EP0517638B1 - Tuyère modulaire à refroidissement par film d'eau notamment pour essais à haute température d'éprouvettes ou analogues - Google Patents

Tuyère modulaire à refroidissement par film d'eau notamment pour essais à haute température d'éprouvettes ou analogues Download PDF

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EP0517638B1
EP0517638B1 EP92450007A EP92450007A EP0517638B1 EP 0517638 B1 EP0517638 B1 EP 0517638B1 EP 92450007 A EP92450007 A EP 92450007A EP 92450007 A EP92450007 A EP 92450007A EP 0517638 B1 EP0517638 B1 EP 0517638B1
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EP
European Patent Office
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nozzle
section
sections
casing
cooling
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP92450007A
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German (de)
English (en)
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EP0517638A1 (fr
Inventor
Jean Feuillerat
René Gabriel Germain Moise Leroux
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Airbus Group SAS
Original Assignee
Airbus Group SAS
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Publication date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/28—Cooling arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a new technology for producing a nozzle intended in particular for high temperature tests of test pieces or the like, in particular of materials having to withstand high stresses, in particular thermal and pressure.
  • the invention relates more particularly, although not exclusively, to the plasma nozzles disposed at the outlet of plasma generators capable of delivering, according to the test specifications, static test pressures which can reach and exceed 107 Pa (100 bars) and reduced generative enthalpies up to 170 and above.
  • the invention relates to the nozzles, in particular of the above type, comprising a divergence of relatively large length, of the order of several tens of centimeters, and of flattened shape with a section of the superelliptic type.
  • nozzles have, in particular as regards the divergent, a complex profile and, therefore, pose manufacturing problems.
  • the object of the invention is to propose a new technology for producing nozzles, in particular of the above type, ensuring problem-free manufacture and controlling the phenomena of heating and their consequences.
  • the subject of the invention is a modular nozzle cooled by a film of water, in particular for high temperature tests of test pieces or the like, of the type comprising a diverging piece of relatively large length compared to the diameter of the neck and in particular, of flattened section of the superelliptic or similar genus, characterized in that it consists of a metallic section comprising the convergent, the neck and the beginning of the divergent and one or more divergent sections also metallic, the various sections being assembled end to end, and in that the external wall of each nozzle section is independently cooled by a thin film of water or other suitable cooling fluid, circulating at high speed and confined against said wall by a shape separator appropriate, all the nozzle sections and associated separators being enclosed in a fixed external envelope, coaxial with the nozzle and defining at the right of each section an independent coolant circulation chamber in which said separator is disposed, the arrangement being such that a clearance along the longitudinal axis of said assembly with respect to said external envelope is authorized with a view to
  • the rigid assembly of the nozzle sections with respect to the casing is secured to the right of the section of the downstream end.
  • connection of all of the nozzle sections with respect to the external casing, in line with the downstream end section is obtained for example by an annular key interposed between the downstream section of the casing and the associated separator, passages being provided in said key for the circulation of the cooling fluid, the lateral setting of all of the nozzle sections and their associated separators, with respect to the casing, being ensured by a pin integral with the separator of the 'downstream end, engaged in a buttonhole parallel to the axis of the nozzle, formed in the internal wall of the envelope section considered.
  • the periphery of the end flanges of the nozzle are advantageously provided with an internal return increasing the contact surface with the internal walls receiving the envelope, seals being arranged in line with said contact surface and the separators of the two end sections are made in two interlocking parts to allow engagement of the separator under said returns.
  • the external wall of the nozzle sections is provided, at least in line with any substantially flat parts, with stiffening ribs overlapped by the separators which are shaped for this purpose.
  • the various nozzle sections are for example made of copper alloy and advantageously machined by EDM.
  • this zone can be provided with a cold plate or with a removable hot plate, intended, during special tests, the first to increase locally the cooling of the nozzle and, the second, to locally reduce the cooling, these plates being arranged in the continuity of said flat part on the downstream end section of the nozzle and possibly the previous section, the upper face of said cold or hot plate advantageously forming with the associated front face of the downstream end of the nozzle an angle less than 90 ° in order to carry out tests of the "flat board" type with negative incidence.
  • FIGS. 1 and 2 show a divergent nozzle with a section of the superelliptical type.
  • This type of nozzle described in EP-A-0 515 295 (French patent application FR-A-91 06423 filed by the Applicant), comprises a very short convergent 1, of the order of a few centimeters at most, a neck 2 and a diverging part 3 very elongated with respect to the diameter of the neck, of the order of several tens of centimeters, the section of the diverging part being of superelliptic type, the shape (half-section) being represented in FIG. 3, it is that is to say relatively flattened and based on two rectilinear generators defined by two planes at right angles containing the axis 4 of the nozzle, one, called generator of minor axis and symbolized at 5 in FIGS. 1 and 3 and , the other, called the major axis generator and symbolized at 6 in Figures 2 and 3.
  • the nozzle consists of four sections assembled end to end, namely, an upstream end section T AM defining the convergent 1, the region of the neck 2 and the start of the divergent 3, an upstream intermediate section T IM , a downstream intermediate section T IV and a downstream end section T AV .
  • Each section has at each end a radial flange allowing the sections to be assembled together and defining at the two ends of the nozzle the front and rear faces of the latter.
  • the upstream section T AM comprises a flange 7 having at its periphery a return 8 defining an outer surface whose generatrices are parallel to the axis of the nozzle, said flange 7 constituting the rear face of the nozzle.
  • the other end of the section T AM comprises a radial flange 9 also provided with a return 10 defining an outer surface whose generatrices are parallel to the axis of the nozzle and serving as a shoulder for the radial flange 11 of the following section T IM .
