Brevet FR3003024A1 — publié le 20140912

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un échangeur de chaleur d'une veine de circulation d'air d'une turbomachine. Un tel échangeur est particulièrement adapté pour être installé dans une turbomachine d'un aéronef et, plus spécialement, un turboréacteur d'avion. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION On entend par "turbomachine", dans le présent contexte, toute machine permettant la conversion de l'énergie thermique d'un fluide de 10 travail en énergie mécanique par détente dudit fluide de travail dans une turbine. Plus particulièrement, ce fluide de travail peut être un gaz de combustion résultant de la réaction chimique d'un combustible avec de l'air dans une chambre de combustion. Ainsi, les turbomachines, telles que décrites dans le présent contexte, comprennent les turboréacteurs à flux 15 simple ou double, les turbopropulseurs, les turbomoteurs ou les turbines à gaz, entre autres. Dans la description qui suit, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation normal de l'air dans la veine de circulation d'air de la turbomachine. La veine de circulation d'air est définie 20 entre une structure fixe externe annulaire et une structure fixe interne annulaire de la turbomachine. Une turbomachine comporte de nombreux éléments comme les paliers à roulement supportant le ou les arbres de la turbomachine, qui nécessitent d'être à la fois lubrifiés et refroidis. Aussi, il est connu 25 d'alimenter ces éléments en huile "froide". Ainsi, certains turboréacteurs sont équipés d'un échangeur air-huile surfacique du type "SACOC " (pour "Surface Air-Cooled Oil-cooler") disposé dans une veine de circulation d'air du turboréacteur. Dans cet échangeur air-huile de type "SACOC" sont ménagés une multitude de 30 canaux dans lesquels circule l'huile à refroidir. L'échangeur comprend un corps surmonté d'ailettes présentant un profil trapézoïdal isocèle. Ces ailettes augmentent la surface d'échange thermique entre l'huile à refroidir circulant dans les canaux du corps et l'air circulant dans la veine du turboréacteur. Toutefois, ces ailettes génèrent également des pertes de 35 charges indésirables. Il existe donc un besoin pour un nouveau type d'échangeur de chaleur et, plus particulièrement d'échangeur air-huile. PRESENTATION DE L'INVENTION Le présent exposé concerne un échangeur de chaleur d'une veine de circulation d'air d'une turbomachine, la veine de circulation d'air étant délimitée entre une structure fixe externe annulaire et une structure fixe interne annulaire, l'échangeur de chaleur étant adapté pour être traversé par un fluide à refroidir et comprenant des ailettes faisant saillie par rapport à une surface d'une des structures fixes et s'étendant en hauteur 10 dans la veine de circulation d'air, chaque ailette s'étendant axialement, dans le sens de la circulation d'air, entre un bord d'attaque et un bord de fuite. Dans un plan médian passant par le bord d'attaque et le bord de fuite, le profil de chaque ailette est tel qu'un premier angle formé entre le profil du bord d'attaque et le profil de la surface de la structure fixe est 15 inférieur à un deuxième angle formé entre le profil du bord de fuite et le profil de la surface de la structure fixe, et tel que la hauteur du bord d'attaque est inférieure ou égale à la hauteur du bord de fuite. Un tel échangeur de chaleur est souvent appelé "échangeur de chaleur surfacique". 20 La structure fixe externe annulaire, dite OFS pour "Outer Fixed Structure" et la structure fixe interne annulaire, dite IFS pour "Inner Fixed Structure" font partie de la nacelle de la turbomachine. Les surfaces des structures fixes interne et externe canalisent entre elles le flux d'air qui circule dans la turbomachine et délimitent la veine de circulation d'air. 25 L'échangeur de chaleur peut être fixé sur ou partiellement intégré à l'une des structures fixes. Le bord d'attaque de chaque ailette définit l'extrémité amont de l'ailette et fait face à l'écoulement de l'air. Le bord de fuite définit l'extrémité aval de l'ailette et se situe à l'opposé du bord d'attaque par 30 rapport au sens de circulation de l'air. Chaque ailette comprend un bord d'attaque, un bord de fuite et deux faces latérales reliant