Brevet FR2676252A1 — publié le 19921113

Paroi de tuyère, notamment pour véhicules spatiaux et procédé pour sa fabrication. L'invention a pour objet une paroi de tuyère pour chambres d'expansion et tuyères à gaz chauds, notamment pour véhicules spatiaux constituée d'une structure porteuse extérieure située à l'opposé des gaz chauds et d'une structure intérieure à plusieurs couches comportant des conduits de refroidissement espacés entre eux et s'étendant près des gaz chauds. Pour les véhicules spatiaux réutilisables du futur (projet Sânger, par exemple), on prévoit des propulseurs combinés comprenant plusieurs modes de propulsion par réaction Pour obtenir une poussée élevée et une possibilité de modification simple des modes de propulsion, les tuyères de poussée de construction rectangulaire conviennent particulièrement bien Les parois de telles tuyères sont soumises à des forces de pression et à des températures élevées. Contrairement à ce qui a lieu avec les parois des tuyères circulaires, les forces de pression provoquent des moments de flexion élevés dans les parois planes des tuyères rectangulaires Il peut alors se produire des voilements ou des gauchissements de la tuyère, ce qui met en danger le fonctionnement attendu de cette tuyère En outre, l'effet bimétallique aggrave ce phénomène en raison des différences de températures qui s'établissent à l'intérieur de la paroi Des parois refroidies de forme stable sont donc nécessaires pour éviter les pertes de poussée et les flux de fuite. Dans le document DE-OS 40 15 204, on propose pour cela une paroi de tuyère à plusieurs couches dans laquelle une couche de refroidissement intérieure est prévue pour être reliée par une couche intermédiaire coulée à une structure porteuse extérieure Les dilatations thermiques entre le côté chaud et le côté froid entraînent -un gauchissement indésirable des couches. Partant de cela, l'invention a pour but de créer une paroi de tuyère du type indiqué dans le préambule et qui soit indéformable, cette paroi demeurant, dans une large mesure, exempte de gauchissement lorsqu'elle est soumise aux conditions de fonctionnement Il y a lieu d'indiquer en outre un procédé pour la fabrication d'une paroi de tuyère. A cet effet, l'invention concerne une paroi de tuyère du type ci-dessus caractérisée en ce que la structure intérieure comprend une couche conductrice de la chaleur sollicitée par les gaz chauds et une couche de glissement réfractaire, en ce que les conduits de refroidissement sont incorporés dans la couche conductrice de la chaleur et en ce que la couche conductrice de la chaleur est reliée élastiquement à la structure porteuse au moyen de plusieurs éléments de retenue traversant la couche de glissement. La disposition suivant l'invention a pour avantage de garantir par la liaison élastique de la couche conductrice de la chaleur à la structure porteuse, une dilatation thermique sous faibles contraintes de la couche conductrice de la chaleur, sans provoquer pour cela un gauchissement en raison des températures différentes des couches Cette autonomie des couches fait que les contraintes de cisaillement, qui sont responsables du gauchissement indésirable, ne sont pas transmises entre les couches ou ne sont pas produites La transmission des forces dues à la pression des gaz est assurée par les éléments de retenue et par la couche de glissement qui agit en même temps comme calorifuge et protège la structure porteuse des températures exagérées En outre, on réduit ainsi le débit de fluide de refroidissement nécessaire dans les conduits de refroidissement de la couche conductrice de la chaleur D'autre part, le grand nombre des éléments de retenue assure une bonne liaison de forme de la couche conductrice de la chaleur à la structure porteuse rigide. En libérant les éléments de retenue de la structure porteuse, on obtient une possibilité de remplacement simple de la couche conductrice de la chaleur en cas d'endommagement ou pour effectuer des essais En effet, la couche de glissement n'a aucune liaison rigide avec les couches avoisinantes. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, les conduits de refroidissement sont constitués de petits tubes de refroidissement, notamment de tubes capillaires on obtient ainsi une possibilité de fabrication simple et économique de la paroi de tuyère. Suivant un autre mode de réalisation, chacun des éléments de retenue est, dans la couche conductrice de chaleur, assemblé avec un conduit de refroidissement ou un petit tube de refroidissement, ce gui permet d'avoir une liaison ferme et sûre de la couche de refroidissement à la couche porteuse Suivant une forme de réalisation particulièrement avantageuse les éléments de retenues sont constitués de crochets, ce qui permet d'obtenir un meilleur ancrage des éléments de retenue dans la couche conductrice de la chaleur. Les éléments de retenue entourent alors de préférence les conduits de refroidissement. La réalisation avantageuse de l'invention avec des éléments de retenue en fil métallique cintré facilite la fabrication et réduit les dépenses. Les éléments de retenues sont de préférence assemblés par soudure avec la structure porteuse Ce mode d'assemblage est non seulement de réalisation