  • the nozzle nose is defined by a radial flange 18 provided with an internal return 19 defining an external bearing similar to that of the returns 8, 10, 16 and 17.
  • the various returns 8, 10, 16, 17, 19 are stepped in diameter to take account of the widening of the divergent.
  • the assembly of the sections is obtained by screws, such as that shown at 20 in FIG. 2, engaged in the facing flanges and regularly distributed at the periphery and the setting in rotation is carried out by pins, such as that shown in 21 in FIG. 2, arranged in the same way as the screws 20.
  • the sections T AM , T IM , T IV and T AV thus form a rigid assembly which can slide axially inside a rigid external envelope made up of as many sections as there are sections of nozzle.
  • the section T AM corresponds to a section of envelope E AM provided at its two ends with two internal bearing surfaces 22 and 23 at generators parallel to the axis of the nozzle, in contact with the returns 8 and 10 respectively.
  • the section T IM corresponds to a section of casing E IM fixed to the section E AM and defining an internal surface 24 of the same nature as the surfaces 22, 23 and in contact with the return 16.
  • the envelope section E IV is similar to the section E IM and has an internal surface 25 in contact with the return 17.
  • the downstream end envelope section is defined by a part E AV fixed to the preceding section E IV and by a mounting ring 26 fixed to said part E AV by screws such as that shown at 27 in FIG. 2 and defining an internal bearing 28 with generators parallel to the axis of the nozzle and in contact with the return 19 of the nozzle nose.
  • Seals are provided between the returns 7, 10, 16, 17, 19 and the receiving surfaces of the envelope elements as well as between the pairs of flanges 9, 11; 12.13 and 14.15.
  • the crown 26 is intended for mounting the nozzle on an external support structure not shown and is the only point of attachment of the casing of the nozzle. The fixing of all of the nozzle sections with respect to said envelope will be described later.
  • Each envelope section E AM , E IM , E IV and E AV defines with the corresponding nozzle section a cooling chamber of the internal wall of the nozzle.
  • a separator respectively 33 to 36, divides the chamber into an upstream area (neck side of the nozzle), respectively 29a to 32a, and a downstream area 29b to 32b.
  • the upstream zone communicates, through a passage formed in the external envelope, respectively 37 to 40, preferably with several independent sources of water or other cooling fluid, while the downstream zone communicates by a second passage also formed in the envelope, 41 to 44 respectively, with the coolant return circuit.
  • the substantially flat part of the nozzle wall defined by the various sections E AM , E IM , E IV , E AV are provided (FIGS. 1, 2 and 3) with stiffening ribs 45 which extend in the various cooling chambers, the thickness of the wall of the nozzle being relatively small.
  • said ribs 45 are, for ease of making and installing separators 33 to 36 which must overlap these ribs, orthogonal to the plane of the nozzle containing the generatrices of major axis 6 (as illustrated by FIG. 3), by being parallel to each other (as illustrated in Figure 3) or not.
  • the height and thickness of the ribs 45 can be variable.
  • the nozzle sections T AM , T IM , T IV and T AV are for example monobloc pieces of copper alloy machined by EDM, while each section of the envelope E AM , E IM , E IV , E AV is also produced in the form of a single piece of preferably circular section for reasons of ease of manufacture.
  • Each separator 33 to 36 is produced in two half-parts assembled according to a joint plane coincident with that containing the generatrices of major axis 6 of the nozzle (see left part of FIG. 3).
  • the separators are made up of symmetrical half-parts.
  • the lower flat part of the divergent is optionally provided, in its downstream part, with a cold plate or a hot plate, which means that the separator and the cooling chamber (s) have to be modified locally.
  • the latter is dimensioned and shaped so as to delimit a small and calibrated interval 46 between its face facing the nozzle wall and the section T IV .
  • Grooves 47 are provided in the separator 35 to receive the ribs 45.
  • the small gap 46 only exists opposite the nozzle wall, the separator being set back substantially with respect to the flanges 13 and 14 as well as with respect to the section of envelope E IV .
  • Pawns 48 are interposed in these various intervals and thus calibrate the thickness of the film of water circulating in the interval 46.
  • the separation between the upstream 31a and downstream 31b zones of the cooling chamber is delimited by a projecting part 49 in contact with an internal bearing surface with generators parallel to the axis of the nozzle and preferably cylindrical like the other bearing surfaces, of the section of envelope E IV . All the separators have a similar part 49.
  • each half-part of separator is it even produced in two parts 33a, 33b and 36a, 36b, being put in place successively and fitting together thanks to complementary assembly parts 51.
  • the mounting of the separators 33 to 36 is such that they are integral with the nozzle sections and move at the same time as them inside the outer casing of the nozzle, following for example the thermal expansion of the latter, thanks to the contact surfaces between said casing and the nozzle sections - separators assembly.
  • This latter assembly is fixed to the casing at a point located in the immediate vicinity of the mounting ring 26.
  • annular key 52 preferably circular, engaged, on the one hand, in an annular groove formed in the part 36b of the separator and, on the other hand, in an annular groove formed in the envelope section E AV between the latter and said crown 26.
  • the lateral setting that is to say in rotation of the nozzle section-separator assembly in the outer casing, is provided by a radial pin 53 integral with the separator part 36b and engaged in a buttonhole 54 parallel to the axis of the nozzle and formed in the envelope section E AV .
  • the expansion of the nozzle part located upstream of the key 52 is greater and is absorbed without problem by sliding of the nozzle-separator section assembly in the outer casing, in the direction of the upstream end of the nozzle.