le bord d'attaque au bord de fuite. La surface formée par les faces latérales et délimitée par le bord d'attaque, le bord de fuite et la crête de l'ailette définit une surface d'échange thermique. La chaleur (énergie thermique) dégagée par le 35 fluide "chaud" à refroidir est échangée avec l'air froid circulant dans la veine de circulation d'air venant au contact de la surface d'échange thermique de chaque ailette, ce qui permet de refroidir le fluide. En particulier, le fluide à refroidir peut être de l'air, du carburant ou de l'huile. Par comparaison avec l'art antérieur, le fait que le premier angle soit limité permet de diminuer l'interaction du bord d'attaque avec l'air et donc les pertes de charge. Le deuxième angle du bord de fuite est quant à lui supérieur au premier angle de manière à maintenir une surface d'échange thermique suffisante dans la partie aval de l'ailette. Ainsi, le premier angle peut être inférieur à 60 degrés (i.e. strictement inférieur à soixante degrés) et, de préférence, peut être compris entre 30 degrés et 50 10 degrés. Dans ce cas, avantageusement, le deuxième angle peut être égal à 60 degrés environ. De même, il est possible de limiter la hauteur du bord d'attaque pour diminuer les pertes de charge. Pour maintenir une surface d'échange thermique suffisante, la hauteur du bord de fuite est alors supérieure à 15 celle du bord d'attaque. Ainsi, dans certains modes de réalisation, le profil de l'ailette dans le plan médian est tel que la hauteur du bord d'attaque est inférieure (i.e. strictement inférieure) à la hauteur du bord de fuite. Ainsi, la hauteur du bord d'attaque peut être comprise entre 5 millimètres et 20 millimètres. La hauteur du bord de fuite peut être comprise 20 entre 1,1 fois la hauteur du bord d'attaque et 5 fois la hauteur du bord d'attaque. Au final, de telles dispositions permettent d'obtenir une ailette ayant un profil plus aérodynamique minimisant les pertes de charges, tout en conservant de bonnes performances d'échange thermique pour 25 l'échangeur de chaleur. Dans certains modes de réalisation, dans un premier plan de coupe longitudinal orthogonal au plan médian, la section de l'ailette au voisinage du bord d'attaque est effilée. En d'autres termes, l'épaisseur de l'ailette décroit progressivement lorsqu'on se rapproche du bord d'attaque de 30 l'ailette depuis la partie centrale de celle-ci. Ceci permet de faire subir à l'air un faible contournement lorsqu'il passe autour du bord d'attaque. Dans certains modes de réalisation, dans un premier plan de coupe longitudinal orthogonal au plan médian, la section de l'ailette au voisinage du bord de fuite est effilée. En d'autres termes, l'épaisseur de l'ailette 35 décroit progressivement lorsqu'on se rapproche du bord de fuite de l'ailette depuis la partie centrale de celle-ci. Grâce à ces dispositions, l'air subit une ouverture progressive lorsqu'il passe autour du bord de fuite. Dans certains modes de réalisation, le sommet du profil du bord d'attaque dans le plan médian est arrondi. Ceci permet de réduire la déviation subie par l'air et, ainsi, les pertes de charges. Dans un mode de réalisation, l'échangeur de chaleur est un échangeur air-huile. L'invention pourrait néanmoins s'appliquer à d'autres types d'échangeurs et, notamment, à un échangeur air-air ou air-carburant. 10 Le présent exposé concerne également un ensemble d'échangeur de chaleur de turbomachine comprenant un échangeur de chaleur tel que précédemment décrit, une structure fixe externe annulaire de turbomachine, et une structure fixe externe annulaire de turbomachine, l'échangeur de chaleur étant fixé sur ou partiellement intégré à l'une des 15 structures fixes. L'invention concerne également une turbomachine comprenant un tel ensemble d'échangeur de chaleur. Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de 20 réalisation de l'échangeur de chaleur proposé. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les dessins annexés sont schématiques et ne sont pas à l'échelle, ils visent avant tout à illustrer les principes de l'invention. 