Brevet FR3034139A1 — publié le 20160930

TURBOMACHINE D'AERONEF COMPRENANT UN SYSTEME DE PRELEVEMENT D'AIR L'invention concerne une turbomachine à double flux et plus particulièrement un système de prélèvement d'air comprenant un échangeur de chaleur d'une telle turbomachine. En référence avec les figures 1 et 2, une turbomachine 1 comprend un système de prélèvement d'air 2 ayant un échangeur de chaleur 3. De l'air chaud H comprimé (3-4 bar, 400°C) est prélevé sur les étages de compresseur du moteur 5 de la turbomachine par le système de prélèvement d'air 2 de sorte à le fournir à un système utilisateur d'air 4, comme par exemple le système de régulation en température de la cabine du fuselage. L'air chaud comprimé H doit être refroidi pour que sa température reste dans des limites acceptables (vers 200°C) avant d'être utilisé par le système utilisateur 4. A cette fin, le système de prélèvement 2 comprend un échangeur de chaleur 3 recevant de l'air froid F (70°C ; 100-150 mbar) du conduit de soufflante 6 de la turbomachine et dans lequel l'air chaud comprimé H est refroidi par échange calorifique avec l'air froid F. L'air froid réchauffé après avoir agi comme flux de refroidissement dans l'échangeur 3 est expulsé dans un compartiment 5a du moteur de la turbomachine tandis que l'air chaud refroidi est utilisé par le système utilisateur 4. De manière générale, l'air froid F est prélevé via d'un conduit d'air froid 8 relié au conduit de soufflante 6 via une ouverture d'air 7 arrangée dans le conduit de soufflante 6. L'air froid transite de l'ouverture d'air 7 jusqu'à l'échangeur 3 via le conduit d'air froid 8 dans lequel est positionnée une vanne 9 permettant de réguler le débit d'air froid arrivant à l'échangeur 3. L'échangeur, la vanne et le conduit d'air froid sont généralement installés dans une bifurcation de la turbomachine. Le conduit d'air froid 8 comprend plusieurs tronçons de formes géométriques adaptées de sorte à relier l'ouverture 7, généralement de section ovoïde, avec la vanne 9 de section circulaire et l'échangeur 3 de section rectangulaire. La conception du conduit d'air froid 8 est prévue pour limiter les accidents de formes qui créeraient des pertes de charges du flux d'air froid F et qui seraient dommageables au fonctionnement de l'échangeur. Pour cette raison, le conduit d'air froid 8 s'étend rectilignement sur une certaine longueur de sorte à lisser les différences de géométrie entre ses différents tronçons. 3034139 2 Pour satisfaire des objectifs de performances accrues, les turbomachines des avions commerciaux s'orientent vers une architecture de type double flux à haut taux de dilution (par exemple supérieur à 13 :1). Cette architecture de machine tournante a pour conséquence un grand débit de flux secondaire propulsé par un fan de grand diamètre et une température plus 5 élevée au niveau des étages de compresseur (500-600°C). De plus, les contraintes d'espace dans une turbomachine à fort taux de dilution sont fortes et chacun des systèmes de la turbomachine doit être repensé pour être compact. Le système de prélèvement d'air tel que présenté ci-dessus ne convient pas pour de telles turbomachines à haut taux de dilution, puisque les dimensions de son conduit d'air froid 8 sont 10 incompatibles avec les contraintes d'espace précédemment mentionnées et que diminuer la taille dudit conduit aurait pour conséquence d'augmenter les accidents de formes du conduit et donc les pertes de charges du flux d'air froid y transitant. L'échangeur 3 perdrait alors en capacité de refroidissement. Il existe donc un besoin d'un système de prélèvement d'air qui conjugue des dimensions 15 de conduit d'air froid réduites avec de bonnes performances en refroidissement de l'échangeur. L'invention a pour objectif de répondre à ce besoin et concerne une turbomachine d'aéronef comprenant un moteur et un conduit de soufflante dans lequel s'écoule, en utilisation, un écoulement d'air froid, la turbomachine comprenant en outre un système de prélèvement 20 d'air au niveau du conduit de soufflante, ledit système ayant : - un conduit d'air froid comprenant une ouverture d'air via laquelle le conduit