Brevet FR2706948A1 — publié le 19941230

Structure de paroi, en particulier pour un statoréacteur L'invention concerne une structure de paroi à refroidissement actif, notamment pour un statoréacteur, comportant un faisceau de tu- bes constitué par des tubes à fluide de refroidissement qui sont liés en- tre eux par matière et une paroi extérieure de type sandwich formée d'une couche de couverture intérieure contiguë au faisceau de tubes, de même forme que celui-ci et liée à celui-ci par matière, d'une couche de couverture extérieure ainsi que d'un coeur de faible poids spécifique qui est disposé entre lesdites couches de couverture de manière à transmettre les sollicitations. L'invention concerne également un pro- cédé de fabrication d'une telle structure. Les structures de paroi connues à résistance thermo-mécani- que élevée, avec refroidissement par régénération, telles qu'elles sont utilisées comme parois de chambre de combustion ou comme parois de tuyère d'éjection de gaz, conformément par exemple au brevet DE-40 15 204-C1, se composent d'une enveloppe intérieure traversée par des conduits de fluide de refroidissement et d'une enveloppe extérieure massive résistante à la pression qui sont fabriquées séparément et sont liées l'une à l'autre par un matériau coulé entre lesdites enveloppes. Le problème des structures de parois de ce type est d'une part le poids im- portant de l'enveloppe porteuse résistante à la pression et du matériau coulé et d'autre part une résistance mécanique insuffisante au niveau des surfaces de contact critiques enveloppe résistante à la pres- sion/matériau coulé et matériau coulé/enveloppe intérieure, que ce soit en raison de l'adhérence limitée au niveau des surfaces de contact du fait des différences de matériaux et/ou parce que, notamment dans le cas de structures étendues, il peut subsister entre l'enveloppe résistan- te à la pression et l'enveloppe intérieure des cavités non remplies, donc des zones de défaut localisées avec un contact superficiel insuffi- sant sur le plan thermique et mécanique. On connaît encore des structures de paroi du type indiqué en introduction dans lesquelles, pour des raisons de poids, l'enveloppe porteuse extérieure ne se présente pas sous la forme d'une enveloppe massive mais est une construction de type sandwich en un matériau ré- fractaire métallique ou céramique dont la face intérieure est garnie d'un faisceau de tubes formé de tubes à fluide de refroidissement liés entre eux par matière. Une grande précision d'ajustement est nécessai- re entre le faisceau de tubes et la structure porteuse de type sandwich pour obtenir un couplage sans défaut sur le plan thermique et mécani- que et, pour des raisons de légèreté de construction, les couches de couverture extérieures de la structure sandwich doivent fréquemment avoir une épaisseur qui varie en fonction des sollicitations locales; il s'ensuit que ces structures de parois, notamment lorsqu'elles ont un profil de surface non développable avec une courbure quelconque com- me c'est le cas dans les moteurs à réaction modernes pourvus de cham- bres de combustion et/ou de tuyères d'éjection de gaz dont la forme en section transversale passe d'une forme circulaire à une forme rectangu- laire, exigent pour la réalisation de la structure sandwich et pour une liaison suffisamment résistante des tubes à fluide de refroidissement entre eux et avec la couche de couverture contiguë de la structure sandwich une dépense sur le plan de la construction qui n'est plus sup- portable. L'objet de la présente invention est d'agencer une structure de paroi du type indiqué en introduction et d'indiquer un procédé de fa- brication de manière à pouvoir fabriquer avec un travail de fabrication nettement plus réduit, pour pratiquement n'importe quelle forme en section transversale, une structure sandwich porteuse en matériau ré- fractaire qui présente une grande précision de forme et est liée par ma- tière de manière sûre au faisceau de tubes à fluide de refroidissement. Le problème est résolu selon l'invention grâce au fait que, au moins dans la région de la couche de couverture intérieure, la struc- ture de type sandwich et les liaisons par matière des tubes à fluide de refroidissement entre eux et avec la couche de couverture intérieure sont agencées sous forme de couche de métal et/ou de céramique pro- jetée sur le faisceau de tubes par une technique de projection thermi- que. Conformément à l'invention, de par sa construction particu- lière, la structure porteuse métallique et/ou céramique de type sand- wich dispose en elle-même et sans recourir à des modifications coû- teuses de la forme de la couche de couverture côté faisceau de tubes d'une grande précision d'ajustement, indépendamment de la géométrie de surface; simultanément, les liaisons par matière avec les tubes de fluide de refroidissement et entre ceux-ci sont réalisées lors de la fa- brication de la structure sandwich en tant que partie intégrante de la couche de couverture intérieure de ladite structure sandwich. Ainsi la dépense sur le plan de la fabrication et de la construction pour obtenir une liaison très résistante, sans défaut au niveau de l'interface entre la structure porteuse de type sandwich et le faisceau de tubes de refroi- dissement est elle considérablement réduite. