Brevet FR2123386A1 — publié le 19720908

la présente invention se rapporte à des conduits dont-l*une des surfaces est soumise à un fluide chaud,-et elle se rapporte plus particulièrement aux moyens propres à créer une pellicule refroidissante sur ces surfaces. L'invention trouve, ses iî —v 5 applications, par exemple, dans les chambres de combustion des moteurs à turbine à gaz, ou turboréacteurs. Dans les chambres de combustion les conduits appelés tubes de flamme, sont pourvus d'anneaux usinés qui séparent leurs sections amont et aval, et qui comprennent une couronne de trous 10 forés sur toute la circonférence de l'anneau. Ces anneaux massifs sont faits en des matériaux résistant à de très hautes températures, et ils sont difficiles à usiner et-à forer, ce qui les rend d'une fabrication onéreuse. : De plus, l'air refroidissant s'écoule à travers les trous, qui 15 ont en général un diamètre de 3 mm environ, e-t il faut un certain temps pour qu'il forme une pellicule d'air continue. Lés gaz chauds de combustion peuvent donc être admis dans les espa;- • ces compris entre les trous d'air de refroidissement, et il surchauffent l'anneau. 20 Selon l'invention, un conduit se compose de sections amont et aval qui se trouvent à des distances différents de l'axe du conduit, et une section de refroidissement dans laquelle un fluide refroidissant peut passer pour former une pellicule sur l'une des parois du conduit, cette section de refroidissement 25 ayant ses extrémités raccordées auxditss sections et comportant une partie intermédiaire qui comprend au moins trois couronnes de trous qui la traversent, chaque trou, dans une couronne, étant décalé par rapport aux trous des couronnes adjacentes, le diamètre des trous pouvant varier entre 0,125 et 0,750 mm. 30 le conduit peut avoir une section transversale circulai re, et la section de refroidissement prend alors la forme d'un anneau reliant deux sections du conduit ayant des diamètres différents. la partie intermédiaire de la section de refroidissement 35 est de préférence conique, et elle peut être convergente ou divergente en direction de l'amont, pour permettre la formation d'une pellicule refroidissante sur la surface extérieure d'unè section aval de diamètre plus petit ou inversement, pour former une pellicule refroidissante sur la surface intérieure d'une sec— 40 COF*Y 72 02345 2 2123386 tion amont ayant un diamètre plus grand. Bien qu'il soit possible de faire des trous de moins de 0,125 mm de diamètre avec une perceuse fonctionnant par impulsion d'un faisceau d'électrons, la limite inférieure pratique du dia-5 mètre des trous se situe entre 0,125 et 0,250 mm pour conserver une porosité suffisante, et pour réduire la possibilité d'une obstruction des trous par la poussière transportée par le courant de fluide. La limite supérieure de la gamme des diamètres dépend, 10 entre-autres, de la puissance de la machine qui perce les trous. Il faut, de plus, prendre en considération le dégagement de chaleur durant le perçage avec une foreuse qui fonctionne par impulsion d'un faisceau d'électrons ou ti-*Tzn rayon laser. La gamme des diamètres préférée se situe entre 0,250 et 15 0,500 mm. On a trouvé que de tels trous peuvent être percés rapidement et facilement avec une foreuse à faisceau d'électrons qui forme chaque trou au moyen d'une unique impulsion à haute puissance, et le prix de revient des anneaux de refroidissement selon 20 l'invention, fabriqués sur ces machines est considérablement réduit par rapport à celui des anneaux de refroidissement conventionnel. Un second avantage provient d'une amélioration dans le refroidissement des parois du conduit, parce que le courant d'air 25 traverse un grand nombre de trous minuscules et forme une pellicule continue plus rapidement que dans les anneaux de refroidissement conventionnels. On décrira maintenant plus en détail l'invention, simplement à titre d'exemple, à l'appui des dessins annexés dans les-30 quels : la figure 1 représente de façon schématique un turboréacteur dont la chambre de combustion comprend un anneau de refroidissement du type de celui visé par l'invention, la figure 2 montre à plus grande échelle et .en coupe 35 longitudinale l'anneau de refroidissement de la figure 1, et la figure 3 est une vue de l'objet de la figure 2 suivant la flèche A. On areprésenté sur la figure 1 un moteur de propulsion à réaction ou turboréacteur qui comprend un compresseur 1, une 40 72 02345 3 2123386 chambre de combustion 2, et une turbine 3, tous en série, les gaz d'échappement de la turbine étant projetés dans l'atmosphère par une tuère d'échappement 4- L'équipement de combustion se compose de tubes de flamme 5 internes et externes 5, 6, espacés radialeçent les uns par rapport aux autres, et des enveloppes interne et externe 7 et 8, formant ainsi une chambre de combustion annulaire entourée elle-même par des passages d'air de refroidissement annulaires. Chaque tube de flamme est réalisé en plusieurs sections juxtaposées 10 axialement