Brevet FR2518246A1 — publié le 19830617

Dis_positif d, rdeent d_ _ >::érités tubul -: ' _ - trice d'cla 3 ngeuir de chaleur avec le fond de l'éch:' -,r Lr d-e cha- leur correspondant". L'invention concerne un dispositif de raccordemei des extr_:ité,s tubul'; res des petits tu S ", e- ment qui appartiennent à une matrice courants croisés/contrecou- rants d'un échangeur de chaleur et qui sont parcourus par un gaz relativement frais (air comprumé), avec le fond d'é- changeur de chaleur d'un ou plusieurs tubes collecteurs conformés pour l'amenée ou l'extraction d'air comprimé dans ou hors de la matrice d'échangeur de chaleur concernée, ledit fond d'échangeur de chaleur étant muni d'orifices correspondants En particulier l'invention concerne un procédé de fabrication d'un tel dispositif de raccordement. On connait d'après la demande de brevet publiée N 2 907 810, un échangeur de chaleur qui est approprié pour l'u- tilisation du dispositif de raccordement qui vient d'être décrit ou de son procédé de réalisation Dans cet échangeur de chaleur connu, il est prévu une première conduite d'air comprimé par l'in- termédiaire de laquelle l'air comprimé à haute pression fourni par exemple par un compresseur et destiné à un groupe motopropul- seur à turbine à gaz, peut être amené à la matrice d'échangeur de chaleur concernée dans laquelle l'air à haute pression est réchauf fé du feit d& l'application de gaz chaud, l'air à haute pression étant finalement extrait de la matrice de l'échangeur de chaleur et envoyé dans une deuxième conduite qui est reliée avec un utili- sateur approprié, c'est-à-dire, dans le cas présent, à la chambre de combustion de ce groupe motopropulseur à turbine à gaz Par exemple, dans cet échangeur de chaleur connu, les deux conduites tubulaires séparées l'une de l'autre peuvent être intégrées dans un tube collecteur commun, la matrice d'échangeur de chaleur considérée faisant saillie des deux côtés de ce dernier en forme de U. Dans un tel échangeur de chaleur de type connu, il y a lieu de tenir compte de ce que l'on doit souder environ 1 ' O Oaq c,-c':i ornz do ceduite Du plus pras en e d'un seui L cup 2518246- -2 avec le fond d'é:hancgeur de chdlcu K concerné Cette Aeération de soudage représente un facteur de risque non encore niitrisé dans la réalisation de tels échangeurs de chaleur, du fait que cela implique nécessairement des espaces ou cordone de soudage relative vent yrarnds qui doiven U se trouver entre chacune des extc l es de tubes et les parois perforées correspondantes, et il faut partir du principe qu'un espace de soudage suffisamment grand doit assu- rer un transport sans problème de la soudure qui est amenée à l'état de liquide en fusion Cela veut dire qu'il existe toujours le risque que la soudure, qui est amenée sous forme de liquide en fusion, se répande dans des zones se différenciant par leur loca- lisation, si bien que, à la fin du processus de refroidissement, on ne peut pas avoir l'assurance que les cordons de soudage con- cernés qui sont relativement grands soient remplis sur toute leur périphérie de manière continue En outre, la pratique a mon- tré que des cordons de soudage relativement grands pour la prépa- ration de volume de soudure relativement élevé, peuvent influencer de manière défavorable la résistance mécanique de telles liaisons. En outre, une épaisseur de soudure relativement grande dans les cordons concernés a des effets désavantageux en ce qui concerne la tenue à la corrosion. L'invention se propose donc d'éliminer les pro- blèmes qui ont été exposés ci-dessus pour les dispositifs de rac- cordement connus jusqu'à ce jour ou pour leur procédé de fabrica- tion, et de fournir une solution appropriée grâce à laquelle les petits tubes ou profilés d'échangeur de chaleur peuvent être ins- tallés de manière solide, d'une manière relativement simple, tout