Brevet FR3001253A1 — publié le 20140725

Domaine technique : La présente invention concerne le domaine de l'intégration des turboréacteurs équipant les aéronefs. Elle vise plus particulièrement la conception du système de lubrification en liaison avec le système d'anti givrage sur des éléments aérodynamiques tels que la nacelle. Exposé de l'art antérieur : La puissance thermique à évacuer avec l'huile sur les turbomachines est toujours plus importante, notamment celles équipées d'une soufflante entraînée par un réducteur à engrenages. De plus, cela doit se faire avec des contraintes d'encombrement fortes. En effet, sur une turbomachine équipée d'une boîte de transmission mécanique située autour du coeur propulsif, représentée en figure 1, la majorité des équipements sont installés dans la zone chaude (3) autour des compartiments moteur de diamètre restreint comportant la chambre de combustion ainsi que le compresseur et la turbine haute pression, au lieu de la zone froide (2) du compartiment de la soufflante. Cela permet de réduire le diamètre de la nacelle et d'améliorer les performances aérodynamiques. En contrepartie, ces équipements sont sujets à des contraintes thermiques importantes qui réchauffent d'autant plus l'huile de lubrification. Par ailleurs, lorsque le moteur rencontre des conditions givrantes pendant le vol, la partie amont de la nacelle du moteur, appelée lèvre d'entrée (4), comme d'autres éléments exposés (cône d'entrée du turboréacteur ou bords d'attaque des ailes) doit être réchauffée pour empêcher la glace de se former sur sa surface externe et ne pas réduire les performances aérodynamiques. On connaît l'utilisation de l'huile pour dégivrer le cône avant d'un turboréacteur d'avion (EP 1 965 040). On connaît aussi cette utilisation pour dégivrer la lèvre d'entrée d'air d'une nacelle (CA 2 471 259). Ce dernier document propose également : - de pallier à une fuite occasionnée par l'endommagement de cet échangeur par un moyen de régulation sur le circuit de refroidissement - de limiter le volume d'huile nécessaire pour mettre en contact l'huile avec la grande surface de la lèvre par l'utilisation de serpentins. Par contre, bien que l'optimisation du dispositif d'échange de chaleur ait été étudiée, le problème de la régulation du système en fonction des conditions opérationnelles (vol, décollage, phase de taxi) reste posé. En effet, si une surface importante, augmentant d'autant sa vulnérabilité, n'est pas consacrée à cet échangeur placé sur la lèvre, il sera insuffisant pour refroidir l'huile du moteur dans les phases de décollage et de taxi. On connaît des échangeurs surfaciques air/huile avec écope réglable (EP 2 472 067) pour moduler l'échange thermique en fonction des conditions opérationnelles. Cependant, ce document préconise de répartir ces échangeurs modulables sur la surface aérodynamique à refroidir. Cela présente le désavantage d'installer des systèmes complexes sur une grande surface. De plus cette surface est exposée à des chocs, notamment avec des oiseaux, comme cela a été relevé dans le document CA 2 471 259. L'endommagement de tels échangeurs peut faire perdre en premier la capacité à réguler le système de refroidissement. Dans tous les cas, les solutions existantes nécessitent, pour des raisons de sécurité, de maintenir un système de refroidissement surdimensionné avec des conséquences sur l'encombrement et les pertes aérodynamiques occasionnées. Exposé de l'invention: La présente invention a pour objectif de réaliser un système combinant le refroidissement de l'huile de la turbomachine et le dégivrage de l'entrée d'air, en optimisant la fonction de dégivrage et l'encombrement du système de refroidissement de l'huile. A cet effet, elle concerne un système de refroidissement d'huile d'une turbomachine installée dans une nacelle comportant un circuit apte à faire circuler l'huile entre le moteur et au moins un échangeur de chaleur externe mettant l'huile en communication thermique avec au moins une partie de la lèvre de la nacelle caractérisé en ce qu'il comporte en plus au moins un échangeur de chaleur air/huile mettant l'huile en communication thermique avec l'air circulant dans la zone froide de la turbomachine équipé d'un dispositif apte à faire varier sa capacité