d'air est apte à recevoir de l'air froid du conduit de soufflante ; et - un échangeur d'air comprenant une entrée d'air chaud connectée à une sortie d'air chaud et une entrée d'air froid connectée à une sortie d'air froid, l'échangeur recevant de l'air froid à son 25 entrée d'air froid connectée au conduit d'air froid, la sortie d'air froid étant connectée à un conduit d'évacuation d'air, l'échangeur recevant de l'air chaud en provenance du moteur à son entrée d'air chaud et la sortie d'air chaud étant connectée à un conduit d'air utilisateur, l'air dans le conduit d'air utilisateur ayant une pression supérieure à l'air dans le conduit d'évacuation d'air ; - le système de prélèvement d'air comprend en outre un système d'aspiration d'air comprenant 30 des moyens d'obturation pour obturer ou ouvrir la sortie d'air froid et des moyens de dérivation d'air pour injecter dans le conduit d'évacuation de l'air prélevé dans le conduit d'air utilisateur. 3034139 3 L'avantage de l'invention est que le système d'aspiration fonctionne à la fois comme une vanne d'air pour l'échangeur et comme un moyen d'aspiration de l'air du conduit de soufflante afin d'augmenter le volume d'air froid prélevé. 5 Le transfert de la fonction de vanne d'air (qui était dans le conduit d'air dans l'art antérieur) vers l'aval de l'échangeur, libère l'espace entre l'ouverture d'air du conduit d'air froid et l'échangeur et réduit le nombre de connexions et les accidents de formes isolés du conduit d'air froid. Il est ainsi possible de conjuguer des dimensions de conduit d'air froid réduites avec de 10 bonnes performances en refroidissement de l'échangeur. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : 15 - la figure 1, déjà décrite, est une vue schématique en coupe longitudinale d'une turbomachine de l'art antérieur, la turbomachine comprenant un système de prélèvement d'air muni d'un échangeur ; - la figure 2, déjà décrite, est une vue schématique du circuit d'air chaud et froid arrivant et sortant de l'échangeur de la figure 1; 20 - la figure 3 est une vue similaire à la figure 1, représentant une turbomachine selon l'invention comprenant un système de prélèvement d'air muni d'un échangeur; - la figure 4 est une vue schématique du système de prélèvement d'air de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue schématique du circuit d'air chaud et froid arrivant et sortant de l'échangeur du système de prélèvement d'air selon l'invention ; 25 En référence avec la figure 3, une turbomachine 100 à double flux comprend une nacelle annulaire 101, centrée sur un axe longitudinal X, et entourant un moteur 150. Dans le sens d'écoulement d'un flux d'air froid traversant la turbomachine 100 et matérialisé par la flèche F, le moteur 150 comprend notamment, centré sur son axe longitudinal 30 X, une soufflante 151 et une tuyère 153. Dans la suite de la description, les termes « amont » et « aval » sont à considérer relativement au sens d'écoulement du flux d'air (flèche F) traversant la turbomachine 100. La turbomachine 100 comprend en aval de la soufflante 151, une interveine annulaire 154 concentrique au moteur 150 et qui délimite avec ce dernier une veine annulaire de flux d'air chaud 155. 3034139 4 La nacelle 101 constitue l'enveloppe externe de la turbomachine 100 et entoure l'interveine 154 avec laquelle elle est concentrique. La nacelle 101 délimite ainsi, avec l'interveine 154, une veine annulaire de flux d'air froid, dit conduit de soufflante 160. Le conduit de soufflante 160 se prolonge jusqu'à la tuyère 153. Le moteur 150 est fixé à la nacelle 101 au moyen de deux 5 bifurcations 102,103 diamétralement opposées. En référence avec les figures 4 et 5, la turbomachine 100 comprend un système de prélèvement d'air 120 afin de fournir en air un ou plusieurs systèmes utilisateurs d'air 140. Selon l'invention, le système de prélèvement d'air 120 comporte : 10 - un échangeur 130, par exemple un échangeur à plaques, arrangé par exemple dans la bifurcation 102. L'échangeur comprend deux entrées et deux sorties, dont une entrée d'air chaud 135 et une entrée d'air froid 136, et une sortie d'air chaud 137 et une sortie d'air