Brevet FR2482196A1 — publié le 19811113

Echangeur de chaleur pour moteur à raction à doubl flux. L'invention concerne un échangeur de chaleur pour moteur à réaction à double flux, ltéchangeur refroidissant l'air comprimé et échauffé prélevé à la sortie du compresseur. On connaît des échangeurs sur les gaz d'échappement de turbines à gaz. Une partie de l'échauffement par combos tion dans la chambre est remplacée par un echauffement par des calories récupérées dans un échangeur traverse par les gaz de combustion. I1 n'y a pas de modifications des pressions caractéristiques aux differents points de la machine, à l'exception de l'effet défavorable de la perte de pression de l'air comprimé avant combustion d'une part, et des gaz chauds, d'autre part, par suite des pertes de charge inéluctables dans l'échangeur. Celui-ci a pour rôle,dans ce cas, de substituer à une partie des calories de combustion des calories prélevées par lui dans les gaz d'échappement, calories qu'il cède à l'aval du compresseur et en amont de la chambre de combustion elle-même. Un tel échangeur procure une diminution de la consommation, 3 condition que les pertes de pression soient faibles, mais ne donne pas d'augmentation de pousse. Cette solution a de plus des inconvénients bien connus D'une part, la température des gaz de combustion est trop élevée pour qu'on puisse employer des alliages légers, voire ultra-légers pour ltéchangeur. On est obligé d'employer l'acier d'où augmentation sensible de la masse, D'autre part, les différences de température entre gaz de combustion et air comprimé sont importantes ; il en résulte des contraintes thermiques,qui obligent également à employer des épaisseurs et des moyens de liaison également générateurs d'augmentation de masse. Ces augmentations de masse sont à la rigueur admissibles pour les turbines terrestres, ou même marines, mais sont trop pénalisantes pour les turbomachines aéronautiques.De plus, les gaz de combustion contiennent généralement des imbrûlés d'ou tendance à l'encrassement de l'échangeur, conduisant à des nettoyages fréquents (par exemple toutes les 100 ou 200 heures) afin que le rendement d'échange et/ou ses pertes de charge ne deviennent inadmissibles. Enfin il faut remarquer que cette solution antérieure connue ne peut en aucun cas donner lieu à un accroissement de poussée, bien au contraire, elle conduit à une diminution très sensible de la poussée (par abaissement de la température d'éjection). L'augmentation de poussée ne peut en effet être obtenue que par amélioration du cycle de la turbine, soit par augmentation de l'énergie fournie par unité de débit, soit par augmentation du rendement thermodynamique. Dans les turbines à gaz utilisées à terre ou embarquées à bord des navires, on améliore le cycle en refroidissant l'airsfourni par le compresseur, Ce refroidissement s'obtient notamment par échange avec l'air ou l'eau et diesi- pation des calories dans le milieu ambiant. Mais les calories prélevées lors du refroidissement, provenant d'un milieu à basse température (inférieur à 2000C), sont alors irrécupérables et perdues. L'invention vise, dans le cas d'un moteur aéronautique à double flux, à conjuguer le gain thermodynamique du refroidissement intermédiaire du flux primaire avec le gain propulsif lié au réchauffement du flux secondaire. Ces caractéristiques sont obtenues par l'utilisation d'un échangeur disposé entre l'air déjà relativement comprimé dans un corps basse pression intermédiaire ou haute pression et tout ou partie de l'air du compresseur basse pression. Il faut remarquer que dans ces conditions,les températures sont relativement beaucoup plus basses que pour les échangeurs sur les gaz de combustion, et les diffé- rences de température également (donc les contraintes thermiques). De plus, il nty a pas de risque d'encrassement} du fait que les deux flux traversant l'échangeur sont exempts dE produits de la combustion. Le brevet français nO 2 065 179 décrit dans un turboréacteur double flux un dispositif d'échange placé entre le compresseur basse pression d'entrée et une partie de l'air du compresseur haute pression. Le dispositif d'échange comporte un fluide caloporteur qui circule entre un absorbeur et un évacuateur de chaleur. L'absorbeur de chaleur est disposé dans un espace annulaire autour de la chambre de combustion et est traversé par une très faible partie de l'air provenant du compresseur haute pression. Cet air est exclusivement destiné au refroidissement des aubes de turbine. Le refroidissement ainsi obtenu étant amélioré, le dispositif échangeur permet d'utiliser des pressions et des températures plus élevées des gaz moteurs du flux primaire.Il en résulte donc une augmentation de la poussée spécifique ou une construction plus performante, mais au prix d'une augmentation notable de la masse, et sans qu'on puisse espérer une amélioration notable due la consommation spécifique. Il est à noter en particulier - que l'échauffement du flux secondaire est presque négligeable, du fait qu'il ne reçoit que les