Brevet FR2668315A1 — publié le 19920424

i Lamelle de buse pour un laser à C 02 à circulation de gaz L'invention concerne une lamelle de buse pour un laser à C 02 à circulation de gaz, pour la formation d'une tuyère de Laval bi-dimen- S sionnelle, plane à nombre de Mach élevé, comportant une structure porteuse en forme de latte, à nombre de Mach élevé, qui se compose d'une avant-structure de longueur donnée et d'un profil de tuyère, et est assemblé globalement, Des lamelles de ce type sont connues dans un grand nombre d'exemples de réalisation Dans tous les modes de réalisation se pose le problème de la sollicitation thermique élevée de la lamelle à l'inté- rieur du corps de la buse à gaz d'un laser à circulation de gaz; c'est pourquoi de nombreuses conceptions de dispositifs de refroidissement par eau, etc ont été proposées Cependant, des différences de tempé- rature apparaissent malgré tout à l'intérieur du corps de la buse, lors- que la durée de fonctionnement est relativement importante, lesquelles différences de température sont dues à des différences au niveau de l'évacuation de la chaleur, étant donné que le flux d'agent réfrigérant se réchauffe toujours plus de lamelle en lamelle, lors de son passage dans le corps de la buse, si bien que les lamelles à l'entrée du flux d'agent réfrigérant sont à une température nettement inférieure à celle des lamelles à la sortie dudit flux Il en résulte, d'une part des pertes de gaz chaud, et d'autre part une consommation accrue d'agent réfrigé- rant. En ce qui concerne leur système de base système de buse - les lasers à C 02 à circulation de gaz sont bi-dimensionnels et tra- vaillent avec des pressions caractéristiques > 50 bar, d'o des problè- mes de résistance et de refroidissement importants Par ailleurs, un re- froidissement intensif des lamelles de la buse d'un laser à circulation de gaz provoque une diminution de la densité de population dans la zone des couches limites de température situées dans la plage Cm On ne connaît pas jusqu'à présent de mécanisme susceptible d'apporter ici un équilibrage des températures. L'élément caractéristique d'un laser à circulation de gaz est la tuyère de Laval à deux dimensions, plane, à nombre de Mach élevé. En raison du temps de figeage très court, de l'ordre de 1 Es du niveau de vibration laser ( 001) de la molécule de C 02, les largeurs de col de ces buses sont typiquement comprises entre 0,1 et 0,5 mm Les rap- ports d'expansion nécessaires pour figer et pour minimiser les degrés de liberté cinétique parasites du mélange gazeux 02-N 2-H 20 se si- tuent typiquement dans un rapport de section extrémité de la buse/col de E = 50, tandis que les pressions de fonctionnement et les tempé- ratures se situent entre 20 et 50 bar et 1400 et 2000 K. L'état de la technique montre que les densités de flux thermi- que sont si élevées qu'on ne peut amener ou appliquer des débits d'agent réfrigérant raisonnables qu'en abaissant considérablement la quantité de chaleur transmise par le gaz chaud aux buses de laser. L'objectif de la présente invention est de concevoir des la- melles de buses de manière telle, qu'elles apportent aussi bien une di- minution des pertes en gaz chaud qu'une diminution de la consomma- tion en agent réfrigérant et qu'elles assurent une stabilisation très rapi- de de la température de paroi par rapport au gaz chaud en fonctionne- ment pulsé, ainsi qu'une diminution sensible de la consommation en agent réfrigérant en fonctionnement continu. Le problème est résolu de manière extraordinairement simple et économique par le fait que la lamelle de buse est protégée des solli- citations thermiques rencontrées par une étroite lame de gaz exempte de convection, pour former une isolation par couche de gaz, et par une fine peau isolante, l'avant-structure en forme de latte du corps profilé de la tuyère de Laval étant munie sur les deux faces d'une fraisure for- mant l'interstice ou de barrettes et de surfaces en forme de poches, les- dites surfaces étant recouvertes par des plaques isolantes. Selon un mode de réalisation de l'invention les volumes vides en forme de poches divisent l'ensemble de la