FR3077630A1 - Echangeur de chaleur - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un échangeur (10) de chaleur à plaques, en particulier pour une turbomachine d'aéronef, entre un premier fluide et un deuxième fluide, comprenant au moins un premier et un deuxième étages (12, 14) de circulation du premier fluide, chaque étage comprenant : - une première et deuxième plaques (16) parallèles et distantes l'une de l'autre, de manière à définir entre elles un passage de circulation (18) du premier fluide, - au moins une première rangée d'ailettes (20) disposées sensiblement perpendiculairement entre lesdites plaques, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens (30) profilés de guidage du premier fluide en entrée desdits passages de circulation des au moins un premier et deuxième étages, lesdits moyens reliant la première plaque dudit premier étage à la deuxième plaque dudit deuxième étage, et - des moyens (40) profilés de guidage du premier fluide en sortie desdits passages de circulation des au moins un premier et deuxième étages, lesdits moyens reliant ladite première plaque dudit premier étage à ladite deuxième plaque dudit deuxième étage.

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR
Domaine technique
La présente invention concerne un échangeur de chaleur, en particulier pour une turbomachine.
Etat de la technique
De manière classique, une turbomachine, notamment d’aéronef, comporte, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, au moins un compresseur, une chambre de combustion, au moins une turbine, et une tuyère. Le compresseur est configuré pour accroître la pression de l’air, qui est ensuite fourni à la chambre de combustion. Dans la chambre de combustion, de l’air est mélangé à un carburant et brûlé. Les gaz de combustion passent ensuite à travers la turbine, qui assure l’entraînement en rotation du compresseur en prélevant une partie de l’énergie de pression des gaz sortant de la chambre de combustion et en la transformant en énergie mécanique. La tuyère permet d’éjecter des gaz d’échappement pour produire une force de propulsion de la turbomachine.
Un échangeur de chaleur est implanté dans une turbomachine pour permettre un transfert d’énergie thermique d’un fluide vers un autre.
Un échangeur de chaleur peut être, par exemple, utilisé pour un transfert d’énergie thermique des gaz chauds d’échappement vers un gaz destiné à être introduit en amont de la chambre de combustion, au bénéfice notamment de la consommation en carburant de la turbomachine. Un échangeur de chaleur peut également être utilisé pour refroidir le lubrifiant, par exemple de l’huile, des moyens de guidage des rotors du compresseur et la turbine, le compresseur et la turbine étant chacun constitués d’un premier ensemble de pièces fixes constituant un stator et d’un second ensemble de pièces, susceptible d’être mis en rotation par rapport au stator, constituant un rotor.
A performance aérothermique équivalente, les échangeurs de chaleur à ailettes sont particulièrement employés dans les turbomachines en raison notamment de leur faible masse.
Un tel échangeur de chaleur, entre un premier fluide, par exemple des gaz chauds d’échappement, et un deuxième fluide, par exemple de l’air, comprend des étages de circulation du premier fluide et des voies de circulation du deuxième fluide ménagées entre deux étages consécutifs de circulation du premier fluide. Un étage de circulation du premier fluide comprend par exemple deux plaques parallèles distantes l’une de l’autre de manière à définir un passage de circulation du premier fluide et des rangées d’ailettes disposées sensiblement perpendiculairement entre les plaques.
Les figures 1a et 1b représentent respectivement un tel échangeur 1 de chaleur, et des étages 2, 3 d’un tel échangeur de chaleur. Dans un tel échangeur 1, un premier fluide s’écoule selon une direction longitudinale, notée X, et un deuxième fluide s’écoule sensiblement perpendiculairement au premier fluide, selon une direction notée Y.
Chaque étage 2, 3 comprend deux plaques 6 parallèles et distantes l’une de l’autre, s’étendant longitudinalement selon la direction X, de manière à définir un passage de circulation 7 du premier fluide.
Afin de cloisonner le premier fluide au sein de l’échangeur 1, chaque étage 2, 3 comprend également deux cloisons 5 extérieures, agencées sensiblement perpendiculairement aux plaques 6 et s’étendant longitudinalement selon la direction X, de manière à ce que les plaques 5, 6 définissent le passage de circulation 7. Chaque étage 2, 3 comprend également des rangées d’ailettes 9 disposées sensiblement perpendiculairement entre les plaques 6, de manière à définir une série de conduits dans le passage de circulation 7.
Une voie de circulation 4 du deuxième fluide est ménagée entre deux étages 2,3 de circulation du premier fluide. Afin de cloisonner le deuxième fluide au sein de l’échangeur 1, l’échangeur 1 comprend des plaques 8, agencées sensiblement perpendiculairement aux plaques 5, 6 et s’étendant longitudinalement selon la direction Y, de manière à ce que les plaques 6, 8 définissent la voie de circulation 4. Une rangée d’ailettes 9 est disposée sensiblement perpendiculairement entre deux étages 2, 3 de circulation du premier fluide, de manière à définir une série de conduits dans le passage de circulation 4.
Cependant, pour chaque fluide, l’échangeur 1 de chaleur présente une réduction abrupte des sections de passage des fluides en entrée de l’échangeur, comme représenté sur les figures 1a et 1b. En effet, le premier fluide, circulant selon la direction X, arrive sur les plaques 8 et est brusquement redirigé vers le passage de circulation 7. De même, le deuxième fluide, circulant selon la direction Y, arrive sur les plaques 5 et est brusquement redirigé vers la voie de circulation 4. Le passage de circulation 7 et la voie de circulation 4 présentent des sections plus faibles, du fait de la présence des plaques 5, 8, que les sections de passage des fluides en amont de l’entrée de l’échangeur.
De façon similaire, l’échangeur 1 présente une augmentation abrupte des sections de passage des fluides en sortie de l’échangeur. En effet, le passage de circulation 7 et la voie de circulation 4 présentent des sections plus faibles, du fait de la présence des plaques 5, 8, que les sections de passage des fluides en aval de la sortie de l’échangeur.
