Brevet FR2594445A1 — publié le 19870821

Dispositif pour le refroidissement ou l'équilibre thermique différentiel de parois intérieures et extérieures ou des zones de paroi d'une pièce notamnent d'une pièce de turbo- réacteurs. La présente invention concerne un dis- positif pour le refroidissement ou l'équilibre thermique différentiel des parois intérieures et extérieures ou de zones de paroi d'une pièce notamment d'une pièce de turbo- réacteur. Ce dispositif s'applique de manière générale à la construction mécanique et en particulier à la construction de turboréacteurs avec une pièce ayant un perçage central tel qu'un alésage de moyeu. De telles pièces de machine sont ha- bituellement soumises à des contraintes élevées exercées soit par les forces mécaniques telles que des forces cen- trifuges que par des contraintes d'origine thermique. En particulier, on a des champs de température et de tension instables engendrés par l'action des fluides en particu- lier du fluide utile tels que le gaz dans une turbine à gaz ou la vapeur dans une turbine à vapeur ou l'air dans le cas d'un compresseur ou les gaz d'échappement dans le cas d'un turbocompresseur de moteur. Les échanges de chaleur ainsi engendrés par exemple par les conduites de chaleur ne se calculent que très difficilement. On se reportera à cet effet au document de la publication VDI, Série 6, nO 39 ayant pour titre "Aufheiz- und Abk hlvorgânge in Platten". Ainsi, les contraintes thermiques sont détermi- nées par le matériau, les dimensions de la pièce et l'in- tensité du refroidissement ou du réchauffage de la surface de la plaque ou du coeur de la plaque c'est-à-dire par les gradients de température dans la plaque. De tels gradients de température sont toutefois engendrés également de manière intentionnelle pour obtenir des contraintes internes telles que des con- traintes en pression dites précontraintes. Voir à cet effet, le livre "Eigenspannungen, Entstehung-Messung- Bewertung", par E. Macherauch et V. Hauk de Deutschen Gesellschaft fur Metallkunde e. V. 1983. Ce livre décrit différents essais sur des aciers alliés pour par exemple examiner le développe- ment des contraintes propres en surface et au coeur d'un cylindre en acier. On arrive à la conclusion qu'il existe fondamentalement une corrélation entre les possibilités de durcissement et le développement des contraintes pro- pres. La présente invention a pour but dans le cas de matériaux métalliques notamment d'alliages métal- liques y compris des matériaux fabriqués suivant la métal- lurgie des poudres, de trouver un chemin avantageux pour qu'à l'aide de traitements appropriés, on puisse obtenir des contraintes propres souhaitées dans une pièce. On arrive ainsi dans le cas de pièces,en particulier de pièces de révolution ayant un alésage en leur centre,comme par exemple des pièces de turboréacteur avec un alésage de moyeu, même pour des disques de turbine à aubes, de com- mander de manière appropriée les paramètres de traitement. A cet effet, l'invention concerne un dispositif caractérisé par une répartition de buses sépa- rées dans l'espace et/ou dans le temps pour l'ali- mentation en fluide présélectionné. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif est caractérisé par une buse centrale et/ou un tube à jet pour l'éouilibre en tempé- rature, le refroidissement d'une paroi intérieure ou d'une zone de paroi intérieure d'une pièce. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte des tubes à jet et/ou des dispositifs de buses pour l'équilibre/refroidissement des parois extérieures de la pièce, et qui sont dirigés de sa périphérie vers l'intérieur. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les dispositifs de l'éouilibre intérieur et extérieur de la température de la pièce tels que des tubes à jet et/ou des dispositifs à buses sont susceptibles de recevoir différents fluides. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif reçoit des fluides de tempéra- tures différentes et/ou de pressions différentes ou de températures et de pressions différentes. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les fluides sont de l'air comprimé, de l'eau ou un mélange eau/air ou une émulsion soluble dans l'eau. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte au moins une buse-mé- langeuse, centrale qui permet d'avoir un mélange réglé. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif est caractérisé par au moins un tube à jet mobile alternativement autour d'un axe cen- tral du dispositif. