Brevet FR2661950A1 — publié le 19911115

:1 "Tuyère de poussée pour un propulseur d'avion et pro- cédé pour sa mise en oeuvre " L'invention concerne une tuyère de poussée pour un propulseur d'avion, qui comprend une chemise intérieure de grande conductibilité thermique, parcou- rue par un grand nombre de canaux de refroidissement et qui est entourée, à l'extérieur, par une enveloppe d'appui fixe, et elle concerne, également, un procédé pour la réalisation de la paroi de la tuyère. Les tuyères de poussée connues jusqu'à main- tenant, qui sont mises en oeuvre par exemple dans des propulseurs de fusée, pour des lanceurs ou des navet- tes spaciales, comportent une configuration en symé- trie de rotation En particulier, la section transver- sale circulaire s'amincit depuis la chambre de combus- tion en direction de la section transversale étroite, pour s'élargir à nouveau ensuite Un contour en symé- trie de rotation de ce type est simple en technique de production et rend possible une réception efficace des forces dûes au gaz. Par suite de la température élevée d'environ 30000 C, la tuyère de poussée doit toutefois être effi- cacement refroidie Ceci se fait grâce à la réalisa- tion indiquée au préambule de la buse de poussée, qui se compose normalement d'une chemise intérieure en al- liage de cuivre, dans laquelle sont encastrés des ca- naux de refroidissement dirigés dans le sens périphé- rique ou axialement Ces canaux de refroidissement sont refroidis par un agent de refroidissement, de préférence l'hydrogène liquide à brûler dans la tuyère de poussée Extérieurement, cette chemise intérieure est entourée, de façon continue par une enveloppe de protection, qui absorbe les forces de pression d es aux gaz Cette enveloppe de protection doit avoir une résistance à la traction la plus élevée possible, alors que par suite du refroidissement placé à l'inté- rieur, la résistance à la chaleur n'a pas grande im- portance. Il existe des essais pour développer la vi- tesse des avions appelés hypersoniques, qui ont égale- ment une tuyère de poussée selon le préambule Le pro- blème pour des tuyères destinées à des avions de ce type, est constitué par le rendement nécessairement élevé dans l'obtention de la poussée, plusieurs pro- pulseurs devant être placés les uns à côté des autres. Pour satisfaire à ces exigences, on propose des tuyè- res de poussée, dont le contour de leur section trans- versale passe d'une section ronde dans la zone de la chambre de combustion à une section carrée dans la zone de la sortie de tuyère ou même de la section ré- trécie de la tuyère. Ceci signifie alors que la paroi de la tuyè- re doit avoir une forme courbe compliquée D'une part, la chemise intérieure relativement souple doit présen- ter un contour intérieur de forme exacte, pour réali- ser un passage de flux optimal, d'autre part, l'enve- loppe d'appui doit être pour des raisons de solidité, indéformable, de sorte qu'une adaptation à la forme de la chemise intérieure n'est pas possible La fabrica- tion de la chemise et de l'enveloppe, avec une préci- sion de forme élevée de ce type est, par suite aussi de la géométrie compliquée, très coûteuse. Malgré tout, il ne peut pas être affirmé avec sécurité, qu'après l'assemblage de la chemise et de l'enveloppe, il ne subsiste pas d'espaces vides, qui peuvent conduire en marche à des déformations et des fissures, et donc à des défaillances. En partant de cela, l'objet de l'invention est de fournir une tuyère de poussée indiquée au début et un procédé pour fabriquer une tuyère de poussée de ce type, qui rend possible, avec une faible dépense de fabrication, la réalisation d' une paroi de tuyère de grande précision de forme, en assurant en même temps, qu'entre la chemise et l'enveloppe il ne reste pas d'espaces vides. Selon l'invention, cet objectif est atteint en ce qu'entre la chemise intérieure et l'enveloppe d'appui est prévue une couche intermédiaire coulée. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la couche intermédiaire est composée d'un alliage métallique. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention l'alliage métallique a comme composant (s) principal (aux) du bismuth et/ou de l'étain. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention la couche intermédiaire est composée d'une masse de céramique. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention la couche intermédiaire est composée d'une masse de matière plastique. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention la couche intermédiaire comporte une épais- seur de 0,5 à 5 mm, de préférence environ 1 mm. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention dans la couche intermédiaire sont insérés des capteurs pour la mesure des données à mesurer de la tuyère, comme la température. Le procédé de fabrication de la paroi de la tuyère est caractérisé en ce qu'une chemise intérieure en matière conductrice de la chaleur est munie de ca- naux de refroidissement et est façonnée à son profil définitif prévu, et une enveloppe d'appui de forme adaptée est fixée tout en maintenant un intervalle en- tre les deux enveloppes et ensuite l'intervalle est rempli par coulée. