Brevet FR2761457A1 — publié le 19981002

La présente invention concerne un chalumeau monodard à prémélange de débit supérieur à 1000 I/h du type comportant une conduite d'alimentation en mélange gazeux ayant une extrémité d'alimentation du mélange gazeux et une buse unique pour l'établissement de la flamme montée à l'autre extrémité de ladite conduite d'alimentation. Les chalumeaux monodard à prémélange connus comportent généralement à l'extrémité d'alimentation un injecteur assurant la mise en contact d'un gaz combustible, issu d'une première source d'alimentation, avec un gaz comburant, issu d'une seconde source d'alimentation. La conduite d'alimentation relie ainsi l'injecteur à la buse. Cette conduite est généralement formée par un tuyau rectiligne sur l'essentiel de sa longueur, communément appelé lance. Pour un chalumeau à mains, la lance a une longueur d'environ 30 cm. Dans la pratique, la lance comporte un coude à son extrémité de sortie. Afin d'éviter les retours de flamme à l'intérieur de la conduite d'alimentation et limiter l'encombrement, les concepteurs de chalumeaux cherchent à réduire la section intérieure de la conduite. Les chalumeaux actuels présentent l'inconvénient d'engendrer un niveau de bruit élevé provoqué par la flamme. Ces nuisances sonores obligent les utilisateurs de chalumeaux à porter des protections acoustiques. L'invention a pour but de proposer un chalumeau dont les émissions sonores causées par la flamme sont réduites. A cet effet, I'invention a pour objet un chalumeau monodard à prémélange de débit supérieur à 1000 I/h du type précité, caractérisé en ce que la conduite d'alimentation est adaptée pour que, en tout point d'au moins une section transversale de celle-ci, le nombre de Reynolds du mélange circulant dans la conduite d'alimentation est inférieur à 3000, lorsque le chalumeau fonctionne en régime permanent à un débit supérieur à 1000 I/h. Suivant des modes particuliers de réalisation, le chalumeau peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - la vitesse du mélange dans ladite section transversale est inférieure à 5 m/s ; - sur au moins un tronçon, la conduite d'alimentation comporte des parois longitudinales s'étendant suivant la direction de l'écoulement et subdivisant la section transversale de la conduite d'alimentation en canaux adjacents et, en tout point d'au moins une section transversale dudit tronçon subdivisé, le nombre de Reynolds du mélange circulant dans la conduite d'alimentation est inférieur à 3000, lorsque le chalumeau fonctionne en régime établi - la conduite d'alimentation comporte, à l'extrémité d'alimentation une chambre de mélange dégagée, dans laquelle débouche un passage d'alimentation en mélange gazeux, la section de la chambre de mélange étant supérieure à la section du passage d'alimentation, la section de la conduite d'alimentation augmentant brutalement suivant le sens de l'écoulement, depuis le passage d'alimentation vers la chambre de mélange, notamment suivant un épaulement - la conduite d'alimentation comporte, sur un tronçon, un ensemble d'éléments formant une chicane, prolongé suivant le sens de l'écoulement par un tronçon dégagé, - la conduite d'alimentation comporte, sur au moins un tronçon, un organe de guidage axial de l'écoulement; - en aval du ou de chaque organe de guidage axial de l'écoulement, est disposé un tronçon dégagé de tranquillisation de l'écoulement. - le ou chaque organe de guidage axial comporte des parois longitudinales s'étendant suivant la direction de l'écoulement, lesquelles parois subdivisent la section transversale de la conduite d'alimentation en canaux adjacents définissant un motif régulier, - les surfaces des sections transversales des canaux d'un même organe de guidage axial sont sensiblement égales, - la longueur mesurée suivant la direction de l'écoulement, des canaux du ou de chaque organe de guidage est comprise entre quatre à dix fois, notamment six à huit fois le diamètre d'un canal - au moins deux tronçons de la conduite d'alimentation comportent des organes de guidage axial et en ce que les surfaces des sections transversales des canaux diminuent d'un organe à l'autre suivant le sens de l'écoulement du mélange; et - la buse est délimitée intérieurement depuis la conduite jusqu'à son extrémité de sortie par un convergent ayant une forme générale en S, lequel convergent se relie tangentiellement à la conduite d'alimentation L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels - La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un chalumeau selon l'invention - La figure 2 est un diagramme montrant les résultats de