TITRE : Procédé de fabrication de canalisations pour un échangeur de chaleur

Domaine technique

La présente invention concerne la fabrication des échangeurs de chaleur.

En particulier, la présente invention concerne la réalisation d’une plaque dans laquelle sont logées des canalisations permettant un échange de chaleur entre un fluide caloporteur circulant dans les canalisations et un milieu extérieur.

De manière générale, l’ invention s’ applique à tout type d’ échangeur de chaleur mais est particulièrement pertinente dans le cadre de la fabrication d’un échangeur de chaleur disposé sur une surface de révolution, et plus particulièrement pour système d’ échappement d’une turbomachine d’un aéronef, l’ échangeur de chaleur permettant la récupération de chaleur dans le flux d’ échappement de manière à réchauffer du carburant et/ou de l’ air destiné à entrer dans une chambre de combustion de la turbomachine.

Techniques antérieures

La fabrication de pièces dans le domaine aéronautique est généralement soumise à des contraintes de masse et d’ encombrement desdites pièces. Dans le cadre de l’ intégration d’échangeurs de chaleur dans un aéronef, et notamment dans une turbomachine d’un aéronef, ladite intégration s’ effectue difficilement après la fabrication des pièces de la turbomachine et est donc préférentiellement réalisée lors de la fabrication desdites pièces.

Dans une perspective d’ amélioration des performances des turbomachines, il est possible de réchauffer de l’ air et/ou du carburant avant leur entrée dans une chambre de combustion de la turbomachine. Une source de chaleur située à proximité est privilégiée de manière à augmenter le rendement thermique de la turbomachine et ainsi contribuer à réduire l’ empreinte environnementale de la turbomachine. Une source de chaleur est par exemple constituée par les gaz sortant par le système d’ échappement de la turbomachine.

Cependant, le positionnement d’un échangeur de chaleur dans le flux primaire d’ échappement de la turbomachine induit des pertes de charges de la turbomachine et impacte négativement la poussée de l’ aéronef. Le positionnement d’un échangeur de chaleur dans la turbomachine doit donc être parfaitement intégré afin de ne pas nuire à l’ efficacité et à la compacité de ladite turbomachine.

Exposé de l’invention

La présente invention a donc pour but la fabrication de canalisations pour échangeur de chaleur compact et intégré. A cet effet, l'invention est le résultat de recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des aéronefs et, en ce sens, contribue à la réduction de l’ impact environnemental des aéronefs.

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d’une plaque comprenant des canalisations pour un échangeur de chaleur, le procédé comprenant les étapes suivantes :

- Application d’un matériau anti-diffusant sur une première tôle à des emplacements de la première tôle destinés à former des portions de canalisations ;

- Mise en place de la première tôle au contact d’une deuxième tôle entre un outillage mâle et un outillage femelle formant un moule ;

- Soudage par diffusion de la première tôle avec la deuxième tôle au sein du moule de manière à former la plaque ;

- Injection d’un gaz inerte sous pression entre la première tôle et la deuxième tôle aux emplacements auxquels a été appliqué le matériau anti-diffusant de manière à effectuer le formage des canalisations.

Avantageusement, le procédé comprend une étape d’ injection d’un gaz inerte sous pression dans une cavité entre l’une des première et deuxième tôle et l’un de l’ outillage mâle et de l’ outillage femelle après l’ étape de soudage par diffusion et de manière à former la première et la deuxième tôle selon la forme de la plaque souhaitée. Dans un mode de mise en œuvre, suite à l’ étape d’injection d’un gaz dans la cavité, et avant l’ étape d’ injection d’un gaz aux emplacements auxquels a été appliqué le matériau anti-diffusant, la première tôle et la deuxième tôle soudées sont positionnées dans un moule comprenant un deuxième outillage mâle et un deuxième outillage femelle.

Dans un autre mode de mise en œuvre, la première tôle et la deuxième tôle soudées sont positionnées dans un moule comprenant l’ outillage mâle et un deuxième outillage femelle, l’ étape d’injection dans la cavité étant prolongée et/ou réitérée de manière à être effectuée simultanément à l’ étape d’injection d’un gaz inerte sous pression entre la première tôle et la deuxième tôle aux emplacements auxquels a été appliqué un matériau anti-diffusant, de sorte que la pression durant l’ injection de gaz inerte est similaire dans les canalisations formées et dans la cavité.

