Brevet FR3012212A1 — publié le 20150424

ECHANGEUR DE CHALEUR POUR TURBOMACHINE La présente invention concerne un échangeur de chaleur dans une turbomachine ainsi qu'une turbomachine comprenant un tel échangeur. Classiquement, une turbomachine comprend plusieurs échangeurs de chaleur, certains étant du type huile/carburant et étant utilisés pour réchauffer le carburant par transfert de chaleur de l'huile vers le carburant. Ainsi, un type connu d'échangeur de chaleur comprend une paroi ou plaque comportant une pluralité de perforations communiquant avec des tubes s'étendant dans une enceinte à l'intérieur de laquelle de l'huile est amenée à circuler entre une entrée et une sortie. Les tubes sont par exemple fixés mécaniquement par sertissage à froid dans la plaque. Les tubes sont alimentés en carburant. Ainsi, lorsque l'huile est comparativement plus chaude que le carburant, elle permet un réchauffage du carburant. Toutefois, en fonctionnement, il a été observé que le carburant peut givrer, conduisant à une accumulation de glace ou de glace gorgée d'eau (connu sous le terme de « slush » en anglais) dans les perforations de l'échangeur, bloquant ainsi l'écoulement de carburant dans le circuit carburant, et pouvant provoquer une baisse du débit d'alimentation des injecteurs de la chambre de combustion. La présente invention apporte une solution simple, efficace et économique à ce problème. A cette fin, l'invention propose un échangeur de chaleur entre deux fluides comprenant une enceinte comportant au moins une entrée et une sortie pour la circulation d'un premier fluide dans l'enceinte laquelle est délimitée par au moins une paroi étanche comprenant une pluralité de perforations d'entrée d'un second fluide dans l'enceinte, ces perforations communiquant avec des extrémités amont de tubes s'étendant dans l'enceinte et dans lesquels le second fluide est apte à circuler pour l'échange de chaleur entre les premier et second fluides, caractérisé en ce que la paroi comprend des parties en saillie à l'intérieur de l'enceinte de manière à augmenter la surface d'échange de chaleur de la paroi au contact du premier fluide. Selon l'invention, la paroi comportant les perforations d'alimentation des tubes en second fluide, comprend des parties en saillie à l'intérieur de l'enceinte. Ces parties baignent dans le premier fluide et permettent lorsque le premier fluide est plus chaud que le second fluide, un réchauffement de la paroi portant les perforations d'entrée du second fluide dans l'enceinte. Ainsi, on augmente la surface d'échange de chaleur au niveau de la paroi par rapport à la technique antérieur, ce qui permet une augmentation de température de la paroi et permet de réduire les risques d'accumulation de glace gorgée d'eau dans les orifices d'entrée. On assure ainsi une meilleure sécurité de fonctionnement de l'échangeur. Ainsi, la paroi ou plaque tubulaire est réchauffée à la fois par la convection du premier fluide dans l'enceinte et par conduction de la chaleur des tubes vers la paroi et également en plus par la conduction de chaleur des parties en saillie vers la paroi. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'entrée de l'enceinte est agencée de manière à ce que le flux du premier liquide soit dirigé vers les parties en saillie. De cette façon, lorsque le flux du premier liquide est plus chaud que le flux du second liquide, cet agencement permet de conduire directement le flux entrant du premier liquide vers la paroi et les parties en saillie, assurant ainsi un réchauffement optimal des orifices d'entrée du second fluide. L'entrée de l'enceinte débouche préférentiellement sensiblement parallèlement à la paroi plane. Dans une réalisation particulière de l'invention, les extrémités aval des tubes communiquent avec des perforations de la paroi pour la sortie du second fluide de l'enceinte. Les tubes peuvent par exemple avoir un profil en U. Dans cette configuration, la paroi comprend à la fois des perforations d'entrée et des perforations de sortie du second fluide. Avantageusement, les parties en saillie sont agencées entre les extrémités amont et aval des tubes de circulation du second fluide. Les parties en saillie peuvent également être formées sur le pourtour de la paroi et entourent au moins partiellement les extrémités amont et/ou aval des tubes. Dans une réalisation possible, les parties en saillie peuvent comprendre des cylindres ou des ailettes formés par exemple par usinage au moyen d'une fraise ou rapportés sur la surface de la paroi qui est agencée à l'intérieur de l'enveloppe. Selon une autre caractéristique de l'invention, les tubes s'étendent depuis la paroi au travers de cloisons sensiblement parallèles à la paroi et espacées les unes des autres le long des tubes , au moins certains des disques comprenant des ouvertures pour la circulation du premier fluide entre l'entrée et la sortie. Ces cloisons ou disques assurent une circulation optimale du premier fluide dans l'enceinte au contact des tubes de passage du second fluide de manière à augmenter l'efficacité de l'échange entre les premier et second fluides. Dans une autre configuration d'échangeur de chaleur, les extrémités aval des tubes communiquent avec des perforations formées dans une seconde paroi agencée à distance de la première paroi et délimitant une partie de l'enceinte. Ainsi, dans cette configuration, l'échangeur comprend deux parois perforées dont l'une sert à l'entrée du second liquide dans l'enceinte et la seconde sert à la sortie du second liquide de l'enceinte. L'invention concerne également un ensemble comprenant au moins un circuit d'huile et un circuit de carburant dans une turbomachine, cet ensemble comprenant au moins un échangeur de chaleur du type décrit ci- dessus, le premier fluide étant de l'huile et le second fluide étant du carburant. 