Brevet FR3015654A1 — publié le 20150626

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne un échangeur de chaleur d'un canal 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, ETAT DE LA TECHNIQUE 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 d'alimenter ces éléments en huile « froide ». Ainsi, certains turboréacteurs sont équipés d'un échangeur air-huile surfacique du type SACOC (en anglais, « Surface Air-Cooled Oil-cooler ») disposé dans un canal de circulation d'air du turboréacteur. Dans cet échangeur air-huile de type SACOC sont ménagés une multitude de 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 le canal de circulation d'air du turboréacteur. Toutefois, ces ailettes génèrent également des pertes de charges indésirables. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention permet d'améliorer les échangeurs de chaleur de type connu et concerne à cet effet, selon un premier aspect, l'échangeur de chaleur d'un canal de circulation d'air d'une turbomachine, l'échangeur de chaleur étant configuré pour être traversé par un fluide à refroidir et comprend une pluralité d'ailettes faisant saillie par rapport à une surface support, l'échangeur de chaleur étant caractérisé en ce que chaque ailette comprend une base et une face d'attaque, de préférence continue, qui s'étend, à partir de la base, axialement dans le sens de la circulation d'air en s'effilant de l'amont vers l'aval selon un axe parallèle à la surface support. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : la face d'attaque s'élève à partir de la base de l'ailette en contact avec la surface support jusqu'à une hauteur maximale selon un axe perpendiculaire à la surface support ; - chaque ailette s'élève à partir de la base selon un profil parabolique défini dans un plan médian perpendiculaire à la surface support le profil parabolique étant suivi d'un profil droit parallèle à la surface support ; - le profil parabolique est convexe ou concave ; - chaque ailette s'étend à partir d'un bord d'attaque en incidence avec le fluide à refroidir, le bord d'attaque s'étendant à partir de la base de l'ailette, le bord d'attaque étant défini par une fonction conique présentant une tangente à la base formant un angle positif avec un axe perpendiculaire à la surface support ; - l'angle positif avec un axe perpendiculaire à la surface support est compris entre 0° et 60°, typiquement égal à 30° ; - chaque ailette s'effile selon un axe z perpendiculaire à la surface support selon la fonction f(y)-b/2*(1-z/h)2+g(x)+cte, où g(x)-a/2*(1-x/L)2.6(z,h) est l'effilement selon un axe x parallèle au sens de l'écoulement de l'air, y est un axe perpendiculaire au sens de l'écoulement de l'air et parallèle à la surface support, L est la longueur axiale d'une ailette, b est la largeur de la base de l'ailette, h est la hauteur maximale de l'ailette ; - la base de chaque ailette est rectangulaire. Selon un second aspect, l'invention concerne une turbomachine comprenant un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes. La turbomachine selon le second aspect comprend avantageusement un canal de circulation d'air délimité entre une première structure fixe annulaire et une seconde structure fixe annulaire, la surface support de l'échangeur étant une surface d'une des structures fixes. Les avantages de l'invention sont multiples. La forme effilée des ailettes, grâce à une bonne répartition de la matière, permet de faire évoluer la température linéairement de la base de l'ailette vers son extrémité et de l'amont vers son aval dans l'axe de l'écoulement de l'air. Grace à la réduction de matière, la masse de l'échangeur est ainsi réduite. En outre, l'espace inter-ailettes se voit augmenté de l'amont vers l'aval et de la base vers l'extrémité. Ceci limitera les pertes de charges. En effet, grâce à une section de passage plus grande, le fluide décélère par rapport à l'art antérieur dans lequel la section de passage entre les ailettes est inférieure.35 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre vue schématique d'un canal de circulation d'air d'un turboréacteur comprenant un échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 2 illustre une vue de côté d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 3 illustre une vue de profil d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 4 illustre une vue de profil d'une ailette d'un échangeur selon l'invention ; - la figure 5 illustre une vue du profil d'une ailette d'un échangeur selon l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On entend dans ce qui suit par « turbomachine », toute machine permettant la conversion de l'énergie thermique d'un fluide de 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 ici, comprennent les turboréacteurs à flux simple ou double, les turbopropulseurs, les turbomoteurs ou les turbines