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention l'enveloppe d'appui peut être aussi réalisée en un matériau renforcé par fibres (par exemple fibres de carbone/matière plastique, fibres de carbone/gra- phite. Les avantages essentiels de l'invention sont à voir dans le fait que les tolérances de fabrication de la chemise intérieure et de l'enveloppe d'appui peuvent être compensées Au lieu de fabriquer les deux contours de la chemise intérieure et le contour inté- rieur de l'enveloppe d'appui avec une grande précision de forme et une dépense élevée, et en outre, de con- trôler l'assemblage de ces enveloppes avec des dépen- ses de contrôle importante, on doit seulement produire le contour intérieur de la chemise intérieure de façon précise En ce qui concerne les autres contours de très faibles exigences sont avantageusement suffisan- tes En outre, un avantage vient de ce que la qualité de surface de toutes les faces est sans influence, à l'exception des faces intérieures de la tuyère, qui nécessitent habituellement une dépense de traitement importante également. Enfin, des capteurs comme des sondes de me- sure de la température et de la pression peuvent être insérés dans les enveloppes de tuyères sans affaiblir l'enveloppe de protection par le fait que ces sondes sont incorporées dans la couche intermédiaire On peut combler complètement avec une faible dépense tous les intervalles entre la chemise intérieure et l'enveloppe d'appui, y compris des coupes arrières. La surface totale de l'enveloppe est suppor- tée par l'enveloppe d'appui conformément aux mesures, des propriétés adéquates de l'enveloppe pouvant être obtenues par le choix d'une matière appropriée pour la couche intermédiaire Ainsi il est possible d'obtenir une ductilité élevée ou une précontrainte, si on choi- sit en particulier un matériau qui s'allonge de façon adéquate au durcissement. De préférence, la couche intermédiaire est composée d'un alliage métallique, en particulier d'un alliage qui a comme composant principal du bismuth et/ou de l'étain Ces alliages ont un point de fusion relativement bas et rendent possible ainsi une coulée avec une dépense relativement faible Comme le refroi- dissement par l'hydrogène a un effet refroidisseur très élevé, les températures dans la zone de la couche intermédiaire peuvent être maintenues très basses, de sorte qu'un effet de fusion ne menace pas pendant la marche Par exemple, on peut utiliser des alliages de cuivre et étain, qui ont un point de fusion dans la zone de 2200 C Des alliages de bismuth ont un point de fusion encore plus bas En alternative, on peut ajus- ter un point de fusion plus élevé dans la zone d'envi- ron 3000 C en utilisant des alliages au cadmium Bien évidemment, il est possible aussi d'utiliser également des métaux fondants à des températures plus élevées, par exemple du cuivre, bien que dans ce cas, des pré- cautions importantes doivent être trouvées contre le dégagement de la chaleur des deux enveloppes pendant la coulée Selon le choix des composants contenus dans l'alliage, on peut établir un comportement de solidi- fication défini, c'est-à-dire un allongement pour l'obtention d'une précontrainte déterminée ou une li- berté d'allongement pour réaliser une disposition sans tension. En alternative, il est possible aussi de fa- briquer la couche intermédiaire à partir d'autres ma- tières, par exemple à partir d'une masse céramique sous forme d'acide silicique neutralisé Enfin, l'uti- lisation de matières plastiques pour la couche inter- médiaire est aussi intéressante, par exemple avec des colles à deux composants résistantes à la température. Dans une autre forme de réalisation avanta- geuse de l'invention la couche intermédiaire présente une épaisseur de 0, 5 à 5 mm, de préférence environ 1 mm Avec cela, on garantit une bonne coulabilité de la matière de la couche intermédiaire avec une consomma- tion de matière faible. Un autre avantage lié à l'invention consiste en ce que la couche intermédiaire peut être enlevée, et la chemise intérieure peut être substituée, sans changer l'enveloppe d'appui Le boîtier d'appui ou boîtier sous pression peut être avantageusement pro- duit en un matériau composite renforcé par des fibres, à haute résistance et réduisant le poids. L'invention est en outre expliquée dans ce qui suit à partir d'une forme de réalisation préféren- tielle de l'invention, représentée sur le dessin ci- joint dans lequel: la figure 1 montre une coupe longitudinale d'une tuyère de poussée, la figure 2 montre un segment de l'enve- loppe de tuyère, la figure 3 montre un autre segment de l'enveloppe de tuyère. La figure 1 montre une coupe longitudinale d'une tuyère de poussée 1 selon l'invention, qui est réalisée essentiellement en deux demi- coquilles d'une enveloppe de tuyère 2 a et 2 b, qui sont vissées l'une avec l'autre d'une manière non indiquée Le canal de tuyère 3 passe d'une section transversale ronde dans la zone 3 a, qui est la zone de la chambre de combus- tion, dans le tronçon de transition 4 jusqu'à la zone 3 b de section carrée Les sections transversales sont indiquées par les lignes en tirets Dans la section transversale étroite 3 c de la tuyère existe également un contour rectangulaire La zone 3 d représente la zone d'expansion de la tuyère de poussée 1, dans