En outre, cette réduction abrupte des sections de passage des fluides en entrée de l’échangeur et cette augmentation abrupte des sections de passage des fluides en sortie de l’échangeur sont d’autant plus importantes que la variation des sections de passage des fluides est importante. Plus précisément, lorsqu’il existe un écart important entre les hauteurs des sections de passage du premier et du deuxième fluide, c’est-àdire entre les hauteurs des ailettes 9 et des plaques 5, 8, une réduction abrupte des sections de passage des fluides en entrée de l’échangeur et une augmentation abrupte des sections de passage des fluides en sortie de l’échangeur peuvent être rencontrées.
Une telle architecture présente notamment l’inconvénient d’entrainer une importante perte d’énergie mécanique, également appelée perte de charge. En particulier, cette perte de charge peut correspondre à plus de 20% de la perte totale de charge autorisée.
En raison des fortes contraintes en terme de masse à iso-performances aérothermiques, l’objectif de la présente invention est ainsi de proposer, un échangeur de chaleur, à performances thermiques et masse équivalentes, présentant une réduction de sa perte de charge.
Exposé de l’invention
A cet effet, l’invention concerne un échangeur de chaleur à plaques, en particulier pour une turbomachine d’aéronef, entre un premier fluide et un deuxième fluide, le premier fluide circulant selon une première direction, et le deuxième fluide circulant selon une deuxième direction différente de la première direction, ledit échangeur comprenant au moins un premier et un deuxième étages de circulation du premier fluide, chaque étage comprenant :
- une première et deuxième plaques parallèles et distantes l’une de l’autre, de manière à définir entre elles un passage de circulation du premier fluide,
- au moins une première rangée d’ailettes disposées sensiblement perpendiculairement entre lesdites plaques, de manière à définir une série de conduits de circulation du premier fluide dans ledit passage de circulation, caractérisé en ce qu’il comprend :
- des moyens profilés de guidage du premier fluide en entrée desdits passages de circulation des au moins un premier et deuxième étages, dits moyens d’entrée du premier fluide, lesdits moyens d’entrée du premier fluide reliant la première plaque dudit premier étage à la deuxième plaque dudit deuxième étage, et
- des moyens profilés de guidage du premier fluide en sortie desdits passages de circulation des au moins un premier et deuxième étages, dits moyens de sortie du premier fluide, lesdits moyens de sortie du premier fluide reliant ladite première plaque dudit premier étage à ladite deuxième plaque dudit deuxième étage.
Avantageusement, l’échangeur de chaleur selon l’invention permet d’améliorer l’aérodynamique de l’écoulement du premier fluide en entrée et en sortie de l’échangeur.
En effet, pour le premier fluide, l’échangeur de chaleur selon l’invention présente une réduction progressive des sections de passage du premier fluide en entrée de l’échangeur, grâce aux moyens profilés de guidage du premier fluide en entrée des passages de circulation.
De façon similaire, pour le premier fluide, l’échangeur de chaleur selon l’invention présente une augmentation progressive des sections de passage du premier fluide en sortie de l’échangeur, grâce aux moyens profilés de guidage du premier fluide en sortie des passages de circulation.
Les moyens d’entrée et de sortie du premier fluide permettent une réduction de la traînée de forme. Plus précisément, l’échangeur constitue un « obstacle » sur l’écoulement du premier fluide, et en conséquence, l’écoulement du premier fluide est modifié en passant à travers l’échangeur. Par réaction à la modification de l’écoulement du premier fluide, l’échangeur subit une force, dont une composante, parallèle à l’écoulement du premier fluide, correspond à la traînée de forme. Comme les moyens d’entrée et de sortie du premier fluide permettant d’éviter un changement brusque des sections de passage du premier fluide en entrée et en sortie de l’échangeur, ils permettent de réduire la force subie par l’échangeur en réaction, et donc de réduire la traînée de forme.
En conséquence, sur certaines configurations d’échangeurs, les moyens d’entrée et de sortie du premier fluide permettent de réduire les pertes d’énergie mécanique par rapport aux échangeurs selon l’art antérieur. En particulier, les pertes de charge peuvent être réduites de 50% au niveau des zones d’entrée et de sortie comportant respectivement les moyens d’entrée et de sortie du premier fluide et les pertes de charge totales de l’échangeur peuvent être réduites de l’ordre de 10% par rapport aux échangeurs selon l’art antérieur.
Les moyens d’entrée et de sortie du premier fluide peuvent comprendre, selon une coupe perpendiculaire auxdits passages de circulation dans un plan perpendiculaire auxdites plaques, un tronçon elliptique ou parabolique ou en forme d’arc de cercle.
Les moyens d’entrée et de sortie du premier fluide peuvent comprendre, selon une coupe perpendiculaire auxdits passages de circulation dans un plan perpendiculaire auxdites plaques, un tronçon triangulaire.
De préférence, au moins une liaison entre les moyens d’entrée du premier fluide et la première plaque dudit premier étage et/ou la deuxième plaque dudit deuxième étage présente au moins une portion courbe. De préférence, au moins une liaison entre les moyens de sortie du premier fluide et la première plaque dudit premier étage et/ou la deuxième plaque dudit deuxième étage présente au moins une portion courbe .
Avantageusement, une liaison entre les moyens d’entrée et de sortie du premier fluide et la première plaque dudit premier étage et/ou la deuxième plaque dudit deuxième étage présentant au moins une portion courbe permet d’améliorer la tenue mécanique et la fabricabilité de l’échangeur.
Selon un mode de réalisation, l’échangeur comprend également :
- au moins un troisième étage de circulation du premier fluide, les premier, deuxième et troisième étages étant superposés dans cet ordre,
- des moyens profilés de guidage du premier fluide en entrée des passages de circulation des au moins un deuxième et troisième étages, lesdits moyens reliant la première plaque dudit deuxième étage à la deuxième plaque dudit troisième étage,
- des moyens profilés de guidage du premier fluide en sortie des passages de circulation des au moins un deuxième et troisième étages, lesdits moyens reliant ladite première plaque dudit deuxième étage à ladite deuxième plaque dudit troisième étage, et dans lequel les moyens profilés de guidage du premier fluide en entrée et en sortie des passages de circulation des au moins un premier et deuxième étages et des au moins un deuxième et troisième étages sont différents.
Cette configuration est particulièrement avantageuse en présence d’un échangeur de chaleur qui entraîne une orientation du flux du premier fluide en amont de l’entrée de l’échangeur et en aval de l’échangeur variant entre deux étages de l’échangeur.
