Brevet FR2503255A1 — publié le 19821008

-1 La présente invention concerne un dispositif de refroidissement pour générateur électrique d'un moteur à turbine à gaz, en particulier un turbomoteur à ventilateur. Le moteur à turbine à gaz à flux axial comprend typi- quenient une section de compression, une section de com - bustion et une section de turbine. Les gaz du milieu de travail sont aspirés dans la section de compression o ils passent au travers de différents étages de compresàon ayant pour effet d'augmenter la température et la pression des gaz. Les gaz sont mélangés avec le carburant dans la section de combustion et brûlés pour former des gaz pressurisés chauds. Ces gaz sont une source d'énergie pour le moteur et subissent une détente au travers de la section de turbine pour produire un travail. Dans un aéroplane à ailes fixes, le moteur est monté dans une enceinte fixée à l'aile de l'avion, cette enceinte étant habituellement désignée sous le nom de nacelle. La nacelle à la fois supporte et positionne le moteur par rapport à l'avion. Un générateur électrique entraîné par le moteur pour fournir de l'énergie électri- que à l'aéroplane est disposé dans la nacelle. La produc- tion d'énergie électrique s'accompagne d'une production de chaleur qui doit être éliminée pour préserver la durée de vie du générateur. Cette chaleur peut être enlevée par de l'huile lubrifiante passant au travers du généra- teur. Une construction utilisant de l'huile lubrifiante comme moyen pour éliminer la chaleur est montrée dans le brevet US No. 4 151 710. La chaleur est rejetée principa- 3rh lement vers un échangeur de chaleur s'étendant dans le trajet des *gaz du moteur et secondairement dans un échan- (leur de chd leur en commaunication avec le carburant qui passe au travers des chambres de combustion. Malgré la disponibilité des systèmes décrits ci-des- 3 sus, les scientifiques et les ingénieurs continuent de rechercher des systèmes de refroidissement encore per- fectionnés qui ont des effets nuisibles minimaux sur le rendement du moteur en fonctionnement. Selon la présente invention, les gaz du milieu de travail provenant du courant du ventilateur d'un turbo- - 2- moteur à ventilateur passent depuis le conduit du venti- lateur à un échangeur de chaleur disposé en arrière du conduit du ventilateur pour créer un refroidissement supplé- mentaire d'un générateur électrique refroidi par le carbu- rant sous des conditions de faible débit de carburant. Selon un mode de réalisation spécifique de l'in- vention, l'air de refroidissement provenant du second échangeur de chaleur est déchargé au travers d'un comparti- ment central de la nacelle pour ventiler le compartiment au cours d'un fonctionnement à faible puissance. Les caractéristiques principales de la présente invention sont le rejet de l'excès de chaleur du générateur à des débits de carburant modérés et élevés sur le carbu- rant du moteur et le rejet combiné de l'excès de chaleur du générateur à de faibles débits de carburant sur le carburant du moteur et les gaz du milieu de travail. Un échangeur de chaleur principal disposé dans un compartiment de la nacelle crée une communication avec transfert de cha- leur entre le système de refroidissement à fluide du géné- rateur et le carburant du système d'amenée de carburant. Un échangeur de chaleur secondaire disposé dans un compar- timent de la nacelle en arrière par rapport au courant du ventillateur tansfère la chaleur depuis le fluide du systè- me de refroidissement du générateur à partir du conduit de dérivation du ventilateur. D'autres caractéristiques comprennent un conduit pour l'air de refroidissement s'étendant entre le conduit de dérivation du ventilateur et l'entrée vers le second échangeur de chaleur et une soupape pour détourner le flux de l'air au travers de 1' échangeur de chaleur secondaire avec une faible puissance du moteur. Dans un mode de réalisation spécifique, l'échan- geur de chaleur secondaire se trouve entre la sortie du fluide du générateur électrique et l'entrée du fluide de 1'Cchangeur de chaleur fluie-à-carburant. Selon un autre mode de réalisation spécifique, le côté air de l'échangeur de chaleur secondaire est en communication avec le compar- tinment central du moteur. Un avantage principal de la présente invention