Brevet FR2704904A1 — publié le 19941110

" Installation pour la distribution ainsi que pour l'ali- mentation et l'évacuation d'un fluide de refroidissement d'une paroi d'un turboréacteur * L'invention concerne une installation pour la distribution ainsi que pour l'alimentation et l'évacuation d'un fluide de refroidissement d'une paroi d'un turboréac- teur notamment d'un turbo-statoréacteur exposé à l'écoule- ment d'un fluide chaud et ayant des canaux de refroidissement recevant le fluide de refroidissement, ces canaux étant essentiellement parallèles dans la paroi. En particulier dans le cas de turbo- statoréacteurs travaillant en vol subsonique, supersonique et hypersonique, il faut traiter le problème des températu- res de paroi extrêmement élevées; celles-ci sont par exem- ple engendrées par les températures élevées de l'air à la pression dynamique (1500 K et plus) dans le fonctionnement en statoréacteurs ou à vol hypersonique; ces contraintes de température extrêmes et de nécessités de refroidissement concernent entre autres: la paroi à géométrie d'entrée va- riable; les parois des volets ou des tiroirs qui ferment l'entrée d'air du turboréacteur, arrêtée, en liaison avec les organes centraux ou qui, lorsqu'il y a une telle ferme- ture, conduisent l'air dynamique chaud dans le canal annu- laire extérieur du statoréacteur. Il faut en outre que les températures des gaz chauds sur les parois par exemple du carter de la turbine ou du brûleur de postcombustion 2 2704904 (fonctionnement en turboréacteur avec ou sans postcombus- tion) et en particulier les températures extrêmes des gaz chauds sur les parois d'une tuyère variable servant à la fois pour l'ensemble du réacteur et ainsi pour le fonction- nement en vol hypersonique, à savoir sur les parois du car- ter de la tuyère et par exemple sur des éléments de paroi réglables ou fixes, donnent la section la plus étroite né- cessaire des tuyères en liaison avec une conver- gence/divergence adaptée des tuyères. L'agent de refroidissement nécessaire peut provenir d'un carburant cryogène, emporte (hydrogène H2, liquide) qui est par exem- ple fourni pour le refroidissement par régénération des serpentins d'une paroi de tuyère de gaz chauds et arrive alors expansé à l'état gazeux pour participer à la combus- tion. Il est en outre connu, pour le refroidissement de la paroi et des pièces, d'utiliser de l'air pris dans l'in- verseur du réacteur (en amont du compresseur du turboréac- teur de base) comme air de refroidissement que l'on fait passer dans un condenseur pour le liquéfier par échange de chaleur avec le combustible d'alimentation (par exemple H2) ou encore le fournir dans cet état ou à l'état de vapeur pour le refroidissement des pièces. De l'état de la technique ainsi évoqué, on ne dé- duit aucune mesure pratique qui permettrait, de préférence de manière simple et pratique sur le plan de la construc- tion, de fournir l'agent de refroidissement (par exemple H2 ou de l'air de refroidissement à l'état de vapeur ou de li- quide), aux différents canaux de refroidissement dans les parties de paroi, ou de l'en extraire pour réaliser un re- froidissement très efficace pour une alimentation en fluide de refroidissement avec des pertes relativement faibles, l'agent de refroidissement séparé de manière hermétique par rapport à l'environnement du réacteur. Etant donné les sollicitations localement dif fé- rentes pour les températures élevées, il est en outre né- cessaire de prévoir une efficacité variable du refroidissement avec des moyens techniques de refroidisse- ment aussi réduits que possible. Un concept déjà proposé avec les différents tuyaux ou tubes de distribution qu'il faudrait raccorder chacun à son canal de refroidissement (en entrée ou en sortie) apparaît, dans le contexte évoqué en dernier lieu, comme extrêmement coûteux à la fabrication et fragile (contrôle d'étanchéité séparé, permanent). Le problème posé ci-dessus doit tout d'abord être articulé dans l'énoncé du but de l'invention, à savoir créer une installation correspondant au type connu défini ci-dessus, et permettant