Selon un mode de réalisation, l’échangeur comprend au moins une première et une deuxième séries d’étages, chaque série d’étages comprenant au moins trois étages de circulation du premier fluide, et dans lequel les moyens d’entrée et de sortie du premier fluide de la première série d’étages sont différents des moyens d’entrée et de sortie du premier fluide de la deuxième série d’étages.
Cette configuration est particulièrement avantageuse en présence d’un échangeur de chaleur qui entraîne une orientation du flux du premier fluide en amont de l’entrée de l’échangeur et en aval de l’échangeur variable par séries d’étages de l’échangeur.
De préférence, une voie de circulation du deuxième fluide est ménagée entre le premier et le deuxième étages de circulation du premier fluide.
Selon un mode de réalisation, l’échangeur comprend en outre :
- des moyens profilés de guidage du deuxième fluide en entrée de ladite voie de circulation, lesdits moyens reliant la deuxième plaque dudit premier étage à la première plaque dudit deuxième étage, et
- des moyens profilés de guidage du deuxième fluide en sortie de ladite voie de circulation, lesdits moyens reliant ladite deuxième plaque dudit premier étage à ladite première plaque dudit étage.
De façon avantageuse, l’échangeur de chaleur permet d’améliorer l’aérodynamique de l’écoulement de chaque fluide en entrée et en sortie de l’échangeur.
En effet, pour chaque fluide, l’échangeur de chaleur selon l’invention présente une réduction progressive des sections de passage en entrée de l’échangeur, grâce aux moyens d’entrée de chaque fluide de l’échangeur.
De façon similaire, pour chaque fluide, l’échangeur de chaleur selon l’invention présente une augmentation progressive des sections de passage en sortie de l’échangeur, grâce aux moyens de sortie de chaque fluide de l’échangeur.
Les moyens d’entrée et de sortie de chaque fluide de l’échangeur permettent de réduire la traînée de forme, et ainsi permettent une réduction des pertes d’énergie mécanique au niveau des zones comportant lesdits moyens d’entrée et de sortie de chaque fluides de plus de 50%, et une réduction des pertes d’énergie mécanique totales d’environ 10% par rapport aux échangeurs selon l’art antérieur.
L’invention concerne également une turbomachine comprenant au moins un échangeur de chaleur selon l’invention.
L’invention se rapporte également à un procédé de réalisation d’un échangeur de chaleur selon l’invention, le procédé comprenant une étape de réalisation dudit échangeur de chaleur par fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre
Avantageusement, le procédé de réalisation d’un échangeur de chaleur selon l’invention par fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre est simplifié par rapport aux procédés de fabrication des échangeurs de chaleur par brasage. En particulier, la réalisation d’un échangeur selon l’invention présente moins de difficultés à être réalisé par fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre, que par brasage.
En outre, grâce au procédé de réalisation d’un échangeur selon l’invention, il n’est pas forcément nécessaire d’avoir un support particulier lors de la réalisation dudit échangeur de chaleur.
Description des figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- les figures 1a et 1b sont des vues schématiques en perspective respectivement d’un échangeur de chaleur pour une turbomachine, et d’étages d’un tel échangeur, selon l’art antérieur décrit précédemment,
- la figure 2 est une vue schématique en perspective d’un échangeur de chaleur pour une turbomachine selon l’invention,
- les figures 3a et 3b représentent très schématiquement l’entrée et la sortie d’un échangeur de chaleur pour une turbomachine selon un mode de réalisation de l’invention,
- les figures 4a et 4b représentent très schématiquement l’entrée et la sortie d’un échangeur de chaleur pour une turbomachine selon un autre mode de réalisation de l’invention,
- la figure 5 est une vue schématique d’une machine de réalisation d’un échangeur, ou d’un étage d’un échangeur, selon l’invention, par fabrication additive.
Description détaillée
Sur la figure 2 est représenté un échangeur 10 de chaleur, en particulier pour une turbomachine d’aéronef, entre un premier fluide, par exemple des gaz chauds d’échappement, s’écoulant suivant une direction longitudinale représentée par la flèche X, et un deuxième fluide, par exemple de l’air, s’écoulant dans une direction différente de celle du premier fluide, par exemple sensiblement perpendiculairement, comme représenté par la flèche Y.
Plus précisément, l’échangeur 10 est étagé, et comprend au moins un premier et un deuxième étage 12, 14 de circulation du premier fluide. Par exemple, sur la figure 2, sept étages sont représentés.
Chaque étage 12, 14 de l’échangeur 10 comprend deux plaques 16 parallèles distantes l’une de l’autre de manière à définir un passage de circulation 18 du premier fluide et une pluralité de rangées d’ailettes 20 conductrices de chaleur disposées sensiblement perpendiculairement entre lesdites plaques 16.
L’écoulement du premier fluide suivant la direction longitudinale X peut être d’amont en aval, tel qu’illustré sur la figure 1, ou d’aval en amont.
Sur la figure 2, le premier fluide s’écoule sensiblement longitudinalement entre l’entrée et la sortie de l’échangeur selon la direction X. Plus précisément, le passage de circulation 18 s’étend longitudinalement selon la direction X de sorte que l’écart angulaire entre la direction d’écoulement du premier fluide en entrée de l’échangeur et la direction de l’écoulement du premier fluide en sortie de l’échangeur est sensiblement nul.
Bien entendu, le passage de circulation 18 du premier fluide peut comprendre une première portion s’étendant longitudinalement selon la direction X et une deuxième portion s’étendant selon une direction différente de la direction X, par exemple sensiblement perpendiculairement à la direction X, de sorte que l’écart angulaire entre la direction d’écoulement du premier fluide en entrée de l’échangeur et la direction de l’écoulement du premier fluide en sortie de l’échangeur est non nul, par exemple égal à 90°.
Les rangées d’ailettes 20 s’étendent longitudinalement, c’est-à-dire selon la direction X.
Les ailettes 20 de deux rangées d’ailettes adjacentes peuvent être disposées en quinconce. On entend par disposition en quinconce, une disposition répétitive, rangée à rangée, où une rangée sur deux, les ailettes 20 sont décalées de la moitié d’un pas par rapport aux rangées adjacentes.