  • the key 52 being interposed in the downstream zone 32b of the cooling chamber, must be provided with passages (not shown) ensuring the free circulation of the cooling fluid in said zone 32b, on either side of the key.
  • the advantage of making the nozzle in the form of several sections lies in the advantage of being able to change the section of worn nozzle, the wear being not regular on all the parts of the nozzle and of facilitating the manufacture, the invention allowing the current capacities of EDM machining machines to be used, due to the dimensions which can be reduced for the various sections.
  • the separators and the outer casing are made, for example, of aluminum.
  • FIG. 4 illustrates an alternative embodiment of a nozzle according to FIGS. 1 to 3, provided with a cold plate occupying part of the substantially planar lower wall of the divergent, at the height of the last two sections T IV and T AV .
  • the divergent part of FIG. 4 is provided with a flat cold plate 55 of trapezoidal shape (FIG. 2).
  • the cold plate comprises a first metal plate 56 arranged in the continuity of the internal wall of the nozzle, fixed on a second metal plate 57 and a circuit 58, arranged between the two plates, for circulation of a fluid, making it possible to modify and more particularly lower the heat flow available at the nozzle outlet.
  • the circuit 58 is connected to external circuits via conduits or collectors 59, 60 passing through the envelope section E IV , the cooling chamber (31a, 31b) and the separator 35 in a sealed manner.
  • the two nozzle sections T IV and T AV are shaped in particular to present a recess for receiving said cold plate 55.
  • the cooling chambers, separators and sections of external envelope E IV and E AV are also arranged accordingly.
  • FIG. 4 also illustrates the provision of a front face 61 of the nozzle, in the lower part, inclined backwards so that said face 61 forms with the axis 4 of the nozzle an angle less than 90 ° allowing adjustment of the negative inclination of the test specimen on a flat board symbolized at 62.
  • This inclined face 61 can be provided with or without cold plate 55.
  • the so-called cold plate 55 can advantageously be replaced by a so-called hot plate.
  • FIG. 5 partially illustrates a hot plate 63 substituted in place of the cold plate 55.
  • the hot plate 63 comprises a plate 64 of silica foam arranged in the continuity of the internal wall of the nozzle and fixed, for example by gluing, on a metal sole 65, face against face.
  • Elements 66 and 67 for fixing the plate 63 are provided in place of the collectors 59, 60, also ensuring the tightness of the cooling chamber passed through (31a, 31b) and the passage of conductors of systems for measuring the temperature.
  • the plate 63 forms in a way a local screen for the cooling system of the nozzle sections T IV and T AV , the interval 46 where the thin film of cooling fluid is formed being, in line with the plate 63, like plate 55, further from the internal wall of the nozzle.
  • the invention has been described with reference to a relatively flattened superelliptical diverging nozzle, but it is obvious that the essential technological provisions of the invention, such as, inter alia, the production of the divergent into sections each provided with an independent cooling circuit by thin liquid film circulating at high speed, of the order of 20 m / s for example, from upstream to downstream, which improves the convection coefficient, or that the sliding assembly of the nozzle-separator assembly inside a fixed external envelope, could be extended to nozzles with divergent relatively large length compared to the diameter of the neck and other shapes, for example of superelliptic section less flattened than the section illustrated in Figure 3, or even section called square or circular (axisymmetric nozzle) or even semi-circular.
  • the cooling of the nozzle which can be modulated thanks to the various independent circuits, allows a permanent flow regime in the absence of wear of the parts. It should be noted that the pressurization of the cooling fluid circuits can be controlled by the generating pressure supplied by the generator, in particular plasma, within the limit for example of a predetermined pressure difference.
  • the number of nozzle sections can of course be greater than or less than four.
  • the external envelope may possibly be made in one piece and no longer in sections, or in two half-envelopes preferably assembled according to a plane containing the generatrices of major axis 6 of the nozzle.

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Description

  • La présente invention a trait à une nouvelle technologie de réalisation d'une tuyère destinée notamment à des essais à haute température d'éprouvettes ou analogues, en particulier de matériaux devant résister à des fortes sollicitations, notamment thermiques et en pression.
  • L'invention vise plus particulièrement, bien que non exclusivement, les tuyères à plasma disposées en sortie de générateurs à plasma susceptibles de délivrer, suivant les spécifications d'essai, des pressions statiques d'essai pouvant atteindre et dépasser 10⁷ Pa (100 bars) et des enthalpies génératrices réduites atteignant 170 et davantage.
  • Plus précisément encore, l'invention vise les tuyères, notamment du type ci-dessus, comportant un divergent de longueur relativement importante, de l'ordre de plusieurs dizaines de centimètres, et de forme aplatie avec une section du type superelliptique.
  • Ces tuyères ont, en particulier pour ce qui concerne le divergent, un profil complexe et, de ce fait, posent des problèmes de fabrication.
  • Les flux thermiques très importants posent également des problèmes d'échauffement des tuyères et de dilatation qu'il convient de maîtriser.
  • L'invention a pour but de proposer une nouvelle technologie de réalisation de tuyères en particulier du type ci-dessus, assurant une fabrication sans problème et maîtrisant les phénomènes d'échauffement et leurs conséquences.