de refroidissement de l'huile, et d'un moyen de commande dudit dispositif de variation de capacité de refroidissement . La solution atteint son objectif car la possibilité de faire varier la capacité de refroidissement de l'échangeur air/huile permet : - de limiter la masse du système et de l'huile qui traverse l'échangeur positionné sur la lèvre de la nacelle en ne le dimensionnant pas pour les phases de vol auxquelles il n'est pas adapté ; - de limiter les pertes aérodynamiques associées à l'échangeur air/huile dans la zone froide du moteur pendant les phases de vol de croisière en le sollicitant peu lorsque l'échangeur externe est efficace. Pour l'échangeur thermique air/huile, dans le flux d'air secondaire de la partie froide, il sera préférentiellement utilisé une écope de prélèvement d'air dans l'écoulement de la zone froide, dont la géométrie est variable. En particulier, cette écope peut complètement fermer l'ouverture d'alimentation de l'échangeur thermique air/huile. Ainsi, l'échangeur thermique air/huile ne crée pas de pertes charge dans l'écoulement secondaire lorsqu'il n'est pas en fonction. Il est de plus avantageux d'utiliser une grande surface d'écope lorsque la capacité de l'échangeur thermique air/huile doit être maximale, ce qui permet de minimiser sa taille, donc les perturbations qu'il crée dans l'écoulement d'air. Avantageusement, l'échangeur thermique externe (10) a une capacité de refroidissement suffisante pour assurer seul la régulation thermique de l'huile en conditions de vol de croisière. Cela permet de fermer l'écope du second échangeur et donc d'optimiser les performances aérodynamiques du moteur en supprimant les prélèvements d'air lorsque cet échangeur n'est pas utile. Avantageusement, l'échangeur thermique externe (10) est constitué de canalisations d'huile de petites dimensions en contact avec le matériau constituant la surface de la portion du bord d'attaque où ledit premier échangeur est installé. L'utilisation des petites canalisations réparties et la limitation de surface minimisent la taille du circuit d'huile correspondant. La chaleur apportée par l'huile se répartie sur la surface à dégivrer par conductivité. De manière préférentielle, l'échangeur de chaleur externe est placé en série avec l'échangeur de chaleur air/huile, plus particulièrement après le réservoir. Pour réguler la température de l'huile, on fait varier la section de l'écope à géométrie variable. On peut ainsi maintenir une efficacité globale de refroidissement constante même quand l'efficacité de l'échangeur sur la lèvre varie avec la température. De manière avantageuse, c'est la mesure de cette efficacité globale qui sert à piloter la variation de section de l'écope. De manière préférentielle, un senseur de pression est placé sur la partie du circuit en entrée de l'échangeur de chaleur externe ainsi qu'un circuit de dérivation avec une vanne capable d'isoler cet échangeur de chaleur. L'échangeur thermique air/huile qui sert de secours dans ce cas là est situé dans une portion de l'écoulement protégée des chocs externes. De cette manière un système simple et fiable assure que l'endommagement de l'échangeur thermique externe n'entraîne pas la perte complète du système de lubrification. Description d'un mode de réalisation de l'invention : Le fonctionnement et les avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de sa mise en oeuvre sur une turbomachine, en référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 représente les zones d'une turbomachine concernées par l'invention ; La figure 2 représente un système selon l'état de l'art antérieur La figure 3 représente un système de refroidissement de l'huile selon l'invention La figure 4 représente un schéma de principe d'un échangeur de chaleur à écope variable La figure 5 représente un détail du dispositif d'échange thermique sur la nacelle. Un circuit de refroidissement selon l'art antérieur fonctionne de la manière décrite ci-après, correspondant à la figure 2. Un groupe de lubrification (7), comprenant l'ensemble des mécanismes activant et dirigeant l'huile dans le circuit de refroidissement, est placé au plus près de la turbomachine, dans la zone chaude. Ce groupe de lubrification pompe l'huile stockée dans un réservoir (6) installé