Les ailettes 20 peuvent être identiques, c’est-à-dire qu’elles peuvent présenter les mêmes caractéristiques géométriques et dimensionnelles, et être espacées longitudinalement d’un écartement constant. Sur une même rangée d’ailettes, deux ailettes 20 consécutives peuvent être espacées d’un intervalle équivalent à une ailette 20, et plus précisément à la dimension longitudinale d’une ailette 20. Le pas entre deux ailettes 20 peut être variable, ou l’échangeur 10 peut être divisé longitudinalement en portions, chaque portion présentant son propre pas.
Une voie de circulation 22 du deuxième fluide est ménagée entre les premier et deuxième étages 12, 14.
Une pluralité de rangées d’ailettes 24 conductrices de chaleur est disposée sensiblement perpendiculairement entre les premier et deuxième étages 12, 14, dans la voie de circulation 22. Les rangées d’ailettes 24 s’étendent selon la direction Y.
Sur la figure 2, le deuxième fluide s’écoule sensiblement longitudinalement entre l’entrée et la sortie de l’échangeur selon la direction Y. Plus précisément, la voie de circulation 22 s’étend longitudinalement selon la direction Y de sorte que l’écart angulaire entre la direction d’écoulement du deuxième fluide en entrée de l’échangeur et la direction de l’écoulement du deuxième fluide en sortie de l’échangeur est sensiblement nul.
La voie de circulation 22 peut comprendre une première portion s’étendant longitudinalement selon la direction Y et une deuxième portion s’étendant selon une direction différente de la direction Y, par exemple sensiblement perpendiculairement à la direction Y, de sorte que l’écart angulaire entre la direction d’écoulement du deuxième fluide en entrée de l’échangeur et la direction de l’écoulement du deuxième fluide en sortie de l’échangeur est non nul, par exemple égal à 90°.
Dans l’échangeur 10 de chaleur, il n’y a pas de mélange entre le premier et le deuxième fluide. Le premier fluide et le deuxième fluide échangent thermiquement à travers les plaques 16 de l’échangeur 10.
L’exemple illustré n’est en rien limitatif, en fonction des besoins, l’échangeur 10 peut avoir un nombre N d’étages, N étant un nombre entier, définissant chacun un passage de circulation du premier fluide, deux étages adjacents étant séparés par une voie de circulation du deuxième fluide.
L’échangeur 10 comprend également des moyens 30 profilés de guidage du premier fluide en entrée des passages de circulation 20. Ces moyens 30, dits moyens d’entrée du premier fluide, sont conformés pour guider le premier fluide en direction de l’entrée des passages de circulation 20.
Les moyens 30 d’entrée du premier fluide sont notamment représentés sur les figures 3a et 4a. Sur la figure 3a, des moyens 30 d’entrée du premier fluide relient la première plaque 16a du premier étage 12 à la deuxième plaque 16b du deuxième étage
14. Sur la figure 4a, des moyens 30a d’entrée du premier fluide relient la première plaque 16a du premier étage 12 à la deuxième plaque 16b du deuxième étage 14, des moyens 30b d’entrée du premier fluide relient la deuxième plaque 16c du premier étage 12 à une première plaque d’un étage adjacent, et des moyens 30c d’entrée du premier fluide relient la première plaque 16e du deuxième étage 14 à une deuxième plaque 16f d’un étage adjacent.
Les moyens 30 d’entrée du premier fluide peuvent être de forme cylindrique, dont la base a une forme de tronçon elliptique ou parabolique ou est en forme d’arc de cercle. Comme représentés sur la figure 2, les moyens 30 d’entrée du premier fluide sont de forme cylindrique à base semi-circulaire. Les moyens 30 d’entrée du premier fluide s’étendent longitudinalement selon la direction Y, le long des passages de circulation 20 du premier fluide.
Les moyens 30 d’entrée du premier fluide peuvent comprendre, selon une coupe perpendiculaire aux passages de circulation 20 dans un plan perpendiculaire aux plaques 16, tel que représenté sur les figures 3a et 4a, un tronçon elliptique ou parabolique ou en forme d’arc de cercle. Autrement dit, le profil des moyens 30 d’entrée du premier fluide peut comprendre un tronçon courbe.
Comme représenté sur les figures 3a et 4a, les moyens 30 d’entrée du premier fluide comprennent un tronçon elliptique, des pointillés étant représentés pour compléter la forme du tronçon elliptique des moyens 30 d’entrée du premier fluide.
Le tronçon elliptique peut être aligné par rapport aux plaques 16. Autrement dit, le demi-grand axe, noté a, de l’ellipse dans laquelle est formé le tronçon elliptique peut être parallèle aux plaques 16.
En référence à la figure 3a, le tronçon elliptique peut être incliné d’un angle a par rapport aux plaques 16. On définit l’angle a comme étant l’angle formé entre une droite, notée c, parallèle aux plaques 16, et le demi-grand axe a de l’ellipse dans laquelle est formé le tronçon elliptique. L’angle a peut être compris entre 0° et 85°, et plus précisément entre 0° et 40°.
L’inclinaison du tronçon elliptique, c’est-à-dire la valeur de l’angle a, a une influence sur la direction de l’écoulement du premier fluide en entrée des passages de circulation 20. Par exemple, sur la figure 3a, le premier fluide s’écoule selon la direction de la flèche X1, tandis que sur la figure 4a, le premier fluide s’écoule selon les directions des flèches X11.
Le demi-petit axe, noté b, de l’ellipse dans laquelle est formé le tronçon elliptique peut être compris entre 0,25 mm et 30 mm, et plus précisément entre 0,5 mm et 10 mm.
Le demi-grand axe a de l’ellipse dans laquelle est formé le tronçon elliptique peut être compris entre un quart de la valeur du demi-petit axe b de l’ellipse dans laquelle est formé le tronçon elliptique (soit b/4) et cinq fois la valeur du demi-petit axe b de l’ellipse dans laquelle est formé le tronçon elliptique (soit 5*b), soit entre 0,125 mm et 150 mm, et plus précisément entre 0,125 mm et 50 mm.
On définit la distance c comme étant la distance parallèle aux plaque 16 entre le centre de l’ellipse dans laquelle le tronçon elliptique est formé et les moyens 30 d’entrée du premier fluide, c’est-à-dire l’extrémité des plaques 16 située du côté des moyens 30 d’entrée du premier fluide. La distance c est comprise entre 0 mm et la valeur du demigrand axe a de l’ellipse dans laquelle est formé le tronçon elliptique. Lorsque la distance c est nulle, le tronçon elliptique est aligné par rapport aux plaques 16.