Avantageusement, la première tôle est mise en place dans un rétreint de l’ outillage mâle lors de l’ étape de mise en place, le rétreint ayant une profondeur comprise entre l’ épaisseur de la première tôle et la somme des épaisseurs de la première et de la deuxième tôles, et dans lequel on effectue une étape d’injection d’un gaz inerte sous pression entre la deuxième tôle et l’ outillage femelle de sorte que la deuxième tôle est partiellement poussée dans le rétreint et permet une étape de soudage par diffusion sans mouvement de la deuxième tôle par rapport à la première tôle.

Dans un mode particulier de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une étape de formage d’un distributeur et/ou d’un collecteur entre la première tôle et la deuxième tôle, ou entre la première tôle et une troisième tôle.

Avantageusement, le procédé comprend une étape finale de refroidissement des tôles et une étape de décapage par sablage des tôles après le formage des canalisations.

Avantageusement, le matériau anti-diffusant comprend du nitrure de bore.

Avantageusement, le gaz inerte comprend de l’ argon. Dans un mode de mise en œuvre, les canalisations formées ont une section transversale de forme semi-circulaire, ou rectangulaire, ou en cloche, ou semi-elliptique, ou triangulaire.

Avantageusement, les tôles sont réalisées dans un matériau comprenant un alliage de titane et/ou un alliage de nickel.

Dans un mode particulier de mise en œuvre, l’ outillage mâle et l’ outillage femelle sont réalisés de sorte que leur coefficient d’ expansion sont différents.

L’invention a également pour objet un système d’ échappement comprenant un échangeur de chaleur comprenant une plaque obtenue par le procédé tel que défini précédemment.

Brève description des dessins

D’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’ invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’ exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig 1 ] est une vue schématique en coupe d’une turbomachine d’un aéronef ; et

[Fig 2] est une vue d’un mode de réalisation d’un système d’ échappement d’une turbomachine ; et

[Fig 3] est une représentation des différentes étapes d’un premier mode de mise en œuvre du procédé de fabrication selon l’ invention ; et

[Fig 4] est une représentation schématique de l’ environnement de fabrication pour le procédé de fabrication de la figure 3 ; et

[Fig 5A]

Et

[Fig 5B] sont des représentations schématiques en coupe d’une première et d’une deuxième tôles soudées durant le procédé de fabrication de la figure 3 ; et

[Fig 6] est une représentation des différentes étapes d’un deuxième mode de mise en œuvre du procédé de fabrication selon l’ invention ; et

[Fig 7A]

Et [Fig 7B]

Et

[Fig 7C] sont des représentations schématiques en coupe d’une première et d’une deuxième tôles durant le procédé de fabrication de la figure 6 ; et

[Fig 8] est une représentation des différentes étapes d’un troisième mode de mise en œuvre du procédé de fabrication selon l’ invention ; et

[Fig 9A]

Et

[Fig 9B] sont des représentations schématiques en coupe d’une première et d’une deuxième tôles durant le procédé de fabrication de la figure 8 ; et

[Fig 10] est une représentation des premières étapes du procédé selon l’ invention intégrant une variante de mise en œuvre dudit procédé ; et

[Fig 1 1 A]

Et

[Fig 1 1 B] sont des représentations schématiques en coupe d’une première et d’une deuxième tôles durant le procédé de fabrication de la figure 10 ; et

[Fig 12] est une représentation d’un outillage mâle et d’un outillage femelle annulaires permettant la fabrication de canalisations d’un échangeur de chaleur en un seul secteur.

Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation

On a représenté schématiquement sur la figure 1 une turbomachine 2 d’un aéronef. Fa turbomachine 2 comprend une soufflante 4 permettant de récupérer de l’ air provenant de l’ atmosphère extérieure à la turbomachine 2, un compresseur 6, une chambre de combustion 8, une turbine 10, et un système d’échappement 12.