dans la zone froide et l'envoie dans la turbomachine (1) pour assurer la lubrification des composants moteurs, tels que les roulements et les engrenages. Le groupe de lubrification (7) aspire au moyen d'une série de pompes l'huile passée dans la turbomachine et l'envoie vers des échangeurs thermiques situés dans la zone froide. Un premier type d'échangeur (8) utilise la chaleur de l'huile pour réchauffer le carburant de manière à ce qu'il ne givre pas. D'autre part, un ou plusieurs échangeurs air/huile, (9) refroidissent l'huile au contact de l'écoulement d'air dans la zone froide, de préférence l'écoulement secondaire dans la soufflante pour les turboréacteurs à double flux, et assurent la régulation de la température d'huile pour son utilisation dans le moteur. Au sortir des échangeurs, l'huile est renvoyée dans le réservoir. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, tel que présenté dans son principe sur la figure 3, les principales différences par rapport à l'art antérieur résident dans l'ajout d'un circuit envoyant l'huile vers un dispositif (10), formant un échangeur thermique externe entre l'huile et la lèvre de l'entré d'air, et dans l'adaptation de l'échangeur air/huile (9) pour l'équiper d'un dispositif de variation de sa capacité de refroidissement, avec un moyen de commande dudit dispositif. De manière préférentielle, le circuit comprenant l'échangeur thermique externe (10) est situé entre le réservoir et le moteur, donc en série après les échangeurs thermiques air/huile (9) situés dans la zone froide. Cette disposition permet de limiter les modifications de conception du circuit de refroidissement sur un moteur existant, notamment sans ajouter de pompes supplémentaires à celles groupe de lubrification (7) pour aspirer l'huile dans l'échangeur thermique externe. Cet échangeur thermique (10) sur la lèvre de la nacelle remplit deux fonctions - il permet de réchauffer la lèvre de la nacelle et sert donc de dispositif d'anti givrage en évitant d'avoir recours à des dispositifs nécessitant une source d'énergie complémentaire (résistances chauffantes, boudins pneumatiques) ou pénalisant le fonctionnement du moteur (prélèvement d'air chaud à partir des zones chaudes) ; - il participe à la fonction de régulation de température de l'huile et permet de diminuer le dimensionnement des échangeurs air/huile (9) dans la zone froide. Il est connu plusieurs façons de réaliser un échangeur de chaleur de l'huile avec les parties amont d'éléments aérodynamiques exposés au givrage sur l'avion, tels que la lèvre d'entrée d'air de la nacelle, le cône amont du réacteur, les bords d'attaque des séparateurs de l'écoulement secondaire dans l'étage de la soufflante, voire les bords d'attaques d'un aile. Un mode de réalisation préféré pour la mise en oeuvre de l'invention, illustré sur la figure 5, consiste à utiliser des petites canalisations (15) réparties sur la zone de prévention du givre. Ces canalisations sont au contact de la peau métallique constituant la lèvre de la nacelle, par sa surface interne, ainsi que c'est représenté sur la figure 5. On utilise alors la conductivité du matériau de la lèvre pour répartir de manière homogène la chaleur acheminée par l'huile et ainsi dégivrer la surface extérieure. Le diamètre de la section des canalisations est petit par rapport aux grandeurs caractérisant la zone de la lèvre concernée par les échanges thermiques. Ce diamètre est en fait de taille comparable à la largeur de peau influencée par conductivité autour de la canalisation. Avantageusement, cette configuration réduit la quantité d'huile supplémentaire nécessaire à cause de la grande surface à couvrir pour refroidir la lèvre de la nacelle. De manière accessoire, ce dispositif peut être installé également sur le bord d'attaque d'autres éléments aérodynamiques extérieurs à la turbomachine proches, comme des bords d'attaque de profil aérodynamique. Les fortes variations de l'efficacité pour le refroidissement de l'huile de cet échangeur externe en fonction des conditions opérationnelles nécessitent l'utilisation d'au moins un échangeur thermique complémentaire. En effet, lorsque l'avion est au sol, en particulier dans les régions chaudes, la lèvre d'entrée est moins efficace pour refroidir l'huile alors