De façon avantageuse, pour le premier fluide, l’échangeur 10 tel que décrit précédemment présente une réduction progressive des sections de passage du premier fluide en entrée de l’échangeur, grâce aux moyens 30 d’entrée du premier fluide.
En effet, le premier fluide, circulant selon la direction X, arrive soit sur les moyens 30 d’entrée du premier fluide, soit directement dans les passages de circulation 20. Le premier fluide arrivant sur les moyens 30 d’entrée du premier fluide est guidé vers les passages de circulation 20.
L’échangeur 10 comprend également des moyens 40 profilés de guidage du premier fluide en sortie des passages de circulation 20. Ces moyens 40, dits moyens de sortie du premier fluide, sont conformés pour guider le premier fluide depuis la sortie des passages de circulation 20.
Les moyens 40 de sortie du premier fluide sont notamment représentés sur les figures 3b et 4b. Sur la figure 3b, des moyens 40 de sortie du premier fluide relient la première plaque 16a du premier étage 12 à la deuxième plaque 16b du deuxième étage
14. Sur la figure 4b, des moyens 40a de sortie du premier fluide relient la première plaque 16a du premier étage 12 à la deuxième plaque 16b du deuxième étage 14, des moyens 40b de sortie du premier fluide relient la deuxième plaque 16c du premier étage 12 à une première plaque d’un étage adjacent, et des moyens 40c de sortie du premier fluide relient la première plaque 16e du deuxième étage 14 à une deuxième plaque 16f d’un étage adjacent.
Les moyens 40 de sortie du premier fluide peuvent être de forme cylindrique, dont la base a une forme de triangulaire. Comme représentés sur la figure 2, les moyens 40 de sortie du premier fluide sont de forme cylindrique à base triangulaire isocèle. Les moyens 40 de sortie du premier fluide s’étendent longitudinalement selon la direction Y, le long des passages de circulation 20 du premier fluide.
Les moyens 40 de sortie du premier fluide peuvent comprendre, selon une coupe perpendiculaire aux passages de circulation 20 dans un plan perpendiculaire aux plaques 16, tel que représenté sur les figures 3a et 4a, un tronçon triangulaire. Autrement dit, le profil des moyens 40 de sortie du premier fluide peut être de forme triangulaire.
Comme représenté sur les figures 3b et 4b, les moyens 40 de sortie du premier fluide sont de forme triangulaire.
Le tronçon triangulaire peut être équilatéral, isocèle, rectangle ou quelconque.
On définit la base du tronçon triangulaire comme étant la partie du tronçon triangulaire s’étendant entre les plaques 16.
En référence à la figure 3b, le tronçon triangulaire peut être incliné d’un angle β par rapport aux plaques 16. On définit l’angle β comme étant l’angle formé entre une droite parallèle aux plaques 16 passant par le milieu de la base du tronçon triangulaire, et la droite reliant le sommet du tronçon triangulaire au milieu de la base du tronçon triangulaire. L’angle β peut être compris entre 0° et 85°, et plus précisément entre 0° et 40°. Lorsque l’angle β est nul, le tronçon triangulaire est au moins isocèle.
L’inclinaison du tronçon triangulaire, c’est-à-dire la valeur de l’angle β, a une influence sur la direction de l’écoulement du premier fluide en sortie des passages de circulation 20. Par exemple, sur la figure 3b, le premier fluide s’écoule selon la direction de la flèche X2, tandis que sur la figure 4b, le premier fluide s’écoule selon les directions des flèches X12.
La hauteur du tronçon triangulaire, notée d, peut être comprise entre 1 mm et 50 mm, et plus précisément entre 2 mm et 30 mm. On définit la hauteur d du tronçon triangulaire comme étant la distance parallèle aux plaques 16 entre le sommet du tronçon triangulaire et l’extrémité des plaques 16 située du côté des moyens 40 de sortie du premier fluide.
La dimension de la base du tronçon triangulaire, notée Ha, peut être comprise entre 0,5 mm et 60 mm, et plus précisément entre 1 mm et 40 mm. La dimension Ha de la base du tronçon triangulaire est égale à la somme de la distance entre les plaques 16 et de l’épaisseur des deux plaques 16 auxquelles sont reliés les moyens 40 de sortie du premier fluide.
De façon avantageuse, pour le premier fluide, l’échangeur 10 tel que décrit précédemment présente une augmentation progressive des sections de passage du premier fluide en entrée de l’échangeur, grâce aux moyens 40 de sortie du premier fluide.
En effet, le premier fluide, circulant selon la direction X2 ou X12, provient directement des passages de circulation 20, et est guidé vers l’extérieur des passages de circulation 20 à l’aide des moyens 40 de sortie du premier fluide.
Bien que non décrit en détails, les moyens 30 d’entrée du premier fluide peuvent comprendre, selon une coupe perpendiculaire aux passages de circulation 20 dans un plan perpendiculaire aux plaques 16, un tronçon triangulaire, et les moyens 40 de sortie du premier fluide peuvent comprendre un tronçon elliptique ou parabolique ou en forme d’arc de cercle.
En outre, bien que les moyens 30 d’entrée du premier fluide et les moyens 40 de sortie du premier fluide ont été décrits comme étant différents, ces moyens peuvent être identiques.
La liaison entre les moyens 30 d’entrée du premier fluide et au moins une desdites plaques 16a, 16b peut présenter une portion courbe 32. Autrement dit, la zone de liaison entre les moyens 30 d’entrée du premier fluide et au moins une desdites plaques 16a, 16b est courbe.
Par exemple, sur la figure 4a, la liaison entre les moyens 30 d’entrée du premier fluide et chaque plaque 16a, 16b présente une portion courbe 32. Des pointillés sont représentés sur la figure 4a, au niveau de la liaison des moyens 30 d’entrée du premier fluide et des plaques 16a, 16b afin de représenter la courbure de la portion courbe 32.
Avantageusement, la liaison entre les moyens 30 d’entrée du premier fluide en entrée et au moins l’une des plaques 16a, 16b auxquelles les moyens 30 sont reliés présentant au moins une portion courbe 32 permet d’améliorer la tenue mécanique et la fabricabilité de l’échangeur.