  • A cet effet, l'invention a pour objet une tuyère modulaire à refroidissement par film d'eau, notamment pour essais à haute température d'éprouvettes ou analogues, du type comprenant un divergent de longueur relativement importante par rapport au diamètre du col et, en particulier, de section aplatie du genre superelliptique ou analogue, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un tronçon métallique comportant le convergent, le col et le début du divergent et d'un ou plusieurs tronçons de divergent également métalliques, les divers tronçons étant assemblés bout à bout, et en ce que la paroi externe de chaque tronçon de tuyère est refroidie indépendamment par un film mince d'eau ou autre fluide de refroidissement approprié, circulant à grande vitesse et confiné contre ladite paroi par un séparateur de forme appropriée, l'ensemble des tronçons de tuyère et des séparateurs associés étant enfermés dans une enveloppe externe fixe, coaxiale à la tuyère et définissant au droit de chaque tronçon une chambre de circulation du fluide de refroidissement indépendante dans laquelle est disposé ledit séparateur, l'agencement étant tel qu'un jeu selon l'axe longitudinal dudit ensemble vis à vis de ladite enveloppe externe est autorisé en vue d'absorber la dilatation thermique de la tuyère.
  • L'enveloppe externe est par exemple constituée d'autant de tronçons que de tronçons de tuyère et les tronçons de tuyère, une fois assemblés, définissent, aux deux extrémités et aux jonctions inter-tronçons, des collerettes radiales en appui glissant contre des parois internes à génératrices parallèles à l'axe de la tuyère, ménagées dans les tronçons correspondants de l'enveloppe.
  • De préférence, la solidarisation de l'ensemble rigide des tronçons de tuyère vis à vis de l'enveloppe est assurée au droit du tronçon de l'extrémité aval.
  • Chaque chambre de circulation du fluide de refroidissement comporte un séparateur en deux demi-parties, mobile axialement en même temps que le tronçon de tuyère considéré, grâce à des pions de calage interposés entre lui et, d'une part, les parois radiales desdites collerettes des tronçons de tuyère et, d'autre part, les tronçons d'enveloppe respectifs, lesdits pions conférant une épaisseur constante déterminé audit film mince de fluide de refroidissement, essentiellement au droit de la paroi interne de chaque tronçon de tuyère, chaque tronçon d'enveloppe étant muni des arrivées et sorties appropriées de fluide de refroidissement.
  • Ladite solidarisation de l'ensemble des tronçons de tuyère vis à vis de l'enveloppe externe, au droit du tronçon d'extrémité aval, est obtenue par exemple par une clavette annulaire interposée entre le tronçon aval de l'enveloppe et le séparateur associé, des passages étant ménagés dans ladite clavette pour la circulation du fluide de refroidissement, le calage latéral de l'ensemble des tronçons de tuyère et de leurs séparateurs associés, vis à vis de l'enveloppe, étant assuré par un pion solidaire du séparateur de l'extrémité aval, engagé dans une boutonnière parallèle à l'axe de la tuyère, ménagée dans la paroi interne du tronçon d'enveloppe considéré.
  • Pour une meilleure étanchéité entre la tuyère et son enveloppe, aux deux extrémités de l'ensemble, le pourtour des collerettes d'extrémité de la tuyère sont avantageusement pourvus d'un retour interne augmentant la surface de contact avec les parois internes réceptrices de l'enveloppe, des joints d'étanchéité étant disposés au droit de ladite surface de contact et les séparateurs des deux tronçons d'extrémité sont réalisés en deux parties s'emboîtant pour permettre l'engagement du séparateur sous lesdits retours.
  • Avantageusement, la paroi externe des tronçons de tuyère est munie, au moins au droit des éventuelles parties sensiblement planes, de nervures de raidissage chevauchées par les séparateurs qui sont conformés à cet effet.
  • Les divers tronçons de tuyère sont par exemple réalisés en alliage de cuivre et avantageusement usinés par électro-érosion.
  • Dans le cas d'une tuyère présentant une partie plane dans la zone aval de son divergent, cette zone peut être munie d'une plaque froide ou d'une plaque chaude amovible, destinées, lors d'essais particuliers, la première, à accroître localement le refroidissement de la tuyère et, la seconde, à réduire localement le refroidissement, ces plaques étant disposées dans la continuité de ladite partie plane sur le tronçon d'extrémité aval de la tuyère et éventuellement le tronçon précédent, la face supérieure de ladite plaque froide ou chaude formant avantageusement avec la face frontale associée de l'extrémité aval de la tuyère un angle inférieur à 90° afin de réaliser des essais du type "planche plane" à incidence négative.
  • D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'une tuyère selon l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels :
    • Figure 1 est une demi-coupe axiale d'une tuyère selon l'invention, du type à divergent à section superelliptique, la coupe étant suivant le petit axe;
    • Figure 2 est une demi-coupe axiale de la même tuyère mais suivant le grand axe ;
    • Figure 3 est une demi-section transversale du divergent de la tuyère à hauteur des lignes III-III des figures 1 et 2 ;
    • Figure 4 est une coupe axiale partielle et suivant le petit axe de la partie inférieure de la tuyère de la figure 1, illustrant une variante équipée d'une plaque froide, et
    • Figure 5 est une vue partielle d'une plaque chaude susceptible d'être substituée à la plaque froide de la figure 4.
  • Sur les figures 1 et 2 on a représenté une tuyère à divergent à section du type superelliptique.
  • Ce type de tuyère, décrit dans EP-A-0 515 295 (la demande de brevet français FR-A-91 06423 déposée par la Demanderesse), comporte un convergent 1 très court, de l'ordre de quelques centimètres au plus, un col 2 et un divergent 3 très allongé par rapport au diamètre du col, de l'ordre de plusieurs dizaines de centimètres, la section du divergent étant de type superelliptique, la forme (demi-section) étant représentée en figure 3, c'est-à-dire relativement aplatie et s'appuyant sur deux génératrices rectilignes définies par deux plans à angle droit contenant l'axe 4 de la tuyère, l'une, dénommée génératrice de petit axe et symbolisée en 5 sur les figures 1 et 3 et, l'autre, dénommée génératrice de grand axe et symbolisée en 6 sur les figures 2 et 3.