calo ries cédées par une partie infime de l'air primaire en fin de compression. Il n'y a donc pas d'augmen tation sensible de la vitesse d'éjection du flux secondaire par échauffement de ce flux - que les pertes dans l'échangeur compensent au moins en partie le bénéfice qu'on peut attendre de l'aug mentation de pression et de température du cycle, cette dernière résultant seulement d'un refroidis sement plus efficace des aubes. L'invention se propose au contraire de refroidir tout le flux primaire ét d'échauffer tout ou en tous cas une partie importante du flux secondaire, grâce à un échangeur entre les deux flux. L'échangeur de chaleur pour moteur à réaction à double flux, selon l'invention, ledit moteur comprenant un compresseur basse pression d'entrée ou soufflante fournissant les flux primaire et secondaire, un ou plusieurs compresseurs ou étages basse pression intermédiaire et un compresseur haute pression fournissant le flux primaire, au moins une chambre de combustion et une turbine, ledit échangeur refroidissant l'air comprimé et échauffé prélevé à la sortie d'un compresseur, est remarquable en ce qu'il est constitué d'un échangeur à courant croisé à deux parcours disposé sur les parcours des^flux primaire et secondaire, le flux primaire étant pris entre un compresseur basse pression intermédiaire et un compresseur situé en aval dudit compresseur intermédiaire. Les explications et figures données ci-après à titre d'exemple, permettront de comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 montre une vue schématique partielle endemicoupe d'un moteur à réaction à double flux équipé d'un échangeur selon une première forme de réalisation. La figure 2 est une vue schématique d'un moteur équipé d'un échangeur selon une deuxième forme de réalisation. La figure 1 représente une vue schématique partielle et en demi-coupe d'un moteur à ré.action à double flux. Ce moteur comprend un compresseur basse pression d'entrée 1 ou t'soufflante" produisant une veine diapir faiblement comprimée divisée en aval en deux veines concentriques désignées respectivement comme flux primaire 2 et flux secondaire 3. Le flux secondaire passe sans compression supplémentaire jusqu'à l'éjection, où il est mélangé aux gaz d'échappement en aval de la turbine sur flux primaire, tandis que le flux primaire 2 alimente des étages de compression basse pression intermédiaires 4A et 42 et le compresseur haute pression 5 qui alimente à son tour la ou les chambres de combustion 6.D'une manière classique, les compresseurs intermédiaires basse pression 4A, 4B d'une part et le compresseur haute pression 5 d'autre part, situés en amont sont entraînées respectivement par une turbine basse pression 7 et par une turbine haute pression 7'. De-préférence la turbine basse pression 7 est à au moins 2 étages. La tuyère nta pas été représentée. L'échangeur 8 est à courant croisé à deux parcours et est disposé sur les- parcours des flux primaire 2 et secondaire 3. Selon l'exemple de réalisation représenté, le flux primaire traversant ltéchangeur est pris entre les compresseurs intermédiaires basse pression 4A et 42. L'échangeur peut également être disposé entre un compresseur basse pression intermédiaire 4E et le compresseur haute pression 5. Selon une forme de réalisation, leéchangeur est formé d'un certain nombre d'ensembles disposés radialement dans le carter délimitant la veine secondaire. La figure 2 représente la mame portion de moteur à réaction que dans l'exemple précédent, les mêmes éléments portant les mimes références. L'échangeur 9 est disposé également, dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 2, entre le compresseur basse pression intermédiaire 4A et le compresseur basse pression intermédiaire 4B. Cependant on peut, comme dans llexem- ple précédent, le placer entre le compresseur basse pression intermédiaire 42 et le compresseur haute pression 5. La séparation du flux secondaire 3 participant au refroidissement est obtenue par un déflecteur annulaire 10 monté dans le carter de la veine secondaire. L'air réchauffé sortant de l'échangeur, peut être mélangé avec l'air secondaire près de la sortie de l'échangeur ou peut entre canalisb -et ultérieurement mélangé, par exemple au voisinage de la sortie de la tuyère. L'échangeur, quelle que soit sa position, est utilisé à basse. température. Il peut donc entre fabriqué en un matériau léger èt, en particulier, en aluminium ou magnésium et ainsi ne pas augmenter le poids de la machine de façon prohibitive. En outre, les fluides qui traversent ltéchangeur sont de l'air pur, il nty a donc pas à craindre d'encrassement. L'existence d'un échangeur, comme décrit, permet de nombreuses adaptations du moteur. C'est ainsi que l'on peut employer un ou plusieurs étages de compression supplémentaires, l'élévation de température dans ces étages étant comprensée par le refroidissement subi dans l'échangeur. Il en résulte dans la chambre de combustion un fonctionnement à une pression plus élevée, mais à différence de température conservée dans la