La liaison entre les moyens 40 de sortie du premier fluide et au moins une desdites plaques 16a, 16b peut présenter une portion courbe 42. Autrement dit, la zone de liaison entre les moyens 40 de sortie du premier fluide et au moins une desdites plaques 16a, 16b est courbe.
Par exemple, sur la figure 3b, la liaison entre les moyens 40 de sortie du premier fluide et chaque plaque 16a, 16b présente une portion courbe 42. Des pointillés sont représentés sur la figure 3b, au niveau de la liaison des moyens 40 de sortie du premier fluide et des plaques 16a, 16b afin de représenter la courbure de la portion courbe 42.
Avantageusement, la liaison entre les moyens 40 de sortie du premier fluide en entrée et au moins l’une des plaques 16a, 16b auxquelles les moyens 40 sont reliés présentant au moins une portion courbe 42 permet d’améliorer la tenue mécanique et la fabricabilité de l’échangeur.
L’échangeur 10 peut comprendre au moins un troisième étage 26 de circulation du premier fluide. Les premier, deuxième et troisième étages 12, 14, 26 sont superposés dans cet ordre, comme illustré sur les figures 4a et 4b.
L’échangeur 10 peut comprendre des moyens 30 profilés de guidage du premier fluide en entrée des passages de circulation 20 des deuxième et troisième étages 14, 26. Les moyens 30 sont conformés pour guider le premier fluide en direction de l’entrée des passages de circulation 20 des deuxième et troisième étages 14, 26. En particulier, les moyens 30 relient la première plaque 16e du deuxième étage 14 à la deuxième plaque 16f du troisième étage 26.
Selon un mode de réalisation, les moyens 30 profilés de guidage du premier fluide en entrée des passages de circulation 20 des premier et deuxième étages 12, 14 sont identiques aux moyens 30 profilés de guidage du premier fluide en entrée des passages de circulation 20 des deuxième et troisième étages 14, 26. Autrement dit, il n’y a pas de variation du profil des moyens 30 profilés de guidage du premier fluide en entrée des passages de circulation 20 d’un étage à un autre, car l’orientation du premier fluide en amont de l’échangeur est homogène.
Selon une variante représentée sur la figure 4a, les moyens 30 profilés de guidage du premier fluide en entrée des passages de circulation 20 des premier et deuxième étages 12, 14 sont différents des moyens 30 profilés de guidage du premier fluide en entrée des passages de circulation 20 des deuxième et troisième étages 14,
26. Autrement dit, le profil des moyens 30 profilés de guidage du premier fluide en entrée des passages de circulation 20 varie entre deux étages de circulation du premier fluide.
Par exemple, sur la figure 4a, les moyens 30 reliant le premier et le deuxième étages 12, 14 sont différents des moyens 30 relient le deuxième et le troisième étages 14, 26. Plus précisément, l’inclinaison, c’est-à-dire l’angle a, du tronçon elliptique des moyens 30 reliant le premier et le deuxième étages 12, 14 est différente de l’inclinaison du tronçon elliptique des moyens 30 reliant le deuxième et le troisième étages 14, 26.
L’angle a, le demi-grand axe a, le demi-petit axe b ou la distance c de l’ellipse dans laquelle est formé le tronçon tronconique des moyens 30 peuvent varier d’un étage à un autre.
En particulier, le profil des moyens 30 d’entrée du premier fluide peuvent varier en fonction de l’orientation du premier fluide en amont de l’échangeur.
L’échangeur 10 peut comprendre des moyens 40 profilés de guidage du premier fluide en sortie des passages de circulation 20 des deuxième et troisième étages 14, 26. Les moyens 40 sont conformés pour guider le premier fluide depuis la sortie des passages de circulation 20 des deuxième et troisième étages 14, 26. En particulier, les moyens 40 relient la première plaque 16e du deuxième étage 14 à la deuxième plaque 16f du troisième étage 26.
Selon un mode de réalisation, les moyens 40 profilés de guidage du premier fluide en sortie des passages de circulation 20 des premier et deuxième étages 12, 14 sont identiques aux moyens 40 profilés de guidage du premier fluide en sortie des passages de circulation 20 des deuxième et troisième étages 14, 26. Autrement dit, il n’y a pas de variation du profil des moyens 40 profilés de guidage du premier fluide en sortie des passages de circulation 20 entre deux étages, car l’orientation du premier fluide en aval de l’échangeur est homogène.
Selon une variante représentée sur la figure 4b, les moyens 40 profilés de guidage du premier fluide en sortie des passages de circulation 20 des premier et deuxième étages 12, 14 sont différents des moyens 40 profilés de guidage du premier fluide en sortie des passages de circulation 20 des deuxième et troisième étages 14, 26. Autrement dit, le profil des moyens 40 profilés de guidage du premier fluide en sortie des passages de circulation 20 varie d’un étage à un autre.
Par exemple, sur la figure 4b, les moyens 40 reliant le premier et le deuxième étages 12, 14 sont différents des moyens 40 relient le deuxième et le troisième étages
14, 26. Plus précisément, l’inclinaison, c’est-à-dire l’angle β, du tronçon triangulaire des moyens 40 reliant le premier et le deuxième étages 12, 14 est différente de l’inclinaison du tronçon triangulaire des moyens 40 reliant le deuxième et le troisième étages 14, 26.
L’angle β, la hauteur d ou la dimension Ha du tronçon triangulaire des moyens 40 peuvent varier entre deux étages de circulation du premier fluide.
En particulier, le profil des moyens 40 de sortie du premier fluide peuvent varier en fonction de l’orientation du premier fluide en aval de l’échangeur.
L’échangeur 10 peut comprendre au moins une première et une deuxième séries d’étages. Plus précisément, les étages de l’échangeur 10 peuvent être regroupés par série. Chaque série d’étages comprend au moins trois étages de circulation du premier fluide.
Les moyens 30 d’entrée du premier fluide de la première série d’étages peuvent être différents des moyens 30 d’entrée du premier fluide de la deuxième série d’étages. Autrement dit, le profil des moyens 30 profilés de guidage du premier fluide en entrée des passages de circulation 20 varie d’une série d’étages à une autre.