est l'adaptation améliorée de la charge de la chaleur du -3- générateur à la capacité de refroidissement du moteur. Le fait de se fier à la capacité de refroidissement du carburant du moteur pour créer le refroidissement princi- pal du générateur, élimine la nécessité d'un grand échangeur de chaleur dans le conduit du ventilateur. L'augmentation de la capacité de refroidissement du carburant à de faibles débits du carburant est obtenue avec un échangeur de chaleur relativement petit en utilisant l'air du ventilateur, mais disposé en arrière du conduit du ventilateur. Un rendement amélioré du moteur résulte de l'empêchement des pertes de débit provoquées par l'échangeur de chaleur pour le système de refroidissement pénétrant dans le trajet du milieu de travail. Une augmentation supplémentaire du rendement résulte de l'empêchement à haute puissance de la distor- sion du flux associé au retrait de l'air du trajet des gaz du milieu de travail en retirant seulement l'air à basse puissance. Selon un mode de réalisation, le compartiment central de la nacelle est ventilé à faible puissance, sans diminuer davantage le rendement du mo- teur, en déchargeant l'air depuis l'échangeur de chaleur secondaire dans le compartiment central. Selon un autre mode de réalisation, le rendement de l'échangeur de cha- leur secondaire est augmenté en faisant passer le flui- de de refroidissement chauffé dans le système de re- froidssement d'abord vers l'échangeur de chaleur secon- daire pour établir la plus forte différence de tempé- rature entre le fluide de refroidissement et l'air. Pour que l'invention puisse être mieux compri- St, rôférence est faite aux figures suivantes o: la figure 1 est une vue partielle en perspec- tive d'un moteur à turbine à gaz à flux axial du type turbomoteur à ventilateur monté dans une nacelle d'aéro- plane, une partie du compartiment du ventilateur et du compartiment central étant éclatées pour montrer les parties du moteur et l'équipement accessoire; la figure 2 est une représentation schématique du trajet principal, du trajet secondaire des gaz du I() moteur à turbine à gaz et une partie de l'équipement -4- accessoire disposés dans un compartiment central de nacelle autour du moteur à turbine à gaz; la figure 3 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation de la figure 2, montrant une partie de l'équipement accessoire disposé à la fois dans un compartiment de la nacelle du ventilateur et dans un com- partiment central de la nacelle autour du moteur à turbine à gaz. Un moteur à turbine à gaz 10 à flux axial, du type turbomoteur à ventilateur est montré dans la figure 1. Une nacelle 12 entoure le moteur. La nacelle comprend des compartiments pour envelopper l'équipement auxiliaire tel que le compartiment du ventilateur 14 de la nacelle et un compartiment central 16 de la nacelle. La nacelle est adaptée pour à la fois soutenir et positionner le moteur à partir d'une structure de support telle que l'aile d'un aéroplane. Le moteur est constitué d'une section de ventila- teur 20, une section de compresseur 22, une section de combustion 24 et une section de turbine 26. Un trajet principal 28 pour les gaz du milieu de travail s'étend vers l'arrière au travers de ces sections du moteur. Le compartiment central de la nacelle s'étend circonférentiel- lement autour du moteur et s'écarte radialement vers l'in- térieur du compartiment 14 du ventilateur en laissant un conduit de dérivation 30 du ventilateur entr'eux. Un trajet secondaire 32 pour les gaz du milieu de travail s'étend vers l'arrière au travers du conduit de dérivation. 3 Comme on peut le voir schématiquement dans la figu- re 2, un système d'amenée du carburant 34 comprend un réser- voir de carburant 36, un dispositif 38 de réglage du car- burant pour réglerle débit du carburant et un dispositif pour injecter du carburant dans le trajet principal 28 du îF> moteur représenté par une buse unique 40 pour le carburant. Le réservoir de carburant est typiquement disposé dans l'di- le de l'aéroplane; le dispositif de réglage du carburant est disposé dans le compartiment central; et les buses de carburant sont disposées dans les chambres de combustion 4(e dlu moteur. - 5 - Le compartiment central entoure également un généra- tuur électrique 42 pour fournir