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif est caractérisé par au moins deux tubes à jet et/ou dispositifs à buses mobiles rela- tivement l'un par rapport à l'autre. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le tube à Jet mobile est en outre rotatif notamment à la manière d'une roue à eau de type Segner. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la pièce est montée à rotation et les tubes à Jet ou les dispositifs à buses sont fixes. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif est caractérisé en ce qu'entre le tube à Jet et/ou le dispositif à buses et la pièce ou le support, il est prévu au moins partiellement un moyen d'isolation thermique. Suivant une autre caractéristique de l'invention, dispositif caractérisé en ce qu'il est prévu entre un poste de traitement thermique tel qu'un four et un poste de refroidissement et/ou de sèchage. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le transfert de la pièce se fait par passage suivant l'axe central du four, du poste de trempe et/ou de refroidissement ou du poste de traitement et/ou de séchage. Enfin, suivant une autre caractéristi- que de l'invention, le traitement est commandé successive- ment dans le tenps et en continu, de manière automatique. L'avantage principal de l'invention est de permettre d'engendrer de manière souhaitée des con- traintes propres dans des pièces très sollicitées du fait que de manière dirigée, on commande l'intensité locale et/ou dans le temps du refroidissement, pour arriver à des gradients de température souhaités dans l'alésage c'est-à-dire au niveau du moyeu de pièces de turboréacteur. Le refroidissement du moyeu peut être accéléré au niveau des surfaces importantes. Pour le refroidissement, on peut également procéder de manière à ne pas faire avancer trop rapidement le refroidissement pour éviter des fissures engendrées par les contraintes. De manière préférentielle, la commande se fait en continu. Dans le mode de réalisa- tion le plus simple, le refroidissement interne est mis en oeuvre au niveau du moyeu avant le refroidissement externe de la pièce. D'autres exemples de réalisation seront décrits ci-après. L'invention n'est pas limitée à cer- tains matériaux ou certaines pièces (tant pour les dimen- sions que la forme) ou des moyens de refroidissement ou de trempe. L'invention concerne de manière explicite toutes les combinaisons et les sous-combinaisons des différentes caractéristiques exposées ci-dessus et développées dans la description, tant entre elles qu'avec des caractéristiques connues. Comme exposé ci-dessus, l'invention ne concerne pas seulement le refroidissement; elle peut également s'appliquer dans les mêmes conditions au réchauf- fage en particulier au réchauffage lent à l'aide d'un flui- de ainsi que pour le refroidissement. En outre, le fluide peut servir à conserver une température déterminée, pré- réglée par exemple commandée à l'aide d'un fluide au moins dans une zone locale et cela pendant une certaine période. Le dispositif selon l'invention s'est avéré intéressant en pratique. I1 a montré qu'il existe des indications claireset qu'on a des contraintes de com- pression dans une pièce après un traitement thermique ou un refroidissement. Dans l'application préférentielle, on a obtenu au niveau du moyeu de la pièce de turboréacteur, une réduction du diamètre de l'alésage-après le refroidis- sement, réduction qui pouvait se mesurer même après un refroidissement faible du moyeu. La variation de contour du moyeu représente ainsi une mesure qui se détermine quantitativement et sans utiliser de méthode destructive des contraintes de compression obtenues par le traitement commandé de manière dirigée tel que le durcissement dans une zone souhaitée ou suivant une intensité souhaitée. La présente invention sera décrite de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 montre un dispositif de refroidissement pour assurer le refroidissement interne et externe d'une pièce montée de manière fixe au milieu du dispositif. - la figure 2 montre une pièce montée fixe et une disposi- tion mobile des buses et des tubes à Jet. - la figure 3 montre une disposition de tubes ou de tubes à Jet mobiles. - la figure 4 montre le dispositif avec une pièce tournante et des buses ou des bras à Jet au moins partiellement fixes. - la figure 5 montre le dispositif avec une