Brevet FR2700583A1 — publié le 19940722

Procédé de fabrication d'une paroi refroidie par fluide formée de petits tubes assemblés L'invention concerne un procédé pour la fabrication d'une pa- roi de type composite formée de petits tubes assemblés qui résiste à des sollicitations cycliques d'origine thermique et mécanique, est ba- layée d'un côté par des gaz chauds, est refroidie par fluide et est pour- vue d'une couche de protection thermique côté gaz chauds, notamment un procédé pour la fabrication d'une paroi de chambre de combustion ou de tuyère d'éjection de gaz de réacteur, formée de petits tubes de section rectangulaire, les petits tubes étant liés entre eux directement et/ou indirectement au niveau de la face opposée aux gaz chauds par un revêtement de renfort supplémentaire et la couche de protection thermique formant en fonctionnement une surface d'écoulement qui est au moins sensiblement lisse et exempte d'interstices. Des parois de ce type sont essentiellement utilisées dans les chambres de combustion et les tuyères des propulseurs de fusées fonc- tionnant avec des propergols liquides Par le document US-PS 3 190 , on connaît des propulseurs de fusées dans lesquels les parois pé- riphériques, de type composite, sont formées de petits tubes et sont en- tourées d'une enveloppe extérieure supportant les sollicitations méca- niques, laquelle enveloppe peut être réalisée par projection L'étan- chéité est assurée par l'enveloppe extérieure ou par une liaison par brasure ou par soudure etc entre les petits tubes à section notamment rectangulaires Les principaux avantages d'une construction de ce type sont une résistance mécanique et une rigidité élevées alliées à un poids ré- duit et à un refroidissement efficace de la paroi intérieure, côté gaz chauds Un certain inconvénient de cette solution est que, lors de la première mise en service, des contraintes élevées apparaissent dans les parties situées côté gaz chauds des parois des petits tubes, lesquelles contraintes entraînent des déformations permanentes La raison à cela est la liberté de dilatation généralement insuffisante dans la direction périphérique, notamment lorsque la section des petits tubes est rectan- gulaire et que lesdits tubes sont déjà en contact direct à froid Sous l'action de la sollicitation thermique et de la pression du fluide de re- froidissement circulant à l'intérieur des petits tubes, les parties des pa- rois situées côté gaz chauds se déforment élastiquement et plastique- ment, c'est-à-dire de manière permanente en direction du milieu du propulseur Lors du refroidissement consécutif, par exemple dû à l'ar- rêt du fonctionnement lorsque le propulseur est utilisé de manière in- termittente, il se forme par suite de la contraction des parties de paroi ayant subi une déformation permanente des interstices en forme de coin s'ouvrent entre les parties radiales des parois des petits tubes Au moment de la reprise éventuelle du fonctionnement, les interstices se referment et il n'y a plus pour l'essentiel que des déformations élasti- ques avec des contraintes fortement réduites. Par le document DE-AS 21 37 109 on connaît une structure de paroi pour des chambres de combustion de fusées qui est réalisée par galvanoplastie et dans laquelle des fentes rectangulaires ouvertes côté gaz chauds sont aménagées au moment de la fabrication entre les canaux de refroidissement dans le but de permettre en fonctionnement une déformation thermique quasiment libre A cet effet le noyau de galvanisation est pourvu de saillies radiales étroites qui sont ensuite décollées par voie chimique de la structure de paroi Ce mode de fabri- cation particulier des parois est long, est coûteux et pose des problè- mes; c'est pourquoi il ne s'est pas imposé dans la pratique. Il est encore connu de réduire la sollicitation thermique des parois métalliques en contact avec les gaz chauds dans des propulseurs en utilisant des revêtements protecteurs en céramique, par exemple au niveau de la chambre de combustion et au niveau de la turbine de pro- pulseurs à turbine à gaz Généralement, ces revêtements protecteurs sont cassants, se fissurent facilement sous l'action de contraintes de traction et se décollent rapidement du support métallique en présence de contraintes de compression