en assurant une capacité de résistance à la température et d'étan- chéité optimale dans les fonds d'échangeurs de chaleur concernés. Conformément à l'invention, ceci est obtenu par- le fait que chaque extrémité tubulaire est façonnée sur un mandrin par estampage, forgeage ou analogue et, après calibrage de son contour extérieur, est enveloppée d'une matière de soudure, ladite extrémité de tube ainsi préparée étant introduite en même temps que le mandrin dans le trou aménagé dans le fond de l'échangeur 3 - de chaleur -, en tirant ensuivt le mandrin en ri,:cction de la paroi voisin du trou et des Bords de ces dernier:s, subissant une opératio:a de pressage, une liaison métallurgique étant en sui- te réalisée par chauffage local entre l'extrémité tubulaire et la partie concernée du fond de l'échangeur de chaleur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le trou aménagé dans le fond de l'échangeur de chaleur, v compris la paroi périphérique de l'extrémité tubulaire concernée, présen- te une section qui diminue dans la direction de la paroi intérieu re du fond de l'échangeur de chaleur, sous un faible angle d'in- clinaison, de manière faiblement conique, pour fermer le cordon périphérique sous l'effet d'une pression superficielle aussi bien radiale qu'axiale entre le trou 9 qui y est aménagé et l'extrémité tubulaire 10, lorsque, au moyen du mandrin et de sa collerette, on étire l'extrémité tubulaire conique dans le trou conique cor- respondant. Grâce au mouvement de tirage du mandrin à tra- vers le tube ou vers l'extérieur de ce dernier, conformément au procédé selon l'invention ou lors de la connexion, on obtient de manière sûre la réalisation simultanée d'un jointage impeccable et du soudage de la connexion (petit tube ou corps profilé creux/ fond de l'échangeur de chaleur) Le mouvement de tirage du mandrir à l'intérieur du tube et/ou en le sortant de ce dernier, entraîne ainsi une compression de matière cobtenue mécaniquement le long des surfaces concernées grâce à l'inclusion de la feuille de sou- dure ou de la masse de soudure rapportée sur l'extrémité du tube, de telle manière que, avant l'opération de chauffage consécutive destinée à la fabrication finale du raccord, chaque cordon se trot vant entre l'extrémité tubulaire et la paroi du trou du fond de l'échangeur de chaleur est comprimé ou éliminé de manière impec- cable, ce qui élimine pratiquement toute modification locale du revêtement de soudure. De plus, grâce à l'invention, on n'a besoin que d'un volume de soudure extrêmement faible et, de manière corres- qn ninte, cue de minces couches de soudure pour les liaisons -4- co-, cernées, ce qui agit de manière particulièrement favcrable aussi bien en ce qui concerne les influences de la co ircsio D que, également, une relativement faible demande en matière de soudure. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vrci sn úesctiront de la description qui suit, faite à Litra il- lustratif, en se référant aux dessins ci-annexés, sur lesquels: la fig 1 est une coupe partielle le long d'un plan médian longitudinal d'un premier mode de réalisation du rac- cord d'échangeur de chaleur, la fig 2 est une coupe partielle selon un plan médian longitudinal d'un deuxième mode de réalisation de l'inven- tion, la fig 3 est une coupe partielle selon un plan médian longitudinal d'un troisième mode de réalisation de l'inven- tion, et la fig 4 est une coupe selon la ligne IV-IV de la fig 3. La fig 1 illustre la connexion ou un procédé de fabrication de connexions pour l'extrémité tubulaire 1 d'un pro- filé d'écoulement 2 appartenant à une matrice courants croisés/ contrecourants d'un échangeur de chaleur avec le fond 3 de l'é- changeur de chaleur qui a été muni de trous correspondants;dans ce cas, l'extrémité 1 tubulaire est tout d'abord façonnée sur un mandrin 4 par estampage, forgeage ou analogue