En particulier, le système d’ échappement 12 comprend une tuyère 14 et un corps central 16 formant une veine d’échappement 18 de gaz de section annulaire. Ee système d’ échappement 12 comprend un échangeur de chaleur 20 configuré pour réchauffer du carburant en entrée de la chambre de combustion 8 et/ou de l’ air en sortie du compresseur 6 et avant l’entrée dans la chambre de combustion 8 à partir d’ échanges thermiques entre la veine d’ échappement 18 de gaz et les canalisations 26 via la paroi de la tuyère 14.

On a représenté schématiquement sur la figure 2 un mode de réalisation du système d’ échappement dans lequel l’ échangeur de chaleur 20 est positionné sur la tuyère 14. En variante, par analogie, l’ échangeur de chaleur 20 peut être positionné sur le corps central (non représenté sur la figure 2) du système d’ échappement.

L’ échangeur de chaleur 20 comprend au moins un distributeur 22, au moins un collecteur 24 et des canalisations 26.

Le distributeur 22 est configuré pour injecter un fluide caloporteur dans les canalisations 26 elles-mêmes configurées pour faire circuler ledit fluide caloporteur dans lesdites canalisations 26 jusqu’ à un collecteur 24 configuré pour récupérer le fluide caloporteur réchauffé.

Les canalisations 26 sont formées dans une plaque 28 formant la tuyère 14. Dans le mode de réalisation représenté, la tuyère 14 comprend une surface interne au contact de laquelle sont expulsés les gaz d’ échappement.

En particulier, la plaque 28 comprenant les canalisations 26 de l’ échangeur de chaleur 20 est réalisée à l’ aide du procédé de fabrication selon l’ invention décrit ci-dessous.

On a représenté sur la figure 3 les différentes étapes d’un mode de mise en œuvre du procédé de fabrication d’une plaque 28 comprenant des canalisations 26 selon l’ invention. A titre d’exemple, il sera fait référence aux canalisations 26 et plus largement à l’ échangeur de chaleur 20 illustré sur la figure 2. Néanmoins, d’ autres plaques 28 de canalisations 26 pour d’ autres usages peuvent également être réalisées avec la mise en œuvre du procédé ci-dessous.

On a représenté sur la figure 4 une représentation schématique de l’ environnement de fabrication de ladite plaque 28.

Dans un premier temps, on effectue une étape 30 d’ application d’un matériau anti-diffusant (non représenté) sur une première tôle 32 à des emplacements de la première tôle 32 destinés à former des portions de canalisations 26. La première tôle 32 est par exemple un pli de matière plan ou courbé et dont l’ épaisseur est significativement plus fine que ses autres dimensions.

On entend par matériau anti-diffusant un matériau qui, une fois appliqué sur la première tôle 32, empêche la première tôle 32 d’ être soudée à une deuxième tôle lors d’un soudage par diffusion. Le matériau anti-diffusant comprend par exemple du nitrure de bore.

Autrement dit, on applique le matériau anti-diffusant, par exemple périodiquement sur la première tôle 32, de manière à former une alternance de tôle recouverte d’ anti-diffusant et de tôle nue. On entend par tôle nue une portion de tôle dépourvue d’un revêtement de matériau anti-diffusant.

Ensuite, on effectue une étape 34 de mise en place de la première tôle 32 au contact d’une deuxième tôle 36. Le contact doit s’ établir de sorte que le matériau anti-diffusant se retrouve pris entre la première tôle 32 et la deuxième tôle 36.

De plus, la première tôle 32 et la deuxième tôle 36 superposées sont mises en place dans un moule 38 comprenant un outillage mâle 40 et un outillage femelle 42 formant ledit moule 38, les tôles 32 et 36 étant en particulier positionnées entre l’ outillage mâle 40 et l’ outillage femelle 42 illustrés sur la figure 4.

Avantageusement, les outillages mâle 40 et femelle 42 comprennent chacun un joint 43 positionné à la périphérie desdits outillages 40 et 42 au niveau de la jonction de l’ outillage mâle 40 et de l’ outillage femelle 42, afin d’ assurer une étanchéité aux fluides entre l’ intérieur et l’ extérieur du moule 38.