la- quelle la section transversale est également rectangu- laire. Bien que l'invention soit expliquée à partir de la tuyère de poussée 1, représentée à la figure 1, il est compréhensible aussi qu'on peut réaliser une modification des tuyères avec d'autres sections trans- versales comme des sections en forme de barillets ou ovales, sans sortir du domaine de l'invention. Les deux demi-coquilles de l'enveloppe de tuyère 2 a et 2 b se composent essentiellement d'une chemise intérieure 5 qui est parcourue de canaux de refroidissement et d'une chemise d'appui 6, qui entou- re la chemise intérieure 5 Entre les deux enveloppes et 6 est prévue une couche intermédiaire 7 dessinée en noir, relativement mince qui a été coulée. La figure 2 montre une coupe de l'enveloppe 2 a le long de la ligne II-II de la figure 1, là o l'enveloppe 2 a présente encore une section transversa- le ronde Celle-ci comprend, comme déjà mentionné, la chemise intérieure 5, qui est faite d'un matériau de conductibilité thermique élevée Dans la chemise inté- rieure 5 sont pratiquées, à espacements réguliers, des rainures 8 se développant dans le sens longitudinal de la tuyère, et entre lesquelles existent des nervures d'appui 9 Ces rainures 8 pratiquées en direction ra- diale vers l'extérieur dans la chemise intérieure 5, forment les canaux de refroidissement 8, de telle fa- çon que l'enveloppe intérieure 7 soit entourée par une mince enveloppe de recouvrement 10 qui est brasée, soudée ou fixée galvaniquement, de sorte que les ca- naux de refroidissement 8 se trouvent fermés sur eux- mêmes. De préférence, l'enveloppe de recouvrement est composée de la même matière que la chemise in- térieure 5 Extérieurement, l'enveloppe d'appui 6 re- lativement épaisse est disposée, de façon qu'entre la chemise intérieure 5, ou plus exactement entre l'enve- loppe de recouvrement 10 et l'enveloppe d'appui 6, il subsiste un intervalle d'une largeur d'environ 1 à 2 mm Cet intervalle est complètement rempli par une couche intermédiaire 7 coulée, résistant à la pres- sion. La figure 3 montre une coupe le long de la ligne III-III de la figure 1 La seule différence avec la figure 2 consiste en ce que, dans la zone de la coupe de la figure 3, l'enveloppe de tuyère 2 a a une section transversale carrée, de sorte que le segment représenté se développe en ligne droite. La tuyère de poussée 1 suivant l'invention est produite, en exécutant des canaux de refroidisse- ment 8 dans une chemise intérieure 5 en une matière conductrice de la chaleur, puis en la façonnant à son profil définitif prévu et en fixant une enveloppe d'appui 6 de forme adaptée tout en maintenant un in- tervalle entre les deux enveloppes 5 et 6 et ensuite en remplissant par coulée l'intervalle L'exécution des canaux de refroidissement peut se faire par exem- ple par fraisage. Le procédé de remplissage par coulée est ca- ractérisé en ce que les pièces, donc la chemise inté- rieure 5 et l'enveloppe d'appui 6, sont réchauffées à la température de coulée de la matière à couler, et ensuite, la masse de remplissage est introduite sous pression dans le vide De préférence, la coulée se fait sous vibration, de façon à remplir tous les espa- ces creux. REVENDICATIONS 1. Tuyère de poussée pour un propulseur d'avion, qui comprend une chemise intérieure à conduc- tibilité thermique élevée parcourue par un grand nom- bre de canaux de refroidissement et qui est entourée à l'extérieur par une enveloppe d'appui fixe, caractéri- sée en ce qu'entre la chemise intérieure ( 5) et l'en- veloppe d'appui ( 6) est prévue une couche intermédiai- re ( 7) coulée. 2 Tuyère de poussée selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche intermédiaire ( 7) consiste en un alliage métallique. 3. Tuyère de poussée selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'alliage métallique a comme composant (s) principal (aux) du bismuth et/ou de l'é- tain. 4. Tuyère de poussée selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche intermédiaire ( 7) consiste en une masse de céramique. 5 Tuyère de poussée selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche intermédiaire ( 7) consiste en une masse de matière plastique. 6. Tuyère de poussée selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée ce que la cou- che intermédiaire ( 7) présente une épaisseur de 0,5 à mm, de préférence environ 1 mm. 7. Tuyère de poussée selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que dans la couche intermédiaire ( 7) sont insérés des capteurs pour la mesure des données à mesurer de la tuyère com- me la température. 8. Procédé pour fabriquer la paroi de forme complexe d'une tuyère de poussée, caractérisé en ce qu'une chemise intérieure ( 5) en matière conductrice de la chaleur est munie de canaux de refroidissement ( 8) et est façonnée à son profil définitif prévu, et une enveloppe d'appui ( 6) de forme adaptée est fixée tout en maintenant un intervalle entre les deux enve- loppes ( 5, 6) et ensuite l'intervalle est rempli par coulée. 9. Tuyère de poussée, selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'enveloppe d'appui ( 6) peut être aussi réalisée en un matériau renforcé par fibres (par exemple fibres de carbone/matière plastique, fibres de carbone/graphi- te).