mesure du niveau sonore relevé pour différents débits du chalumeau de la figure 1 et d'un chalumeau de l'état de la technique , et - La figure 3 est une coupe longitudinale d'un autre mode de réalisation d'un chalumeau selon l'invention. Le chalumeau 10 représenté sur la figure 1 comporte essentiellement un injecteur de prémélange 12, une lance 14 formant une conduite d'alimentation du mélange et une buse unique d'extrémité 16. L'injecteur 12 comporte un corps 18 traversé par un conduit d'alimentation en gaz combustible 20. Le corps 18 comporte en outre un conduit latéral 22 d'alimentation en gaz comburant. Les conduits 20 et 22 débouchent dans un trou taraudé 24 dans lequel est vissé un collecteur 26 traversé par un passage axial 28 pour l'alimentation du mélange gazeux dans la conduite 14. Le passage 28 a un diamètre d'environ 3 mm et est relié aux conduits 20 et 22 par des liaisons 30. Le passage 28 débouche au centre d'une face transversale plane du collecteur, notée 28A. Cette face 28A s'étend perpendiculairement à l'axe du passage 28. La conduite 14 est formée par un tuyau de section circulaire ayant un diamètre intérieur égal à 21 mm. Sa longueur est égale à 276 mm. Une extrémité d'entrée 32 de la conduite 14 comporte un filetage extérieur. Elle est vissée dans le trou taraudé 24. Cette extrémité s'appuie sur la face plane 28A. La conduite 14 comporte, à l'extrémité d'alimentation 32, une chambre de mélange dégagée 34 dans laquelle débouche axialement le passage d'alimentation 28. La section de la chambre de mélange 34 est égale à la section intérieure de la conduite 14. Cette section est très supérieure à la section du passage 28. Ainsi, la section de la conduite d'alimentation augmente brutalement suivant le sens d'écoulement du mélange. Cette variation brutale de section est assurée ici par un épaulement délimité par la face 28A. Depuis son extrémité d'entrée 32 jusqu'à la buse 16, la conduite 14 contient des organes successifs de régulation du flux gazeux espacés par des tronçons dégagés. En particulier, une chicane 36 est disposée en aval de l'extrémité d'entrée 32. Celle-ci délimite avec la face plane 28A de l'injecteur la chambre de mélange 34 qui s'étend sur 21 mm. La chicane 36 est formée par un ensemble aggloméré d'éléments analogues, par exemple des billes indépendantes 36A retenues entre deux grilles transversales d'extrémité 36B. Les billes 36A ont un diamètre de 4 mm. Les grilles 36B sont constituées d'un treillis métallique tressé dont les brins voisins sont écartés d'environ 0,5 mm. Cette chicane peut également être formée par un matériau poreux, notamment un matériau fritté. La chicane 36 s'étend sur une longueur de 30 mm. Elle est suivie par une chambre dégagée de tranquillisation 38 s'étendant également sur une longueur de 30 mm. La chambre 38 est délimitée en aval par un organe 40 de guidage axial de l'écoulement. Cet organe est formé par un tronçon d'une longueur de 24 mm, d'une structure en nid d'abeille dont les parois s'étendent suivant l'axe de la conduite 14. Ainsi, l'organe 40 est formé d'un ensemble de parois longitudinales subdivisant la conduite 14 en un ensemble de canaux parallèles. Le diamètre de chaque canal est de 4 mm. Les canaux ont ici une section hexagonale. Toutefois, ils peuvent aussi être de section carrée ou circulaire. En aval de l'organe 40, est prévue une seconde chambre de tranquillisation 42 s'étendant sur une longueur de 85 mm. Elle est délimitée à son extrémité aval par un second organe de guidage axial 44 formé par une structure en nid d'abeille dont le diamètre de chaque canal est égal à 1 mm. Cet organe 44, dont les canaux s'étendent suivant la direction de l'écoulement, a une longueur de 6 mm. En aval de l'organe 44 est disposée une grille 46 dont la maille est d'environ 0,5 mm. Cette grille délimite avec l'organe 44 une chambre dégagée de tranquillisation 48 s'étendant sur 50 mm. La grille 46 est séparée de l'extrémité de sortie de la conduite 14 par une chambre dégagée 50 s'étendant sur 30 mm. La buse 16 a un profil intérieur de révolution. Elle est délimitée depuis la conduite 14 jusqu'à son extrémité de sortie 52 par un convergent 54 ayant un profil général en S. Le convergent 54 se raccorde tangentiellement à l'extrémité de sortie de la conduite 14. L'extrémité de sortie 52 de la buse a un diamètre de 3 mm, de sorte que le débit nominal de mélange d'une telle buse est de 2000 I/h. Le profil du convergent 54 est par exemple défini par un polynôme d'ordre 5 calculé selon la méthode de Bell et Metha, décrite dans la publication "Bell, J.H. and Metha, R.D. Contraction Design for Small Low