  • Dans le mode de réalisation représenté la tuyère est constituée de quatre tronçons assemblés bout à bout, à savoir, un tronçon d'extrémité amont TAM définissant le convergent 1, la région du col 2 et le début du divergent 3, un tronçon intermédiaire amont TIM, un tronçon intermédiaire aval TIV et un tronçon d'extrémité aval TAV.
  • Chaque tronçon comporte à chaque extrémité une collerette radiale permettant l'assemblage des tronçons entre eux et définissant aux deux extrémités de la tuyère les faces frontale et arrière de cette dernière.
  • Plus précisément, le tronçon amont TAM comporte une collerette 7 présentant à son pourtour un retour 8 définissant une portée extérieure dont les génératrices sont parallèles à l'axe de la tuyère, ladite collerette 7 constituant la face arrière de la tuyère. L'autre extrémité du tronçon TAM comporte une collerette radiale 9 munie également d'un retour 10 définissant une portée extérieure dont les génératrices sont parallèles à l'axe de la tuyère et servant d'épaulement à la collerette radiale 11 du tronçon suivant TIM.
  • La jonction entre les tronçons TIM, TIV et TAV sont réalisées de la même manière par des collerettes radiales 12,13,14 et 15 et des retours 16 et 17 définissant des portées extérieures similaires à celles des retours 8 et 10.
  • Le nez de la tuyère est défini par une collerette radiale 18 munie d'un retour interne 19 définissant une portée extérieure similaire à celle des retours 8,10,16 et 17.
  • Les divers retours 8,10,16,17,19 sont étagés en diamètre pour tenir compte de l'élargissement du divergent.
  • L'assemblage des tronçons est obtenu par des vis, telles que celle représentée en 20 sur la figure 2, engagés dans les collerettes en regard et régulièrement distribués à la périphérie et le calage en rotation est réalisé par des pions, tels que celui représenté en 21 sur la figure 2, agencés de la même manière que les vis 20.
  • Les tronçons TAM, TIM, TIV et TAV forment ainsi un ensemble rigide qui peut coulisser axialement à l'intérieur d'une enveloppe externe rigide constituée d'autant de tronçons que de tronçons de tuyère.
  • Au tronçon TAM correspond un tronçon d'enveloppe EAM muni à ses deux extrémités de deux portées intérieures 22 et 23 à génératrices parallèles à l'axe de la tuyère, en contact avec les retours 8 et 10 respectivement. Au tronçon TIM correspond un tronçon d'enveloppe EIM fixé au tronçon EAM et définissant une portée intérieure 24 de même nature que les portées 22,23 et en contact avec le retour 16.
  • Le tronçon d'enveloppe EIV est similaire au tronçon EIM et comporte une portée interne 25 en contact avec le retour 17.
  • Le tronçon d'enveloppe d'extrémité aval est défini par une partie EAV fixée au tronçon précédent EIV et par une couronne de montage 26 fixée à ladite partie EAV par des vis telles que celle représentée en 27 sur la figure 2 et définissant une portée interne 28 à génératrices parallèles à l'axe de la tuyère et en contact avec le retour 19 du nez de tuyère.
  • Des joints d'étanchéité sont prévus entre les retours 7,10,16,17,19 et les portées réceptrices des éléments d'enveloppe ainsi qu'entre les paires de collerettes 9,11 ; 12,13 et 14,15.
  • La couronne 26 est destinée au montage de la tuyère sur une structure porteuse externe non représentée et est le seul point de fixation de l'enveloppe de la tuyère. On décrira plus loin la fixation de l'ensemble des tronçons de tuyère vis à vis de ladite enveloppe.
  • Chaque tronçon d'enveloppe EAM, EIM, EIV et EAV définit avec le tronçon de tuyère correspondant une chambre de refroidissement de la paroi interne de la tuyère.
  • Il existe ainsi quatre chambres de refroidissement indépendantes, respectivement 29,30,31 et 32 dans lesquelles sont crées des films minces d'eau de refroidissement au droit des faces externes des parties de tronçon constituant la paroi de la tuyère, à l'aide de pièces de configuration appropriée appelées séparateurs.
  • Dans chaque chambre de refroidissement 29,30,21,32, un séparateur, respectivement 33 à 36, divise la chambre en une zone amont (côté col de la tuyère), respectivement 29a à 32a, et une zone aval 29b à 32b.
  • La zone amont communique, par un passage ménagé dans l'enveloppe externe, respectivement 37 à 40, de préférence avec plusieurs sources indépendantes d'eau ou autre fluide de refroidissement, cependant que la zone aval communique par un second passage également ménagé dans l'enveloppe, respectivement 41 à 44, avec le circuit de retour de fluide de refroidissement.
  • Dans le mode de réalisation représenté la partie sensiblement plane de la paroi de tuyère définie par les divers tronçons EAM, EIM, EIV, EAV sont munis (figures 1, 2 et 3) de nervures 45 de rigidification qui s'étendent dans les diverses chambres de refroidissement, l'épaisseur de la paroi de la tuyère étant relativement faible.
  • Plus précisément, lesdites nervures 45 sont, pour des facilités de réalisation et mise en place des séparateurs 33 à 36 qui doivent chevaucher ces nervures, orthogonales au plan de la tuyère contenant les génératrices de grand axe 6 (comme illustré par la figure 3), en étant parallèles entre elles (comme illustré par la figure 3) ou non.
  • La hauteur et l'épaisseur des nervures 45 peuvent être variables.