d'alimenter ou d'évacuer le fluide de refroidissement avec une mise en oeuvre constructive re- lativement simple de tous les canaux de refroidissement en alimentation et en évacuation, simultanément de façon opti- male quant à la consommation en fluide de refroidissement. Le problème ainsi posé est résolu en ce que: - des passages tubulaires localement séparés sont prévus sur la paroi, - une enveloppe de chaque passage tubulaire pré- sente une fente longitudinale, - chaque passage tubulaire est raccordé par une fente longitudinale et des passages dans la paroi du côté de l'entrée ou du côté de la sortie sur les canaux de re- froidissement, - chaque passage tubulaire est soudé ou brasé de manière étanche à la paroi sur la fente longitudinale. Les passages tubulaires peuvent être prévus à n'importe quel endroit ou emplacement par rapport à la structure existante de canaux de refroidissement et à l'alimentation ou évacuation en fluide de refroidissement de la paroi ou de la partie de paroi correspondante. En particulier, en variant les orifices d'entrée et de sortie ou les passages, on peut régler de manière re- lativement simple l'alimentation et/ou l'évacuation du fluide de refroidissement; cela permet d'influencer les vitesses et quantités nécessaires de fluide de refroidisse- ment ou le temps de séjour dans les canaux. La présente invention convient en particulier pour conduire à contrecourant le fluide de refroidissement soit en totalité, soit par secteur. Dans le cadre de l'invention, il est par exemple possible de ne fournir du fluide de refroidissement, par une alimentation tubulaire, chaque fois qu'au second ou au troisième canal de refroidissement successif. Un choix approprié du matériau, de la dimension des passages tubulaires (longueur, section) ainsi que de la forme des passages tubulaires, permet une adaptation opti- male en fonction de la dilatation thermique. Les soudures ou brasures longitudinales, étanches de manière hermétique suppriment pour chaque canal de re- froidissement, les techniques de liaison et d'étanchéité ou de soudage individuelles. On arrive en outre à un procédé de fabrication extrêmement simple et peu coûteux. Cela est vrai pour le cintrage de l'enveloppe d'un guide de tube sur la largeur de fente nécessaire ou, en variante, par une coupe de l'enveloppe cylindrique préfabriquée d'un passage tubulaire, parallèle à l'axe de l'enveloppe sur une partie de sa périphérie. De manière avantageuse, on prévoit seulement un point d'étanchéité par passage tubulaire, là o l'agent de refroidissement, par exemple H2, sort d'un passage tubu- laire, c'est-à-dire à une extrémité, pour arriver dans un autre passage tubulaire relié par exemple au brûleur d'un turbo-statoréacteur. L'invention sera décrite de manière plus dé- taillée à l'aide des dessins, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'une paroi de tuyère refroidie et montre l'installation partiel- lement coupée; - la figure 2 est une coupe arrachée d'une paroi de tuyère refroidie, représentée en perspective et partiel- lement coupée pour monter l'installation, avec un passage à s 2704904 double passage tubulaire et d'évacuation, localement séparé dans la zone d'extrémité de la paroi de tuyère; - la figure 3 montre une phase de préfabrication de l'enveloppe cylindrique d'un passage tubulaire, avec une séparation périphérique coupée parallèlement à l'axe; - la figure 4 montre l'enveloppe de la figure 3 ouverte néanmoins suivant une ligne de cintrage ou de pliage sur la largeur nécessaire de la fente; - la figure 5 montre une autre réalisation de fente par rapport aux figures 3 et 4, à la longueur et à la largeur nécessaires, avec coupe de l'enveloppe cylindrique parallèlement à l'axe suivant une section périphérique; et - la figure 6 montre le segment d'extrémité ar- rière d'une paroi de tuyère pour le passage tubulaire de l'installation et les canaux de refroidissement, avec des passages formés dans la paroi, coupés partiellement dans la direction transversale et représentés arrachés. La figure 1 montre une paroi de tuyère 1 avec deux passages