Speed Wind Tunnels, AlAA Journal, 27, 372-4, (1989)" Cette buse a un grand rapport de contraction. Le rapport de contraction qui est défini par la section d'entrée de la buse sur sa section de sortie est d'environ 50. De plus, le rapport d'aspect, à savoir la longueur de la buse sur son diamètre d'entrée est d'environ 2,6. Avantageusement, la surface du convergent 54 est choisie aussi lisse que possible. La buse 16 est reliée à l'extrémité de la conduite 14 par un manchon taraudé de liaison 56. Dans le chalumeau décrit ici, les dispositifs de positionnement et de fixation des organes 36, 40, 44 et 46, constitués par exemple par des tronçons tubulaires formant entretoises entre les organes, sont adaptés pour assurer la continuité de la paroi intérieure de la lance, de sorte que celle-ci est intérieurement dépourvue d'aspérité, de rainure et de variation brusque de section. La conduite 14 du chalumeau décrit ici présente une section intérieure de grande surface par rapport à celle de la section de sortie de la buse. En particulier, pour les débits normaux d'utilisation de ce chalumeau compris entre 1000 I/h et 3000 I/h, le nombre de Reynolds du mélange circulant dans la conduite 14 est en tout point d'au moins une sec tion transversale de la conduite inférieure à 3000, lorsque le chalu-meau fonctionne en régime permanent. Pour une vitesse de sortie des gaz de la buse égale à environ 100 m/s, soit un débit d'environ 2500 I/h, la vitesse dans la conduite est sensiblement égale à 2 m/s, ce qui donne un nombre de Reynolds sensiblement égal à 2000 dans les tronçons dégagés 38, 42 48, 50 du tube. Dans ces conditions, I'écoulement du mélange gazeux dans la conduite d'alimentation est un écoulement sensiblement laminaire. II a été constaté que la laminarisation de l'écoulement dans la conduite 14 conduit à une diminution de l'ordre de 20 décibels (dBA) du niveau de bruit mesuré au niveau de la buse du chalumeau. Une telle amélioration est constatée notamment pour un tel diamètre de la conduite pour des vitesses du mélange dans la conduite inférieures à 5 m/s. La figure 2 présente des résultats expérimentaux de mesures du niveau de bruit. Les niveaux de bruit ont été relevés à 0,5 m de la buse dans le plan de sortie de celle-ci. Les niveaux de référence ont été obtenus avec un chalumeau de type "Varial G2", commercialisé en France par la Soudure Autogène Française. Ce chalumeau était équipé d'une buse d'un débit nominal de mélange de 2000 I/h ayant un diamètre de sortie de 3 mm. La richesse du mélange utilisé, du propane et de l'oxygène, était de 1,33. Le diamètre intérieur de la conduite d'alimentation cylindrique d'un tel chalumeau est de 8 mm. La courbe montre les niveaux sonores relevés pour ce chalumeau de référence et le chalumeau 10 de la figure 1, pour différents débits allant de 1200 I/h à 3000 I/h du même mélange. Ces niveaux sonores sont figurés respectivement par des ronds noirs et des carrés blancs. On constate également une très nette diminution du niveau sonore. Cette diminution varie de plus de 30 décibels (dBA) pour un débit de 1200 I/h à environ 15 décibels (dBA) pour un débit de 3000 I/h. Une hypothèse d'explication de la diminution du niveau de bruit mesurée est la suivante. Le bruit émis par une flamme provient d'une part du dard (partie centrale de la flamme) et d'autre part du panache (partie périphérique de la flamme). II est communément admis que le bruit engendré par une flamme provient des fluctuations de la flamme. Toutefois, selon l'hypothèse avancée ici, l'essentiel du bruit de la flamme proviendrait du dard et notamment de l'instabilité de la surface de celui-ci. L'analyse de la turbulence de l'écoulement en sortie de la buse d'un chalumeau de l'état de la technique paraît trop faible pour expliquer à elle seule les fluctuations de la surface du dard. Cependant, il est supposé que les faibles turbulences rencontrées à la base du dard sont convectées par la flamme à la vitesse de l'écoulement tout en étant amplifiées par l'instabilité de Darrieus-Landau (Landau, L. Acta Physicochimica URSS, vol 19, p. 77, (1944)), et que lorsque l'amplitude des perturbations est devenue suffisamment grande, la flamme devient autoturbulente. Aussi, la turbulence, même faible, de l'écoulement semble suffire pour exciter l'instabilité de Darrieus-Landau. Le chalumeau selon l'invention a été conçu afin de réduire encore les turbulences présentes à la base du dard. A cet effet, le chalumeau a été dimensionné afin d'obtenir un écoulement sensiblement laminaire à l'intérieur de la lance. Dans le chalumeau représenté sur la figure 1 les phénomènes suivants