et, après calibra- ge du contour extérieur, elle est enrobée d'une matière de soudure. Ensuite, l'extrémité tubulaire 1 est engagée avec le mandrin 4 dans le trou aménagé (paroi 5) dans le fond 3 de l'échangeur de chaleur et, lors d'une opération consécutive de tirage du mandrin 4, l'extrémité tubulaire 1 subi une opération de pressage par l'intermédiaire de la collerette 6 du mandrin 4 selon la direction de la flèche S vers la paroi voisine 5 du trou et les bords de ce dernier; ensuite, par un chauffage local, on réalise une liaison métallurgique entre l'extrémité tubulaire 1 et la partie du fond de l'échangeur de chaleur concernée Dans ce cas, le contour. - e-:t Lérieur di t-:trémittubuluuiradoit au prê a &tre cali- bré de manièr aussi exacte que cia est npcessairi pour la réa- lisation du moulage. En vue d'une fabrication rationnelle, il es' de îpu':rellc:eilié quu la lia-iznt Uc'L ciui ce Lci i: extrémités tubulaires avec le fond concerné de l'achan-eur de cha- leur, s'effectue par chauffage dans un four ou analogue de manière simultanée, c'est-à-dire en un seul coup. Comme cela ressort par ailleurs de la fig 1, le mandrin 4 présente, à son extrémité voisine de la paroi extérieure du fond 3 de l'échangeur de chaleur, la collerette 6 qui constitue une saillie extérieure circulaire sur la paroi du mandrin et qui est destinée à l'opération de pressage décrite plus haut par le mouvement de tirage du mandrin 4 Du fait du façonnage préalable- ment réalisé sur l'extrémité tubulaire 1 qui est placée sur le man- drin 4, il se forme simultanément un élargissement 7 du tube de forme circulaire et correspondant à la collerette 6; cet élargis- sement 7 du tube sert de butée de trou pour l'extrémité de tube 1 à côté du profilé 1 sur la paroi extérieure du fond 3 de l'échan- geur de chaleur. En outre, le contour extérieur de l'extrémité de tube 1 peut être calibré simultanément pendant le façonnage sur le mandrin 4. Selon un autre mode de réalisation, la matière de soudure nécessaire pour le dispositif de raccordement ou pour la fabrication conforme au procédé selon l'invention peut être appli- quée et mise en forme sur l'extrémité du tube soit en même temps que le façonnage de l'extrémité du tube sur le mandrin, soit en même temps que le processus de calibrage, ceci s'effectuant en fait par estampage, forgeage, ou laminage dans le sens d'un doubla- ge. Selon un autre mode de réalisation, la matière de soudure peut être rapportée sur l'extrémité du tube sous la forme d'une feuille enroulée La feuille de soudure est, dans ce cas, èq:: em ent appliquée mécaniquement, et on peut utiliser une feuil- l *-e verre-;;'-_ti L connue sous la dcnomination coimerciale _ 6 _ ? 2518246 -:;, conme fe i L ';a soudure La ',ère de soudué ?, p:r -::-ampl eêtre rap? L galvaniquemern par pulvérisat;-a, par irir r Lon dans un liqluide de soudage ou pae frittage (poudre de soudure) sur la ou les extrémités de tube concernees. La fente concernée ou le cordon U entre la paroi cd tio d 5;'ue par et l ex 'é 1 tubulaire 1 co cea:r Ua d'aui tre part, est déterminée selon les nécessités des possibilités de montage et des tolérances de fabrication Ce cordon U peut -comme cela est représente à la fig 1 être cylindrique, mais il-peut'être au;si légèrement conique, clest-à-dire sous la forme d'un cone se rétrécissant de l'extrémité supérieure vers l'extrémité inférieure du trou. On peut voir en outre sur la fig 1 l que l'extrémi- té tubulaire 1 fait saillie par sa partie 8 vers le bas de l'ouver- ture du tube; cette partie 8 du tube faisant saillie axialement est coudée sur le bord inférieur du trou, comme cela est représen- té en pointillés, au cours de l'extraction finale du mandrin 4 hors de l'extrémité du tube sous l'effet de la collerette 6. Conformément à la fig 1, il existe également l'i- dée de base de tirer le mandrin 4 avec