del'énergie électrique à l'aéroplane à une fréquence constante. Le générateur élec- Urique est entraîné par le moteur à turbine à gaz. Un dis- positif de refroidissement 44 comprend un dispositif, tel qu'un échangeur de chaleur principal 46 pour transférer de la chaleur depuis le fluide de refroidissement au carbu- rant dans le système d'amenée du carburant 34. Le système de refroidissement 44 comprend également un dispositif te] qu'un échangeur de chaleur secondaire 48 pour transférer de la chaleur du fluide de refroidisse- ment à l'air de refroidissement. L'échangeur de chaleur secondaire est disposé dans un des compartiments de la na- celle tel que le compartiment central 16. Un conduit 50 s'étend entre le conduit de dérivation 30 du ventilateur et l'échangeur de chaleur secondaire pour placer l'échangeur de chaleur secondaire en communication avec une source d'air de refroidissement telle que le trajet secondaire 32 du milieu du travail du moteur. Un dispositif pour régler le débit de l'air du ventilateur au travers du conduit 50, tel qu'une soupape 52 est sensible à la température du fluide de refroidissement dans le système de refroidisse- ment à la sortie du générateur électrique. La sortie du ôté air de refroidissement de l'échangeur de chaleur secondaire est également en communication avec un compar- tiiient central de la nacelle. A son tour, le compartiment central de la nacelle est en communication avec l'atmosphê- i-L par l'entretoise creuse 18 s'étendant entre le compar- * imunt central et le compartiment du ventilateur et par les *iitures 53 dans le compartiment du ventilateur. Un dispositif 54 pour faire circuler le fluide de raffoidissement dans le svstème de refroidissement 44 com- zirend un conduit 56 et une pompe (non montrée). Par uxemlple, la pompe peut être une pompe à engrenage faisant partie intégrante avec le générateur électrique et entrai- riée par le moteur à turbine à gaz. Le dspositif pour la ciruclation de l'air de refroidissement est utilisé pour mtettre le fluide de refroidissement en communication par transfert de fluide et de chaleur avec l'échangeur de cha- -6- leur principal 46, le générateur électrique et l'échangeur de chaleur secondaire 48. Comme on peut le voir, le géné- rateur électrique comprend une sortie 58 pour le fluide de refroidissement et l'échan9eur de chaïeur secondaire a une entrée 60 du côté fluide. Une partie du conduit 56 s'éten- dant entre le générateur électrique et l'échangeur de cha- leur secondaire met l'entrée de l'échangeur de chaleur secondaire en communication avec la sortie du générateur électrique. Le dispositif 54 pour la circulation du fluide de refroidissement comprend un conduit de dérivation 62 reliant les orifices d'entrée et de sortie cde l'échangeur de chaleur principal pour empêcher la perte de chaleur du fluide de refroidissement pendant le démarrage du mo- teur à basse température. Un dispositif pour régler le dé- bit du fluide derefroidissement au travers du conduit de dérivation, telle qu'une soupape 66 agit en réponse à la température du fluide de refroidissement. La figure 3 est un autre mode de réalisation de la figure 2 comprenant un échangeur de chaleur secondaire 148 disposé dans le compartiment du ventilateur du moteur. Un conduit 150 s'étend entre le conduit de dérivation du ventilateur et le second échangeur de chaleur pour placer le second échangeur de chaleur en communication avec la source d'air de refroidissement tel qu'un trajet secondaire 32 des gaz. L'air de refroidissement est dé- chargé depuis l'échangeur de chaleur et s'échappe dans le compartiment 14 du ventilateur de la nacelle et est dé- chargé dans l'atmosphère. Pendant le fonctionnement du moteur à turbine à gaz, les gaz du milieu de travail sous forme d'air sont aspi- rés dans le moteur à turbine à gaz 10. Les gaz sont comprimés dans la section du compresseur 22 provoquant une augmentation de la température et de la pression des gaz du milieu de travail. Les gaz passent dans la section de - eowibustion o le carburant provenant du réservoir de arburant 36 est injecté par la buse de carburant 40 dans : sestion de combustion 24. Le carburant et les gaz cnt mélangés et brûlés pour augmenter la température d es Jaz du milieu de travail. Les gaz subissent une déten- te au