internes. Si l'on applique une couche de protection thermique de ce ty- pe, par exemple une couche d'oxyde de zirconium, sur la face côté gaz chaud d'une paroi neuve de type composite formée de petits tubes d'un propulseur, il existe un risque élevé que la couche protectrice soit en- dommagée dès le premier cycle de fonctionnement par suite des défor- mations mentionnées plus haut Les zones dégagées, non protégées des parois métalliques des petits tubes sont particulièrement exposées aux déformations et aux brûlures étant donné que l'on considère pour le calcul de la sollicitation de la chambre de combustion que la couche protectrice est parfaitement active. Compte tenu des inconvénients des solutions connues, l'objet de la présente invention est d'indiquer un procédé pour la fabrication d'une paroi de type composite formée de petits tubes qui résiste aux sollicitations d'origine thermique et mécanique, est refroidie par circu- lation d'un fluide et est pourvue d'une couche de protection thermique qui, en évitant dans une large mesure les contraintes de compression à l'intérieur de la couche de protection, garantit une liaison durable et fiable entre la couche de protection et la paroi et permet d'obtenir ain- si une plus grande longévité du propulseur fonctionnant de manière cyclique ainsi qu'un meilleur rendement dudit propulseur grâce à des températures de gaz chauds plus élevées. Le problème est résolu selon l'invention par le fait A) qu'on lie entre eux les petits tubes de manière telle qu'à froid, c'est- à-dire à l'état non sollicité côté gaz chauds, ceux-ci soient appliqués l'un contre l'autre sans jeu ou laissent entre eux des intersti- ces dont la largeur est au maximum égale à la déformation des petits tubes prévue en fonctionnement, c'est-à-dire à leur dilatation transver- sale, B) qu'immédiatement avant l'application ou lors de l'applica- tion de la couche de protection thermique, on chauffe le côté gaz chauds de l'assemblage de petits tubes à la température de fonctionne- ment attendue à l'état thermiquement protégé, de telle sorte que les in- terstices se ferment, à la suite de quoi on applique la couche de pro- tection thermique sur une surface qui est largement exempte d'intersti- ces, C) que par suite du refroidissement consécutif il se forme dans la couche de protection thermique, au droit des interstices qui s'ouvrent entre les petits tubes, des fissures traversantes dont la lar- geur correspond à celle des interstices situés dessous. A noter en ce qui concerne le point A que l'on peut agir très efficacement sur la dimension à froid et à l'état neuf (de "zéro" au maximum) de l'interstice entre les petits tubes par le biais de la forme en section desdits petits tubes, des formes rectangulaires et trapézoi- dales étant particulièrement avantageuses. A noter en ce qui concerne le point B que lors de l'applica- tion de la couche de protection thermique, le côté gaz chauds de l'as- semblage de petits tubes se trouve sensiblement à la température atten- due en fonctionnement, avec des déformations plastiques/élastiques en conséquence et des interstices fermés. Conformément au point C, lors du refroidissement consécutif de l'assemblage revêtu de la couche protectrice, il se forme dans la couche protectrice, des fissures traversantes au droit des interstices dont la largeur augmente Au cours des cycles de fonctionnement ulté- rieurs, ces fissures se referment de sorte que la fonction protectrice de la couche n'est pas altérée En outre, les fissures qui agissent à la ma- nière de joints de dilatation empêchent l'apparition de contraintes de compression à l'intérieur de la couche de protection et évitent ainsi de manière sûre que celle-ci se décolle de la paroi des petits tubes. Conformément à une caractéristique de l'invention, lors- qu'après liaison, les petits tubes sont appliqués sans jeu l'un contre l'autre ou lorsqu'il subsiste entre eux des interstices dont la largeur est sensiblement plus faible que la déformation des tubes attendue en fonctionnement, on soumet l'assemblage de petits tubes à un cycle thermique/mécanique qui correspond au moins aux conditions de fonc- tionnement prévisibles avant de procéder à l'application de la couche de protection thermique Les petits tubes subissent alors une déforma- tion plastique telle, qu'après refroidissement et disparition des sollici- tations, il subsiste entre eux, côté gaz chauds, des interstices définis dont la largeur correspond à la déformation prévisible en fonctionne- ment. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, les sollicitations pour le cycle thermique/mécanique au nombre d'au moins un sont supérieures à celles qui apparaissent en fonctionnement Cel- les-ci sont choisies de telle sorte que les déformations plastiques ainsi produites des petits tubes correspondent à la somme des déformations élastiques et plastiques attendues en fonctionnement. De préférence, on utilise pour réaliser la paroi des petits tu- bes de section rectangulaire, carrée ou trapézoïdale La couche de pro- tection thermique est appliquée par projection à chaud, par exemple par projection plasma sous vide ou sous faible pression. Lorsque les petits tubes sont reliés entre eux de manière di- recte la liaison entre les petits tubes peut être réalisée par soudage et/ou par brasage Lorsque les petits tubes sont reliés entre eux de ma- nière indirecte par une couche de renfort, la couche de renfort est ap- pliquée par projection plasma et/ou par galvanisation et/ou par un pro- cédé de revêtement à matériau composite renforcé par fibres. Conformément à une caractéristique de l'invention, la couche de protection thermique est en oxyde de zirconium. L'invention est décrite ci-après de manière détaillée en fai- sant référence aux dessins Ceux-ci représentent de manière simplifiée, sans respect des dimensions: figure 1, une coupe partielle d'une paroi à l'état neuf, à froid, sans couche protectrice, une exécution avec couche de renfort exté- rieure étant représentée à gauche de l'axe médian et une exécution sans couche de renfort avec assemblage direct des petits tubes étant repré- sentée à droite, figure 2, une coupe partielle d'une paroi avec couche de ren- fort extérieure, à l'état chaud avant (moitié gauche) et après (moitié droite) application de la couche protectrice, figure 3, une coupe partielle correspondant à la moitié droite de la figure 2, à l'état refroidi. Pour une meilleure compréhension, les interstices, les défor- mations et la courbure de la paroi sont représentés fortement exagérés par rapport à la réalité De même les rapports des épaisseurs de paroi, épaisseurs de couches, dimensions des cordons de soudure, etc n'au- torisent aucune conclusion quant aux rapports réels. La partie gauche de la figure 1 représente une paroi 1 dans laquelle les petits tubes 3 sont liés de manière indirecte par l'intermé- diaire d'une couche de renfort 5 extérieure. La partie droite de la figure représente une paroi 2 dans la- quelle les petits tubes 4 sont assemblés de manière directe par des cor- dons de soudure 6 Les deux parois 1, 2 sont à l'état neuf, à froid, ce qui signifie que les petits tubes n'ont pas encore été soumis à des sol- licitations thermiques et mécaniques. Les petits tubes 3 ont une section en forme de trapèze et sont appliqués directement les uns contre les autres au niveau de leur inter- face avec la couche de renfort 5 Les parties de paroi 7 côté gaz chauds laissent libres des interstices 9 dont la dimension est au maxi- mum égale à la déformation en fonctionnement On peut agir de ma- nière ciblée sur la dimension des interstices 9 par le biais de la forme en section des petits tubes 3 La couche de renfort 5 laquelle est for- mée d'un matériau métallique on non présentant une résistance mécani- que et une tenue à la température suffisantes remplit les fonctions de liaison, de renfort et d'étanchéité des petits tubes. Pour la paroi 2, on utilise des petits tubes 4 plus ordinaires à section rectangulaire ou carrée qui sont appliqués les uns contre les autres sensiblement sans interstice côté gaz chaud Les interstices dus à la forme côté extérieur "froid" sont particulièrement bien adaptés pour une liaison par soudure entre les petits tubes 4, voir cordon de soudure 6 représenté. La figure 2 représente la construction de la paroi avec couche de renfort La partie de la figure à gauche de l'axe médian représente l'état juste avant application de la couche de protection thermique 8. Les petits tubes sont amenés côté gaz chaud à une température qui cor- respond