3012 2 12 4 L'invention concerne encore une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant un ensemble comme décrit au paragraphe précédent. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et 5 caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un échangeur de chaleur à une seule paroi tubulaire selon la technique antérieure ; 10 la figure 2 est une vue schématique selon un plan de coupe perpendiculaire à la paroi tubulaire de la figure 1 ; la figure 3 est une vue schématique selon un plan de coupe perpendiculaire à la paroi tubulaire d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; 15 la figure 4 est une vue schématique en perspective de la paroi tubulaire de la figure 3 ; la figure 5 est une vue schématique en perspective d'une variante des parties en saillie ; la figure 6 est une vue schématique en coupe d'une variante de 20 réalisation d'un échangeur ce chaleur selon l'invention. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente un échangeur de chaleur 10 selon la technique connue destinée à réaliser un échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide. Dans l'exemple décrit ci-après le premier fluide est de l'huile circulant dans un circuit d'huile 25 alimentant des équipements tels que des paliers de roulement par exemple et le second fluide est du carburant alimentant des injecteurs ou des dispositifs hydrauliques. L'échangeur de chaleur 10 comprend une calandre 12 externe (représentée schématiquement) cylindrique délimitant intérieurement et 30 avec une paroi 14 ou plaque tubulaire une enceinte cylindrique 16 de circulation de l'huile. A cette fin, la calandre 12 comprend une entrée 18 agencée à une extrémité de l'enceinte et à proximité immédiate de la paroi 14 et une sortie d'huile 20 agencée à l'opposée de la paroi 14. La paroi 14 comprend des orifices ou perforations 22 débouchant de part et d'autre. Des tubes de circulation 24 de carburant montés dans l'enceinte 16 sont emmanchés dans les orifices 21, 22 de la paroi 14 et sont maintenus par des férules insérées dans les extrémités libres des tubes et déformées plastiquement. Dans la configuration représentée en figure 1, les tubes 24 de circulation de carburant sont à profil en U comprenant une première branche 26 et une seconde branche 28 raccordée par une branche 30 sensiblement transverse aux première 26 et seconde 28 branches. Les tubes sont réalisés d'une seule pièce par pliage. L'extrémité amont de la première branche 26 de chaque tube 24 communique avec une perforation 21 de la paroi 14 prévue pour l'entrée de carburant dans le tube 24. L'extrémité aval de la seconde branche 28 de chaque tube 24 communique avec une perforation 22 de la paroi 14 prévue pour la sortie de carburant de l'enceinte 16. La face de l'échangeur de chaleur 10 agencée à l'extérieur de l'enceinte 16 comprend un joint d'étanchéité 32 agencée dans la zone séparant des orifices d'entrée 21 de carburant et des orifices de sortie 22 de carburant. Ce joint 32 est maintenu en position par l'intermédiaire d'un couvercle (non représenté) comportant une entrée et une sortie de carburant. L'espacement entre les tubes 24 de circulation de carburant est maintenu par des cloisons ou disques 34 espacés les uns des autres le long d'un axe de l'enceinte. Ces disques 34 sont perforés de manière à être traversé par les premières 26 et secondes 28 branches tubes 24 de carburant. Les cloisons sont reliées les unes aux autres par des espaceurs ou séparateurs 35 permettant de maintenir la distance inter-cloisons (figure 1). Certains tubes 24 comprennent pour certains au moins un passage 36 pour l'écoulement d'huile entre l'entrée 18 et la sortie 20 d'huile de l'enceinte 16 (figure 2). Ainsi, en fonctionnement, le carburant s'écoule dans les tubes 24 baignant dans l'enceinte 16 recevant l'huile. L'huile étant plus chaude que le carburant, elle réchauffe les tubes 24 et le carburant qui y circule. Toutefois, comme indiqué précédemment, de la glace ou un mélange de glace et d'eau peut s'accumuler au niveau des orifices d'entrée 21 de carburant dans les premières branches 26 des tubes 24, c'est-à-dire au niveau des extrémités amont des tubes 24, ce qui conduit à une obstruction partielle de l'écoulement de carburant au travers de l'échangeur. Pour éviter une perte de puissance moteur du fait d'une réduction du débit d'alimentation des injecteurs de carburant, un clapet de surpression permet dans une telle situation de dériver le carburant dans un conduite de dérivation (non représenté). L'invention apporte une solution en proposant un échangeur de chaleur 37 comportant des parties en saillie 38 sur la face 40 de la paroi 42 agencée à l'intérieur de l'enceinte (figures 3 et 4). Les parties en saillie 38 sont avantageusement formées au niveau de la zone de