Brevet FR2536842A1 — publié le 19840601

La présente invention concerne des systèmes de récupé- ration de chaleur et, plus particulièrement, de tels systèmes qui récupèrent dela chaleur d'une huile de lubrification dans un moteur et utilisent cette chaleur pour préchauffer du combustible à brûler dans le moteur. Lorsqu'on utilise un moteur à vitesse relativement éle- vée, tel qu'un moteur à turbine à gaz, pour entraîner une charge à vitesse relativement lente, telle qu'une hélice d'aéroplane dans un système de turbopropulsion, la vitesse élevée du moteur est communément réduite au moyen duun réduc- teur Le réducteur contient une huile de lubrification qui est chauffée par des facteurs tels que la friction et l'agitation inhérente à la machinerie du réducteur La chaleur produite est communément acheminée vers les environnements sous forme de chaleur perdue Comme ces réducteurs ont un rendement d'environ 98 %, et comme la plus grande perte de rendement est due à la perte de chaleur, la chaleur perdue produite par le réducteur représente environ 2 % de la puissance de sortie du moteur. En outre, pendant le fonctionnement à vitesse élevée, il y a une plus grande production de chaleur et il faut prendre des mesures actives pour éliminer cette chaleur du réducteur. L'un des procédés les plus fréquents utilisés est de diriger un courant d'air prélevé au moteur ou canalisé à partir de l'hélice sur un échangeur de chaleur dans lequel on fait circuler l'huile du réducteur On a représenté ce dernier procédé de canalisation sur la figure 1 Un courant d'air 101 est canalisé à partir de l'hélice-104 par un carter 107 sur un refroidisseur d'huile 109 dans lequel on fait circuler l'huile du réducteur 111. Cependant, ce procédé d'élimination de la chaleur aggrave la perte de rendement par perte de la chaleur produite par-le réducteur 111, car en éliminant la chaleur du réducteur, le procédé dérive un courant d'air 101 qui autrement pourrait être utilisé pour fournir une poussée Certaines estimations montrent que le courant d'air dérivé de l'hélice 101 représente environ 2 % de la poussée totale du moteur Par conséquente dans les moteurr àturbopropulsion, les pertes de rendement combinées du réducteur et de l'air dérivé utilisé pour refroidir l'huile du réducteur représentent environ 4 % de la poussée totale Ceci est une quantité notable. Un procédé de réduction de la perte et de récupération d'une partie de la chaleur perdue en renvoyant cette chaleur perdue au cycle du moteur consiste à appliquer la chaleur à un échangeur de chaleur huilecombustible pour préchauffer le combustible du moteur Cependant, plusieurs problèmes sont apparus lors de l'utilisation de ces échangeurs de chaleur combustible-huile L'un de ces problèmes, est que le combus- tible est généralement sous une pression élevée (environ 6,89 10 k N/m 2) et il existe toujours un risque faible, mais accru, de fuite lorsqu'on manipule du combustible sous haute pression comparé à la manipulation de combustible à basse pression O Une fuite entre le combustible et l'huile doit être évitée -Deuxièmement, si le combustible devient trop chaud, il se dépose des impuretés, 'il se charbonne sur les injecteurs de combustible par lesquels oh le pulvérise Troisièmement, aux faibles vitesses du moteur ledébit du combustible peut être insuffisant pour absorber suffisamment de chaleur de l'huile à refroidir, permettant ainsi à l'huile de fonctionner à une tem- pérature plus élevée, réduisant ainsi la vie utile du réducteur. Une autre considération relative au chauffage du com bustible est le chauffage du combustible, non lorsqu'il est fourni au moteur comme décrit ci-dessus, mais lorsqu'il est contenu dans les réservoirs de l'avion, afin d'empêcher sa congélation Bien que le combustible lui-même ne se congèle ordinairement pas aux températures auxquelles il est normale- ment soumis, des gouttes d'eau présentes dans le combustible peuvent se congeler et ainsi obstruer le système d 5 alimenta,- tion en combustible En outre, on envisage que différents com- bustibles ayant des caractéristiques de congélation différentes pourront être utilisés dans le futur et par conséquent, le chauffage du réservoir de combustible peut nécessiter une attention plus sérieuse Par conséquent, il est souhaitable de considérer l'application de la chaleur perdue mentionnée ci- dessus au chauffage du réservoir de combustible Cependant, le transport de la chaleur du moteur (si on utilise le moteur comme source de chaleur a-ux réservoirs de combustible) soulève des problèmes, au moins pour la raison que le moteur et les réservoirs de combustible sont séparés dans l'espace. L'acheminement