sensiblement à la température de fonctionnement attendue avec protection thermique Du fait de la dilatation thermique, les pe- tits tubes 3 sont appliqués sans interstice les uns contre les autres La pression du fluide de refroidissement en fonctionnement étant supé- rieure à la pression des gaz chauds (pression de la chambre de com- bustion, pression de la tuyère) il est logique pour une simulation opti- male des conditions de fonctionnement au moment de l'application de la couche protectrice d'appliquer une pression correspondante à l'inté- rieur des petits tubes 3 Les parties de paroi 7 subissent alors une déformation définie en direction du côté gaz chaud, ainsi que le montre la figure 2 La déformation peut en outre être causée par le fait que la dilatation thermique des parties de paroi 7 est supérieure à l'interstice 9 existant à froid. La partie droite de la figure 2 montre la couche de protection thermique 8 qui est appliquée par projection à chaud, est formée de préférence d'oxyde de zirconium et qui, juste après l'application, est sensiblement lisse et exempte de fissure. Lors du chauffage (préchauffage) de la paroi 1 juste avant l'application de la couche de protection thermique 8, il convient de te- nir compte du fait qu'il se produit une élévation supplémentaire impor- tante de la température due à la projection. La figure 3 correspond à la suite du procédé appliqué sur la partie droite de la figure 2 et montre l'état à froid, hors sollicitation, de la paroi 1 pourvue d'une couche de protection 8 Entre les petits tu- bes 3 refroidis qui ont subi une déformation permanente se trouvent des interstices 10 définis qui agissent à la manière de joints de dilata- tion et se prolongent dans la couche protectrice 8 sous forme de fissu- res traversantes définies Les fissures 11 se forment de manière "auto- matique" lors du refroidissement" étant donné que la couche protectri- ce 8 relativement cassante à base d'oxyde céramique se fissure facile- ment en présence de contraintes de traction L'adhérence sur les surfa- ces métalliques des parties de paroi 7 empêche une fissuration de la couche protectrice 8 dans ces zones. Lors de chaque cycle de fonctionnement ultérieur, les fissu- res il se referment de sorte que l'on a un contour d'écoulement proté- gé et lisse La couche protectrice reste sensiblement exempte de contraintes de compression et n'a pas tendance à se décoller. Dans la pratique, il est souvent difficile de réaliser dans la paroi à l'état neuf à froid des interstices qui présentent une largeur dé- finie (voir figure 1 partie gauche) Le grand nombre de tubes à assem- bler (jusqu'à plusieurs centaines) et les écarts de forme de ceux-ci conduisent à l'état neuf et à froid à des interstices qui peuvent varier localement dans des proportions importantes Pour éviter la présence localement d'interstices résiduels en fonctionnement on adopte comme dimension moyenne d'interstice à l'état neuf et à froid, une valeur qui est nettement inférieure à la valeur de la dilatation thermique attendue et on réalise les joints de dilatation thermique nécessaire au moment de l'application de la couche protectrice par application de la sollicita- tion thermique/mécanique. Dans le cas notamment de parois avec à froid et à l'état neuf des interstices moyens très faibles, par exemple dans le cas de la paroi 2 de la figure 1, partie droite de la figure, il faut s'attendre à des dé- formations importantes lors du premier chauffage simulant les condi- tions de fonctionnement Dans ce cas, il est recommandé de ne pas ap- pliquer la couche protectrice fragile dès le premier processus de chauffage mais au mieux lors du deuxième processus de chauffage après un refroidissement intermédiaire Grâce à ce cycle thermique ou thermique/mécanique au nombre d'au moins un de conditionnement sans couche protectrice, la paroi "travaille" beaucoup moins lors de l'application de la couche protectrice donnant ainsi une adhérence sûre de ladite couche protectrice. On obtient une couche protectrice optimale qui est exempte de contraintes de compression et est "fermée" en fonctionnement en appliquant avant ou pendant la réalisation de la couche protectrice des sollicitations thermiques ou des sollicitations thermique/mécaniques légèrement supérieures à