surface à isoler de l'avant- structure de la lamelle en cellules mono ou bi-dimensionnelles et ont des dimensions telles que les dilatations thermiques sont absor- bées dans la largeur des joints. Selon un mode de réalisation de l'invention la surface à iso- ler de l'avant-structure de la lamelle et les cellules en forme de poches sont recouvertes de fines plaques isolantes de tôle ou de céramique. Selon un mode de réalisation de l'invention, la partie d'étran- glement du nez et la section sonique du profilé de la buse sont munies de perçages supplémentaires pour la circulation d'un agent réfrigérant. Selon un mode de réalisation de l'invention une plaque iso- lante unique assure la protection du nez et des faces latérales du profil et est serrée contre les barrettes d'appui par des rivets. Selon un mode de réalisation de l'invention, une plaque iso- lante recourbée en agrafe assure la protection du nez de la lamelle, tandis que la protection des faces latérales est assurée par des plaques isolantes planes, les différentes plaques se chevauchant mutuellement étant tenues par des rivets. Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments d'espacement des lamelles sont également munis de cellules et de pla- ques isolantes Selon un mode de réalisation de l'invention, les matériaux utilisés pour les plaques isolantes sont des métaux réfractaires et leurs alliages (Mo, Ta, Wo, Pt), des céramiques ou des matériaux composi- tes carbone-silicium. L'invention est décrite dans le détail ci-après au moyen d'exemples de réalisation en se référant aux figures du dessin. Celles ci représentent: Figure 1, une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'une lamelle isolée, en coupe partielle, Figure 2, une vue partielle de l'avant-structure de la lamelle avec lame d'air et isolation, à une échelle plus importante, Figure 3, un autre exemple de réalisation de la lamelle de bu- se avec isolation par plaque combinée à un refroidissement du point d'étranglement et du profil, Figure 4, un autre exemple de réalisation de la lamelle de bu- se avec des plaques et des agrafes en tôle se chevauchant au point d'étranglement, Figure 5, un autre exemple de réalisation d'une lamelle de buse munie des éléments d'espacement, en vue en perspective, Figure 6, une vue partielle de la section d'une lamelle au ni- veau d'un point de rivetage de l'isolant. La figure 1 montre un exemple de réalisation dans une confi- guration conforme à la revendication 1 La lamelle de buse 10 est pro- tégée contre les sollicitations thermiques par une fine lame de gaz 13 exempte de convection, formant une isolation par couche de gaz, et par une fine peau isolante 15 L'avant-structure 11 en forme de latte du corps profilé de la tuyère de Laval 12 est munie sur les deux faces de surfaces 13 en forme de poches, et de barrettes d'appui 14, qui sont re- couvertes par des plaques isolantes 15. Plus la hauteur H de la lamelle est grande, et plus le problè- me de la résistance mécanique et le problème thermique deviennent importants, car la puissance du laser réglable croît proportionnelle- ment à la hauteur; les problèmes de résistance mécanique sont eux aus- si proportionnels à la hauteur, et les débits d'agent réfrigérant augmen- tent proportionnellement au flux thermique Il en résulte des débits énormes d'agent réfrigérant en fonctionnement continu, qui nécessitent des sections de conduits très importantes et des capacités de pompage et des débits très élevés, tandis qu'en fonctionnement pulsé, la consommation d'agent réfrigérant atteint une consommation totale qui est à peine envisageable. On sait que les exigences en ce qui concerne la protection thermique du système caractéristique de buses supersoniques varient considérablement en fonction du temps de fonctionnement d'un laser. Avec des impulsions allant jusqu'à 1 seconde, un refroidissement actif n'est pas nécessaire La capacité d'absorption de la chaleur des métaux est suffisamment grande, moyennant une épaisseur du matériau suffi- sante, pour garantir une bonne durée de vie Lorsque la durée des im- pulsions est comprise entre 1 et 5 secondes, une protection thermique des