25 Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. La figure 1 est une demi-coupe axiale d'une veine de circulation d'air d'un turboréacteur comprenant un exemple d'échangeur de chaleur. La figure 2 est une vue de détail en perspective de l'échangeur de 30 chaleur de la figure 1, suivant la flèche II. La figure 3 est une vue de détail de l'échangeur de chaleur dans un plan médian de symétrie d'une ailette, repéré par les flèches sur la figure 2. La figure 4 est une vue agrandie de l'ailette de la figure 3 dans le 35 plan médian. La figure 5 est une vue agrandie de l'ailette de la figure 4, repérée par la zone entourée V sur la figure 4. La figure 6 représente la section de l'ailette de la figure 3, dans un premier plan de coupe longitudinal, orthogonal au plan médian, repéré par les flèches VI-VI sur la figure 3. DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION La figure 1 est une vue schématique d'une veine 10 de circulation d'air d'une turbomachine et plus précisément d'un turboréacteur d'avion. Il s'agit d'une vue en demi-coupe axiale par rapport à l'axe principale X du 10 turboréacteur autour duquel tourne le rotor du turboréacteur. La veine 10 de circulation d'air, ci-après appelée "veine", est symétrique ou quasi-symétrique autour de l'axe X. Le turboréacteur comprend un échangeur de chaleur. Dans cet exemple l'échangeur de chaleur est un échangeur air-huile 12 du type 15 "SACOC". Dans l'exemple, l'échangeur air-huile 12 est disposé à l'entrée de la veine 10. En outre, le turboréacteur comprend une structure fixe externe annulaire 14, appelée dans la suite de la description "structure fixe externe" et une structure fixe interne annulaire 16, appelée dans la suite 20 de la description "structure fixe interne". La direction de circulation de l'air dans la turbomachine est matérialisée par la flèche A. Comme illustré sur la figure 2, l'échangeur air-huile 12 selon l'invention comprend, dans cet exemple, un corps 18, annulaire, faisant partie de la structure fixe externe 14. L'échangeur air-huile 12 est donc 25 intégré en partie à la structure fixe externe 14, la surface extérieure 18S du corps 18 définissant une partie de la surface 14S de la structure fixe externe 14. Dans d'autres exemples de réalisation, l'échangeur air-huile 12 pourrait être intégré en partie à la structure fixe interne 16. Par ailleurs, l'échangeur air-huile 12 comprend des ailettes 20 reliées au corps 18. 30 Chaque ailette 20 est en saillie par rapport à la surface 14S de la structure fixe externe 14 et s'étend en hauteur dans la veine 10. Les ailettes 20 peuvent être parallèles entre elles. La figure 3 est une vue de l'échangeur air-huile 12 dans un plan médian P, repéré par les flèches de la figure 2. Ce plan médian P 35 passe par un bord d'attaque 30 et un bord de fuite 32 de l'ailette 20. Dans l'exemple, le plan médian P est un plan de symétrie de l'ailette 20. Le plan médian P correspond à un plan de coupe axial comprenant l'axe X. Le bord d'attaque 30 et le bord de fuite 32 de l'ailette 20 sont décrits plus en détail dans la suite de la description. Le corps 18 de l'échangeur air-huile 12 comporte un canal 24 d'entrée d'huile "chaude" à refroidir, une pluralité de canaux 26 dans lesquels circule l'huile "chaude", ainsi qu'un canal de sortie 28 permettant de récupérer l'huile "chaude". Le corps 18 de l'échangeur air-huile 12 pourrait toutefois comprendre d'autres canaux d'entrée, de circulation et de sortie de l'huile "chaude". 10 Comme on peut le voir en partie sur les figures 1 et 2, les ailettes 20 assurant l'échange de chaleur entre l'huile "chaude" et l'air "froid" circulant dans la veine 10, sont disposées circonférentiellement en face de de la structure fixe interne 16 de l'échangeur. Ces ailettes 20 sont fixées au corps 18 de l'échangeur 12 et font saillie par rapport à la surface 18S 15 du corps 18, c'est-à-dire par rapport à la surface 14S la structure fixe externe 14. Les ailettes 20 font donc saillie dans la veine 10 de circulation d'air. Les ailettes 20 sont disposées au niveau des canaux 26 de circulation de l'huile "chaude". L'huile "chaude" qui arrive dans le corps 18 et qui 20 demande à être refroidie, traverse la pluralité de canaux 26 de circulation. La chaleur dégagée par l'huile "chaude" est transférée à chaque ailette 20 en saillie dans la veine 10 de circulation dans laquelle circule de l'air froid. Ainsi, l'énergie thermique, "emmagasinée" dans chaque ailette 20, est