sont observés. Les gaz combustible et comburant sont mis en contact dans le passage d'alimentation 28. La brusque variation du diamètre à l'extrémité d'entrée 32 provoque une recirculation des gaz à l'intérieur de la chambre de mélange 34. En particulier, des tourbillons prennent naissance à la sortie du passage 28, ce qui engendre un écoulement turbulent dans la chambre 34. Cet écoulement turbulent favorise le mélange homogène des gaz. Afin de créer un phénomène de recirculation donnant naissance à des tourbillons dans la chambre de mélange, il convient que la variation de la section depuis la section du passage 28 jusqu'à la section maximum de la chambre de mélange s'effectue sur une faible longueur suivant l'axe de la conduite 14. En particulier, le profil doit être compris à l'extérieur d'un cône dont l'angle au sommet est égal à 14" et de préférence supé- rieur ou égal à 20 La longueur de la chambre de mélange est avantageusement égale au diamètre de celle-ci. Le flux des gaz combustible et comburant mélangés dans la chambre 34 circule ensuite de manière aléatoire au travers de la chicane 36. L'échelle spatiale des turbulences est ainsi réduite à une dimension de l'ordre du diamètre des billes 36A (4 mm). La chambre de tranquillisation 38 assure ensuite une dissipation visqueuse des tourbillons encore présents dans l'écoulement. La longueur L de la chambre 38, nécessaire pour un premier amortissement des tourbillons de l'ordre d'un facteur trois, est donnée par L = U.m2/(4x2.v) dans laquelle U est la vitesse moyenne du mélange, m est la taille de la maille et v la viscosité du mélange. L'organe de guidage axial 40 assure ensuite une atténuation des fluctuations des vitesses transversales dans l'écoulement. En particulier, il dirige l'écoulement suivant la direction de l'axe de la conduite 14. Avantageusement, la longueur de l'organe à structure en nid d'abeille est de quatre à dix fois et de préférence de six à huit fois le diamètre des canaux constituant ledit organe. La chambre de tranquillisation 42, disposée en aval de l'organe 40, doit avoir une longueur suffisante pour amortir les turbulences engendrées par l'organe 40. Comme précédemment, cette longueur L' optimale est donnée par la relation L' = U.m2/(4Z2.v) dans laquelle U est la vitesse du mélange, m le diamètre des canaux de la structure, et v la viscosité du mélange. Dans l'exemple décrit, cette longueur est égale à 85 mm et correspond à un amortissement des turbulences de l'ordre d'un facteur 10. De manière analogue, I'organe 44, dont le diamètre des canaux est inférieur à celui des canaux de l'organe 40 assure avec la chambre de tranquillisation aval 48 une nouvelle atténuation des vitesses transversales dans l'écoulement et améliore la directivité de l'écoulement. La grille 46 associée à la chambre 50 effectue un amortissement final des turbulences de l'écoulement. Lorsque le chalumeau fonctionne en régime établi, c'est-à-dire avec un débit constant compris entre 1000 et 3000 I/h, le nombre de Reynolds de l'écoulement dans les chambres dégagées est inférieur à 3000. Ainsi, un écoulement laminaire est obtenu à l'intérieur de ces chambres. La laminarisation de l'écoulement dans la conduite 14 réduit considérablement le bruit produit par la flamme. En outre la présence de la chicane 36 et des organes de guidage axial de l'écoulement 40, 44 améliore encore la réduction du niveau de bruit. Sur la figure 3 est représentée une variante de réalisation du chalumeau 10 de la figure 1. Ce chalumeau ne se distingue de celui de la figure 1 que par sa conduite d'alimentation. Celle-ci est formée par un tube 100 de section circulaire de diamètre intérieur égal à 10 mm et de longueur égale à 221 mm. Ce tube comporte intérieurement deux organes identiques 102 104 de guidage axial du mélange. Ces organes sont for més par des structures en nid d'abeille dont les parois s'étendent longitudinalement. Ces parois délimitent des canaux de diamètre égal à 1 mm. Ces deux tronçons 102, 104 s'étendent chacun sur une longueur de 60 mm. Ils délimitent entre eux une chambre de tranquillisation dégagée portant la référence 106. Celle-ci s'étend sur une longueur de 30 mm. Entre le second tronçon 104 et la buse 16 est prévue une chambre de tranquillisation 108 s'étendant sur une longueur de 50 mm. Dans le chalumeau décrit sur la figure 3, un débit de l'ordre d'environ 2800 I/h conduit à une vitesse dans la conduite d'alimentation égale à 10 m/s. Le nombre de Reynolds du mélange s'écoulant dans les canaux parallèles délimités par les structures en nid d'abeille est sensiblement égal à 500. Ainsi, dans les tronçons de la conduite occupés par les organes à structure en nid d'abeille, le nombre de Reynolds de l'écoulement est inférieur à 3000 sur toute la section de la conduite. Ceci provoque une laminarisation de l'écoulement d'où il résulte une stabilisation améliorée du dard de la flamme. Le chalumeau décrit sur la figure 3 engendre un niveau de bruit nettement inférieur au chalumeau de référence. Les chalumeaux décrits ici comportent une lance rectiligne. Toutefois, celle-ci peut comporter un tronçon coudé (notamment à son extrémité de sortie), sans que le niveau de bruit mesuré ne soit significativement augmenté. REVENDICATIONS 1.