tubulaires 2, 3' prévus localement séparés sur cette paroi, ou un "tube distributeur" et un "tube col- lecteur". D'un côté (ici vers l'intérieur) la paroi de tuyère 1 est soumise à l'écoulement d'un gaz chaud H à une température extrêmement élevée. Pour régler cette question de température, la paroi 1 de la tuyère est refroidie et comporte un ou plusieurs canaux de refroidissement 3, 4 in- tégrés à la paroi 1 et qui sont alimentés en agent de re- froidissement tel que par exemple de l'hydrogène de liquide H2. Dans une coupe longitudinale allant ici du passage tu- bulaire 3' vers l'extrémité droite de la paroi, les canaux de refroidissement 3, 4 sont en permanence tournés l'un vers l'autre ou sont traversés à contre-courant par l'agent de refroidissement (flèches F, G). Par rapport au segment de longueur évoqué, les différents canaux de refroidisse- ment 3, 4 sont parallèles et à l'intérieur de la paroi de tuyère 1 dans la direction longitudinale. Les autres canaux :6 2704904 de refroidissement 4 (sens de passage G) se terminent en sortie dans des orifices 5 du côté extérieur de la paroi de tuyère 1; les orifices 5 communiquant par une fente longi- tudinale L réalisée dans l'enveloppe M du passage tubulaire 3' (voir également figures 4 et 5) avec l'intérieur du pas- sage tubulaire 3; l'écoulement du fluide de refroidisse- ment à travers les orifices 5 dans le passage tubulaire 3' porte chaque fois la référence St. Des ouvertures d'entrée ' de type comparable sont réalisées dans le passage tubu- laire 3', sur le côté extérieur de la paroi de tuyère 1, c'est-à-dire ici à l'extrémité gauche de la paroi de l'en- veloppe M' du passage tubulaire 2; les flèches St' mon- trent l'alimentation en fluide de refroidissement à travers les orifices 5' dans chaque second canal suivant 3 (direction de passage F). Selon l'invention, comme le montre la figure 1, l'enveloppe M' du passage tubulaire 2 peut constituer en même temps le moyen de recouvrement des extrémités d'ali- mentation (ici gauche) des canaux de refroidissement 3. A l'extrémité E qui correspond ici au volet, on aurait le passage tubulaire 3' fermé par un couvercle, et le fluide de refroidissement qui s'échappe dans le passage tubulaire 3' suivant la direction St peut alors être fourni, suivant la direction de la flèche St", par une conduite de sortie (non représentée) reliée hermétiquement au passage tubu- laire 3' d'Tun autre utilisateur monté sur le propulseur. L'autre passage tubulaire 2 peut être alimenté en fluide de refroidissement à partir d'une extrémité, selon la flèche K par une conduite d'alimentation non représentée, fermée également de manière hermétique. A l'extrémité opposée à la flèche K, l'autre passage tubulaire 2 doit être fermé du côté de la paroi, à la manière d'une couvercle. L'alimenta- tion et la distribution d'agent de refroidissement vers les autres canaux de refroidissement 4 respectifs (direction de passage G), peuvent se faire de manière correspondante par 7 2704904 un passage tubulaire prévu sur le côté d'extrémité droit, à l'extérieur contre la paroi de tuyère 1; ce passage cor- respond en principe à l'autre passage tubulaire 2 déjà traité, prévu sur le côté de l'extrémité extérieure gauche de la paroi de tuyère 1. On reconnaît notamment pour les passages tubulai- res 2 et 3' (figure 1) qu'ils sont disposés transversale- ment avec leurs enveloppes M, M' par rapport à la grande longueur du canal de refroidissement et sont opposés paral- lèlement, avec intervalles. Si par hypothèse, la partie de paroi 1 de la fi- gure 1 est un volet basculant d'une tuyère à section carrée ou rectangulaire, qui représente avec les autres volets la section respectivement la plus étroite, on peut dans le ca- dre des moyens de l'invention, du fait de la température élevée qui règne par exemple à proximité du col de tuyère, fournir une température de refroidissement plus importante on peut ainsi réduire localement ou par segments, la ré- sistance thermique importante pour l'évacuation de la cha- leur. La figure 2 illustre une variante de l'invention en ce que l'on a dans ce cas