froid 138. L'entrée d'air froid/ chaud est fluidiquement connectée à, respectivement, la sortie d'air 15 froid/chaud ; - le système d'aspiration d'air froid 131 arrangé par exemple dans la bifurcation 102 et prévu pour augmenter un débit d'air froid F admis dans le système de prélèvement d'air. Ce système est situé en aval de l'échangeur 130 et sera décrit plus loin dans la description. - un dispositif de prise d'air 151 destiné à prélever de l'air chaud H dans le moteur 150 (par 20 exemple au niveau des étages de compresseur) et à l'envoyer à l'entrée d'air chaud 135 de l'échangeur via un conduit d'air chaud 183 ; et - un conduit d'air froid 180 reliant une ouverture d'air (écope ou trou) 170 arrangée dans le conduit de soufflante 160 à l'entrée d'air froid 136 de l'échangeur 130 et par lequel transite un flux d'air froid F. 25 L'échangeur 130 est situé à l'intersection entre le conduit d'air froid 180 et le conduit d'air chaud 183 et réalise un échange calorifique (les flux d'air ne se mélangent pas) entre le flux d'air froid F reçu en entrée d'air froid 136 et le flux d'air chaud H reçu en entrée d'air chaud 135. Le flux d'air chaud H est refroidi dans l'échangeur 130 par le flux d'air froid F puis envoyé vers un 30 système utilisateur d'air 140 via un conduit d'air utilisateur 182 fluidiquement relié à la sortie d'air chaud 137. Le flux d'air froid est quant à lui évacué dans une zone du moteur située dans la veine annulaire de flux d'air chaud 155 (appelée zone « core » du moteur) via un conduit d'air d'évacuation 181 qui est fluidiquement relié à la sortie d'air froid 138 de l'échangeur 130. 35 II est à noter, qu'en utilisation de la turbomachine, l'air dans le conduit d'air utilisateur/ conduit d'air chaud a une pression (de l'ordre de 3-4 bars) supérieure à la pression d'air dans le 3034139 5 conduit d'air froid/ conduit d'évacuation d'air (de l'ordre de 100à 150 mbars). Dans la suite de la description, l'air dans le conduit d'air utilisateur/ conduit d'air chaud sera pour cette raison désigné comme air sous pression. 5 En référence avec la figure 5, le système d'aspiration 131 comprend : - des moyens d'obturation 134 de la sortie d'air froid 138 de l'échangeur pour l'obturer ou l'ouvrir; - des moyens de dérivation d'air 132 pour dériver de l'air sous pression prélevé dans le conduit d'air utilisateur vers le conduit d'évacuation d'air 181. 10 - une unité centrale 139, de type microcontrôleur, pour piloter les moyens d'obturation et les moyens de dérivation en fonction des besoins en air froid de l'échangeur 130. Les moyens d'obturation 134 sont par exemple des volets dont le degré d'ouverture est commandé par un ou plusieurs moteurs électriques (non représentés) pilotés par l'unité centrale 15 139. Ils sont situés en aval de l'échangeur et agissent comme une vanne à débit variable, permettant de réguler le débit d'air froid transitant dans l'échangeur 130 du conduit d'air froid 180 vers le conduit d'évacuation 181. Les moyens de dérivation d'air 132 comprennent une vanne 132a et un tube de dérivation d'air 132b reliant le conduit d'air utilisateur 182 avec le conduit d'air d'évacuation 181. Une 20 première extrémité du tube de dérivation 132b est située dans le conduit d'air utilisateur 182 et comprend une entrée d'air assurant un piquage d'air pour envoyer l'air sous pression ainsi prélevé vers une seconde extrémité du tube située dans le conduit d'évacuation d'air 181. La seconde extrémité comprend un ou plusieurs trous d'air 132c de sorte à expulser l'air sous forme de jets d'air dans le conduit d'évacuation d'air. 25 La vanne 132a des moyens de dérivation d'air permet, selon son degré d'ouverture, de réguler le débit d'air des jets d'air envoyés dans le conduit d'évacuation via le tube dérivation 132b. Lorsque la turbomachine 100 est mise en marche, le fonctionnement du système de 30 prélèvement d'air 120, tel que décrit ci-dessus, est le suivant : l'air est admis dans la turbomachine 100 via la soufflante 151. En aval de la soufflante, le flux d'air froid F s'écoule dans le conduit de soufflante 120. En fonction d'un débit d'air requis par un système utilisateur 140, l'unité