  • Les tronçons de tuyère TAM, TIM, TIV et TAV sont par exemple des pièces monoblocs en alliage de cuivre usinées par électro-érosion, cependant que chaque tronçon d'enveloppe EAM, EIM, EIV, EAV est réalisé également sous forme d'une pièce monobloc de section de préférence circulaire pour des questions de facilité de fabrication.
  • Chaque séparateur 33 à 36 est réalisé en deux demi-parties assemblées selon un plan de joint confondu avec celui contenant les génératrices de grand axe 6 de la tuyère (voir partie gauche de la figure 3).
  • Si la tuyère est symétrique par rapport audit plan contenant les génératrices 6, tous les séparateurs sont constitués de demi-parties symétriques. On verra plus loin le cas où la partie plane inférieure du divergent est munie en option, dans sa partie aval, d'une plaque froide ou d'une plaque chaude, ce qui contraint à modifier localement le séparateur et la ou les chambres de refroidissement.
  • Sur la figure 3 on a représenté, en coupe transversale suivant la ligne III-III des figures 1 et 2, la demi-partie supérieure du séparateur 35.
  • Celui-ci est dimensionné et conformé de façon à délimiter un intervalle 46 faible et calibré entre sa face tournée vers la paroi de tuyère et le tronçon TIV. Des gorges 47 sont ménagées dans le séparateur 35 pour recevoir les nervures 45.
  • Le faible intervalle 46 n'existe qu'en regard de la paroi de tuyère, le séparateur étant en retrait substantiel vis à vis des collerettes 13 et 14 ainsi que vis à vis du tronçon d'enveloppe EIV.
  • Des pions 48 sont interposés dans ces divers intervalles et calibrent ainsi l'épaisseur du film d'eau circulant dans l'intervalle 46.
  • La séparation entre les zones amont 31a et aval 31b de la chambre de refroidissement est délimitée par une partie en saillie 49 en contact avec une portée interne à génératrices parallèles à l'axe de la tuyère et de préférence cylindrique comme les autres portées, du tronçon d'enveloppe EIV. Tous les séparateurs comportent une partie 49 analogue.
  • De préférence, comme représenté en 50 sur la figure 3, les angles de raccordement des nervures 45 avec la paroi de tuyère sont arrondis substantiellement pour des questions de réduction des pertes de charge du fluide de refroidissement.
  • Du fait de l'existence des retours d'extrémité 22 et 28, en saillie, contrairement aux retours 23, 24 et 25 et pour permettre la mise en place des séparateurs d'extrémités 33 et 36, chaque demi-partie de séparateur est elle-même réalisée en deux parties 33a, 33b et 36a, 36b, se mettant en place successivement et s'emboîtant grâce à des parties d'assemblage complémentaires 51.
  • Le montage des séparateurs 33 à 36 est tel que ceux-ci font corps avec les tronçons de tuyère et se déplacent en même temps qu'eux à l'intérieur de l'enveloppe externe de la tuyère, suite par exemple à la dilatation thermique de cette dernière, grâce aux portées de contact entre ladite enveloppe et l'ensemble tronçons de tuyère - séparateurs.
  • Ce dernier ensemble est fixé à l'enveloppe en un point situé à proximité immédiate de la couronne de montage 26.
  • Cette fixation axiale de la tuyère est assurée par une clavette annulaire 52, de préférence circulaire, engagée, d'une part, dans une gorge annulaire ménagée dans la partie 36b du séparateur et, d'autre part, dans une gorge annulaire ménagée dans le tronçon d'enveloppe EAV entre ce dernier et ladite couronne 26.
  • Le calage latéral, c'est-à-dire en rotation de l'ensemble tronçons de tuyère-séparateurs dans l'enveloppe externe, est assuré par un pion radial 53 solidaire de la partie de séparateur 36b et engagé dans une boutonnière 54 parallèle à l'axe de la tuyère et ménagée dans le tronçon d'enveloppe EAV.
  • Avec un tel montage, la dilatation sous la chaleur du nez de la tuyère est très faible puisqu'elle concerne la partie située en aval de la clavette 52. Cette dilatation est dans le sens de l'éloignement du nez de tuyère par rapport à la couronne 26.
  • La dilatation de la partie de tuyère située en amont de la clavette 52 est plus importante et absorbée sans problème par coulissement de l'ensemble tronçons de tuyère-séparateurs dans l'enveloppe externe, en direction de l'extrémité amont de la tuyère.
  • La clavette 52 étant interposée dans la zone aval 32b de la chambre de refroidissement, doit être munie de passages (non représentés) assurant la libre circulation du fluide de refroidissement dans ladite zone 32b, de part et d'autre de la clavette.
  • L'intérêt de réaliser la tuyère sous forme de plusieurs tronçons réside dans l'avantage de pouvoir changer le tronçon de tuyère usé, l'usure n'étant pas régulière sur toute les parties de la tuyère et de faciliter la fabrication, l'invention permettant d'utiliser les capacités actuelles des machines d'usinage par électro-érosion, du fait des dimensions pouvant être réduites des divers tronçons.
  • Les séparateurs et l'enveloppe externe sont réalisés par exemple en aluminium.
  • La figure 4 illustre une variante de réalisation d'une tuyère selon les figures 1 à 3, munie d'une plaque froide occupant une partie de la paroi inférieure sensiblement plane du divergent, à hauteur des deux derniers tronçons TIV et TAV.
  • Les séparateurs, chambres de refroidissement et tronçons d'enveloppe externes correspondants doivent être modifiés en conséquence.
  • Le divergent de la figure 4 est muni d'une plaque froide plane 55 de forme trapézoïdale (figure 2).