En particulier, les moyens 30 d’entrée du premier fluide reliant les étages de la première série d’étages peuvent être identiques, et les moyens 30 d’entrée du premier fluide reliant les étages de la deuxième série d’étages peuvent être identiques.
Les moyens 40 de sortie du premier fluide de la première série d’étages peuvent être différents des moyens 40 de sortie du premier fluide de la deuxième série d’étages. Autrement dit, le profil des moyens 40 profilés de guidage du premier fluide en sortie des passages de circulation 20 varie entre deux séries d’étages de circulation du premier fluide.
En particulier, les moyens 40 de sortie du premier fluide reliant les étages de la première série d’étages peuvent être identiques, et les moyens 40 de sortie du premier fluide reliant les étages de la deuxième série d’étages peuvent être identiques.
L’échangeur 10 peut comprendre des moyens (non représentés) profilés de guidage du deuxième fluide en entrée de ladite voie de circulation 22. En particulier, les moyens d’entrée du deuxième fluide relient la deuxième plaque 16c du premier étage à 12 la première plaque 16e du deuxième étage 14.
Le deuxième fluide arrive soit sur les moyens profilés de guidage du deuxième fluide en entrée des voies de circulation 22, soit directement dans lesdites voies de circulation 22. Le deuxième fluide arrivant sur les moyens d’entrée du deuxième fluide est guidé vers les voies de circulation 22.
Ainsi, pour chaque fluide, l’échangeur 10 tel que décrit précédemment présente avantageusement une réduction progressive des sections de passage en entrée de l’échangeur, grâce aux moyens profilés de guidage de chaque fluide en entrée de l’échangeur.
L’échangeur 10 peut comprendre des moyens (non représentés) profilés de guidage du deuxième fluide en sortie de ladite voie de circulation 22. En particulier, les moyens de sortie du deuxième fluide relient la deuxième plaque 16c du premier étage à 12 la première plaque 16e du deuxième étage 14.
Le deuxième fluide provient directement des voies de circulation 22, et est guidé vers l’extérieur des voies de circulation 22 à l’aide des moyens de sortie du deuxième fluide.
Ainsi, pour chaque fluide, l’échangeur 10 tel que décrit précédemment présente de façon avantageuse une augmentation progressive des sections de passage en sortie de l’échangeur, grâce aux moyens profilés de guidage de chaque fluide en sortie de l’échangeur.
Bien que non décrits en détails, les moyens d’entrée du deuxième fluide peuvent présenter les mêmes caractéristiques que les moyens 30 d’entrée du premier fluide, ou que les moyens 40 de sortie du premier fluide. De même, bien que non décrits en détails, les moyens de sortie du deuxième fluide peuvent présenter les mêmes caractéristiques que les moyens 30 d’entrée du premier fluide, ou que les moyens 40 de sortie du premier fluide.
L’échangeur 10 peut être, par exemple, obtenu par fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre, communément désigné par l’acronyme anglais SLM pour « Sélective Laser Melting». Le principe de la fabrication additive SLM se base sur la fusion de fines couches en deux dimensions (2D) de poudre, par exemple métallique, plastique, ou céramique, à l’aide d’un laser de forte puissance. La technologie SLM a l’avantage de permettre la réalisation de pièces présentant des formes géométriques complexes et de bonnes caractéristiques mécaniques.
La figure 5 montre une machine 100 de fabrication d’un échangeur 10 de chaleur ou d’un étage 12, 14 de l’échangeur 10 par fabrication additive, et en particulier par fusion sélective de couches de poudre 160 par faisceau 195 de haute énergie.
L’échangeur 10 de chaleur, ou l’étage 12, 14 de l’échangeur 10, est avantageusement fabriqué suivant un axe de fabrication Z parallèle à la direction longitudinal X, les plaques 16 et les ailettes 20 étant sensiblement perpendiculaires au support de construction 180.
La machine 100 comprend un bac d'alimentation 170 contenant de la poudre 160, ici métallique, un rouleau 130 pour transvaser cette poudre 160 depuis le bac 170 et étaler une première couche 110 de cette poudre 160 sur un support de construction 180 mobile en translation suivant l’axe de fabrication Z. Le support de construction 180 peut être par exemple un plateau, une partie d'une autre pièce ou une grille.
La machine 100 comprend également un bac de recyclage 140 pour récupérer la poudre 160 en excès après étalement de la couche de poudre par le rouleau 130 sur le support de construction 180.
La machine 100 comprend en outre un générateur 190 de faisceau laser 195, et un système de pilotage 150 apte à diriger ce faisceau 195 sur l’ensemble du support de construction 180 de façon à fusionner les portions de poudre 160 souhaitées. La mise en forme du faisceau laser 195 et la variation de son diamètre sur le plan focal se font respectivement au moyen d'un dilatateur de faisceau 152 et d'un système de focalisation 154, l'ensemble constituant le système optique.
Plus précisément, le système de pilotage 150 comprend par exemple au moins un miroir 155 orientable sur lequel le faisceau laser 195 se réfléchit avant d'atteindre la couche de poudre 160. La position angulaire de ce miroir 155 est pilotée, par exemple, par une tête galvanométrique pour que le faisceau laser 195 balaye les portions souhaitées de la première couche 110 de poudre 160, suivant un profil préétabli.
L’échangeur 10 de chaleur, ou l’étage 12, 14 de l’échangeur 10, est fabriqué suivant l’axe de fabrication Z, parallèle à la direction X, les plaques 16 et les ailettes 20 étant sensiblement perpendiculaires au support de construction 180.
La fabrication d’un échangeur 10, ou l’étage 12, 14 de l’échangeur 10, à l’aide de la machine 100 comprend les étapes suivantes.
Une première couche 110 de poudre 160 est déposée sur le support de construction 180 à l'aide du rouleau 130. Au moins une portion de cette première couche 110 de poudre 160 est portée à une température supérieure à la température de fusion de cette poudre 160 par l’intermédiaire du faisceau laser 195 de sorte que les particules de poudre 160 de cette portion de la première couche 110 soient fondues et forment un premier cordon 115 d'un seul tenant, solidaire avec le support de construction 180.
