section de passage adaptée affectent la forme de surfaces fermées de façon à constituer des viroles formant, par embottement et fixation les unes dans les autres, une structure rigide. 3. Ecran thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque élément muni de canaux longitudinaux conducteurs de fluide, à section de passage adaptée,est constitué par au moins une feuille ondulée fixée sur au moins une feuille non ondulée. 4. Ecran thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'adaptation de la section de passage des canaux conducteurs de fluide est obtenue par leur aplatissement en entrée de manière à créer ainsi une perte de charge du fluide les traversant. 5. Ecran thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'adaptation de la section de passage des canaux conducteurs de fluide est obtenue par adjonction d'un diaphragme en entrée de manière à créer ainsi une perte de charge du fluide les traversant. 6. Ecran thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'adaptation de la section de passage des canaux conducteurs de fluide est obtenue par leur aplatissement en sortie de manière à améliorer ainsi la mise en vitesse du fluide froid les traversant et favoriser de la sorte l'éloignement du mélange ultérieur. 7. Ecran thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la disposition en recouvrement partiel des 81é- ment s à canaux conducteurs de fluide est réalisée par une pièce de fixation assurant la liaison entre la partie interne d'un élément aval et la partie externe d'un élément amont. 8. Conduit selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les canaux conducteurs de fluide des éléments sont constitués d'une feuille métallique ondulée soudée par le sommet de ses ondes à deux feuilles métalliques non ondulées. 9. Conduit selon la revendication 2 caractérisé par le fait que la fixation des viroles entre elles est assurée par une pièce de liaison entre la face externe d'une virole amont et la face interne d'une virole aval,