  • La plaque froide comprend une première plaque métallique 56 disposée dans la continuité de la paroi interne de la tuyère, fixée sur une seconde plaque métallique 57 et un circuit 58, agencé entre les deux plaques, de circulation d'un fluide, permettant de modifier et plus particulièrement abaisser le flux de chaleur disponible en sortie de tuyère.
  • Le circuit 58 est relié à des circuits extérieurs via des conduits ou collecteurs 59,60 traversant de manière étanche le tronçon d'enveloppe EIV, la chambre de refroidissement (31a,31b) et le séparateur 35.
  • Les deux tronçons de tuyère TIV et TAV sont conformés notamment pour présenter un creux de réception de ladite plaque froide 55. Les chambres de refroidissement, séparateurs et tronçons d'enveloppe externe EIV et EAV sont également aménagés en conséquence.
  • Le mode de réalisation de la figure 4 illustre également la prévision d'une face frontale 61 de la tuyère, en partie inférieure, inclinée vers l'arrière en sorte que ladite face 61 forme avec l'axe 4 de la tuyère un angle inférieur à 90° permettant un réglage d'inclinaison négative de l'éprouvette d'essai en planche plane symbolisée en 62. Cette face 61 inclinée peut être prévue avec ou sans plaque froide 55.
  • Dans l'hypothèse où la tuyère serait trop refroidie, notamment pour certains types d'essai, on peut remplacer avantageusement la plaque 55 dite froide par une plaque dite chaude.
  • La figure 5 illustre partiellement une plaque chaude 63 substituée aux lieu et place de la plaque froide 55.
  • La plaque chaude 63 comprend une plaque 64 de mousse de silice disposée dans la continuité de la paroi interne de la tuyère et fixée, par exemple par collage, sur une semelle métallique 65, face contre face.
  • Des éléments 66 et 67 de fixation de la plaque 63 sont prévus aux lieu et place des collecteurs 59,60, assurant également l'étanchéité de la chambre de refroidissement traversée (31a, 31b) et le passage de conducteurs de systèmes de mesure de la température.
  • La plaque 63 forme en quelque sorte un écran local au système de refroidissement des tronçons de tuyère TIV et TAV, l'intervalle 46 où se forme le film mince de fluide de refroidissement étant, au droit de la plaque 63, comme de la plaque 55, plus éloigné de la paroi interne de la tuyère.
  • L'invention a été décrite en référence à une tuyère de type superelliptique à divergent relativement aplati, mais il est évident que les dispositions technologiques essentielles de l'invention, telles, entre autres, que la réalisation du divergent en tronçons pourvus chacun d'un circuit indépendant de refroidissement par film liquide mince circulant à grande vitesse, de l'ordre de 20 m/s par exemple, d'amont en aval, ce qui améliore le coefficient de convection, ou que le montage glissant de l'ensemble tuyère-séparateurs à l'intérieur d'une enveloppe externe fixe, pourraient être étendues à des tuyères à divergent de longueur relativement importante par rapport au diamètre du col et d'autres formes, par exemple de section superelliptique moins aplatie que la section illustrée par la figure 3, voire de section dite carrée ou circulaire (tuyère axisymétrique) ou encore semi-circulaire.
  • Le refroidissement de la tuyère, qui peut être modulé grâce aux divers circuits indépendants, permet un régime permanent d'écoulement en l'absence d'usure des pièces. Il est à noter que la pressurisation des circuits de fluide de refroidissement peut-être asservie à la pression génératrice fournie par le générateur, en particulier de plasma, dans la limite par exemple d'un écart de pression prédéterminé.
  • Les séparateurs décrits et représentés ci-dessus ont été conçus pour limiter les pertes de charge en créant un étranglement du flux de fluide de refroidissement au plus près de la face à refroidir, la paroi de la tuyère, et sous forme d'une pellicule mince bien calibrée en épaisseur. Leurs formes et dimensions pourront bien entendu être adaptées à celles des chambres de refroidissement, à celles des tronçons d'enveloppe et à la prévision d'éventuels accessoires tels que lesdites plaques froide ou chaude, des sondes de mesure, etc...
  • Le nombre de tronçons de tuyère peut être bien sûr supérieur ou inférieur à quatre. L'enveloppe externe peut éventuellement être réalisée d'une seule pièce et non plus en tronçons, ou en deux demi-enveloppes assemblées de préférence selon un plan contenant les génératrices de grand axe 6 de la tuyère.

Claims (14)

  1. Tuyère modulaire à refroidissement par film d'eau, notamment pour essais à haute température d'éprouvettes ou analogues, du type comprenant un divergent (3) de longueur relativement importante par rapport au diamètre du col (2) et, en particulier, de section aplatie du genre superelliptique ou analogue, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un tronçon métallique (TAM) comportant le convergent (1), le col (2) et le début du divergent (3) et d'un ou plusieurs tronçons de divergent (TIM, TIV, TAV) également métallique, les divers tronçons étant assemblés bout à bout, et en ce que la paroi externe de chaque tronçon de tuyère est refroidie indépendamment par un film mince d'eau ou autre fluide de refroidissement approprié, circulant à grande vitesse et confiné contre ladite paroi par un séparateur (33 à 36) de forme appropriée, l'ensemble des tronçons de tuyère et des séparateurs associés étant enfermés dans une enveloppe externe fixe (EAM, EIM, EIV, EAV), coaxiale à la tuyère et définissant au droit de chaque tronçon une chambre (29 à 32) de circulation du fluide de refroidissement indépendante dans laquelle est disposé ledit séparateur, l'agencement étant tel qu'un jeu selon l'axe longitudinal dudit ensemble vis à vis de ladite enveloppe externe est autorisé en vue d'absorber la dilatation thermique de la tuyère.