Le moule 38 permet de réunir des conditions de températures et de pressions spécifiques, par exemple des conditions nécessaires à la réalisation d’un soudage par diffusion. Le moule 38 est par exemple compris dans une presse de formage superplastique. L’ outillage femelle 42 comprend des rainures 44 configurées pour donner leur forme aux canalisations 26. Les outillages mâle et femelle 40 et 42 ont une forme semblable à la forme des tôles 32 et 36 de sorte que la mise en place des tôles 32 et 36 dans le moule 38 ne déforme pas lesdites tôles 32 et 36. On effectue alors l’ étape 46 de soudage par diffusion de la première tôle 32 avec la deuxième tôle 36 dans le moule 38, les deux tôles 32 et 36 devenant ainsi solidaires et formant la plaque 28 destinée à comprendre les canalisations 26. Seuls les emplacements sur lesquels le matériau anti-diffusant a été appliqué ne comprennent pas de soudure entre la première tôle 32 et la deuxième tôle 36.

On a représenté schématiquement sur la figure 5A les première et deuxième tôles 32 et 36 soudées dans le moule 38.

On effectue ensuite une étape 48 d’ injection d’un gaz inerte sous pression entre la première tôle 32 et la deuxième tôle 36. L’injection s’ effectue par exemple à partir d’ ouvertures 50 pratiquées dans le moule 38, par exemple dans l’ outillage femelle 42, et illustrées sur la figure 4. Les ouvertures 50 sont par exemple configurées pour former les collecteurs 24 et/ou les distributeurs 22. Le gaz injecté est dirigé en particulier au niveau des emplacements 51 auxquels a été appliqué le matériau anti-diffusant. La pression du gaz injecté est configurée pour déformer la deuxième tôle 36 et la plaquer contre les rainures 44 de l’ outillage femelle 42 de manière à effectuer le formage des canalisations 26. Le gaz inerte injecté est maintenu dans le moule 38 à l’ aide de l’ étanchéification dudit moule 38 procurée par les joints 43.

On a représenté schématiquement sur la figure 5B les canalisations 26 formées à l’issue de cette étape 48 d’ injection de gaz inerte sous pression.

Par ailleurs, le gaz inerte est par exemple de l’ argon ou un mélange comprenant de l’ argon.

De plus, les canalisations 26 formées prennent la forme des rainures 44 qui peuvent avoir différentes formes. Par exemple, la section transversale des canalisations formées est de forme semi-circulaire, tel qu’ illustrée, ou rectangulaire, ou en cloche, ou semi-elliptique, ou triangulaire.

Dans un mode de mise en œuvre, par exemple pour une application aéronautique, les première et deuxième tôles 32 et 36 sont réalisées dans un matériau résistant à haute température comparé à la plupart des métaux, par exemple dans un matériau comprenant un alliage de titane et/ou un alliage de nickel. Dans un mode particulier de mise en œuvre, par exemple pour la fabrication d’un échangeur de chaleur 20 tel qu’ illustré sur la figure 2, on peut optionnellement effectuer une étape (non représentée) de formage d’un distributeur 22 et/ou d’un collecteur 24 en injectant un gaz inerte entre les deux tôles 32 et 36 dans un moule adapté. En variante, on forme les canalisations entre la première tôle 32 et la deuxième tôle 36 et on forme un distributeur et/ou un collecteur entre la première tôle 32 et une troisième tôle (non représentée) . Ce dernier mode de mise en œuvre permet de former une plaque 28 comprenant les canalisations d’un côté de la plaque, et les distributeurs et collecteurs de l’ autre côté de la plaque.

Optionnellement, on effectue également à la fin du procédé de fabrication une étape 52 de refroidissement des tôles 32 et 36, et plus généralement de la plaque 28 comprenant les canalisations 26 et formée par le soudage des tôles 32 et 36. Additionnellement, on effectue une étape 54 de décapage des tôles 32 et 36, par exemple par sablage, de manière à nettoyer les zones oxydées et/ou salies lors du procédé de fabrication.

Dans le mode de mise en œuvre précédemment décrit, on effectue optionnellement une étape 56 de formage de la première tôle et de la deuxième tôle préalablement à l’ étape 30 d’ application du matériau anti- diffusant. L’ étape 56 permet, dans le cas où les tôles 32 et 36 n’ ont pas la forme adéquate pour effectuer leur mise en place dans le moule 38, de leur donner la forme de la plaque 28 souhaitée, le moule 38 ayant une forme également adaptée à la forme de la plaque 28 souhaitée.