de l'huile chaude du réducteur aux réser- voirs de combustible exige l'utilisation de conduitesd'huile supplémentaires etd'équipement associé et cette approche présente un risque accru de perte d'huile de réducteur simple- ment pour la raison qu'il y a plus de composants de circuit de fluide Inversement, l'acheminement du combustible des réservoirs au moteur n'est pas souhaitable au moins pour la raison qu'une conduite unique-de combustible arrivant au moteur, à savoir la conduite d'alimentation en combustible vers les chambres de combustion, est préférable pour des raisons de sécurité vis-à-vis des risques d'incendie Les conduites supplémentaires de combustible nécessaires pour le chauffage du combustible ne sont donc pas souhaitables. La présente invention a donc pour but de fournir un système de récupération de chaleur perdue dans un moteur à turbopropulsion, L'invention a encore pour but de fournir un nouveau dispositif perfectionné de refroidissement d'huile de lubri- fication; L'invention a aussi pour but-de fournir un dispositif nouveau et perfectionné de préchauffage du combustible de- l'avion; l'invention a encore pour but de fournir un échangeur de chaleur nouveau et perfectionné pour transférer la chaleur de l'huile de lubrification du réducteur au combustible du moteur, mais sans circulation de l'huile et du combustible dans l'é- changeur de chaleur; l'invention a enfin pour but de fournir un nouveau dis- positif de chauffage, tperfectionné, du réservoir du combustible de l'avion. Une forme de l'invention comprend un circuit de réfrigé- rant, un échangeur de chaleur assurant une liaison thermique entre le circuit de réfrigérant et l'huile de lubrification du moteur, et un second échangeur de chaleur assurant une liaison thermique du circuit de réfrigerant avec le combustible du moteur. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement figure 1, une partie d'un moteur à turbopropulsion de l'art antérieur; et figure 2, une forme de la présente invention. La figure 2 est une représentation schématique d'une forme de la présente invention On achemine de l'huile de réducteur d'un réducteur d'hélice 3, (qui est entraîné par un moteur à turbine à gaz 6, et qui à son tour entra Ine une hélice 7), par une conduite 9 vers un premier échangeur de chaleur 12 et on la renvoie vers le réducteur 3 par une conduite 15 Un circuit de réfrigérant comprenant une conduite 18 transporte un réfrigérant tel que de l'eau et l'amène en contact thermique avec l'huile du réducteur dans le premier - échangeur de chaleur 12 Le réfrigérant absorbe de la chaleur de l'huile du réducteur et ensuite voyage du premier échan- geur de chaleur 12 vers un second échangeur de chaleur 21 o il peut venir en contact avec un courant d'air de réfrigéra- tion 24 Le courant d'air de réfrigération 24 est prélevé en plaçant une conduite 27 en aval de l'hélice 7 La conduite 27 est de préférence escamotable de ce courant d'air 24 ou peut être de toute autre manière isolée du courant d'air 24 Pour réduire la perte de poussée due au détourneïtent du c-ourant d'air 24 lorsque le refroidissement du second échangeur de chaleur n'est pas nécessaire Un moyen particu- lier d'isoler la conduite 27 est considéré comme connu dans la technique et n'est pas représenté sur la figure 2. On peut régler le débit du flux d'air 24 prélevé au moyen d'un registre 30 qui est de préférence fermé pour empêcher le détournement d'air de production de poussée mentionné précé- demment On peut prévoir une vanne facultative 21 a pour un réglage supplémentaire du transfert de chaleur dans le second échangeur de chaleur 21. Après le passage du réfrigérant dans le second échangeur de chaleur 21, le réfrigérant traverse successivement le long du circuit de réfrigération, un troisième échangeur de chaleur 33, dans la mesure permise par une vanne 34, et ensuite un quatrième échangeur de chaleur 36 dans la mesure permise par une vanne 39 Une pompe 42 fait-circuler le réfrigérant dans le circuit de réfrigérant 18. Une pompe de combustible du moteur 48 élève le combus- tible du moteur soutiré d'un réservoir de combustible 51 à une pression élevée, telle que 6 o 89 103 k N/mm 2, et ce combustible à haute pression traverse le troisième échangeur de chaleur 33 pour y absorber de la chaleur du circuit de réfrigérant 18 Une pompe 55 soutire du combustible du réser- voir de combustible de l'avion 51 et l'envoie dans le qua- trième échangeur de chaleur 36 pour qu'il y absorbe de la chaleur du circuit de réfrigérant 18 et ce combustible est renvoyé au réservoir de combustible par la conduite 58. En conséquence, le réfrigérant absorbe de la chaleur de l'huile du