que le moteur continue de la réchauffer durant les phases de taxi et de décollage. Par contre, dans des conditions de vol de croisière, il est possible de le dimensionner pour assurer à la fois le dégivrage et le refroidissement de l'huile. Il n'est donc pas optimal de dimensionner cet échangeur pour couvrir la fonction de refroidissement à toutes les conditions opérationnelles. Par contre, sa présence permet de réduire de manière importante le dimensionnement du, ou des échangeurs air/huile (9) dans la zone froide (3). L'échangeur air/huile (9) est dimensionné pour avoir une capacité de refroidissement maximale lors des phases opérationnelles où l'échangeur (10) situé sur la lèvre de la nacelle est le moins efficace. Compte tenu des caractéristiques de fonctionnement du moteur durant ces phases, cela diminue quand même le dimensionnement de l'échangeur air/huile (9) par rapport à l'état de l'art. Cet échangeur air/huile (9) fonctionne, ainsi que c'est représenté sur la figure 4, en prélevant une partie du flux d'air secondaire par une ouverture (14) dans la paroi où il est installé. Son encombrement est inversement proportionnel au débit d'air qui le traverse. Un mode de réalisation préférentiel utilise donc une ouverture (14) maximale compatible avec les contraintes d'installation. La combinaison des deux types d'échangeurs, dimensionnés chacun pour des conditions opérationnelles particulières, offre dans certaines phase de vol une capacité de refroidissement trop importante au détriment des performances de l'aéronef, notamment à cause du prélèvement d'air par l'ouverture (14). Il est donc intéressant de la réguler. Le moyen de réguler le refroidissement de l'huile en fonction des conditions opérationnelles est obtenu selon l'invention en dotant l'échangeur air/huile d'un coefficient d'échange variable avec l'écoulement d'air traversant la zone froide. Il est connu plusieurs façons de réaliser un échangeur air/huile (9) à capacité de refroidissement variable. Dans un mode de réalisation préférentiel, on utilise un échangeur air/huile tel que décrit précédemment et on l'équipe d'une écope (13) qui règle le débit de ce flux prélevé en s'écartant plus ou moins de l'ouverture (14). Un moyen de commande (15) du moyen de variation de la capacité de refroidissement de l'échangeur air/huile (9) complète la régulation du système de refroidissement de l'huile. Ce moyen de commande a un fonctionnement simple du fait de l'installation en série des échangeurs car il lui suffit de piloter l'efficacité de l'échangeur air/huile (9) en fonction de l'efficacité constatée de la globalité du système de refroidissement sans avoir à interagir avec le groupe de lubrification (7) ou à activer des vannes. De manière préférée, le moyen de pilotage n'est pas installé dans la zone chaude et une mesure de température dans le réservoir (6) sert à évaluer l'efficacité globale du système de refroidissement. Pour un échangeur air/huile (9) tel que décrit sur la figure 4, les pertes aérodynamiques engendrées sont proportionnelles au débit d'air prélevé. Dans un mode de réalisation préféré, l'échangeur de lèvre de nacelle (10) est dimensionné pour assurer seul le refroidissement de l'huile dans au moins certaines phases de vol. Alors, le dispositif de pilotage (15) peut fermer l'écope de l'échangeur, ce qui permet d'annuler les pertes aérodynamiques dues au prélèvement d'air. La mise en oeuvre de l'invention permet donc d'optimiser les composants du système de refroidissement d'huile qui se fera préférentiellement en deux étapes. Premièrement, l'échangeur thermique de la lèvre de la nacelle (10) est dimensionné de manière à la fois, à supprimer des équipements de dégivrage nacelle impliquant des sources d'énergie complémentaire et à assurer la régulation thermique de l'huile durant les conditions de vol de croisière de l'aéronef. Ensuite, l'échangeur air/huile est dimensionné avec son écope pour minimiser l'encombrement dans la zone froide et réduire voir supprimer tous les prélèvements d'air pour refroidir l'huile dans la majorité des phases de vol. Enfin, ce dispositif minimise les risques en cas d'impact de la nacelle avec un oiseau, par exemple. En cas d'endommagements de ce type, l'huile doit continuer d'assurer son rôle même