la collerette 6 à travers la section de tube ou l'extrémité de tube 1 à jointer afin de fermer le joint U concerné disposé entre ia paroi du trou 5 et la partie périphérique voisine de l'extrémité de tube 1, par un élar- gissement soudain de l'extrémité de tube 1. Dans je cas de l'autre variante citée, dans 1 e cadre de la fig 1, qui n'y est pas davantage représentée et qui concerne un joint à profil conique, on part du principe que le joint est déjà fermé avant que le mandrin et sa collerette qui réalise le travail ultérieur de foulage, n'aient été-tirés à travers l'extrémité du tube en forme de manchon. Grâce à une disposition et à un dimensionnement correspondants de la collerette, selon les indications de la pres- sion nécessaire, on a ainsi une solution qui, par rapport au cas de la fig, présente un degré de façonnage relativement faible, ce qui, à son tour, a pour conséquence une dépense en énergie -7- et une usure d'outil relativement faibles, ainsi que des varia- tions de tolérance faibles. Dans le procédé de fabrication du raccordement conforme à la fig 1, on peut partir du principe qu'on utilise ó:::e dt S 2 {po$siif pr-vu accessoireen pour ralli er le p-oel une butée qui agit comme appui du raccordement ou du fond 3 de l'échangeur de chaleur, lors du processus de fabrication à l'en- contre de la flèche S et qui doit s'accrocher à partir du bas, dans la partie 8 faisant saillie axialement Grâce a cette butte on peut réaliser le processus de coudage de la section de tube 8 faisant saillie axialement contre la paroi intérieure du fond A de l'échangeur de chaleur, ladite paroi se teouvant au voisinage de la paroi 5 du trou; La fig 2 représente une autre variante dans la- quelle on a utilisé, pour l'essentiel, les mêmes chiffres de ré- férence que ceux de la fig 1; dans cette variante, le trou 9 qui est aménagé dans le fond 3 de l'échangeur de chaleur, ainsi que la paroi périphérique de l'extrémité concernée 10 du tube sont conformés de manière à présenter un rétrécissement, chacun avec le même angle d'inclinaison, en direction de la paroi intérieure du fond 3 de l'échangeur de chaleur, de manière à réaliser une forme faiblement conique Dans cette rfome de réalisation, la collerette n'effectue donc pas en soi aucune déformation plastique du tube, *ente collerette se troave Deaucoup plus touj Durs dans la position la plus basse qui est représentée, position dans laquelle cette collerette est enserrée latéralement par la partie terminale 8 ' du tube qui fait saillie axialement Dans le mode de réalisation de la fig 2, à l'aide du mandrin 4 et de sa collerette 6, on tire l'extrémité conique 10 du tube dans le trou 9 conique correspondan les cordons périphériques correspondants U' étant fermés par pres- sion superficielle aussi bien radiale qu'axiale entre la paroi du trou qui lui fait face et l'extrémité 10 tubulaire Dans la forme de réalisation selon la fig 2, on peut par ailleurs écarter finale- m.nt le mandrin 4 de l'extrémité du tube 10 en coudant l'extrémité tubulaire 8 faisant saillie axialement contre la paroi intérieure Dû r-nd de l' changeur d chaleur iiu mr oven d'outils apprpriÄs. La fig 4 représente encore un autre mode de réali- sation dans lequel on a utilisé les mîmes chiffres de référerce que pour les fig 1 et 2 pour les éléments qui n'ont pas été modifiés de manière essentielle; le mode de réalisation de la fig 3 dif- fe ess-ntielment dr celui de la fig 2 par le fait q a ol a- rette 6 concernée du mandrin 4 effectue, juste avant la phase d'ex- traction de l'extrémité du tube 10, encore une certaine pression superficielle sur le raccordement; mais par rapport au mode de réalisation de la fig 2, le but principal-de cette disposition du mandrin 4 et de la collerette 6 comme cela est représenté est de rabattre l'extrémité de tube 8 " qui fait saillie axialement vers le bas contre