simple, mais garantit aussi une possibilité de remplacement simple de la couche conductrice de la chaleur par chauffage de la soudure à la température de fusion, de sorte que les éléments de retenue peuvent être séparés de la structure porteuse. On obtient des propriétés de glissement favorables avec une résistance élevée à la température et, en même temps une bonne isolation calorifique vis- à-vis de la structure porteuse par une réalisation préférée suivant laquelle la couche de glissement est constituée de granulés en céramique Cette réalisation s'est révélée avantageuse aussi pour la fabrication car les granulés peuvent être disposés de façon simple pour remplir le volume libre entre la structure porteuse et la couche conductrice de la chaleur. Pour éviter les réactions du fluide de refroidissement, le plus souvent de l'hydrogène, avec la couche conductrice de la chaleur, il est prévu, suivant une réalisation préférée de l'invention, du cuivre exempt d'oxygène en tant que matière de la couche conductrice de la chaleur. Suivant une réalisation avantageuse de l'invention, l'épaisseur de la couche conductrice de la chaleur a, en direction radiale sensiblement la même valeur au dessus et au-dessous des conduits de refroidissement. On évite ainsi un gauchissement de la couche conductrice de la chaleur pouvant résulter d'épaisseurs de couches différentes au-dessus et au-dessous des tubes capillaires. Une autre variante de réalisation prévoit de munir la structure porteuse de nervures pour obtenir ainsi une rigidité plus élevée de la paroi de la tuyère, notamment une rigidité à la flexion plus élevée. Dans les zones de grand afflux de chaleur, par exemple, au voisinage du col de la tuyère, il peut être nécessaire d'apporter une capacité de refroidissement plus élevée Il est proposé pour cela une réalisation suivant laquelle les conduits de refroidissement se ramifient en plusieurs conduits de section plus faible La résistance à la transmission de chaleur qui est déterminante pour l'évacuation de la chaleur, est ainsi réduite. L'invention s'étend à un procédé pur fabriquer une paroi de tuyère conforme aux précédentes. Suivant un mode de réalisation ce procédé est caractérisé par les étapes suivantes: a) disposer des crochets à intervalles sur des petits tubes de refroidissement, b) fixer les petits tubes de refroidissement avec les crochets sur une plaque de cuivre mince, c) déposer par galvanoplastie une couche de cuivre sur le côté de la plaque de cuivre muni des petits tubes de refroidissement, la hauteur de cette couche de cuivre étant au moins égale au diamètre des petits tubes, d) introduire les crochets dans des ouvertures de la structure porteuse en maintenant une distance déterminée entre la structure porteuse et la couche conductrice de la chaleur, e) assembler par soudure les crochets avec la structure porteuse dans les ouvertures et f) remplir le volume formé entre la couche conductrice de la chaleur et la structure porteuse avec des granulés en céramique. Ce procédé a pour avantage de permettre l'automatisation des étapes de procédé et de rendre possible un contrôle de qualité entre ces étapes. L'invention est décrite plus en détail ci- après en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale d'un propulseur combiné à un turboréacteur et à un statoréacteur muni d'une tuyère rectangulaire variable, la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la tuyère indiquée sur la figure 1; la figure 3 représente une partie de tuyère suivant une variante de réalisation. La figure 1 représente en coupe longitudinale un propulseur combiné 1 à turboréacteur et à statoréacteurs Ce propulseur se compose essentiellement d'un moteur à réaction à turbine à gaz 2 comportant un compresseur, une chambre de combustion et une turbine, ainsi que d'un statoréacteur 3 disposé en parallèle Le propulseur 1 est réalisé avec une section de forme rectangulaire en aval du brûleur de post-combustion 4 La tuyère de poussée 5 se raccorde ensuite à cette section La tuyère de poussée 5 comporte deux parois latérales de tuyère non représentées et deux couples de volets de tuyère 6 a, 6 b, qui déterminent le contour de la tuyère et qui permettent de faire varier les conduits de sortie du propulseur. La figure 2 représente à plus grande échelle et en coupe la paroi de tuyère 7 du couple supérieur 6 a de volets de tuyère On y voit la constitution en couches de la paroi de tuyère 7 avec les crochets 8 ' et les petits tubes de refroidissement 9 ' Une couche de glissement 13 s'étend entre la structure porteuse supérieure 11 raidie par des nervures 10 et la couche intérieure conductrice de la chaleur 12 s'étendant près des gaz chauds Cette couche de glissement 13 est constituée de granulés comprimés en céramique Cette couche de glissement 13 permet un glissement parallèle de la structure porteuse il par rapport à la couche conductrice de la chaleur 12 sans qu'il y ait transmission de contraintes de cisaillement Une attache de la couche conductrice de la chaleur 12 sur la structure porteuse 11, effectuée en respectant les surfaces, a lieu au moyen d'un grand nombre de crochets 8 ' qui, d'une part, sont ancrés dans la couche conductrice de la chaleur 12 entre les petits