On a représenté schématiquement sur la figure 6 les étapes d’un autre mode de mise en œuvre du procédé selon l’ invention.

Dans ce mode de mise en œuvre, le formage de la première tôle 32 et de la deuxième tôle 36 est effectué durant le procédé de fabrication selon l’ invention.

On effectue ainsi en premier lieu l’ étape 30 d’ application d’un matériau anti-diffusant (non représenté) sur la première tôle 32 à des emplacements de la première tôle 32 destinés à former des portions de canalisations 26. Cette étape est menée à l’ identique du mode de mise en œuvre précédent illustré sur la figure 3. Puis, on effectue l’étape 34 de mise en place de la première tôle 32 au contact de la deuxième tôle 36 telle que décrite précédemment. Dans ce mode de mise en œuvre, les tôles 32 et 36 n’ étant pas formées préalablement, celles-ci sont mises en place dans le moule 38 comprenant un outillage mâle 58 de forme neutre et un outillage femelle 60 dont la surface ne comprend pas de rainures 44 et correspondant à la forme finale de la plaque 28 souhaitée. On a représenté schématiquement sur la figure 7A les première et deuxième tôles 32 et 36 entre l’ outillage mâle 58 et l’ outillage femelle 60.

De manière similaire au mode de mise en œuvre illustré sur la figure 3, on effectue ensuite l’ étape 46 de soudage par diffusion de la première tôle 32 avec la deuxième tôle 36 dans le moule 38, les deux tôles 32 et 36 devenant ainsi solidaires et formant la plaque 28 destinée à comprendre les canalisations 26. Du gaz inerte est injecté dans la cavité 61 par l’ intermédiaire de l’ outillage 60 pour plaquer la première tôle 32 et la deuxième tôle 36 contre l’ outillage mâle 58 pendant le soudage par diffusion. Seuls les emplacements sur lesquels le matériau anti-diffusant a été appliqué ne comprennent pas de soudure entre la première tôle 32 et la deuxième tôle 36.

Puis, on effectue une étape 62 d’ injection d’un gaz inerte sous pression dans une cavité 64 par l’ intermédiaire de l’ outillage 58, par exemple entre l’ outillage mâle 58 et la première tôle 32, de manière à donner aux tôles 32 et 36 la forme de la plaque 28 souhaitée. On a représenté sur la figure 7B les tôles 32 et 36 à l’ issue de cette étape 62.

On effectue ensuite une étape 66 de changement d’ outillages dans le moule 38. Les tôles 32 et 36 soudées sont ainsi positionnées entre un deuxième outillage mâle 40 et un deuxième outillage femelle 42 identiques à l’ outillage mâle et à l’ outillage femelle du mode de mise en œuvre illustré sur la figure 3, les tôles 32 et 36 soudées ayant la forme finale souhaitée. En particulier, le deuxième outillage femelle 42 comprend des rainures 44 configurées pour donner leur forme aux canalisations 26. On a représenté sur la figure 7C les tôles 32 et 36 à l’ issue de cette étape 66.

On effectue ensuite l’ étape 48 d’ injection d’un gaz inerte sous pression entre la première tôle 32 et la deuxième tôle 36 telle que décrite précédemment, et de manière à effectuer le formage des canalisations, tel qu’ illustré sur la figure 5B .

Les étapes 62 et 48 d’ injection d’un gaz inerte sont menées de préférence de façon distincte, l’ étape 62 d’ injection dans la cavité 64 étant de préférence mise en œuvre avant l’ étape 48 d’ injection de gaz entre les tôles 32 et 36. Par ailleurs, le gaz inerte injecté peut être de même composition lors de la mise en œuvre des étapes 62 et 48, ou de composition différente.

Optionnellement, on effectue finalement les étapes de refroidissement 52 et/ou de décapage 54.

On a représenté schématiquement sur la figure 8 les étapes d’un autre mode de mise en œuvre du procédé selon l’ invention.

Dans ce mode de mise en œuvre, on effectue les étapes d’ application d’un matériau anti-diffusant 30, de mise en place des tôles 34, de soudage par diffusion 46 et d’ injection d’un gaz inerte sous pression 62 telle que décrite dans le mode de mise en œuvre précédemment décrit et illustré sur la figure 6.