réducteur dans le premier échangeur de chaleur 12 et ensuite voyage vers le second échangeur de chaleur 21. Le registre d'air 30 sera normalement fermé afin d'éviter une perte de poussée comme expliqué ci-dessus Cependant, s'il n'y a pas assez de combustible traversant le troisième et le quatrième échangeurs de chaleur pour absorber suffisamment de chaleur du circuit de réfrigération 18 ( une situation inha- bituelle), alors on utilise le second échangeur de chaleur 21 pour absorber de la chaleur Dans ce cas, le registre d'air est ouvert au flux d'air 24, en dérivant une partie vers le second échangeur de chaleur 21 pour l'absorption de la chaleur contenue dans le réfrigérant par ce flux d'air Comme indiqué, on peut piquer ce flux d'air à partir d'une source de prélèvement sur le compresseur du moteur, telle qu'une source statique, aussi bien que le canaliser à partir du flux d'air 24 de l'hélice 7 comme représenté. Après avoir quitté le second échangeur de chaleur 21, le réfrigérant fournit de la chaleur au combustible traversant le troisième échangeur de chaleur 33 en direction des buses de pulvérisation 63 dans le moteur 6 Le troisième échangeur de chaleur 33 préchauffe ainsi le combustible en vue de la combustion Afin de régler la quantité de chaleur fournieau combustible pour, par exemples empêcher le dépôt de charbon sur les buses de combustible 63 e on prévoit une vanne 34. Cette vanne 34 est de préférence commandée automatiquement en fonction de la température du combustible, mais une commande normale par le pilote est possible La vanne 34 commande la quantité de réfrigérant fournieau troisième échangeur de chaleur 33 La vanne 39 de façon semblable commande la quantité de réfrigérant fournieau quatrième échangeur de chaleur 36 qui chauffe le combustible qui est fourni au réservoir de combus- tible 51 pour empêcher la congélation. Un premier capteur de température 75 détecte la tempé- rature du combustible voyageant vers les buses de pulvérisa- tion 63 et fournit un signal sur le conducteur 77 indicatif de celle-ci Si la température dépasse un seuil prédéterminé, qui est de préférence de 1490 C, alors, une première commande de vanne 79 associée à la vanne 34 fonctionne pour moduler Z 536842 cette vanne 34 pour régler le débit de réfrigérant dans le troisième échangeur de chaleur 33 de sorte que la température du combustible fourni aux buses de pulvérisation ne dépasse pas 1490 C Ainsi, on empêche le dépôt de charbon sur les buses-de pulvérisation 63. Un second capteur de température 81 détecte la tempéra- ture du combustible présent dans le réservoir de combustible 51 et fournit un signal sur le conducteur 83 indicatif de celle-ci Si cette température dépasse un seuil prédéterminé,- qui est de préférence de 600 C, alors une seconde commande de vanne 85 fonctionne pour moduler la vanne 39 pour régler le débit de réfrigérant dans le quatrième échangeur de chaleur 36, de sorte que la température du combustible dans la réser- voir 51 ne dépasse pas 60 C Ainsiî on réduit l'évaporation du combustible dans le réservoir 51 due à une température excessive. Un troisième capteur de température 88 détecte l'inap- titude des troisième et quatrième échangeurs de chaleur 33 et 36 à absorber de la chaleur du circuit de réfrigérant en détectant la température du réfrigérant dans le circuit-18. Lorsque cette température dépasse un seuil prédéterminé, tel que 1760 C (un cas que l'on a vu comme étant inhabituel) la capacité de refroidissement du combustible, à la fois dans le réservoir de combustible 51 et voyageant vers les buses de pulvérisation 63 est supposée être dépassée et une commande 93 fonctionne en réponse pour- ouvrir une vanne de flux d'air 24 pour fournir de l'air de refroidissement au second échan- geur de chaleur 21 A ce moment, la pénalité de poussée introduite en dérivant le flux d'air 24 est tolérée A d'autres moments, la pénalité est fortement réduite, car la dérivation est réduite Le canal 27 a de préférence une faible traînée aérodynamique et de préférence est escamotable du flux d'air 24 lorsque le second échangeur 21 n'est pas utilisé. On prévoit un accumulateur de pression 71 dans le cir- cuit de réfrigérant et il comprend de préférence un clapet -8 de retenue 74 qui est relié à une source d'airsà haute pres- sion dans le moteur (non représenté) Le clapet de retenue se ferme lorsque la pression dans l'accumulateur atteint environ 2.103 k N/m 2 et cette pression est maintenue dans l'accumula- teur 71 La pression dans l'accumulateur 71 sert à élever la- température d'ébullition du réfrigérant utilisé dans le circuit de réfrigération 18. Le réfrigérant peut être de l'eau ou une