un dispositif à double tube, ici à l'extrémité arrière de la paroi 1 de la tuyère, et cela avec montage séparé sur le plan fluidique d'un passage tubulaire 20 du côté de l'alimentation, à la manière d'un tube distributeur, sur le côté intérieur ou sous la paroi de tuyère 1, et un passage tubulaire 30, parallèle, en forme de collecteur, sur le côté extérieur ou dessus de la paroi de tuyère 1; les critères hydro ou aérodynamiques ou d'alimentation et d'évacuation et les critères de distribu- tion du fluide de refroidissement avec les chiffres de ré- férence de la figure 1 sont utilisés ici. On peut par exemple selon la figure 2, en utilisant une coupe longitu- dinale LS soudée dans la masse ou ultérieurement, pour les deux enveloppes M et M' des passages tubulaires 20, 30, 8 2704904 réaliser en même temps une fermeture arrière, étanche de la paroi 1 et ainsi des canaux de refroidissement 3 et 4. Selon la figure 3, chacun des passages tubulaires évoqués peut être préfabriqué par exemple avec une enve- loppe cylindrique M coupée le long de l'une de ses généra- trices parallèles à l'axe A, à l'endroit S. L'enveloppe M peut être élargie à la largeur nécessaire B de la fente longitudinale le long d'une ligne ou d'une arête de cin- trage K ou d'une nervure parallèles à l'axe A ou à une gé- nératrice. Selon la figure 5, on peut également fabriquer chaque passage tubulaire dans une enveloppe cylindrique M dont on coupe longitudinalement une partie de périphérie U à la largeur nécessaire B pour former la fente longitudi- nale L. En utilisant les mêmes références pour des pièces et fonctions pratiquement inchangées, selon la figure 6, on a une variante dans laquelle la paroi de tuyère 1 se com- pose d'un élément de base 10 avec des cavités séparées par des nervures 11 qui forment les canaux de refroidissement 3 et 4; les nervures 1il et les cavités ferment de manière hermétiquement étanche avec un élément de recouvrement 12 (par exemple à un emplacement P) les découpes ou orifices pour les orifices 5'. En outre, une conduite 13 reliée de manière étanche au passage tubulaire 2 est prévue pour l'alimentation en agent de refroidissement (flèche K). La référence SN désigne les cordons de soudure ou de brasure pour le passage tubulaire 30, qui apparaissent notamment à la figure 2; ainsi, pour tous les passages tu- bulaires, on peut avoir une soudure ou brasure étanche her- métique au niveau de la fente longitudinale concernée L (voir ici également figures 4 ou 5) sur la paroi 1 de la tuyère. La présente invention peut s'appliquer à toutes les parois ou parties de parois très sollicitées à haute 9 2704904 température sur des turboréacteurs ou des turbo- statoréacteurs, c'est-à-dire des pièces comme celles indi- quées dans l'état de la technique donné dans le préambule. 2704904 R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Installation pour la distribution ainsi que pour l'alimentation et l'évacuation d'un fluide de refroi- dissement d'une paroi d'un turboréacteur notamment d'un turbostatoréacteur exposé à l'écoulement d'un fluide chaud et ayant des canaux de refroidissement recevant le fluide de refroidissement, ces canaux étant essentiellement paral- lèles dans la paroi, installation caractérisée en ce que: - des passages tubulaires (2, 3') localement sé- parés sont prévus sur la paroi (1), - une enveloppe (M', M) de chaque passage tubu- laire (2, 3') présente une fente longitudinale (L), - chaque passage tubulaire (2, 3') est raccordé par une fente longitudinale (L) et des passages (5', 5) dans la paroi (1) du côté de l'entrée ou du côté de la sor- tie sur les canaux de refroidissement (3, 4), - chaque passage tubulaire (2, 3') est soudé ou brasé de manière étanche à la paroi (1) sur la fente longi- tudinale (L). 2 ) Installation selon la revendication 1, carac- térisée en ce que chaque passage tubulaire (2, 3') est fer- mé sur un côté de paroi à la manière d'un couvercle et est raccordé sur la paroi opposée à une conduite d'alimentation ou d'évacuation de l'agent de refroidissement. 