la paroi inférieure du fond 3 de l'échangeur de cha- leur simultanément avec le processus final d'extraction du mandrin, ce qui est représenté par le contour en pointillé des arêtes rabat- tues correspondantes. Dans le cadre de la présente invention, le tube ou l'extrémité de tube ( 1 ou 10) représenté dans les exemples de réalisation selon les fig 1 à 3 peut présenter un coefficient de dilatation thermique légèrement plus élevé que celui du matériau constituant le fond 3 de l'échangeur de chaleur, ceci afin de produire une pression supplémentaire dans les joints U ou U' pendant le proces- sus de liaison métallurgique sous l'influence de la te-pérature régnante. Selc: une autre - aiiante des exeuples de zialisa- tion représentés, il est tout à fait possible dans le cadre de la présente invention, de couder ou de rabattre la section de tube qui fait saillie axialement par-dessus l'arête inférieure du trou contre l'arête inférieure du trou ainsi que contre les parties limitrophes de la paroi interne de l'échangeur de chaleur avant l'extraction du mandrin. La fig 4 représente enfin une coupe de profil dans laquelle les barrettes médianes 11 qui se font face l'une à l'autre sont par exemple soudées le long de leurs extrémités de barrettes, en prévoyant deux canaux séparés l'un de l'autre 13 et 14 qui pour- ront être alimentés avec de l'air comprimé dans le cadre du proces- -s " 'fhanrf dv, chaleur. -9 _ REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de raccordement des ex:rédi O Lts tu- bulaires de petits tubes ou profilés d'écoulement qui apparii ea- nent à une matrice à courants croisés/contrecourants d'un échan- glur de chaleur et qui peuvent être alimentés par un gaz rela iqe- ment frais (air comprimé) avec le fond de l'échangeur de chaleur d'un ou plusieurs tubes collecteurs conformés pour l'alimentation et l'extraction d'air comprimé dans la matrice d'échangeur do cha- leur concernée, ledit fond de l'échangeur de chaleur comprenant des trous correspondant chacun à un petit tube ou à un profilé d'é coulement, caractérisé en ce que chaque extrémité tubulaire ( 1) est façonnée par estampage, forgeage ou analogue sur un mandrin ( 4 et, après calibrage de son contour extérieur, est enrobée d'une ma bière de soudure, ladite extrémité de tube ainsi préparée étant introduite ensuite avec le mandrin dans le trou correspondant du fond ( 3) de l'échangeur de chaleur et subissant une opération de pressage contre la paroi voisine ( 5) du trou et les arêtes de ce dernier lors du mouvement consécutif de tirage du mandrin, une liaison métallurgique étant ensuite réalisée par chauffage local entre l'extrémité de tube et la partie correspondante du fond de l'échangeur de chaleur. 2 ) Dispositif de raccordement selon la revendica tion 1, caractérisé en ce cue le mandrin ( 4) présente, à son extré mité voisine de la paroi extérieure du fond ( 3) de l'échangeur de chaleur, une collerette ( 6) qui fait saillie circulairement sur la paroi du mandrin et qui est destinée à réaliser l'opération de pressage ou de façonnage de l'extrémité du tube lors des mouve- ments de tirage à l'intérieur et/ou à l'extérieur de ce dernier. 3 ) Dispositif de raccordement selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, par suite du façonnage de l'extrémité de tube ( 1) on forme sur le mandrin ( 4 un élargissement ( 7) du tube correspondant à la collerette et de forme circulaire, ledit élargissement ( 7) servant de butée de trou. '- ) Disp:s ii f de raccordeneat selon l'une u - conque des revendications i à 3, caractérisé en ce que le cc, h-ur. extérieur de l'extrémité du tube est calibré stultanémznt pendant le façonnage par le mandrin. 