travers de la section de turbine 26 du moteur pour mettre en marche l'aéroplane auquel le moteur est fixé. Le moteur est également utilisé pour entraîner un généra- teur électrique 42 soit au moyen d'un système hydromécanique soit au moyen d'un système mécanique pour produire de l'énergie électrique pour l'aéroplane à une fréquence constante. La production d'énergie électrique par un générateur électrique 42 résulte également en une production de chaleuri Cette chaleur provient principalement du chauffage par effet Joule des éléments du générateur et secondairement du frottement mécanique et du frottement visqueux associé au fonctionnement du générateur électrique et au pompage du fluide de refroidissement. De la chaleur est transférée au fluide de refroidissement qui passe au travers du systè- me de refroidissement 44. Ce fluide de refroidissement est, de préférence, une huile lubrifiante pour le généra- teur électrique. Après que le fluide de refroidissement soit passé au travers du générateur électrique, la chaleur provenant du fluide de refroidissement est éliminé sous des conditions de fonctionnement à haute puissance vers le carburant dans le système d'amenée du carburant passant au travers des buses de carburant 40. Ainsi qu'on le compren- dra, les débits élevés du carburant se produisant au cours du fonctionnement à puissance élevée sont plusieurs fois plus grands que les débits faibles du carburant se produi- sant au fonctionnement à faible puissance. Au cours du fonctionnement à faible puissance, le sp débit du carburant pour la combustion passant à travers de l'échangeur de chaleur principal 46 dans le conduit de carburant est de beaucoup réduit par comparaison au fonc- tionnement à haute puissance. La quantité de chaleur Produite par le générateur électrique à faible puissance ne diminue pas parce que la quantité de chaleur est une fonction de la quantité de la puissance électrique consom- mée par l'aéroplane. En conséquence, le carburant ne peut éliminer la totalité de la chaleur que l'on doit enlever par le fluide de refroidissement dans le système de re - froidissement. La soupape 52, agissant en réponse à la -8- température croissante du fluide de refroidissement, s'ouvre en permettant à l'air de refroidissement de passer depuis le conduit de dérivation du ventilateur au travers de l'échangeur de chaleur secondaire. L'air élimine la chaleur provenant du fluide de refroidissement permettant un fonctionnement sur du générateur électrique. Etant donné que l'échangeur de chaleur secondaire élimine seulement la quantité de chaleur qui n'est pas éliminée par l'échangeur de chaleur principal à basse puissance, la dimension de l'échangeur de chaleur secondaire est réduite par comparaison à ces structures o on utilise un échangeur de chaleur à air de refroidissement pour éliminer seulement la totalité de la chaleur provenant du fluide de refroidissement. Ceci permet l'utilisation d'un échangeur de chaleur secondaire ayant une dimension permettant de le disposer dans un compar- timent de la nacelle, et, par conséquent, on évite les pertes de débit associées à un échangeur de chaleur pour système de refroidissement qui pénètre dans le trajet se- condaire 32 des gaz du milieu de travail. En plus, l'utili- sation d'un échangeur de chaleur secondaire permet au système de refroidissement du fluide de rejeter une quantité suffisante de chaleur au travers des échangeurs de chaleur secondaire et principal pour permettre l'utilisation du carburant refroidi de l'échangeur de chaleur comme échangeur de chaleur principal. Sans l'échangeur de chaleur secondaire absorbant suffisamment de chaleur à des faibles débits de carburants, la dimension de l'échangeur de chaleur principal augmenterait fortement de sorte qu'un échangeur de chaleur principal refroidi par carburant ne serait plus pratique. A basse puissance, comme on le montre dans la figure 2, l'air de refroidissement s'échappe d'un échangeur de chaleur secondaire au travers du compartiment central 16. Ceci est particulièrement utile au cours du fonctionnement au ralenti au sol en préparation du décollage. L'air de retroidissement passant au travers de ce compartiment se ventile dans le compartiment et élimine toute accumulation de fumées nocives ou gaz inflammables qui pourrait