centrale commande 139 les moyens d'obturations 134 de façon à réguler le débit d'air froid transitant au 35 travers de l'échangeur 130 entre un débit nul et un débit maximal selon : 3034139 6 - une commande de débit maximale : les moyens d'obturation 134 sont dans une position d'ouverture maximale et la sortie d'air froid 138 de l'échangeur est par conséquent pleinement ouverte. Cette commande est adoptée pour réaliser un prélèvement maximal d'air froid dans la veine secondaire 160 dans les cas de fonctionnements extrêmes du système de prélèvement d'air 5 120 qui se produisent lorsque la demande des systèmes utilisateurs d'air 140 est forte et est combinée à un régime moteur faible. - une commande de débit nul : les moyens d'obturation 134 obturent totalement la sortie d'air froid 138 de l'échangeur 130. Dans ce cas, aucun fluide n'est prélevé dans la veine secondaire 160 par le système de prélèvement d'air 120. 10 - une commande débit intermédiaire : dans laquelle les moyens d'obturation 134 obturent partiellement la sortie d'air froid 138 de manière à permettre à de l'air froid prélevé dans la veine secondaire 160 à transiter jusqu'au conduit d'évacuation 181 d'air via l'échangeur 130. Ce cas est approprié à la plupart des régimes moteur (par exemple en régime de croisière) de la turbomachine. 15 En commande de débit nul, l'unité centrale 139 pilote la vanne 132a des moyens de dérivation d'air en position fermée de sorte qu'aucun air sous pression n'est envoyé dans le conduit d'évacuation d'air 181. Entre la commande de débit intermédiaire à la commande de débit maximale, l'unité 20 centrale 139 pilote le degré d'ouverture de la vanne 132a des moyens de dérivation d'air en fonction des besoins de l'échangeur 130 de sorte à envoyer des jets d'air de plus ou moins forte pression via le tube 132b dans le conduit d'évacuation 181. Ces jets d'air ont une pression maximale de 3-4 bars quand ladite 132a vanne est pleine ouverte. Du fait de la conservation des énergies du fluide (théorème de Bernoulli) entre un point du 25 conduit d'air froid 180 et un point du conduit d'évacuation 181 situé en aval de la seconde extrémité du tube 132b des moyens de dérivation, l'envoi de jets d'air dans le conduit d'évacuation 181 à une pression supérieure à celle régnant dans ledit conduit crée un phénomène d'aspiration de l'air du conduit de soufflante 160 et augmente la quantité d'air froid F prélevé dans le conduit de soufflante 120 et admise à l'entrée d'air froid 136 de l'échangeur via 30 l'ouverture d'air 170. L'avantage de l'invention est que le système d'aspiration 131 fonctionne à la fois comme une vanne d'air pour l'échangeur et comme un moyen d'aspiration de l'air du conduit de soufflante afin d'augmenter le volume d'air froid prélevé dans ce dernier. Ceci présente plusieurs 35 avantages qui permettent de répondre au problème technique résolu par l'invention. 3034139 7 D'une part, le transfert de la fonction de vanne d'air, qui était dans le conduit d'air dans l'art antérieur, vers l'aval de l'échangeur (vanne 132a) libère l'espace entre l'ouverture d'air 170 du conduit d'air froid 180 et l'échangeur et réduit le nombre de connexions et les accidents de formes isolés du conduit d'air froid. En effet, selon l'invention, le conduit d'air froid 180 relie 5 l'ouverture d'air 170 du conduit d'air froid de section ovoïde à l'échangeur 130 de section rectangulaire. Le conduit d'air froid 180 peut alors être dessiné de manière compacte qui est compatible avec les contraintes d'espaces des turbomachines à haut taux de dilution. D'autre part, combiné au conduit d'air compact, la fonction d'aspiration de l'air 131 permet 10 au système de prélèvement 120 selon l'invention d'être adapté à tous les cas de fonctionnement d'une turbomachine à haut taux de dilution car elle permet lorsqu'elle est active, d'augmenter le débit d'air admis à l'entrée d'air froid de l'échangeur. U n autre avantage de l'invention est que le conduit d'air froid 180 du système de prélèvement d'air ayant une forme plus simple que les conduits d'air de l'art antérieur, peut être 15 équipé d'une couche de protection thermique adaptée à