chambre de combustion. On obtient ainsi un gain de poussée important dans le flux primaire. L'échangeur selon l'invention augmente également la poussée du flux secondaire, ou d'une partie de ce flux. (cas de la figure 2). En effet, les calories puisées par le flux secondaire, ou par une partie de ce flux, dans le flux primaire augmentent la température du flux secondaire, ou d' uns partie de ce flux, avec pour consé- quence une augmentàtion de la' vitesse d'éjection de ce flux (ou de cette partie du flux secondaire) et corrélativement de sa poussée. Pour évaluer l'intérêt de cette invention, la Demande- resse a effectué les calculs dans le cas d'un moteur connu existant, comportant une soufflante, un compresseur basse pression à trois étages et un compresseur haute-pression. L'adjonction d'un compresseur intermé- diaire de gavage entre soufflante et compresseur basse pression a été conçue de façon à conserver intégralelement les trois étages du compresseur.L'échangeur était placé dans ce cas de calcul entre le compresseur basse pression et le compresseur haute pression, et était dimensionné de manière à enlever du flux primaire précisément les calories apportées par les étages du compresseur intermédiaire de gavage. Le compresseur haute pression recevait alors l'air à même température que s'il n'y avait eu ni les étages de gavage supplémentaire, ni l'échangeur, et il fonctionnait donc dans les mêmes conditions de vitesse et de température que pour la turbomachine de base, mais à une pression plus élevée. Dans ces conditions, la poussée était augmentée de 30 à 35 %, environ les 3/4 de cet accroissement étant dus à l'amélioration du cycle primaire (pression augmentée à l'entrée de la chambre, à température égale), l'augmentation de température du flux secondaire étant responsable du complément, par augmentation de la vitesse d'éjection de ce flux. A un autre point de vue, la Demanderesse a calculé que si le moteur est conçu directement avec un échangeur selon l'invention, les gains de consommation spécifique se situent entre 5 et 10 % selon les conditions de vol. On notera également que l'énergie des gaz chauds ain-si augmentée permet d'entraîner le compresseur de gavage supplémentaire, mais que bien naturellement, notamment s'il s'agit d'une turhomachine double corps, on peut "distribuer" cette énergie entre les deux corps. Dans les exemples de- réalisation donnés à titre d'illustration nullement limitative, on a représenté en vue de simplifier les dessins, une turbine haute pression 7' à un seul étage entraSnant le compresseur haute pression 5 et également une turbine basse pression 7 à deux étages, entraînant la soufflante 1 et les compresseurs basse pression intermédiaires 4A et 42. Mais on ne sortirait pas bien entendu du cadre de l'invention en employant des turbines (haute ou basse pression) à nombre d'étages augmenté, par exemple, ou en entratnant un ou des compresseurs intermédiaires par la turbine haute pression 7'. De même, on ne sortirait pas du cadre de la présente invention en permutant le sens du parcours de l'échangeur entre le flux primaire et secondaire, dtune part, et l'intérieur et l'extérieur des tubes ailetés ou non, d'autre part, ou même en employant une autre sorte d'échangeur de type connu. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur pour moteur à réaction à double flux, ledit moteur comprenant un compresseur basse pression d'entrée ou soufflante (1) fournissant les flux primaire et secondaire, un ou plusieurs compresseurs ou étages basse pression intermédiaire et un compresseur haute pression fournissant le flux primaire, au moins une chambre de combustion et une turbine, ledit échangeur refroidissant l'air comprimé et échauffé prélevé à la sortie d'un compresseur, en échauffant par ailleurs le flux secondaire, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un échangeur 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, comprenant un élément à deux parcours et un élément à simple parcours caractérisé en ce que l'élément à deux parcours est disposé entre deux compresseurs basse pression intermédiaires voisins (4A,4B). o 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, comprenant un élément à deux parcours et un élément à simple par cours, caractérisé en ce que l'élément à deux parcours est disposé entre un compresseur basse pression intermédiaire (4B) et le compresseur haute pression (5). 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, comprenant un elément à deux parcours et un elément à simple parcours, caractérisé en ce que l'élément à deux parcours re çoit au moins une partie du flux secondaire (3) fourni par la souleflante ( l'élément à simple parcours étant disposé se dans le flux primaire (2) entra deux compresseurs suc- cessifs. 5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est disposé radialement par rapport à l'axe du moteur 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, carac térisé en ce qu'un déflecteur annulaire (10) est prévu dans le carter de la veine secondaire (3).