solution. aqueuse d'eau et d'un agent -antigelî tel que de l'éthylène- glycol Cependant, dans le cas o le flux d'air dirigé dans le second échangeur de chaleur 21 doit être ensuite envoyé à la cabine ou au cockpit de l'avion, une fuite du second échangeur de chaleur 21, qui laisserait de l'éthylène glycol entr-er dans, cet air, ne serait pas souhaitable à cause des propriétés toxiques de cet agent antigel; dans ce cas, on pourrait utiliser un antigel à faible toxicité,stel que ceux utilisés dans les apllications de réfrigération des aliments du commerce - On estime que la quantité de chaleur à évacuer du réduc- teur 3 est comprise, entre environ 3165 k /joule,et 15822 k/joule par minute Dans ce S conditions, on considère que la quantité totale de réfrigérant contenue dans le circuit de réfrigération sera égale à environ 13,2 litres On considère que d'autres sources d'huile, outre le réducteur 3 peuvent être utilisées pour chauffer le réfrigérant Une de ces sources - pourrait être l'huile de lubrification du moteur 6. On vient -de décrire une invention qui réduit deux causes de-perte d'énergie dans des systèmes à turbopropulsion; premièrement, au moins une partie de la chaleur produite par le réducteur et -autrement perdue est renvoyée au cycle du moteur par préchauffage du combustible et, deuxièmement, le flux d'air de production de poussée, autrement dérivé pour refroidir le réducteur est maintenant rendu disponible pour la poussée Ainsi, on supprime la'nêcessité du dispositif de réfrigération d'huile de réducteur 109 de la figure 1 excepté dans le cas inhabituel o le combustible présente une capacité de refroidissement insuffisanteo Pour un tel cas inhabituel, on peut prévoir un dispositif-de refroidissement d'huile d'appoint, et il sera placé en dehors du flux d'air 24 de la figure 2, excepté lors de l'utilisationo O En outre, le chauffagedes réservoirsde combustible s'effectue sans acheminement d'huile chaude du moteur vers les réservoirs de combustible et sans acheminement de combustible vers le moteur Bien qu'on ait décrit une réalisation de l'invention, il est évident pour les spécialistes que l'on peut y apporter de nombreuses substitutions et modifications sans sortir du cadre de la présente invention En-particulierg il est possible d'envisager la combinaison de la conduite 27 et du registre 30 dans une conduite orientable qui elle- même agit comme un registreo Egalement, on peut envisager de modifier l'ordre dans lequel le réfrigérant traverse les échangeurs de chaleur. En variante du prélèvement du flux d'air 24 pour refroi- dir le circuit de réfrigération, on a mentionné le piquage d'une source de prélèvement sur le compresseur dans le moteurà turbine à gaz Bien évidemment, différents étages dans le compresseur fournissent de l'air à différentes températures et pressions, de sorte que l'on peut choisir de l'air à une- température appropriée De plus, il est possible de piquer sur un étage de compresseur contenant de l'air à haute température afin de transférer de lachaleur dans le circuit de réfrigé- ration Ceci peut être souhaitable lorsque l'huile d réduc- teur ne fournit pas suffisamment de chaleur pour les buts tels que le chauffage des réservoirsde combustible. L'utilisation d'un troisième capteur de température 88 a été décrite pour détecter la température du circuit de réfrigération et, si la température est trop élevée, lai commande 93 y répond, en fait, pour en déduire que le combus- tible a une capacité de refroidissement insuffisantepour absorber la chaleur de l'huile du réducteur Il existe de nombreuses façons de déterminer s'il existe une capacité de refroidissement suffisante. REVENDICATIONS 1 Système de récupération de chaleur perdue dans une huile de lubrification dans un moteur brûlant du combus- tible alimenté par du combustible provenant de réservoirs de combustible, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un circuit de réfrigération ( 18) pour faire circuler un réfrigérant liquide, (b) un échangeur de chaleur ( 12) pour relier ther- miquement le circuit de réfrigération avec l'huile de lubri- fication, et (c) un échangeur de chaleur ( 21) pour relier ther- miquement le circuit de réfrigération avec le combustible de moteur pour assurer entre eux un échange de chaleuro 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible du moteur de (c) est en circulation pour âtre brûlé dans le moteur. 