transférée via la surface d'échange thermique de chaque ailette 20 à l'air 25 froid. Comme illustré sur les figures 3, 4 et 5, chaque ailette 20 comprend une extrémité amont définissant le bord d'attaque 30, faisant face à l'écoulement de l'air, et une extrémité aval définissant le bord de fuite 32. Par ailleurs, comme illustré plus spécifiquement sur la figure 2, 30 chaque ailette comprend deux faces latérales 33 reliant le bord d'attaque 30 au bord de fuite 32 (une seule face latérale 33 est visible sur la figure 2). Ainsi, la surface formée par les faces latérales 33 et délimitée par le bord d'attaque 30, le bord de fuite 32 et la crête 37 de l'ailette 20 définit une surface d'échange thermique. La surface d'échange thermique de 35 chaque ailette 20 est en contact avec l'air "frais" circulant dans la veine 10 de circulation d'air, ce qui permet de refroidir l'huile "chaude". En outre, si l'on se réfère aux figures 3 et 4, dans le plan médian P, le bord d'attaque 30 présente un profil 34, le bord de fuite 32 présente un profil 36, la crête 37 présente un profil 38, et la surface 14S de la structure fixe externe 14 présente un profil 40. Le profil 40 de la structure fixe externe 14 est sensiblement rectiligne sur toute la longueur de l'ailette 20. De même, dans le plan médian P, on définit l'angle Al comme étant l'angle défini entre le profil 40 de la surface 14S de la structure fixe externe 14 et la tangente T1 au profil 34 du bord d'attaque 30, la 10 tangente Ti étant prise à l'intersection 34A du profil 40 et du profil 34. De même, on définit l'angle A2 comme étant l'angle défini entre le profil 40 de la structure fixe externe 14 et la tangente T2 au profil 36 du bord de fuite 32, la tangente T2 étant prise à l'intersection 36A du profil 40 avec le profil 36. 15 L'angle Al du bord d'attaque 30 est inférieur à l'angle A2 du bord de fuite 32. L'angle Al du bord d'attaque 30 est strictement inférieur à 60 degrés et avantageusement compris entre 30 et 50 degrés. L'angle A2 du bord de fuite 32 est sensiblement égal à 60 degrés (i.e. égal à 60 degrés ou légèrement supérieur). 20 Grâce à cette disposition on réduit la déviation de l'écoulement de l'air lorsque celui-ci atteint une ailette et donc les pertes de charge. Comme illustré sur les figures 4 et 5, on définit, dans le plan médian P, un premier point d'intersection I1 comme étant le point d'intersection de la tangente Ti au bord d'attaque 30 avec la tangente T3 au profil 38 25 de la crête 37 de l'ailette 20, la tangente T3 étant prise au milieu 38A du profil 38. On définit également dans le plan médian P, un deuxième point d'intersection 12 comme étant le point d'intersection de la tangente T2 avec la tangente T3. On définit également, dans le plan médian P, la hauteur H1 du bord d'attaque 30 comme étant la distance entre le point 30 d'intersection Il et la projection orthogonale de ce point Il sur le profil 40 de la structure fixe externe 14. De même, on définit une hauteur H2 du bord de fuite 32 comme étant la distance entre le point d'intersection 12 et la projection orthogonale du point 12 sur le profil 40 de la structure fixe externe 14. 35 La hauteur H1 du bord d'attaque 30 est inférieure ou égale à la hauteur H2 du bord de fuite 32. De préférence, la hauteur H1 est strictement inférieure à la hauteur H2. Avantageusement, la hauteur H2 est comprise entre 1,1 fois la hauteur H1 et 5 fois la hauteur H1. En outre, la hauteur H1 peut être comprise entre 5 et 20 millimètres. Ces dispositions permettent de maintenir une surface d'échange thermique de l'ailette 20 satisfaisante en contact avec l'air « froid » entrant dans la veine 10 de circulation d'air, et ce, pour obtenir un refroidissement adéquat de l'huile "chaude" circulant dans les canaux 26 du corps 18. Dans le plan médian P, le sommet Si du profil 34 du bord d'attaque 30 peut être pointu ou arrondi. Lorsqu'il est pointu, le sommet Si est confondu avec le point d'intersection Il. Lorsqu'il est arrondi (comme dans l'exemple représenté), le sommet Si est en retrait par rapport au point d'intersection II (le sommet Si est une "approximation curviligne" du point d'intersection Il). Un tel sommet Si arrondi réduit la déviation de l'air circulant dans la veine 10, ceci réduisant les pertes