tubes de refroidissement 9 ' et sont, d'autre part, soudés sur la structure porteuse 11. Pour assurer le refroidissement de la paroi de tuyère 7, des petits tubes de refroidissement 9 ', notamment des tubes capillaires, sont noyés dans la couche conductrice de la chaleur Ces tubes sont alimentés par un réseau tubulaire de refroidissement en hydrogène liquide servant de fluide de refroidissement. Suivant la figure 2, pour des raisons de fabrication, la couche conductrice de la chaleur 12 a, 12 b est constituée de deux couches élémentaires. Pendant la fabrication, les petits tubes de refroidissement 9 ' et les crochets 8 ' sont posés sur la couche élémentaire intérieure 12 a conductrice de la chaleur, constituée d'une plaque de cuivre mince, avant que la couche de cuivre extérieure 12 b soit déposée par galvanoplastie. La figure 3 représente une variante de la paroi de tuyère 7 Suivant cette variante, une couche d'isolation thermique 14 est déposée en plus sur la couche conductrice de la chaleur 12, du côté des gaz chauds En outre, les crochets 8 ' ne sont plus ancrés dans la couche conductrice de la chaleur 12 indépendamment des petits tubes de refroidissement 9 ', mais chaque crochet entoure un petit tube de refroidissement 9 ' On peut alors accorder la répartition des crochets aux conditions de rigidité, de résistance et de forme de surface de la paroi de tuyère 7 Par simple fusion des soudures 15 des crochets 8 ', la structure porteuse il peut être séparée des autres parties de paroi de tuyère 7. REVENDICATIONS 1 Paroi de tuyère ( 7) pour chambres d'expansion et tuyères à gaz chauds, notamment pour véhicules spatiaux constituée d'une structure porteuse extérieure ( 11) située à l'opposé des gaz chauds et d'une structure intérieure à plusieurs couches comportant des conduits de refroidissement espacés entre eux et s'étendant près des gaz chauds, caractérisée en ce que: la structure intérieure comprend une couche conductrice de la chaleur ( 12) sollicitée par les gaz chauds et une couche de glissement réfractaire ( 13), les conduits de refroidissement ( 9) sont incorporés dans la couche conductrice de la chaleur ( 12), la couche conductrice de la chaleur ( 12) est reliée élastiquement à la structure porteuse ( 11) au moyen de plusieurs éléments de retenue ( 8) traversant la couche de glissement ( 13). 2 Paroi de tuyère selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conduits de refroidissement ( 9) sont constitués de petits tubes de refroidissement ( 9 '), notamment de tubes capillaires. 3 Paroi de tuyère selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chacun des éléments de retenue ( 8) est, dans la couche conductrice de la chaleur ( 12), assemblé avec un conduit de refroidissement ( 9). 4 Paroi de tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les éléments de retenue ( 8) sont constitués de crochets ( 8 '). Paroi de tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les éléments de retenue ( 8) entourent, au moins partiellement, les conduits de refroidissement ( 9). 6 Paroi de tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les éléments de retenue ( 8) sont en fil métallique cintré. 7 Paroi de tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les éléments de retenue ( 8) sont assemblés par soudure avec la structure porteuse ( 11). 8 Paroi de tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la couche de glissement ( 13) est constituée de granulés en céramique. 9 Paroi de tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisée en ce que la matière de la couche conductrice de la chaleur ( 12) est du cuivre exempt d'oxygène. paroi de tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche conductrice de la chaleur ( 12) a, en direction radiale, sensiblement la même valeur au-dessus et au-dessous des conduits de refroidissement ( 9). 1 l Paroi de tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la structure porteuse ( 11) est munie de nervures ( 10) pour son raidissement. 12 Paroi de tuyère selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les conduits de refroidissement individuels sont reliés par des ramifications à plusieurs conduits de refroidissement de section plus faible. 13 Procédé pour fabriquer une paroi de tuyère selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé par les étapes suivantes: a) disposer des crochets ( 8 ') à intervalles sur des petits tubes de refroidissement ( 9 '), b) fixer les petits tubes de refroidissement ( 9 ') avec les crochets ( 8 ') sur une plaque de cuivre mince ( 12 a), c) déposer par galvanoplastie une couche de cuivre ( 12 b) sur le côté de la plaque de cuivre ( 12 a) muni des petits tubes de refroidissement ( 9 '), la hauteur de cette couche de cuivre ( 12 b) étant au moins égale au diamètre des petits tubes ( 9 '), d) introduire les crochets ( 8 ') dans des ouvertures de la structure porteuse ( 11) en maintenant une distance déterminée entre la structure porteuse ( 11) de la couche conductrice de la chaleur ( 12), e) assembler par soudure les crochets ( 8 ') avec la structure porteuse ( 11) dans les ouvertures et f) remplir le volume formé entre la couche conductrice de la chaleur ( 12) et la structure porteuse ( 11) avec des granulés en céramique.