3 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible du moteur de (c) est soutiré et renvoyé aux réservoirs de combustible 4 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un échangeur de chaleur ( 33) pour relier thermiquement le circuit de réfrigération avec du combustible du moteur pour préchauffer le combustible en route pour être brûlée 5 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen pour régler la quanh- tité de chaleur transféré du circuit de réfrigération au combustible du moteur 6 Système de refroidissement d'huile de réducteur destiné à être utilisé dans un moteur à turbopropulsion brû- lant du combustible liquide, comportant un compresseur qui entraîne une hélice, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un circuit de réfrigération ( 18), incluant une pompe ( 42), pour faire circuler un réfrigérant liquide; (b) un premier échangeur de chaleur ( 12) pour A Z 536842 12 - relier le circuit de réfrigération avec l'huile du réducteur pour un échange de chaleur avec le réfrigérant; (c) un moyen de mise sous pression ( 71) pour main- tenir le réfrigérant à une pression suffisante pour empêcher l'ébullition due au transfert de chaleur de (b) (d) un second échangeur de chaleur ( 21) pour sé- lectivement relier le circuit de réfrigérant avec un flux -d'air en vue du transfert de chaleur à ce flux d'air; (e) un troisième échangeur de chaleur ( 33) pour sélectivement relier le circuit de réfrigération avec du combustible à pression relativement élevée en vue du trans- fert de chaleur au combustible; et (f) un quatrième échangeur de chaleur ( 36) pour relier sélectivement le circuit de réfrigération avec du combustible à relativement faible pression qui est soutiré d'une source de combustible, et y est renvoyé, en vue du transfert de chaleur à la source du combustible. 7 Système selon la revendication 6, caractérisé. en ce que le flux d'air de (d) est fourni par un prélèvement statique sur le compresseur du moteur. 8 Système de refroidissement selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre (g) un premier moyen -de détection de la tempéra- ture ( 75) pour détecter la température du combustible à haute-pression de Le); et (h) un premier moyen de commande ( 79) couplé au premier moyen de détection de température pour réduire la chaleur transférée au combustible à haute pression de (e) lorsque la température de (g) atteint un seuil prédéterminé. 9 Système de refroidissement selon la revendica- tion 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre (i) un second moyen de détection de température ( 81) pour détecter la température de la source de combus- tible de (f) et, (j) un second moyen de commande:( 85) couplé au t SZ 36842 13 - second moyen de détection de la température pour réduire la chaleur transférée à la source de combustible de (f) lorsque la température de (i) atteint un seuil prédéterminé. Système de refroidissement selon la revendica- tion 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre (k) des moyens de détection ( 88) pour détecter quand la capacité de refroidissement d'au moins une partie du combustible atteint un niveau prédéterminé et, ( 1) un troisième moyen de commande ( 93) pour déri- ver un flux d'air de l'hélice pour le refroidissement du ré- ducteur seulement lorsque le niveau prédéterminé de (k) a été atteint. ( 11) Procédé pour envoyer de la chaleur au cycle moteur dans un système comprenant un moteur à turbopropul- sion brûlant du combustible alimenté avec du combustible provenant de réservoirs, ( 51) ce moteur entraînant une hé- lice ( 7) à l'aide d'un réducteur ( 3) renfermant de l'huile, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à (a) transférer de la chaleur de l'huile du réduc- teur à un circuit de réfrigérant liquide ( 18), et (b) transférer de la chaleur du circuit de ré- frigérant au combustible en route pour être brûlé - 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le transfert de chaleur du circuit de réfrigérant au combustible dans les réservoirs 13 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la détection de la température du combustible en route-pour être brûlé et, si cette tempé- rature dépasse un seuil prédéterminé, la réduction du trans- fert de chaleur du circuit de réfrigérant au combustible en route pour être brûlé. 14 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la détection de la température du combustible dans les réservoirs et, si cette température dépasse un seuil prédéterminé, la réduction du transfert de t 536842 14 - chaleur du circuit de réfrigérant au combustible dans le réservoir. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la détection de la capacité de refroidissement d'au moins une partie du combustible et la dérivation d'un flux d'air provenant de l'hélice pour re- Froidir l'huile du réducteur seulement si la capacité de re- froidissement de ce combustible atteint un seuil prédéter- miné e