3 ) Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les passages tubulaires (2, 3') sont prévus dans des positions opposées parallèles au niveau de deux zones d'extrémité de la paroi (1). 4 ) Installation selon l'une des revendications! ou 2, caractérisée en ce que deux passages tubulaires (20, ) pour chaque fois l'alimentation ou l'évacuation de l'agent de refroidissement au moins au niveau d'une zone d'extrémité d'une paroi (1) sont réalisés de manière paral- lèle sur le côté extérieur et le côté intérieur de la paroi ou du côté supérieur et du côté inférieur de la paroi. - 11 2704904 ) Installation selon la revendication 4, carac- térisée en ce qu'un segment longitudinal (LS) d'une enve- loppe (M', M) commune à deux passages tubulaires (20, 30) forme une fermeture soudée ou brasée de manière hermétique- ment étanche, de toutes les extrémités de canal sur la pa- roi (1). 6 ) Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que deux passages tubulaires (2, 3') pa- rallèles sont prévus sur la paroi (1), dont l'un est prévu dans une zone d'extrémité de la paroi (1) et l'autre sur l'une des deux faces de paroi, extérieure ou intérieure. 7 ) Installation selon l'une quelconque des re- vendications 1, 2, 4, 5, 6, caractérisée en ce que dans la paroi (1), il y a une succession alternée de canaux de re- froidissement (3, 4) traversés en sens opposé par du fluide de refroidissement et parmi lesquels certains canaux (3) sont reliés en entrée, par des orifices (5'), à l'un des passages tubulaires (2), et les autres canaux (4) sont re- liés en sortie, par des orifices (5), à l'autre passage tu- bulaire (3'). 8 ) Installation selon la revendication 7, carac- térisée en ce que les orifices (5', 5) des canaux de re- froidissement (3, 4) présentent des sections de dimensions différentes suivant l'efficacité nécessaire du refroidisse- ment pour des contraintes de haute température localement différentes de la paroi. 9 ) Installation selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 7 et 8, caractérisée en ce que la disposi- tion en ordre alterné de canaux de refroidissement (3, 4) parcourus de manière opposée, sensiblement parallèlement, se limite à au moins un segment de paroi. ) Installation selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce que des nombres différents de canaux de refroidissement sont répartis localement par faisceaux sur 12 2704904 la paroi, dans la même direction ou toujours en alternance pour être parcourus par le fluide de refroidissement. ) Installation selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 10, caractérisée en ce que les passages tubulaires (3', 30) sont fabriqués dans une enveloppe cy- lindrique (M) que l'on coupe sur une partie de périphérie (U) de largeur nécessaire (B) pour former la fente longitu- dinale (L). 12 ) Installation selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 10, caractérisée en ce que les passages tubulaires (3', 30) sont réalisés avec une enveloppe cylin- drique (M) qui est ouverte le long d'une ligne parallèle à l'axe et qui est élargie à la largeur nécessaire (B) de la fente longitudinale (L). 13 ) Installation selon la revendication 12, ca- ractérisée en ce que l'enveloppe (M) des passages tubulai- res (3', 30) est élargie à la largeur de fente (B) nécessaire sur au moins une ligne ou arête de cintrage (K) parallèle à l'axe, ou nervure. 14 ) Installation selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 13, caractérisée en ce que les canaux de refroidissement (3, 4), ont une section de passage carrée ou rectangulaire et la paroi (1) est formée de canaux de refroidissement (3, 4) carrés ou rectangulaires, les passa- ges (5', 5) étant formés par des sections de paroi de canal de refroidissement localement supprimées ou découpées. ) Installation selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 14, caractérisée en ce que la paroi (1) est formée de cavités séparées par des nervures (11) qui forment avec les canaux de refroidissement (3, 4), par re- couvrement des nervures et des cavités à l'aide d'un élé- ment de recouvrement (12), des découpes ou des évidements pour les orifices (5').