  2. Tuyère suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'enveloppe externe est constituée d'autant de tronçons (EAM, EIM, EIV, EAV) que de tronçons de tuyère (TAM, TIM, TIV, TAV) et les tronçons de tuyère, une fois assemblés, définissent, aux deux extrémités et aux jonctions inter-tronçons, des collerettes radiales (7, 9 à 15, 18) en appui glissant contre des parois internes à génératrices parallèles à l'axe de la tuyère, ménagées dans les tronçons correspondants (EAM, EIM, EIV, EAV) de l'enveloppe.
  3. Tuyère suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la solidarisation de l'ensemble rigide des tronçons de tuyère (TAM, TIM, TIV, TAV) vis à vis de l'enveloppe (EAM, EIM, EIV, EAV) est assurée au droit du tronçon de l'extrémité aval (TAV).
  4. Tuyère suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque chambre (29 à 32) de circulation du fluide de refroidissement comporte un séparateur en deux demi-parties (33 à 36) mobile axialement en même temps que le tronçon de tuyère considéré (TAM, TIM, TIV, TAV), grâce à des pions de calage (48) interposés entre lui et, d'une part, les parois radiales desdites collerettes (7, 9 à 15, 18) des tronçons de tuyère et, d'autre part, les tronçons d'enveloppe respectifs, lesdits pions (48) conférant une épaisseur constante déterminé audit film mince (46) de fluide de refroidissement, essentiellement au droit de la paroi interne de chaque tronçon de tuyère, chaque tronçon d'enveloppe (EAM, EIM, EIV, EAV) étant muni des arrivées (37) et sorties (41) appropriées de fluide de refroidissement.
  5. Tuyère suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la circulation du fluide de refroidissement dans chaque chambre (29 à 32) se fait de l'amont vers l'aval au droit de la paroi de la tuyère.
  6. Tuyère suivant la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que chaque chambre de refroidissement (29 à 32) est alimentée indépendamment en fluide à température et vitesse de circulation contrôlées, la pressurisation des circuits de refroidissement étant éventuellement asservie à la pression génératrice fournie par le générateur alimentant la tuyère.
  7. Tuyère suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la solidarisation de l'ensemble des tronçons de tuyère (TAM, TIM, TIV, TAV) vis à vis de l'enveloppe externe (EAM, EIM, EIV, EAV), au droit du tronçon d'extrémité aval (TAV), est obtenue par une clavette annulaire (52) interposée entre le tronçon aval de l'enveloppe (EAV) et le séparateur associé (36), des passages étant ménagés dans ladite clavette (52) pour la circulation du fluide de refroidissement, le calage latéral de l'ensemble des tronçons de tuyère et de leurs séparateurs associés, vis à vis de l'enveloppe, étant assuré par un pion (53) solidaire du séparateur de l'extrémité aval (36), engagé dans une boutonnière (54) parallèle à l'axe de la tuyère, ménagée dans la paroi interne du tronçon d'enveloppe considéré (EAV).
  8. Tuyère suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que, pour avoir une meilleure étanchéité entre la tuyère et son enveloppe, aux deux extrémités de l'ensemble, le pourtour des collerettes (7,18) d'extrémité de la tuyère sont avantageusement pourvus d'un retour interne (8,19) augmentant la surface de contact avec les parois internes réceptrices de l'enveloppe, des joints d'étanchéité étant disposés au droit de ladite surface de contact et les séparateurs (33,36) des deux tronçons d'extrémité sont réalisés en deux parties (33a,33b ; 36a,36b) s'emboîtant pour permettre l'engagement du séparateur sous lesdits retours (8,19).
  9. Tuyère suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la paroi externe des tronçons de tuyère (TAM, TIM, TIV, TAV) est munie, au moins au droit des éventuelles parties sensiblement planes, de nervures de raidissage (45) chevauchées par les séparateurs (33 à 36) qui sont conformés à cet effet.
  10. Tuyère suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la face frontale inférieure (61) du nez de la tuyère forme, avec une paroi interne sensiblement plane correspondante du divergent, un angle inférieur à 90° pour donner éventuellement aux plaques d'essai du type "planche plane" (62) une incidence négative.
  11. Tuyère suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte, dans une partie sensiblement plane du divergent, à son extrémité aval, une plaque amovible de régulation thermique locale (55,63), disposée dans la continuité de ladite partie plane, sur le tronçon d'extrémité aval (TAV) de la tuyère et éventuellement du tronçon précédent.
  12. Tuyère suivant la revendication 11, caractérisée en ce que la plaque est une plaque dite froide, destinée à accroître le refroidissement, constituée de deux plaques métalliques (56,57) assemblées, définissant entre elles un circuit (58) de circulation d'un fluide, notamment de refroidissement, relié à des circuits extérieurs via des collecteurs (59,60) traversant de manière étanche l'une des chambres de refroidissement (31a,31b), son séparateur (35) et l'enveloppe externe (EIV).
  13. Tuyère suivant la revendication 11, caractérisée en ce que la plaque est une plaque dite chaude, destinée à réduire le refroidissement, constituée d'une plaque de mousse de silice (64) et d'une semelle métallique (65), les deux plaques étant assemblées face à face et munies de systèmes de mesure de la température.
  14. Tuyère suivant l'une des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que les tronçons de tuyère (TAM, TIM, TIV, TAV) sont réalisés d'un seul bloc, en alliage de cuivre et par usinage par électro-érosion.
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