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, les tu- bes à fluide de refroidissement et la couche de couverture intérieure sont réalisés en un même matériau. Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, le coeur de la structure sandwich est réalisé dans le même matériau que les couches de couverture intérieure et extérieure de la structure sand- wich. L'utilisation d'un même matériau pour les tubes à fluide de refroidissement et la couche de couverture intérieure ou pour le coeur et les couches de couverture intérieures, par exemple d'un acier haute- ment réfractaire tel que celui connu sous la désignation commerciale "Inconel", permet d'améliorer encore la résistance mécanique et ther- mique de la structure de paroi notamment dans la région des liaisons par matière. Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, la structure de paroi se présente sous la forme d'une paroi incurvée à deux dimensions, non développable de chambre de combustion d'un ré- acteur avec des tubes à fluide de refroidissement qui sont disposés cô- té gaz chaud de ladite paroi de chambre de combustion. On obtient ainsi un agencement simple sur le plan de la construction, très résis- tant et léger de la structure de paroi Pour réaliser une structure de paroi de type sandwich com- portant une surface à courbure quelconque, constituée par une couche de couverture extérieure, une couche de couverture intérieure et un coeur de faible poids spécifique qui est disposé entre lesdites couches de couverture de manière à transmettre les sollicitations, on fabrique au moins l'une des couches de couverture en un matériau métallique et/ou céramique avec une surface incurvée adaptée à la structure de paroi et on lie celle-ci par matière au coeur. Les couches de couverture sont appliquées par un procédé de projection thermique sont formées avec précision sur la surface exté- rieure ou sur la surface intérieure de la forme de moulage qui est né- cessaire pour la projection du matériau de la couche de couverture. De préférence on projette au moins l'une des couches sur la surface exté- rieure de la forme de moulage puis on lie celle-ci côté face arrière au coeur de manière à transmettre les sollicitations. Dans la mesure o el- le est constituée par le faisceau de tubes de refroidissement, la surface de moulage est liée de manière permanente par matière à la couche de couverture. Lorsque la couche de couverture doit présenter une surface libre, la forme de moulage est agencée de manière à pouvoir être sépa- rée de la forme de moulage - par exemple en interposant une couche de séparation. Pour lier au coeur la couche formé&e avec précision sur la fa- ce extérieure, conformément au procédé selon l'invention, on utilise pour le coeur un élément en nid d'abeilles et on lie celui-ci par matière à la face arrière de la couche de couverture par projection thermique à travers les cellules du nid d'abeilles. De la sorte on obtient une liaison par matière qui fait partie intégrante de la couche de couverture, est homogène et est réalisé en même matériau que ladite couche de cou- verture, ce qui augmente encore la résistance de la structure sandwich. Afin d'obtenir une fabrication simple, précise avec une résis- tance élevée, de préférence, on réalise également la couche de couver- ture extérieure et sa liaison par matière avec le coeur par projection thermique. Lorsque le coeur est un élément en nid d'abeilles, après avoir réalisé la liaison avec la couche de couverture, on remplit le coeur en nid d'abeilles d'un matériau de remplissage, on applique la couche de couverture extérieure par projection thermique sur la surfa- ce libre dudit coeur en nid d'abeilles puis on élimine le matériau de remplissage du coeur en nid d'abeilles. En revanche, conformément à une variante du procédé selon l'invention, lorsqu'on utilise un coeur poreux en matière moussée qui est lié par matière sous l'action de la chaleur au moyen d'une couche fusible à la face arrière de l'une des couches de couverture, par exem- ple un film de brasure dure, on peut renoncer au matériau de remplis- sage que l'on doit éliminer par la suite et appliquer l'autre couche de couverture sur la surface libre du coeur en matière moussée par une technique de projection thermique. ans ce cas, la couche de couverture intérieure est liée par matière avec le coeur en matière moussée, côté face arrière, par action de la chaleur grâce à l'interposition d'une cou- che fusible, par exemple d'une couche de brasure dure. Ceci constitue une simplification supplémentaire de la fabrication. Au moins l'une des couches de couverture peut être projetée sans difficulté avec une épaisseur non régulière qui est adaptée