et réunies l'une à l'autre au moyen d'anneaux de refroidissement 9« L'air qui arrive du compresseur 1 s'écoule dans les passages entre les enveloppes 7 et 8 et les tubes de flamme, et une partie de cet air parvient dans les tubes de flamme à travers les •J5 anneaux de refroidissement 9 dont chacun est adapté pour diriger cet air, sous forme d'une pellicule circonférentielle et presque continue, sur la surface interne de la paroi du tube de flamme située en aval de celui-ci. Un de ces anneaux de refroidissement 9 est montré à plus 20 grande échelle et avec plus de détails sur les figures 2 et 3. D'après ces figures, on voit que l'anneau de refroidissement comprend des parties extrêmes 10 et 11, orientées axialement, qui sont dimentionnées pour être reliées respectivement à l'extrémité aval d'une section de paroi amont, et à l'extrémité amont 25 d'une section de paroi aval. Le sens d'écoulement de l^ir de refroidissement et des gaz chauds est indiqué par la flèche A. Les extrémités respectives des deux sections de paroi adjacentes sont disposées sur des rayons différents par rapport à l'axe du moteur, de telle façon que la partie intermédiaire 12 de l'anneau 30 de refroidissement 9 qui réunit les parties 10 et 11, forme un angle par rapport à l'axe du moteur. Cet angle peut être de 90° mais, dans l'exemple présenté, il est de 40°. La partie intermédiaire 12 est percée d'un grand nombre de trous minuscules 13, au moyen d'une foreuse à faisceau d'élec-35 trons à grande puissance, trous qui traversent complètement cette paroi, pour permettre le passage d'un courant d'air de refroidissement. Chaque trou est percé à l'aide d'une seule émission d'un faisceau d'électrons, ce qui rend le procédé très rapide. Sur . les dessins, et dans l'exemple qui est présenté, il y a sept cou-40 ronnes de trous distants les uns des autres de 0,680 mm} 72 02345 4 2123386 chaque trou d'une couronne est décalé par rapport à ceux des couronnes adjacentes, et ces trous couvrent toute la surface de la partie intermédiaire 12. L'écartement et la disposition en quinconce des trous sont tels que les centres des trous, sur 5 deux couronnes voisines, forment les sommets de triangles équi-latéraux. Le diamètre des trous est de 0,400 mm, et la surface totale des trous représente approximativement le cinquième de la surface de la partie intermédiaire. Chacun des trous a été percé avec un angle de 30° par 10 rapport à la normale de la surface de la partie intermédiaire, de sorte que l'axe de chaque trou fait un angle de 20° avec celui du moteur. L'angle de cette partie intermédiaire, et celui de l'axe des trous par rapport à l'axe du moteur, résultent d'un compromis entre la condition idéale qui comprendrait une partie 15 intermédiaire radiale, c'est à dire faisant un angle de 90° avec celui du moteur, comprenant des trous dont les axes sont parallèles à celui du moteur, etïi nécessité d'avoir un nombre suffisant de couronnes de trous sans donner à cette partie intermédiaire de l'anneau de refroidissement une dimension radiale trop 20 importante, ou sans que l'axe des trous s'écarte trop du parallélisme avec l'axe du moteur. Avec les axes des trous faisant uçéingle de 20° par rapport à celui de l'axe du moteur, le courant d'air qui passe par les trous sera dirigé vers la paroi du conduit en un temps très court, pour former une pellicule sur 25 cette paroi et, comme il y a sept couronnes de trous, l'air chaud à l'intérieur du tube de flamme doit s'écouler suivant un trajet très sinueux entre les très nombreux et distincts jets d'air de refroidissement issus des trous, pour atteindre la paroi du tube de flamme sur la petite longueur de paroi située entre l'an-30 neau de refroidissement et l'endroit où les différents jets âe fusionnent en une pellicule continue. De plus, la base A, c'est à dire la profondeur radiale, entre la surface radialement intérieure de l'anneau de refroidissement et le premier trou de refroidissement doit être minimale. Ceci peut être obtenu en 35 faisant varier les angles des axes des trous de façon que la couronne de trous de refroidissement radialement intérieure ait des trous dont l'axe fait avec celui du moteur un angle plus aigu que ceux de la couronne externe. Les trous sont de préférence aussi petits qu'ils peuvent 40 pratiquement l'être, c'est à dire allant jusqu'à un diamètre 72 02345 5 2123386 de 0,125 mm. De très petits trous, cependant, peuvent être obstrués par de la poussière ou des corps étrangers contenus dans l'air de refroidissement, de sorte, qu'un diamètre de 0,250 mm peut être considéré comme un diamètre minimum pour les trous, dans 5 un milieu sale comme celui des moteurs à turbine à gaz. Dans les milieux plus propres, on peut utiliser des trous allant jusqu'à 0,125 mm de diamètre. La limite supérieure du diamètre des trous est fixée en considérant le fait qu'on accroit le prix de l'opération de perçage en raison de l'augmentation de la puissance •JO nécessaire, et que.l'on diminue les performances du