si le circuit de refroidissement mis en place est endommagé ou rompu. Il faut noter que ce risque touche essentiellement l'échangeur (10) placé sur la lèvre d'entrée d'air de la nacelle, la partie du circuit comportant notamment le réservoir (6) et l'échangeur (9), situés dans la zone froide du turboréacteur est protégée. Dans un mode de réalisation adapté à cette éventualité, un moyen de dérivation, représenté sur la figure 3, est installé en sortie du réservoir. Il comporte un capteur de pression (11), placé entre le réservoir et l'échangeur thermique (10) de la lèvre d'entrée d'air, un circuit de dérivation permettant de renvoyer directement l'huile du réservoir vers le groupe de lubrification (7) et une vanne de distribution (11) entre ce circuit de dérivation et l'alimentation de l'échangeur (10). Lorsque le capteur (11) détecte une variation de pression importante dans la branche allant vers l'échangeur (10), il envoie un signal vers la vanne de distribution (11) qui dirige tout le débit d'huile directement vers le groupe de lubrification (7). De cette façon, la lubrification du moteur n'est jamais interrompue. REVENDICATIONS1. Système de refroidissement d'huile d'une turbomachine installée dans une nacelle comportant un circuit apte à faire circuler l'huile entre le moteur et au moins un échangeur de chaleur externe (10) mettant l'huile en communication thermique avec au moins une partie (4) de la lèvre de la nacelle caractérisé en ce qu'il comporte en plus au moins un échangeur de chaleur air/huile (9) mettant l'huile en communication thermique avec l'air circulant dans la zone froide de la turbomachine, équipé d'un dispositif (13) apte à faire varier sa capacité de refroidissement de l'huile, et d'un moyen de commande dudit dispositif de variation de capacité de refroidissement. 2. Système de refroidissement d'huile d'une turbomachine installée dans un aéronef selon la revendication 1 dans lequel le dispositif de variation de capacité de refroidissement est une écope de prélèvement (13) à géométrie variable, de l'air dans l'écoulement de la zone froide. 3. Système de refroidissement d'huile d'une turbomachine installée dans un aéronef selon la revendication 2 dans l'écope de prélèvement (13) peut complètement fermer l'ouverture (14) alimentant l'échangeur air/huile (9). 4. Système de refroidissement d'huile d'une turbomachine installée dans une nacelle selon la revendication 1 dans lequel l'échangeur externe (10) a une capacité de refroidissement suffisante pour assurer seul la régulation thermique de l'huile en conditions de vol de croisière. 5. Système de refroidissement d'huile d'une turbomachine installée dans une nacelle selon la revendication 1 dans lequel l'échangeur externe (10) est constitué de canalisations d'huile de petit diamètre en contact avec la peau métallique constituant la surface de la partie (4) de l'élément aérodynamique (5) qu'il doit réchauffer. 6. Système de refroidissement d'huile d'une turbomachine installée dans une nacelle selon la revendication 1 dans lequel l'échangeur de chaleur externe (10) est placé en série avec l'échangeur de chaleur air/huile (9). 7. Système de refroidissement d'huile d'une turbomachine installée dans une nacelle selon la revendication 1 dans lequel le moyen de commande du dispositif de variation de l'efficacité de refroidissement de l'échangeur de chaleur air/huile (9) comprend un moyen de mesure de l'efficacité globale dudit système de refroidissement d'huile . 8. Système de refroidissement d'huile d'une turbomachine installée dans une nacelle selon la revendication 1 comprenant un senseur de pression (11) sur la partie du circuit d'huile en entrée de l'échangeur de chaleur externe (10) et un circuit de dérivation avec une vanne (12) capable d'isoler ledit échangeur de chaleur externe. 9. Ensemble propulsif pour un avion comprenant : - un turboréacteur, - une nacelle entourant le turboréacteur avec une entrée d'air alimentant celui-ci et définissant la lèvre de la nacelle, - ladite lèvre de la nacelle étant équipée de canalisations aptes à mettre de l'huile provenant du circuit de refroidissement du turboréacteur en contact avec sa peau, et - un système de refroidissement d'huile du turboréacteur selon l'une des revendications précédentes.