celles rencontrées en fonctionnement, les sollicitations devant être telles que les déformations plastiques qui en résultent soient égales à la somme des déformations élastiques et plas- tiques en fonctionnement. REVENDICATIONS 1 Procédé pour la fabrication d'une paroi de type composite formée de petits tubes qui résiste à des sollicitations cycliques d'origi- ne thermique et mécanique, est balayée d'un côté par des gaz chauds, est refroidie par fluide et est pourvue côté gaz chauds d'une couche de protection thermique, notamment pour la fabrication d'une paroi for- mée de petits tubes de section rectangulaire pour une chambre de com- bustion ou une tuyère d'éjection de gaz de réacteur, les petits tubes étant liés entre eux directement et/ou indirectement sur la face oppo- sée aux gaz chauds par un revêtement de renfort supplémentaire et la couche de protection thermique formant en fonctionnement une surface d'écoulement qui est au moins sensiblement lisse et exempte d'intersti- ces, caractérisé par les étapes suivantes: A) on lie entre eux les petits tubes ( 3, 4) de manière telle qu'à froid, à l'état non sollicité côté gaz chauds, ceux-ci soient appli- qués l'un contre l'autre sans jeu ou laissent entre eux des interstices ( 9) dont la largeur est au maximum égale à la déformation des tubes prévue en fonctionnement, c'est-à-dire à leur dilatation transversale, B) immédiatement avant l'application ou lors de l'application de la couche de protection thermique ( 8), on chauffe le côté gaz chauds de l'assemblage de petits tubes à la température attendue dans l'état avec protection thermique de telle sorte que les interstices ( 9) se ferment, à la suite de quoi on applique la couche de protection thermi- que ( 8) sur une surface qui est largement exempte d'interstices, C) suite au refroidissement consécutif, il se forme dans la couche de protection thermique ( 8), au droit des interstices ( 10) qui s'ouvrent entre les petits tubes ( 3), des fissures ( 11) traversantes dont la largeur correspond à celle des interstices ( 10) situés au-dessous. 2 Procédé selon la revendication 1 pour une paroi dont les petits tubes, après liaison, sont appliqués l'un contre l'autre ou laissent entre eux des interstices dont la largeur est nettement plus faible que la déformation des tubes prévisible en fonctionnement, caractérisé par le fait qu'avant application de la couche de protection thermique, on soumet l'assemblage de petits tubes à un cycle thermique/mécanique qui correspond au moins aux conditions de fonctionnement prévisibles, les petits tubes étant déformés plastiquement de telle manière qu'après refroidissement et disparition des sollicitations il subsiste entre eux côté gaz chaud des interstices définis dont la largeur correspond à la déformation des petits tubes attendue en fonctionnement. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que, lors du cycle thermique/mécanique au nombre d'au moins un, on choisit les sollicitations supérieures à celles qui apparaissent par la suite en fonctionnement, à savoir de telle sorte que les déformations plastiques ainsi produites des petits tubes correspondent à la somme des déformations élastiques et plastiques attendues en fonctionnement. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on utilise des petits tubes ( 3, 4) de section rectangulaire, carrée ou trapézoïdale pour réaliser la paroi ( 1, 2). 5 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la couche de protection thermique ( 8) est ap- plication par projection à chaud, par exemple par projection plasma sous vide ou sous faible pression. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel les petits tubes sont liés entre eux de manière directe, ca- ractérisé par le fait que la liaison entre les petits tubes ( 4) est réalisée par soudage (cordon de soudure 6) et/ou par brasage. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel les petits tubes sont liés entre eux de manière indirecte par une couche de renfort, caractérisé par le fait que la couche de renfort ( 5) est appliquée par projection plasma et/ou par galvanisation et/ou par un procédé de revêtement à composite renforcé par fibres. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la couche de protection thermique ( 8) est en oxyde de zirconium.