à gaz, entre autres. Dans ce qui suit, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation normal de l'air dans le canal de circulation d'air de la turbomachine. Le canal de circulation d'air est par exemple défini entre une structure fixe externe notamment annulaire et une structure fixe interne annulaire de la turbomachine. Bien entendu, le canal de circulation d'air peut être non annulaire. La figure 1 est une vue schématique d'un canal 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 principal X du turboréacteur. Le canal 10 de circulation d'air est symétrique ou quasi-symétrique autour de l'axe X. Le turboréacteur comprend un échangeur de chaleur 12. Dans cet exemple l'échangeur de chaleur est un échangeur de chaleur 12 air-huile du type SACOC. Dans l'exemple, l'échangeur de chaleur 12 est disposé à l'entrée du canal 10 de circulation. 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 de la description « structure fixe interne ». La direction de circulation de l'air dans la turbomachine est matérialisée par la flèche A. L'échangeur de chaleur 12 comprend, dans cet exemple, un corps 18, annulaire, faisant partie de la structure fixe externe 14. L'échangeur de chaleur 12 est donc 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 de chaleur 12 peut être intégré en partie à la structure fixe interne 16. L'échangeur de chaleur 12 comprend des ailettes 20 reliées au corps 18. Chaque ailette 20 est en saillie par rapport à la surface 14S de la structure fixe externe 14 et s'étend en hauteur dans le canal 10 de circulation d'air. Les ailettes 20 sont de préférence parallèles entre elles. La surface 14S de la structure fixe externe 14 est ci-après appelée « surface support ». La figure 2 est une vue de côté de l'échangeur de chaleur 12 prise selon un plan médian P perpendiculaire à la surface support 14S de l'échangeur de chaleur 12. Ce plan médian P est un plan de symétrie de l'ailette P et correspond à un plan de coupe axial comprenant l'axe principal X du turboréacteur. Le corps 18 de l'échangeur de chaleur 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 « froide ». Le corps 18 de l'échangeur de chaleur 12 peut toutefois comprendre d'autres canaux d'entrée, de circulation et de sortie de l'huile. 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 le canal de circulation d'air 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 du corps 18, c'est-à-dire par rapport à la surface 14S de la structure fixe externe 14 qui est la surface support. Les ailettes 20 font donc saillie dans le canal de circulation d'air 10. 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 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 le canal 10 de circulation d'air dans lequel circule de l'air froid. Ainsi, l'énergie thermique, « emmagasinée » dans chaque ailette 20, est transférée via une surface d'échange thermique de chaque ailette 20 à l'air froid. Comme illustré sur la figure 2, chaque ailette 20 comprend une extrémité amont définissant dans le plan médian P un 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, chaque ailette 20 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 chaque ailette 20 est en contact avec l'air « frais » circulant dans le canal 10 de circulation d'air, ce qui permet de refroidir l'huile « chaude ». En relation avec la figure 3 et la figure 4, chaque ailette 20 comprend une base 200 et une face d'attaque 201, de préférence continue, qui s'étend, à partir de la base 200, axialement selon une longueur axiale L dans le sens de la circulation d'air en s'effilant de l'amont vers l'aval selon un axe X parallèle à la surface support 14, 16. En particulier, toujours en relation avec ces figures, la face d'attaque 201 s'élève à partir de la base 200 de l'ailette 20 en contact avec la surface support 14, 16 jusqu'à une hauteur h maximale selon un axe z perpendiculaire à la surface support (au-dessus de la surface support 14, 16). La crête de l'ailette 37 est donc à la hauteur h et le bord de fuite 32 est donc à l'extrémité avale de l'ailette 20. La base 200 de l'ailette 20 est, de préférence, rectangulaire. Comme on peut le voir sur la figure 4, chaque ailette 20 s'élève selon un profil P1 parabolique définit dans un plan P médian perpendiculaire à la surface support, le profil P1 parabolique étant suivit d'un profil P2 droit parallèle à la surface support. Le profil P1 parabolique est soit concave soit convexe. Le bord de fuite 32 est de forme quelconque par exemple triangulaire perpendiculaire à la base 200 de l'ailette 20. Ainsi, comme on l'aura compris la face d'attaque 201 de l'ailette s'effile verticalement et horizontalement par rapport à la surface support de l'ailette 20. En relation avec la figure 5, chaque ailette 20 s'étend à partir du bord 30 d'attaque en incidence avec l'air circulant dans le canal 10 de