pièce fixe ou contrarotative par rapport à la cuve rotative. - la figure 6 montre un schéma de transfert pour le passage de la pièce entre le four et le poste de refroidissement et le cas échéant d'autres postes de traitement. On utilisera les mêmes références dans toutes les figures pour des pièces identiques ou ana- loges. La figure 1 montre le dispositif per- mettant d'obtenir de manière commandée des températures différentes sur une pièce notamment à l'intérieur et à l'extérieur de la piece. La commande se fait de manière déca- lée dans le temps et dans l'espace c'est-à-dire que dans le cas le plus simple, il est prévu une commande dans le temps en particulier un circuit de commande électronique muni de moyens tels que des éléments RC permettant de met- tre en oeuvre le refroidissement intérieur avant la mise en oeuvre du refroidissement extérieur. Le début et la fin de toute alimentation en fluide de refroidissement d'une buse ou d'un tube fournissant un jet sont commandés par ce circuit de temps ou par ces circuits de temps (éléments RC) de manière préréglée. La commande décalée dans l'espace pour le refroidissement intérieur et extérieur apparalt clairement à l'exemple de la figure 1; dans cet exemple on a une cuve 1 ou carter qui entoure une pièce 2 telle qu'un disque de rotor d'un turboréacteur ayant une surface extérieure 3 et une surface intérieure 4; dans ce cas, il s'agit de l'alésage du moyeu; cette pièce est montée sur l'axe central 5. L'axe central constitue en même temps l'axe de toutes les buses ou jets, que ceux-ci soient mobiles ou fixes. Comme cela apparaft à la figure 1, les jets 6 sont fixés à la cuve 1 du dispositif de refroidisse- ment et sont répartis en plusieurs rangées superposées à la périphérie de la cuve; la répartition périphérique est aussi régulière que possible et les jets 6, 8 du coin supé- rieur et du coin inférieur de la cuve font un certain an- gle par rapport à l'axe 5. Les jets ou buses qui se trou- vent sensiblement à mi-hauteur de la cuve sont fixés de manière horizontale à la paroi intérieure de la cuve 1. Le montage de la pièce 2 est fixe; ce montage porte la référence 7. Le montage est tel que sa structure ne gêne pas la pulvérisation par les buses et/ou les jets. Les buses ou les jets 6, 8 permettent d'in- jecter de l'air comprimé dans le cas le plus simple; cet air est fourni par une machine soufflante et se règle en pression et en débit par unité de temps. Les tubes à jet ou buses 6, 8 permettent également de fournir de l'eau de refroidissement ou tout autre fluide ayant une température déterminée et le cas échéant constante à l'aide de pompes commandées comme la machine soufflante à air comprimé. La référence 9 désigne une buse qui est dirigée sur l'alésage intérieur de la pièce 2 suivant l'axe central 5 du dessin par l'intermédiaire d'un tube d'écartement 10 qui dirige les jets sortant de la buse de façon qu'ils soient répartis aussi régulièrement que possible à la surface de l'alésage de moyeu ou qu'ils correspondent à toute autre répartition intéressante. La buse 9 peut être réalisée comme buse-mélangeuse notamment B pour deux produits tels que de l'air pour le tube 1I et de l'eau pour le tube 12; cette buse règle une commande de soupape connue en soi mais non représentée pour le rap- port de mélange entre les deux produits à mélanger; ce réglage se fait en continu. A la place de l'eau pure, il est éga- lement intéressant d'utiliser une émulsion c'est-à-dire une émulsion ayant les propriétés adéquates comme par exemple une bonne solubilité de l'eau ou de bonnes caractéristiques de pulvérisation sous forme de petites gouttelettes ou sous forme de brouillard. La figure 2 montre une variante de réalisation par rapport à la figure 1; un tube à jet peut s'introduire par le bas suivant l'axe central 5; ce tube est mis en rotation de manière préférentielle suivant une roue à eau de type Segner. Le sens de rotation et celui du déplacement sont indiqués par des flèches. Il est clair que la buse 9 peut être réalisée comme le tube d'émission de jet 13 et être mobile de manière commandée en sens oppo- sé du tube (voir figure 3). La figure 4 montre un dispositif de refroidissement avec un montage rotatif de la pièce 2 par exemple par l'intermédiaire d'un disque d'entraînement avec un cone de centrage 14 et un entraînement par cour- roie trapézoïdale 15. Tout autre moyen d'entrainement commandé pour des vitesses de rotation