50) Dspo 3stiif da raccordement selon i'uae quel- cnque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière de soudure est appliquée et mise en forme sur l'extrémité du tube si- multanément lors du façonnage de l'extrémité du tube sur le mandrin ou simultanément avec le processus de calibrage, par exemple par estampage, forgeage ou laminage dans le sens d'un doublage. 6 ) Dispositif de raccordement sleon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matière de soudure est rapportée sur l'extrémité de tube sous la forme d'une feuille enroulée. 7 ) Dispositif de raccordement selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la matière de soudure est rapportée sur l'extrémité de tube, par exemple, galvaniquement, par pulvérisation de couche, immersion (soudure liquide) ou par frittage (soudure en poudre). 8 ) Dispositif de raccordement selon l'une quel- conque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'extrémi- té tubulaire ( 1) est introduite dans le trou correspondant du fond ( 3) de l'échangeur de chaleur à une distance telle qu' une section de tube ( 8) faisant saillie axialement sur l'arête infé- rieure du trou est coudée latéralement sur l'arête inférieure du trou lors de l'extraction du mandrin ( 4) sous l'effet de la colle- rette ( 6) de ce dernier. 9 ) Dispositif de raccordement selon l'une quel- conque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le joint (U) se trouvant entre la paroi { 5) du trou et la paroi périphérique limitrophe de l'extrémité concernée ( 1) du tube est conformée de - manière cylindrique ou sous forme conique en se rétrécissant de manière continue à partir de la paroi extérieure du fond de l'é- chnr-cireur de chaleur vers la paroi intérieure. t) Dispositiff d? rccordement s: l 'une quel -' Yue des revei l ':tions 1 à 8, caractérisé en ce qu Le trou a anagé dans le fond ( 3) de l'échangeur de chaleur ainsi qtie la p L.troi périphdrique de l'extrémité ( 10) considér'e du tube sozlt conformés de manière à se rétrécir de manière aien cof b;:e s:-,3 des angles d'inclinaison égaux en direction de la paroi inté rieure du fond de l'échangeur de chaleur, afin de fermer le joint périphérique (U') sous l'action d'une pression superficielle auss bien radiale qu'axiale entre la paroi ( 9) de trou en rejard et l'extrémité tubul aire ( 10), lorsque, au moyen du mandrin ( 4) et d sa collerette ( 6) on tire l'extrémité conique ( 10) du tube dans le trou conique correspondant. 11 ) Dispositif de raccordement selon l'une quel- conque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque tube ou extrémité de tube ( 1,10) présente un coefficient de dila- tation thermique faiblement supérieur à celui du matériau consti- tuant le fond ( 3) de l'échangeur de chaleur. 12 ) Dispositif de raccordement selon l'une quel- conque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la section de tube faisant saillie axialement sur l'arête inférieure du trou est coudée contre l'arête inférieure du trou ainsi que contre les parties voisines de la paroi intérieure du fond de l'échangeur de chaleur sous l'effet supplémentaire d'une butée s'accrochant sur ladite section de tube 13 ) Dispositif de raccordement selon l'une quel- conque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la section de tube faisant saillie axialement sur l'arête inférieure du trou est coudée contre l'arête inférieure du trou ainsi que contre les parties voisines de la paroi intérieure de l'échangeur de chaleur avant l'extraction du mandrin. 14 ) Dispositif de raccordement selon l'une quel- conque des revendications 1) 13, caractérisé en ce que la liaison métallurgique à effectuer par chauffage de plusieurs ou de lt'ensem- ble des extrémités de tubes avec le fond de l'échangeur de chaleur e: réalisée simultanément, c'est-à-dire en un seul coup. ') Procédé de fabricationi d'uim d isposi-tif'de raccordement sleon l'une quelconque des revendications 1 à 14. > Appareil pour la fabrication d'un dispositif de raccordement selon l'une àuelconqi 4 e des revendications I à 14.