séparation des orifices d'entrée 21 et de sortie 22. Cette zone correspond à une zone habituellement non utilisée dans un 20 échangeur de chaleur à tubes en U. Avantageusement, la distance d séparant la paroi et la première cloison 34 en vis-à-vis est déterminée de manière à être minimale afin d'avoir pour un débit donné d'huile dans l'enceinte 16, une vitesse d'écoulement de l'huile plus important conduisant à améliorer l'échange 25 thermique avec la paroi 42 et à son réchauffement. Dans une réalisation particulière de l'invention, les parties en saillie 38 s'étendent sensiblement perpendiculairement à la paroi 42 et sont formées ou rapportées sur la face interne 40 de la paroi 42. Les parties en saillie 38 peuvent être par exemple des cylindres pleins (figure 4) ou encore 30 des ailettes 44 de forme parallélépipédique (figure 5). Comme représenté aux figures 3 et 4, il est avantageux que le flux d'huile entrant dans l'enceinte débouche directement en direction des parties en saillie 38, 44 afin que le flux chaud d'huile réchauffe au maximum la paroi 42. Dans une autre réalisation de l'invention représentée en figure 6, l'échangeur de chaleur 46 comprend deux parois 48, 50 perforées délimitant à l'amont et à l'aval, respectivement, l'enceinte de circulation d'huile. Cette enceinte 16 comprend une entrée 18 et une sortie 20 comme précédemment et les tubes de circulation de carburant (non représentés) sont des tubes rectilignes reliant les parois amont 48 et aval 50 et faisant communiquer des orifices d'entrée 52 de la paroi amont 48 et des orifices de sortie 54 de la paroi aval 50. Dans cette configuration, aucun joint d'étanchéité n'est nécessaire de sorte qu'il n'y a pas de zone non utilisée ou perdue comme dans un échangeur à tubes en U. Les parties en saillie 38 peuvent ainsi être agencées sur la périphérie des parois amont 48 et aval 50, à l'intérieur de l'enceinte 16. Dans une variante de réalisation, seule la paroi amont 48 comprend des parties en saillie 38. Dans encore une autre réalisation d'un échangeur de chaleur à tubes à profil en U comme représenté en figure 3, il serait également possible de former des parties en saillie sur la périphérie de la paroi 42, ces parties en saillie 38 étant ou non combinées à des parties en saillie 38 intercalées entre les premières 26 et secondes 28 branches des tubes 24. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (37, 46) ente deux fluides comprenant une enceinte comportant au moins une entrée (18) et une sortie (20) pour la circulation d'un premier fluide dans l'enceinte (16) laquelle est délimitée par au moins une paroi étanche (42, 48, 50) comprenant une pluralité de perforations d'entrée (21, 52) d'un second fluide dans l'enceinte (16), ces perforations (21, 52) communiquant avec des extrémités amont de tubes (24) s'étendant dans l'enceinte (16) et dans lesquels le second fluide est apte à circuler pour l'échange de chaleur entre les premier et second fluide, caractérisé en ce que la paroi (42, 48) comprend des parties en saillie (38, 44) à l'intérieur de l'enceinte (16) de manière à augmenter la surface d'échange de chaleur de la paroi (42, 38, 50) au contact du premier fluide. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée (18) de l'enceinte (16) est agencée de manière à ce que le flux du premier liquide soit dirigé vers les parties en saillie (38, 44). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'entrée (18) de l'enceinte (16) débouche sensiblement parallèlement à la paroi (42, 48) plane. 4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités aval des tubes (24) communiquent avec des perforations (22) de la paroi pour la sortie du second fluide de l'enceinte (16). 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les parties en saillie (38) sont agencées entre les extrémités amont et aval des tubes (24) de circulation du second fluide. 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parties en saillie (38) sont formées sur le pourtour de la paroi (48) et entourent au moins partiellement les extrémités amont et/ou aval des tubes (24). 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parties en saillie (38) comprennent des cylindres ou des ailettes formés ou rapportés sur la surface de la paroi qui est agencée à l'intérieur de l'enveloppe (16). 8. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes (24) s'étendent depuis la paroi au travers de cloisons (34) sensiblement parallèles à la paroi et espacées les unes des autres le long des tubes (24), au moins certains des disques (34) comprenant des ouvertures (36) pour la circulation du premier fluide entre l'entrée (18) et la sortie (20) de l'enceinte (16). 9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les extrémités aval des tubes (24) communiquent avec des perforations (54) formées dans une seconde paroi (50) agencée à distance de la première paroi (48) et délimitant une partie de l'enceinte (16). 10. Ensemble comprenant au moins un circuit d'huile et un circuit de carburant dans une turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un échangeur de chaleur (37, 46) selon l'une des revendications précédentes, le premier fluide étant de l'huile et le second fluide étant du carburant. 11. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble selon la revendication 10.25