faibles peut conve- nir. On peut en particulier envisager un moteur électrique ou un moteur de transmission à vitesse de rotation réglable. Des remarques analogues à celles ci- dessus s'appliquent à un mode de réalisation dans lequel la cuve 1 du dispositif de refroidissement est rotative et le montage de la pièce est fixe. La rotation se fait autour; de l'axe central 5; elle peut se faire soit par l'intermédiaire de galets à friction 16, d'un ensemble formé d'un pignon ou d'une couronne dentée ou analogues. La figure 6 montre le transfert de la pièce du four vers le poste de refroidissement et cela sui- vant l'axe 5; en-dessous de la cuve, on peut prévoir une autre cuve de traitement dont l'axe est également l'axe 5. Dans ce cas, on peut avoir soit une atmosphère de gaz pro- tecteurs, soit une atmosphère d'un gaz de réaction ou d'un fluide tel qu'un fluide de traitement pour favoriser les traitements ou réactions ultérieurs, pour les retarder, les atténuer ou réaliser le refroidissement et le séchage à la température ambiante. Un ou plusieurs dispositifs de chauf- fage peuvent être prévus dans le four tels que par exemple un dispositif à rayonnement infrarouge 17 et/ou une bobine de chauffage par induction 18. On peut également introduire le cas échéant une tige chauffante, au milieu du moyeu Comme moyens de transfert, on utilise avantageusement un manipulateur 19 télécommandé avec une pince mobile 20, un élément d'isolation et une bague à billes 22. R E V E N D I C A T I ONS 1 ) Dispositif pour le refroidisse- ment ou.l'équilibre thermique différentiel des parois in- térieures et extérieures ou de zones de paroi d'une pièce notamment d'une pièce de turboréacteur, dispositif caracté- risé par une répartition de buses séparées dans l'espace et/ou dans le temps (6, 9) pour l'alimentation en fluide présélectionné. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par une buse centrale et/ou un tube à jet (13) pour l'équilibre en température, le refroidissement d'une paroi intérieure ou d'une zone de paroi intérieure d'une pièce. 3 ) Dispositif selon l'une Quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte des tubes à jet (6) et/ou des dispositifs de buses (9) de l'équilibre/refroidissement des parois extérieures de la pièce, et qui sont dirigés de sa périphérie vers l'inté- rieur. 40) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les disposi- tifs de l'équilibre intérieur et extérieur de la tempéra- ture de la pièce tels que des tubes à jet (6) et/ou des dispositifs à buses (9) sont susceptibles de recevoir dif- férents fluides. ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il reçoit des fluides de tempéra- tures différentes et/ou de pressions différentes ou de températures et de pressions différentes. 6 ) Dispositif selon la revendication , caractérisé en ce que les fluides sont de l'air compri- mé, de l'eau ou un mélange eau/air ou une émulsion soluble dans l'eau. 7 ) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une buse- ll mélangeuse, centrale qui permet d'avoir un mélange réglé. 8 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par au moins un tube à Jet mobile alterna- tivement autour d'un axe central du dispositif. 9 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par au moins deux tubes à jet et/ou dispositifs à buses mobiles relativement l'un par rapport à l'autre. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le tube à jet mobile est en outre rotatif notamment à la manière d'une roue à eau de type Segner. 11 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la pièce est montée à rotation et les tubes à jet ou les dispositifs à buses sont fixes. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'entre le tube à jet et/ou le dispositif à buses et la pièce ou le support, il est prévu au moins partiellement un moyen d'isolation thermique. 13 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 12, caractérisé en ce qu'il est prévu entre un poste de traitement thermique tel qu'un four et un poste de refroidissement et/ou de séchage. 14 ) Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le transfert de la pièce se fait par passage suivant l'axe central du four, du poste d'équilibre thermique et/ou de refroidissement ou du ooste de traitement et/ou de séchage. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le traite- ment est commandé successivement dans le temps et en conti- nu, de manière automatique.