lamelles est nécessaire, pour ne pas atteindre les limites thermi- ques du matériau de base des lamelles et pour assurer des conditions de température largement statiques des parois voisines des gaz chauds. Lorsqu'on augmente la puissance, ce qui a lieu en proportionnant la hauteur de lamelle H à la dimension principale, on a, du fait de la sol- licitation à la flexion de la lamelle, des épaisseurs qui entraînent une augmentation considérable des surfaces exposées à la chaleur l est essentiel dans ce cas de minimiser ces surfaces ou de réaliser une iso- lation thermique maximale. Il est proposé, afin d'isoler la lamelle 10 métallique, ou non métallique (céramique, CC, Cu Si), par rapport au gaz chaud qui s'écoule, de réaliser l'isolation au moyen d'une couche de gaz fournie par le gaz de travail lui-même A cet effet l'avant-structure 11 de la la- melle est munie sur l'ensemble de sa surface à isoler de surfaces 13 en forme de poches, comme le montre la figure 1, qui forment ainsi des cellules mono ou bi-dimensionnelles, dont les dimensions sont telles, que les dilatations thermiques soient absorbées dans les joints Il est possible, grâce à cet interstice ou à ces surfaces 13, de réduire consi- dérablement le flux thermique par convection du corps de lamelle à proprement parler. Dans le cas de lamelles de buse 10 de faible hauteur H (envi- ron 100 mm) et faible largeur, les lames de gaz 13 ou leurs fraisures sur l'avant-structure 11 de la lamelle sont continues c'est-à-dire sans barrettes d'appui 14 a Lorsque les lamelles ont des dimensions plus importantes (H = 300 à 1000 mm), l'ensemble de la surface à isoler 13 est divisée à la manière d'une mosaïque en cellules mono ou bi-di- mensionnelles, qui sont suffisamment petites pour que la dilatation thermique puisse être absorbée dans la largeur des joints Les surfaces 13 sont recouverts de fines plaques isolantes 15 de tôle à bonnes ca- ractéristiques d'isolation ou de céramique, qui assurent une limite de température nette, de sorte que comme indiqué en introduction au- cune diminution sensible de la densité de population n'apparaît dans la région de la couche limite de température En atmosphère exempte de 02 on peut maintenir des températures de fonctionnement de > 2000 'C, lorsqu'on utilise des matériaux à base de tungstène, molyb- dène et de titane pour les plaques isolantes Pour cette raison on utili- se exclusivement ces métaux réfractaires (Mo, Wo, Ta, Pt, etc) et leurs alliages, ou des céramiques (technique de revêtement par car- reaux) comme matériau de protection ou d'isolation Plus récemment des matériaux composites carbone/silicium ont donné également de bons résultats Comme matériau pour le corps de la lamelle on utilise essentiellement du cuivre (Cu). Les plaques isolantes 15 décrites précédemment sont de pré- férence rivées comme représenté sur les figures 3, 4 et 6 La techni- que de rivetage appliquée dépend directement des conditions therrmi- ques et mécaniques sous lesquelles la peau isolante 15 de métal ou de céramique doit entourer la lamelle de la buse 10 à protéger Les pla- ques formant l'espace isolant 13 sont appliquées sur les barrettes d'appui 14 et serrées par les rivets 16 Des trous oblongs 16 a permettent le libre débattement des rivets 16 lors de déplacements d'origine thermi- que Naturellement la longueur du rivet est adaptée à l'épaisseur théo- rique et à la configuration de la lamelle Les figures du dessin mon- trent différents modes de réalisation. Dans la configuration de la partie d'étranglement représentée à la figure 3, le nez lia et la section sonique 12 a du corps profilé de la tuyère de Laval 12 sont munis chacun d'un perçage 17 pour le pas- sage d'un agent réfrigérant et les autres surfaces de l'avant-structure 11 sont munies des lames de gaz 13 exemptes de convection et de la peau isolante 15. La figure 4 montre une autre configuration de la partie d'étranglement Dans ce cas les plaques formant la peau isolante 15 a et b se chevauchent dans la région du nez l la de l'avant-structure Les plaques chevauchantes sont tenues par des rivets 16 en formant simul- tanément la lame de gaz 13 a. La figure 