ses contours qui soit facile à poser. Dans une forme avantageuse de l'invention représentée à la figure 5, la seconde extrémité du tube de dérivation 132b est située en aval des moyens d'obturation 134 et a, dans un plan normal à la direction des flux d'air dans le conduit d'évacuation, une partie en forme de serpentin 20 circulaire ou rectangulaire percée de multiples trous (tube picolo) afin d'envoyer des jets d'air sous pression sur une plus grande surface. Enfin, bien que décrit sous la forme de volet, les moyens d'obturation 134 pourraient prendre d'autres formes, par exemple celle d'un diaphragme ou d'un unique volet. 25 REVENDICATIONS1) Turbomachine (100) d'aéronef comprenant un moteur (150) et un conduit de soufflante (160) dans lequel s'écoule, en utilisation, un écoulement d'air froid (F), la turbomachine comprenant en outre un système de prélèvement d'air (120) au niveau du conduit de soufflante, ledit système ayant - un conduit d'air froid (180) comprenant une ouverture d'air (170) via laquelle le conduit d'air (180) est apte à recevoir de l'air froid du conduit de soufflante (160) ; et - un échangeur d'air (130) comprenant une entrée d'air chaud (135) connectée à une sortie d'air chaud (137) et une entrée d'air froid (136) connectée à une sortie d'air froid (138), l'échangeur recevant de l'air froid (F) à son entrée d'air froid connectée au conduit d'air froid (180), la sortie d'air froid étant connectée à un conduit d'évacuation d'air (181) , l'échangeur recevant de l'air chaud (H) en provenance du moteur à son entrée d'air chaud et la sortie d'air chaud étant connectée à un conduit d'air utilisateur (182), l'air dans le conduit d'air utilisateur ayant une pression supérieure à l'air dans le conduit d'évacuation d'air ; caractérisé en ce que le système de prélèvement d'air (120) comprend en outre un système d'aspiration d'air (131) comprenant des moyens d'obturation (134) pour obturer ou ouvrir la sortie d'air froid (138) et des moyens de dérivation d'air (132) pour injecter dans le conduit d'évacuation (181) de l'air prélevé dans le conduit d'air utilisateur (182).2) 3) 4) Turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système d'aspiration (131) comprend une unité centrale (139) configurée pour piloter les moyens d'obturation (134) et les moyens de dérivation d'air (132). Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'obturation (134) sont situés dans le canal d'évacuation et sont sous la forme d'au moins un volet ou d'un diaphragme. Turbomachine selon la revendications 2, caractérisé en ce que les moyens de dérivation comprennent un tube de dérivation d'air (132b) reliant le conduit d'air utilisateur (182) et le conduit d'évacuation d'air (181) et une vanne (132a) pilotée par l'unité centrale (139) pour obturer ou ouvrir le tube de dérivation d'air (132b). 3034139 9 5) Turbomachine selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tube de dérivation d'air (132b) a une entrée positionnée de sorte à prélever l'air en aval de la sortie d'air chaud 5 (137) de l'échangeur (130) et ayant au moins une sortie située en aval des moyens d'obturation (134) pour injecter l'air prélevé dans le conduit d'air d'évacuation (181). 6) Turbomachine selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une partie du tube de dérivation d'air (132b) située dans le conduit d'évacuation (181) a, dans un plan normal à 10 la direction des flux d'air dans ce conduit, une forme de serpentin circulaire ou rectangulaire percée de multiples trous pour l'évacuation de l'air. 7) Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le système de prélèvement d'air (120) comprend un dispositif de prise d'air (151) pour 15 prélever de l'air chaud (H) sur le moteur, l'air chaud prélevé étant amené à l'entrée d'air chaud (135) de l'échangeur via un conduit d'air chaud (183). 8) Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le conduit d'air d'évacuation (181) relie la sortie d'air froid (138) de l'échangeur à une zone 20 du moteur (155). 9) Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le conduit d'air froid (180) est équipé d'une protection thermique adaptée à ses contours. 25