circulation d'air, le bord d'attaque 30 s'étendant à partir de la base 200 de l'ailette 20, le bord d'attaque étant défini par une fonction conique présentant une tangente T à la base formant un angle e° positif avec un axe perpendiculaire à la surface support 14S. L'angle positif e° avec un axe perpendiculaire à la surface support est compris entre 0° et 60°, typiquement égal à 30°. De manière avantageuse, chaque ailette 20 s'effile selon un axe z perpendiculaire à la surface support selon la fonction suivante f(y)=b/2*(1-z/h)z+g(x)-Ecte, avec b la largeur de la base 200 de l'ailette 20, h la hauteur maximale de l'ailette 20, cte une valeur prédéterminée, y un axe perpendiculaire au sens de l'écoulement de l'air et parallèle à la surface support, g(x) l'effilement selon un axe x parallèle au sens de l'écoulement de l'air (c'est-à-dire le profil des arêtes de l'ailette 20) défini par la fonction suivante : g(x)-a/2*(1-x/L)2.6(z,h), avec a la largeur de l'ailette à l'extrémité à partir de laquelle l'ailette s'étend uniquement selon l'axe x parallèle à la surface support, y est un axe perpendiculaire au sens de l'écoulement de l'air et parallèle à la surface support, L est la longueur axiale d'une ailette, b est la largeur de la base de l'ailette 20, h est la hauteur maximale de l'ailette 20, 6(z,h)=1 si et seulement si z=h et 0 sinon. De manière préférée : - la longueur L axiale de chaque ailette 20 est comprise entre 7 cm et 16cm ; - la largeur b de la base 200 de chaque ailette 20 est compris entre 0,5 mm et 1,5 mm ; - la largeur a de chaque ailette 20 à l'extrémité à partir de laquelle l'ailette s'étend uniquement selon l'axe x parallèle à la surface support est compris entre 0,2 mm et 1 mm ; - la hauteur maximale h de chaque ailette 20 est comprise entre 12 mm et 23 MM. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (12) d'un canal (10) de circulation d'air d'une turbomachine, l'échangeur de chaleur étant configuré pour être traversé par un fluide à refroidir et comprend une pluralité d'ailettes (20) faisant saillie par rapport à une surface support (14, 16), l'échangeur de chaleur (12) étant caractérisé en ce que chaque ailette (20) comprend une base (200) et une face d'attaque (201), de préférence continue, qui s'étend, à partir de la base (200), axialement dans le sens de la circulation d'air en s'effilant de l'amont vers l'aval selon un axe (x) parallèle à la surface support. 2. Echangeur de chaleur (12) selon la revendication 1, dans lequel la face d'attaque (201) s'élève à partir de la base (200) de l'ailette (20) en contact avec la surface support (14, 16) jusqu'à une hauteur (h) maximale selon un axe (z) perpendiculaire à la surface support (14, 16). 3. Echangeur de chaleur (12) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque ailette (20) s'élève à partir de la base (200) selon un profil (P1) parabolique défini dans un plan (P) médian perpendiculaire à la surface support le profil parabolique étant suivi d'un profil droit (P2) parallèle à la surface support. 4. Echangeur de chaleur (12) selon la revendication précédente, dans lequel le profil (P1) parabolique est convexe ou concave. 5. Echangeur de chaleur (12) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel 25 chaque ailette (20) s'étend à partir d'un bord d'attaque en incidence avec le fluide à refroidir, le bord d'attaque s'étendant à partir de la base (200) de l'ailette (20), le bord d'attaque étant défini par une fonction conique présentant une tangente à la base formant un angle (e°) positif avec un axe perpendiculaire à la surface support. 30 6. Echangeur de chaleur (12) selon la revendication précédente, dans lequel l'angle positif (e°) avec un axe perpendiculaire à la surface support est compris entre 0° et 60°, typiquement égal à 30°. 7. Echangeur de chaleur (12) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel 35 chaque ailette (20) s'effile selon un axe z perpendiculaire à la surface support selon 20lafonction f(y)-b/2*(1-z/h)2+g(x)-Ecte, où g(x)-a/2*(1-x/L)2.6(z,h) est l'effilement selon un axe x parallèle au sens de l'écoulement de l'air, y est un axe perpendiculaire au sens de l'écoulement de l'air et parallèle à la surface support, L est la longueur axiale d'une ailette (20), b est la largeur de la base de l'ailette (20), h est la hauteur maximale de l'ailette (20). 8. Echangeur de chaleur (12) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la base (200) de chaque ailette (20) est rectangulaire. 9. Turbomachine comprenant un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes. 10. Turbomachine selon la revendication précédente, comprenant un canal (10) de circulation d'air délimité entre une première structure fixe annulaire (14) et une seconde structure fixe annulaire (16), la surface support de l'échangeur étant une surface d'une des structures fixes.