refroidissement lorsque le diamètre des trous augmente. Avec le perçage réalisé par une unique impulsion d'un faisceau d'électrons, qui représente la technique recommandée, du fait de sa rapidité et son faible prix, le taux d'augmentation du ppix en fonction du *î 5 diamètre croit de façon très rapide pour des- diamètres de trous supérieurs à 0,500 mm, et l'on recommande donc de ne pas dépasser cette dimansion, bien que la chute des performances du refroidissement soit progressive et représente encore une amélioration par rapport aux anneaux de refroidissement percés de 20 façon conventionnelle, où l'on utilise des trous allant jusqu'à 0,750 mm de diamètre. A mesure que le diamètre des troua augmente, cependant, le nombre de couronnes diminue pour une profondeur donnée de l'anneau de refroidissement, et l'on considère que le nombre minimum de couronne nécessaires en vue de 25 créer un chemin suffisamment sinueux, pour réduire la quantité de gaz chauds qui atteint la paroi du conduit, est de trois. Les anneaux de refroidissement faits comme décrit ci-dessus sont d'une forme générale simple et, en utilisant un procédé de perçage comportant une seule impulsion d'un faisceau 30 d'électrons à grande énergie, ils peuvent être obtenus avec un prix de revient fortement réduit, par rapport à celui d'un anneau réalisé de façon conventionnelle, surtout si ces anneaux sont faits en alliages résistant à de très hautes températures comme le PK 24. 35 L'emploi d'une perceuse à faisceau d'électrons présente l'avantage supplémentaire que, tant que la tension est maintenue,une fois que la machine a été réglée pour une dimension de trous donnée dans un matériau d'épaisseur donnée, le faisceau d'électrons produira toujours des trous de même dimension, et 40 il ne peut y avoir d'usure, comme c'est le cas pour une machine 72 02345 6 2123386 mécanique. Le calibrage est réalisé sur une pièce d1essai, avant le début du perçage des pièces en série. L'invention apporte un avantage supplémentaire qui provient de ce que certaines surfaces des parois de la chambre de 5 combustion qui, pour un modèle de moteur donné, peuvent être plus chaudes que d'autres, sont susceptibles d'être refroidies par un nombre de trous plus grand. Sur une perçeuse automatique utilisant un faisceau dîélectrons, on peut obtenir très facilement de telles variations dans le nombre des trous, en modifiant 10 les instructions de la machine sur la bande perforée, ou sur tout autre programme de commande. Ainsi, on peut obtenir un rendement très élevé de l'air à travers les anneaux de refroidissement conformes à l'invention. Celle-ci a été décrite en se référant aux tubes de flam-15 me,de la chambre de combustion annulaire d'un turboréacteur, mais elle est applicable de façon évidente aux parois de conduits où circulent d'autres fluides chauds, par exemple les garnitures des parois de tuyaux de réchauffage', ou bien les parois de groupes indépendants et annulaires de tubes de flamme 20 ou de brûleurs que l'on utilise parfois dans les équipements de combustion des turboréacteurs. 72 02345 7 2123386 REVENDICATIONS 1 - Conduit qui comprend des sections coaxiales amont et aval qui ne sont pas à la même distance de l'axe de ce conduit, et une section de refroidissement à travers laquelle un fluide refroidissant peut être envoyé pour former une pellicule pur l'une ^ des surfaces du conduit, ce conduit étant caractérisé par le fait que sa section de refroidissement se compose de deux portions d'extrémité réunies à ces sections, et d'une partie intermédiare qui comprend au moins trois couronnes de trous la traversant, chaque trou d'un^rangée étant décalé par rapport 1 n u aux trous des couronnes adjacentes, le diamètre des trous pouvant varier entre 0,125 et 0,750 mm. 2 - Conduit suivant la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est de section transversale circulaire, et que sa section de refroidissement a la forme d'un anneau reliant les sections 15 amont et aval du conduit, qui ont des diamètres différents. 3 - Conduit suivant la Revendication 2, caractérisé par le fait que la section située en aval est d'un diamètre plus grand que la section amont, que la partie intermédiaire de l'anneau de 20 refroidissement est conique, et diverge vers l'aval entre les sections amont et aval, les trous de la partie intermédiaire de l'anneau de refroidissement étant disposés de telle sorte que le fluide refroidissant qui s'écoule autour de la surface extérieure de la section amont du conduit, passe par les trous pour former 25 une pellicule de fluide refroidissant, sur la surface interne de la section située en aval. l'une , , 4 - Conduit selon/des Revendications precedentes, caractérisé par le fait que les centres de deux trous consécutifs, dans une rangée, forment un triangle équllatéral avec le centre d'un trou de la rangée voisine. 5 - Conduit suivant l'une des Revendications précédentes, caractérisé par le fait que le diamètre des trous est compris entre 0,250 et 0,500 mm. 35