- Chalumeau monodard à prémélange de débit supérieur à 1000 I/h du type comportant une conduite d'alimentation (14) en mélange gazeux ayant une extrémité d'alimentation (32) du mélange gazeux et une buse unique (16) pour l'établissement de la flamme montée à l'autre extrémité de ladite conduite d'alimentation (14), caractérisé en ce que la conduite d'alimentation (14) est adaptée pour que, en tout point d'au moins une section transversale de celle-ci, le nombre de Reynolds du mélange circulant dans la conduite d'alimentation (14) est inférieur à 3000, lorsque le chalumeau fonctionne en régime permanent à un débit supérieur à 1000 I/h. 2.- Chalumeau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse du mélange dans ladite section transversale est inférieure à 5 m/s. 3.- Chalumeau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, sur au moins un tronçon (102, 104), la conduite d'alimentation (14) comporte des parois longitudinales s'étendant suivant la direction de l'écoulement et subdivisant la section transversale de la conduite d'alimentation (14) en canaux adjacents et en ce que, en tout point d'au moins une section transversale dudit tronçon subdivisé, le nombre de Reynolds du mélange circulant dans la conduite d'alimentation (14) est inférieur à 3000, lorsque le chalumeau fonctionne en régime établi. 4.- Chalumeau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conduite d'alimentation (14) comporte, à l'extrémité d'alimentation (32) une chambre de mélange dégagée (34), dans laquelle débouche un passage d'alimentation (28) en mélange gazeux, la section de la chambre de mélange (34) étant supérieure à la section du passage d'alimentation (28), la section de la conduite d'alimentation (14) augmentant brutalement suivant le sens de l'écoulement, depuis le passage d'alimentation (28) vers la chambre de mélange (34), notamment suivant un épaulement (28A). 5.- Chalumeau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conduite d'alimentation (14) comporte, sur un tronçon, un ensemble d'éléments (36A) formant une chicane (36), prolongé suivant le sens de l'écoulement par un tronçon dégagé (38). 6.- Chalumeau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conduite d'alimentation (14) comporte, sur au moins un tronçon, un organe (40, 44 102,104) de guidage axial de l'écoulement. 7.- Chalumeau selon la revendication 6, caractérisé en ce que, en aval du ou de chaque organe (40, 44 ; 102, 104) de guidage axial de l'écoulement, est disposé un tronçon (42, 48 , 106, 108) dégagé de tranquillisation de l'écoulement. 8.- Chalumeau selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le ou chaque organe de guidage axial (40, 44 , 102, 104) comporte des parois longitudinales s'étendant suivant la direction de l'écoulement, lesquelles parois subdivisent la section transversale de la conduite d'alimentation (14) en canaux adjacents définissant un motif régulier. 9.- Chalumeau selon la revendication 8, caractérisé en ce que les surfaces des sections transversales des canaux d'un même organe de guidage axial (40, 44; 102,104) sont sensiblement égales. 10.- Chalumeau selon la revendication 9, caractérisé en ce que la longueur mesurée suivant la direction de l'écoulement, des canaux du ou de chaque organe de guidage (40, 44) est comprise entre quatre à dix fois, notamment six à huit fois le diamètre d'un canal. 11.- Chalumeau selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'au moins deux tronçons de la conduite d'alimentation (14) comportent des organes (40, 44) de guidage axial et en ce que les surfaces des sec tions transversales des canaux diminuent d'un organe à l'autre suivant le sens de l'écoulement du mélange. 12.- Chalumeau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la buse (16) est délimitée intérieurement depuis la conduite (14) jusqu'à son extrémité de sortie (52) par un convergent (54) ayant une forme générale en S, lequel convergent (54) se relie tangentiellement à la conduite d'alimentation (14).