de charge. De même, dans le plan médian P, le sommet S2 du profil 36 du bord de fuite 32 peut être pointu ou arrondi. Lorsqu'il est pointu, le sommet S2 est confondu avec le point d'intersection 12 (comme dans l'exemple représenté). Lorsqu'il est arrondi, le sommet S2 est en retrait par rapport au point d'intersection 12 (le sommet S2 est une "approximation curviligne" du point d'intersection 12). La figure 6 représente une section de l'ailette 20 dans un premier plan de coupe longitudinal P1, orthogonal au plan médian P, repéré par les flèches VI-VI de la figure 3. Dans ce plan P1, les sections 42 et 44 de l'ailette 20, respectivement, au voisinage du bord d'attaque 30 et du bord de fuite 32, sont effilées. Autrement dit, l'épaisseur de l'ailette 20 décroit lorsque l'on se rapproche progressivement, respectivement du bord d'attaque 30 et du bord de fuite 32, depuis la partie centrale 46 de l'ailette 20. Les modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes ou exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans la portée de l'invention. De plus, les différentes caractéristiques de ces modes ou exemples de réalisation peuvent être utilisées seules ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques décrites dans le présent exposé. En particulier, sauf précision contraire, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou exemple de réalisation. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (12) d'une veine (10) de circulation d'air d'une turbomachine, la veine (10) de circulation d'air étant délimitée entre une structure fixe externe annulaire (14) et une structure fixe interne annulaire (16), l'échangeur de chaleur (12) étant adapté pour être traversé par un fluide à refroidir et comprenant des ailettes (20) faisant saillie par rapport à une surface d'une des structures fixes et s'étendant en hauteur dans la veine (10) de circulation d'air, chaque ailette (20) s'étendant axialement, dans le sens de la circulation d'air, entre un bord d'attaque (30) et un bord de fuite (32), l'échangeur de chaleur (12) étant caractérisé en ce que le profil de chaque ailette (20) dans un plan médian (P) passant par le bord d'attaque (30) et le bord de fuite (32) est tel qu'un premier angle (A1) formé entre le bord d'attaque (30) et la surface de la structure fixe (14, 16) est inférieur à un deuxième angle (A2) formé entre le bord de fuite (32) et la surface de la structure fixe (14, 16), et tel que la hauteur (H1) du bord d'attaque (30) est inférieure ou égale à la hauteur (H2) du bord de fuite (32). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel le profil de l'ailette (20) dans le plan médian (P) est tel que la hauteur (H1) du bord d'attaque (30) est inférieure à la hauteur (H2) du bord de fuite (32) 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le profil de l'ailette (20) dans le plan médian (P) est tel que la hauteur (H2) du bord de fuite (32) est comprise entre 1,1 fois la hauteur (H1) du bord d'attaque (30) et 5 fois la hauteur (H1) du bord d'attaque (30). 4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le premier angle (A1) est inférieur à 60 degrés. 3 003 02 4 11 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le premier angle (Al) est compris entre 30 degrés et 50 degrés. 5 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la section (42) de l'ailette (20) au voisinage du bord d'attaque (30) dans un premier plan de coupe longitudinal (P1) orthogonal au plan médian (P), est effilée. 10 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, dans lequel la section (44) de l'ailette (20) au voisinage du bord de fuite (32) dans le premier plan de coupe longitudinal (Pl), est effilée. 8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 15 7, dans lequel le sommet (Si) du bord d'attaque (30) dans le plan médian (P) est arrondi. 9. Ensemble d'échangeur de chaleur de turbomachine comprenant, un échangeur de chaleur (12) selon l'une quelconque des revendications 20 1 à 8, une structure fixe externe annulaire (14), une structure fixe interne annulaire (16), l'échangeur de chaleur (12) étant fixé sur ou partiellement intégré à l'une des structures fixes (14, 16). 10.Turbomachine comprenant un ensemble d'échangeur de chaleur selon 25 la revendication 9.