5 montre un exemple de réalisation dans lequel on voit que les éléments d'espacement 18 eux-mêmes sont munis de l'iso- lation proposée Etant donné qu'il est impératif que les lamelles dispo- sée les unes à côté des autres en particulier dans le cas de grandes hauteurs soient reliées les unes aux autres, sans quoi apparaissent les inévitables vibrations transversales, il est recommandé de protéger les- dits éléments d'espacement (comme prescrit) par une isolation à lame de gaz Divers modes de réalisation sont possibles dans la pratique, pour mettre en oeuvre les mesures proposées ici, lesquels modes de ré- alisation entrent dans le cadre de l'invention décrite. La figure 6 montre de nouveau l'isolation à une échelle supé- rieure l'isolation, sa forme et sa fixation sur l'avant-structure 11 La largeur z des barrettes d'appui 14 et la surface intérieure de la peau isolante 15 appliquée contre celles-ci déterminent la largeur S de la la- me d'air 13 et simultanément la longueur du rivet D selon le type du rivet 16 à utiliser La cote D peut également être obtenue au moyen d'une douille-d'espacement, qui correspond exactement à la cote z et fixe ainsi avec précision la largeur S de l'interstice A noter ici, qu'une lame de gaz isolante de 0,3 mm accroît la capacité de tenue dans le temps d'un facteur 6 ou réduit du facteur 6 les débits régénératifs d'agent réfrigérant. REVENDICATIONS 1 Lamelle de buse pour un laser à C 02 à circulation de gaz, pour la formation d'une tuyère de Laval bi-dimensionnelle, plane à nombre de Mach élevé, comportant une structure porteuse en forme de latte, à nombre de Mach élevé, qui se compose d'une avant-structure de longueur donnée et d'un profil de tuyère, et est assemblé globale- ment, caractérisée en ce que la lamelle de buse ( 10) est protégée des sollicitations thermiques rencontrées par une étroite lame de gaz ( 13) exempte de convection, pour former une isolation par couche de gaz, et par une fine peau isolante ( 15), l'avant-structure en forme de lame ( 11) du corps profilé de la tuyère de Laval ( 12) étant munie sur les deux faces d'une fraisure formant l'interstice ou de barrettes ( 14) et de surfaces ( 13) en forme de poches, ces surfaces ( 13) étant recouvertes par des plaques isolantes. 2 Lamelle de buse selon la revendication 1, caractérisée en ce que les surfaces ( 13) en forme de poches divisent l'ensemble de la surface à isoler de l'avant-structure ( 11) de la lamelle en cellules mo- no ou bi-dimensionnelles et ont des dimensions telles que les dilata- tions thermiques sont absorbées dans la largeur des joints. 3 Lamelle de buse selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la surface à isoler de l'avant-structure ( 11) de la lamelle et les cellules ( 13) en forme de poches sont recouvertes de fines plaques isolantes ( 15) de tôle ou de céramique. 4 Lamelle de buse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la partie d'étranglement du nez ( 1 la) et la section sonique ( 12 a) du profilé de la buse ( 12) sont munies de maniè- re connue de perçages ( 17) supplémentaires pour la circulation d'un agent réfrigérant. Lamelle de buse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'une plaque isolante ( 15) unique est utilisée pour la protection du nez et des faces latérales du profil et est serrée contre les barrettes d'appui par des rivets ( 16). 6 Lamelle de buse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'on utilise, pour la protection du nez ( 1 la) de la lamelle ( 10), une plaque isolante recourbée en agrafe ( 15 a) et, pour la protection des faces latérales, des plaques isolantes planes ( 15 b), qui se chevauchent mutuellement et qui sont tenues par des ri- vets ( 16). 7 Lamelle de buse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les éléments d'espacement ( 18) des lamel- les ( 10) sont également munis de cellules à ( 13) et de plaques isolan- tes ( 15). 8 Lamelle de buse selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'on utilise comme matériau pour les plaques isolantes ( 15) des métaux réfractaires et leurs alliages (Mo, Ta, Wo, Pt), des céramiques ou des matériaux composites carbone-silicium.