Dans ce mode de mise en œuvre, on effectue cependant une étape 68 de changement d’un seul outillage dans le moule 38. En particulier, les tôles 32 et 36 soudées sont ainsi positionnées entre l’ outillage mâle 58 et le deuxième outillage femelle 42 identique à l’ outillage femelle du mode de mise en œuvre illustré sur la figure 3. On a représenté sur la figure 9A les tôles 32 et 36 à l’issue de cette étape 68.

Puis, on effectue simultanément les étapes 48 et 62 d’ injection de gaz inerte sous pression dans la cavité 64, de sorte que la pression durant l’injection de gaz inerte est similaire dans les canalisations 26 formées et dans la cavité 64 une fois que la plaque 28 et les canalisations 26 sont formées. On a représenté sur la figure 9B les tôles 32 et 36 à l’ issue de ces étapes 48 et 62.

Optionnellement, on effectue finalement les étapes de refroidissement 52 et/ou de décapage 54.

On a représenté schématiquement sur la figure 10 les premières étapes du procédé selon l’ invention intégrant une variante de mise en œuvre dudit procédé. Dans cette variante, applicable à tous les modes de mises en œuvre, on effectue l’ étape 30 précédemment décrite d’ application d’un matériau anti-diffusant, ainsi que l’ étape 34 de mise en place de la première tôle 32 au contact de la deuxième tôle 36 telle que décrite précédemment.

Cependant, on positionne les tôles 32 et 36 entre un outillage mâle 70 comprenant un rétreint 72 et l’ outillage femelle 60 ou 42. Plus précisément, on positionne la première tôle 32 dans le rétreint 72, les dimensions du rétreint 72 étant sensiblement identiques aux dimensions de la première tôle 32, ainsi qu’ inférieures aux dimensions de la deuxième tôle 36, le rétreint 72 ayant une profondeur de dimension comprise entre l’ épaisseur de la première tôle 32 et la somme des épaisseurs de la première et de la deuxième tôles 32 et 36.

Les mouvements de la première tôle 32 sont ainsi limités pour les étapes suivantes du procédé. On a représenté sur la figure 1 1A les tôles 32 et 36 à l’issue de cette étape 34.

Puis, on effectue une étape 74 d’ injection d’un gaz inerte sous pression entre la deuxième tôle 36 et l’ outillage femelle 60 ou 42 de sorte que la deuxième tôle 36 est partiellement poussée dans le rétreint, limitant également les mouvements de la deuxième tôle 36. On a représenté sur la figure 1 1B les tôles 32 et 36 à l’ issue de cette étape 34.

On effectue ensuite l’ étape 46 de soudage précédemment décrite, cette étape 46 étant facilitée par l’ absence de mouvement et de frottement de la deuxième tôle 36 par rapport à la première tôle 32.

Les étapes suivant l’ étape 46 des modes de mise en œuvre précédemment décrits et illustrés sur les figures 3, 6 et 8 peuvent ensuite être effectuées.

Les différents modes de mise en œuvre décrits peuvent être mis en œuvre pour différents usages et différentes formes d’ échangeur de chaleur.

Pour la fabrication de canalisations pour un échangeur de chaleur 20 tel qu’illustré sur la figure 2, il est possible de fabriquer différents secteurs 76, puis de les assembler, par exemple par soudage TIG, autrement dit Tungsten Inert Gas en termes anglo-saxons, le soudage TIG étant connu de l’ Homme du Métier.

On a représenté schématiquement sur la figure 12 un outillage mâle 40 et un outillage femelle 42 annulaires permettant la fabrication de canalisations 26 d’un échangeur de chaleur 20 en un seul secteur selon le mode de mise en œuvre du procédé illustré sur la figure 3.

Avantageusement, l’ outillage mâle 40 comprend un outillage à clef.

Avantageusement, l’ outillage femelle 42 et l’ outillage mâle sont réalisés dans des matériaux comprenant des coefficients d’expansion différents, par exemple l’ outillage mâle 40 ayant un coefficient d’ extension supérieur à l’ outillage femelle 42 de manière à appliquer plus facilement un effort sur les tôles 32 et 36 durant la chauffe pour le soudage par diffusion.