en fonction des sollicitations locales. Eventuellement le coeur peut lui aussi avoir une hauteur non constante adaptée en fonction des sollici- tations locales. L'invention est décrite ci-après de manière détaillée à l'aide de plusieurs exemples de réalisation en se référant aux dessins. Ceux- ci montrent: figure 1, une vue partielle en perspective d'une structure de paroi à refroidissement actif sous la forme d'une paroi de chambre de combustion d'réacteur; figure 2A - D, une partie de la paroi de chambre de combus- tion selon la figure 1, à différents stades de fabrication; figure 3, une représentation en coupe d'une forme de réalisa- tion d'une structure de paroi avec l'outil de formage correspondant. La paroi de chambre de combustion 2 à refroidissement par régénération représentée à la figure i qui passe d'une section circulai- re à une section sensiblement rectangulaire se compose d'une envelop- pe intérieure réfrigérante qui se présente sous la forme d'un faisceau 6 de tubes de refroidissement 4 de section rectangulaire disposés côte à côte ainsi que d'une paroi extérieure 8 qui entoure et porte le faisceau 6 de tubes et est agencée sous la forme d'une structure de type sand- wich avec une couche de couverture 10 intérieure, une couche de cou- verture 12 extérieure et, entre celles-ci un coeur 14 de faible poids spécifique. L'ensemble de la paroi 2 de chambre combustion, y com- pris les liaisons par matière des tubes à fluide refroidissement 4 entre eux et avec la couche de couverture intérieure 10 ainsi qu'entre les couches de couverture 10 et 12 et le coeur 14 sont entièrement réali- sées en un matériau hautement réfractaire, par exemple en un alliage nickel-chrome connu sous la désignation commerciale "Inconel". Pour cela on assemble tout d'abord le faisceau 6 de tubes dont la géométrie de surface non développable correspond à l'envelop- pe réfrigérante intérieure et qui est constitué par des tubes préalable- ment coudés à la forme et correctement positionnés les uns par rapport aux autres, mais qui ne sont pas encore reliés fermement entre eux (fi- gure 2A). Puis par la technique de projection thermique, par exemple le procédé de projection plasma sous vide, on projette sur le faisceau de tubes 6, en épaisseur souhaitée, la couche de matériau de même na- ture que le matériau des tubes 4 à fluide de refroidissement, laquelle couche forme la couche de couverture 10 intérieure (figure 2B), des liaisons par matière de haute qualité étant obtenues en tant que partie intégrante de la couche de couverture intérieure 10 entre des tubes 4 à fluide refroidissement contigus et entre le faisceau 6 de tubes et la couche de couverture 10. Au cours d'une étape de fabrication ultérieure (figure 2C) on passe un coeur 14 en nid d'abeilles sur la couche de couverture 10, le- quel coeur est lui aussi réalisé en le même matériau que le faisceau de tubes 6 et la couche de couverture 10 et est également lié par matière avec celle-ci de manière homogène par projection thermique de maniè- re elle que du matériau supplémentaire de couche de couverture est projeté depuis la surface extérieure libre du coeur en ni d'abeilles à tra- vers les cellules ouvertes du nid d'abeilles sur la couche de couverture 10. Ensuite, on remplit le coeur 14 en nid d'abeilles dont les cel- lules communiquent les unes avec les autres par l'intermédiaire de trous d'aération au moyen d'un matériau céramique et le cas échéant on traite sa surface libre extérieure. De la même manière que l'on a projeté la couche de couver- ture 10 intérieure sur le faisceau 6 de tubes, on projette maintenant par un procédé de projection thermique la couche de couverture 12 exté- rieure constitué par le même matériau que ladite couche de couverture intérieure sur la surface extérieure libre du coeur en nid d'abeilles de manière à obtenir de nouveau une liaison homogène très résistante avec les parois des cellules du coeur 14 en nid d'abeilles (figure 2D); on élimine le matériau de remplissage à travers les trous de liaison 16 par exemple au moyen d'un liquide d'attaque chimique, après quoi la paroi 2 de chambre de combustion est terminée et peut éventuellement subir un traitement thermique. On peut également utiliser à la place du coeur en nid d'abeilles un coeur 14 intérieur en matériau moussé métallique (ou cé- ramique) à pores fermés, le remplissage et l'élimination du matériau de remplissage étant supprimés dans ce cas et le coeur en matériau moussé étant lié par matière à la couche de couverture 10 intérieure par inter- position d'un film de brasure dure par action de la chaleur. La figure 3 sur laquelle les éléments identiques à ceux du premier exemple de réalisation sont désignés par les mêmes repères montre d'une part qu'au lieu d'avoir une épaisseur constante, les cou- ches de couverture 10, 12 peuvent être réalisées sans difficulté par un procédé de projection thermique avec une épaisseur de paroi qui varie en fonction des sollicitations locales et que de la même manière