Puis le support 180 est abaissé d'une hauteur correspondant à l’épaisseur déjà définie de la première couche 110. Une deuxième couche 120 de poudre 160 est déposée sur la première couche 110 et sur ce premier cordon 115, puis au moins une portion située partiellement ou complètement au-dessus de ce premier cordon 115 est chauffée par exposition au faisceau laser 195 de telle sorte que les particules de poudre 160 de cette portion de la deuxième couche 120 soient fondues, avec au moins une partie du premier élément 115, et forment un deuxième cordon 125. L'ensemble de ces deux cordons 115 et 125 forment un bloc d'un seul tenant.
Le processus de construction de la pièce est ensuite poursuivi couche par couche, en ajoutant des couches supplémentaires de poudre 160 sur l'ensemble déjà formé. Le balayage avec le faisceau 195 permet de construire chaque couche en lui donnant une forme en accord avec la géométrie de la pièce à réaliser.
L’échangeur 10, ou l’étage 12, 14 de l’échangeur 10, en trois dimensions (3D) est donc obtenu par une superposition de couches en deux dimensions (2D), suivant l’axe de fabrication Z.
La poudre 160 est avantageusement dans un matériau présentant une bonne conductibilité thermique afin de maximiser les transferts thermiques entre le premier fluide et le deuxième fluide, et ainsi accroître le rendement de l’échangeur 10 de chaleur.
Avantageusement, la poudre 160 est métallique et de préférence en acier ou en en alliage métallique, par exemple à base nickel.

Claims (10)

  1. Revendications
    1. Echangeur (10) de chaleur à plaques, en particulier pour une turbomachine d’aéronef, entre un premier fluide et un deuxième fluide, le premier fluide circulant selon une première direction, et le deuxième fluide circulant selon une deuxième direction différente de la première direction, ledit échangeur comprenant au moins un premier et un deuxième étages (12, 14) de circulation du premier fluide, chaque étage comprenant :
    - une première et deuxième plaques (16) parallèles et distantes l’une de l’autre, de manière à définir entre elles un passage de circulation (18) du premier fluide,
    - au moins une première rangée d’ailettes (20) disposées sensiblement perpendiculairement entre lesdites plaques, de manière à définir une série de conduits de circulation du premier fluide dans ledit passage de circulation, caractérisé en ce qu’il comprend :
    - des moyens (30) profilés de guidage du premier fluide en entrée desdits passages de circulation des au moins un premier et deuxième étages, dits moyens d’entrée du premier fluide, lesdits moyens d’entrée du premier fluide reliant la première plaque dudit premier étage à la deuxième plaque dudit deuxième étage, et
    - des moyens (40) profilés de guidage du premier fluide en sortie desdits passages de circulation des au moins un premier et deuxième étages, dits moyens de sortie du premier fluide, lesdits moyens de sortie du premier fluide reliant ladite première plaque dudit premier étage à ladite deuxième plaque dudit deuxième étage.
  2. 2. Echangeur (10) selon la revendication précédente, dans lequel lesdits moyens (30) d’entrée du premier fluide comprennent, selon une coupe perpendiculaire auxdits passages de circulation (18) dans un plan perpendiculaire auxdites plaques (16), un tronçon elliptique ou parabolique ou en forme d’arc de cercle.
  3. 3. Echangeur (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens (40) de sortie du premier fluide comprennent, selon une coupe perpendiculaire auxdits passages de circulation (18) dans un plan perpendiculaire auxdites plaques (16), un tronçon triangulaire.
  4. 4. Echangeur (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins une liaison entre lesdits moyens (30) d’entrée du premier fluide et la première plaque (16a) dudit premier étage (12) et/ou la deuxième plaque (16b) dudit deuxième étage (14) présente au moins une portion courbe (32), et dans lequel au moins une liaison entre lesdits moyens (40) de sortie du premier fluide et la première plaque (16a) dudit premier étage (12) et/ou la deuxième plaque (16b) dudit deuxième étage (14) présente au moins une portion courbe (42).
  5. 5. Echangeur (10) selon l’une des revendications précédentes, comprenant également :
    - au moins un troisième étage (26) de circulation du premier fluide, les premier, deuxième et troisième étages (12, 14, 26) étant superposés dans cet ordre,
    - des moyens (30) profilés de guidage du premier fluide en entrée des passages de circulation (18) des au moins un deuxième et troisième étages (14, 26), lesdits moyens reliant la première plaque dudit deuxième étage à la deuxième plaque dudit troisième étage,
    - des moyens (40) profilés de guidage du premier fluide en sortie des passages de circulation des au moins un deuxième et troisième étages, lesdits moyens reliant ladite première plaque dudit deuxième étage à ladite deuxième plaque dudit troisième étage, et dans lequel les moyens d’entrée profilés de guidage du premier fluide en entrée et en sortie des passages de circulation des au moins un premier et deuxième étages et des au moins un deuxième et troisième étages sont différents.
  6. 6. Echangeur (10) selon la revendication précédente, comprenant au moins une première et une deuxième séries d’étages, chaque série d’étages comprenant au moins trois étages de circulation du premier fluide, et dans lequel les moyens (30, 40) d’entrée et de sortie du premier fluide de la première série d’étages sont différents des moyens d’entrée et de sortie du premier fluide de la deuxième série d’étages.
  7. 7. Echangeur (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une voie de circulation (22) du deuxième fluide est ménagée entre le premier et le deuxième étages (12, 14) de circulation du premier fluide.
  8. 8. Echangeur (10) selon la revendication précédente, comprenant également :
    - des moyens profilés de guidage du deuxième fluide en entrée de ladite voie de circulation, lesdits moyens reliant la deuxième plaque (16c) dudit premier étage (12) à la première plaque (16e) dudit deuxième étage (14), et
    - des moyens profilés de guidage du deuxième fluide en sortie de ladite voie de circulation, lesdits moyens reliant ladite deuxième plaque dudit premier étage à ladite première plaque dudit étage.
  9. 9. Turbomachine comprenant au moins un échangeur (10) de chaleur selon l’une des revendications précédentes.
  10. 10. Procédé de réalisation d’un échangeur (10) de chaleur selon l’une des revendications 1 à 8, le procédé comprenant une étape de réalisation dudit échangeur de chaleur par fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre.
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FR1850894A 2018-02-02 2018-02-02 Echangeur de chaleur Active FR3077630B1 (fr)

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