se produire pendant le fonctionnement du moteur. Ces fumées sont entraînées au travers du compartiment et par-dessus bord au moyen de l'air de refroidissement. Pendan t le vol de l'aéroplane, les fumées nocives ont moins d'importance à cause de l'infiltration de l'air qui résulte du passage de l'aéroplane au travers de l'atmosphère. Bien entendu diverses modifications peuvent être faites par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 1() - 10 - Revendications: 1. Dispositif de refroidissement de générateur électri- que d'un moteur à turbine à gaz, du type turbomoteur à ventilateur monté dans une nacelle d'un aéroplane carac- térisé par le perfectionnement comprenant: un échangeur de chaleur principal (46) disposé dans un compartiment de la nacelle pour transférer de la chaleur entre un fluide de refroidissement du système de refroidissement (44) et le carburant du moteur; un échangeur de chaleur secondaire (48) disposé dans un compartiment de la nacelle pour transférer de la chaleur depuis le fluide de refroidissement du système de refroidissement (44) vers les gaz du milieu de travail au moyen d'un conduit de dérivation (30) du ventilateur du moteur; un dispositif (54) pour faire circuler le fluide de refroidissement au travers du générateur électrique, de l'échangeur de chaleur principal et de l'échangeur de chaleur secondaire; un dispositif pour faire passer du carburant à travers de l'échangeur de chaleur principal (46) pour absorber la chaleur provenant du fluide de refroidissement du système de refroidissement (44) du générateur; et un dispositif pour faire passer les gaz du milieu de travail depuis le conduit de dérivation (30) du venti- lateur au travers de l'échangeur de chaleur secondaire (48) à des conditions de faible débit du carburant du mo- teur pour fournir la quantité de chaleur absorbée par le 3() carburant et pour empêcher le courant de l'air du conduit de dérivation (30) du ventilateur de passer au travers de l'échangeur de chaleur secondaire (48) aux conditions de fonctionnement autres que les conditions à faible débit du carburant du moteur. 2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compartiment de la nacelle (12) comprend un compartiment central (16) de la nacelle mettant un diispositif d'échappement en communication avec l'atntosphèr', et o l'échangeur de chaleur secondaire (48) comprend ut; cête air et un côté fluide en communication - 11 - pour transférer de la chaleur et o le côté air est en communication avec le compartiment central (16) de la nacelle pour transférer des gaz de telle façon que l'air du ventilateur passant depuis le conduit de dérivation (30) du ventilateur au travers de l'échangeur de chaleur secondaire (48) à basse puissance, ventile le compartiment central (16) de la nacelle (12). 3. Dispositif de refroidissement du fluide selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le générateur électrique ( 42) a une sortie (58) pour le fluide de refroidissement et en ce que le côté fluide de l'échangeur de chaleur secondaire (48) a une entrée (60) et en ce qu'un conduit (56) s'étendant entre le générateur électrique (42) et l'échangeur de chaleur secondaire (48) met l'entrée (60) de l'échangeur de chaleur secondaire (48) en communieation pour transfert de fluide avec la sortie (58) du générateur électrique (42). 4. Procédé pour éliminer la chaleur du fluide de *refroidissement d'un générateur électrique d'un moteur à turbine à gaz du type turbomoteur à ventilateur sous des conditions de fonctionnement variables du moteur au moyen du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé à ce qu'il comprend les étapes de: trans- férer de la chaleur depuis le fluide de refroidissement au carburant du moteur; transférer de la chaleur depuis le fluide de refroidissement au gaz du milieu de travail sous des conditions de fonctionnement à faible débit de carburant Gt en un endroit en arrière du trajet des gaz du moteur. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les compartiments (14,16) de la nacelle (12) compren- rint un or;artiment central (16) de nacelle (12) en ce que le procédé consiste à faire passer de l'air depuis l'échan- i5 geur de chaleur secondaire (48) au travers du compartiment central de la nacelle pour ventiler le compartiment central.