la hauteur du coeur 14 peut varier en fonction des sollicitations locales. De plus, la structure de paroi 2 selon la figure 3 peut être agencée sous forme de structure sandwich pure, la couche de couverture 10 in- térieure étant projetée sur la surface 18 recouverte d'un anti-adhésif d'une forme 20, de manière telle qu'après réalisation de la structure sandwich, celle-ci puisse être décollée facilement de la surface 18 de la forme. On peut ainsi réaliser des structures sandwich à forme com- plexe quelconque en un matériau très résistant de manière très simple sur le plan de la fabrication et avec une grande précision de surface au niveau de l'une des surfaces extérieures tout au moins. Pour le reste, le mode de construction et de réalisation de la structure sandwich selon la figure 3 est le même que pour le premier exemple de réalisation. REVENDICATIONS 1. Structure de paroi à refroidissement actif, notamment pour un statoréacteur, comportant un faisceau de tubes formé de tubes à fluide de refroidissement qui sont liés les uns aux autres par matière et une paroi extérieure porteuse de type sandwich formée d'une couche de couverture intérieure contiguë au faisceau de tubes, de même forme que celui-ci et liée par matière à celui-ci, d'une couche de couverture extérieure ainsi que d'un coeur de faible poids spécifique qui est dispo- sé entre lesdites couches de couverture de manière à transmettre les sollicitations, caractérisée par le fait que, au moins dans la région de la couche de couverture (10) intérieure, la structure (8) de type sandwich et les liai- sons par matière des tubes (4) à fluide de refroidissement entre eux et avec la couche de couverture (10) intérieure sont agencées sous forme de couche de métal et/ou de céramique projetée sur le faisceau de tu- bes (6) par une technique de projection thermique. 2. Structure de paroi selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les tubes (4) à fluide de refroidissement et la couche de couverture (10) intérieure sont réalisés en un même matériau. 3. Structure de paroi selon la revendication 1 ou 2, caractéri- sée par le fait que le coeur (14) est en même matériau que les couches de couverture intérieure et extérieure (10, 12). 4. Structure de paroi selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée par l'agencement sous forme de paroi incurvée à deux dimensions, non développable de chambre de combus- tion d'un réacteur avec des tubes (4) à fluide de refroidissement dispo- sés côté gaz chaud de la paroi de chambre de combustion. 5. Procédé de fabrication d'une structure de paroi de type sandwich avec une surface présentant une courbure quelconque, cons- tituée par une couche de couverture extérieure, une couche de couver- ture intérieure et un coeur de faible poids spécifique qui est disposé entre lesdites couches de couverture de manière à transmettre les solli- citations, caractérisé par le fait que l'on fabrique au moins l'une des couches de O10 couverture (10, 12) en un matériau métallique et/ou céramique avec une surface incurvée adaptée à la structure de paroi (2) et on lie celle- ci par matière au coeur (14). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'on projette l'une des couches de couverture (10) sur une surface de moulage (18, faisceau de tubes 6) de forme adaptée à la surface exté- rieure de la couche de couverture, puis on lie celle-ci par matière au coeur (14) côté face arrière. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il est prévu comme coeur (14) un coeur en nid d'abeilles et que l'on lie celui-ci par matière à la face arrière de la couche de couverture (10) par projection thermique à travers les cellules du nid d'abeilles. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'après avoir réalisé la liaison avec la couche de couverture (10) on remplit le coeur en nid d'abeilles d'un matériau de remplissage, on ap- plique par projection thermique l'autre couche de couverture (12) sur la surface libre du coeur en nid d'abeilles puis on élimine le matériau de remplissage du coeur en nid d'abeilles. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il est prévu comme coeur (14) un coeur en matière moussée qui est lié par matière sous l'action de la chaleur à la face arrière de l'une des couches de couverture (10) au moyen d'une couche fusible (film de brasure dure) et que l'on applique ensuite l'autre couche de couverture sur la surface libre du coeur en matière moussée par une technique de projection thermique. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé par le fait que l'on sépare ensuite la couche de couverture (10) de la surface de moulage (18). 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé par le fait qu'au moins une des couches de couverture (10, 12) est projetée avec une épaisseur non régulière adaptée en fonction des sollicitations locales. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisé par le fait que le coeur (14) a une hauteur non régulière adaptée en fonction des sollicitations locales.