Brevet FR3074533A1 — publié le 20190607

Arriere-plan de !Invention La presente invention se rapporte au domaine general de la circulation de carburant, d'huile et d'air au sein d'un turboreacteur. Dans un turboreacteur, it est courant que le carburant soit utilise non seulement comme combustible (dans la chambre de combustion du turboreacteur), mais egalement comme fluide hydraulique dans des actionneurs hydrauliques pour la commande d'equipements a geometrie variable du turboreacteur (tels que notamment les vannes de decharge d'air et les vannes permettant d'adapter la geometrie du compresseur du turboreacteur). A cet effet, le circuit de carburant d'un turboreacteur comporte typiquement une pompe volumetrique pour alimenter deux lignes distinctes de carburant : une premiere ligne hydraulique pour l'alimentation des systennes d'injection de carburant dans la chambre de combustion, et une seconde ligne hydraulique pour l'alimentation de verins hydrauliques pour la commande des equipements a geometrie variable du turboreacteur. La seconde ligne hydraulique destinee a l'alimentation des verins de commande des equipements a geometrie variable du turboreacteur comporte des servovalves electrohydrauliques, c'est-e-dire des vannes hydrauliques commandoes par des servomoteurs. Ces servovalves permettent de delivrer un debit calibre de carburant vers l'une ou l'autre des chambres d'un verin hydraulique et sont commandoes electriquement par le calculateur electronique du turboreacteur (egalement appele ECU pour « Electronic Control Unit »). Ces servovalves electrohydrauliques ne supportent pas le givre qui a tendance a se creer a des temperatures negatives a partir de !'eau contenue dans le carburant. Pour eviter la formation de givre, le circuit de carburant utilise un echangeur de chaleur pour rechauffer le carburant circulant dans la seconde ligne hydraulique grace a l'huile chaude s'ecoulant dans un circuit de lubrification du turboreacteur. Cet echangeur de chaleur correspond typiquement a la fonction SFH (pour « Servo Fuel Heater ») d'un echangeur de chaleur huile/carburant appele echangeur FCOC (pour « Fuel Cooled Oil Cooler »). 2 L'echangeur FCOC comprend egalement une fonction principale de transfert de chaleur destinee a assurer, d'une part un refroidissement de l'huile du circuit de lubrification du turboreacteur dans les conditions chaudes, et d'autre part un rechauffennent du carburant dans les 5 conditions froides. Cette fonction principale, appelee fonction MHX pour « Main Heat Exchanger », agit sur le carburant en amont de la pompe volumetrique du circuit de carburant. Par ailleurs, un turboreacteur comprend un circuit d'huile qui a pour fonction principale le refroidissement et la lubrification d'elernents du 10 turboreacteur. A cet effet, le circuit d'huile utilise deux sources froides : le carburant (au moyen de ('echangeur FCOC precedemment dealt) et ('air (au moyen d'un echangeur de chaleur huile/air appele echangeur ACOC pour « Air Cooled Oil Cooler »). Cette architecture de circuit d'huile presente toutefois ('inconvenient que le debit d'huile qui est brasse par la 15 pompe d'alimentation de ce circuit d'huile passe integralement par les echangeurs FCOC et ACOC, ce qui occasionne des pertes de charge. Enfin, le turboreacteur comprend encore un circuit d'air qui permet d'assurer ('alimentation en air d'un organe de commande pneumatique de vannes de decharge du compresseur haute-pression du 20 turboreacteur et d'une vanne de controle de jeu en sommet d'aubes de la turbine haute-pression du turboreacteur. Typiquement, cet organe de commande pneumatique (appele PCU pour « Pneumatic Control Unit ») est commande electriquement par le calculateur electronique du turboreacteur et renferme des electrorobinets actionnant les vannes 25 precitees en fonctionnement du type tout ou rien. Le PCU est alimente en air preleve au niveau du compresseur haute-pression du turboreacteur. Compte-tenu des temperatures elevees de lair (jusqu'a 650°C dans les cas les plus chauds), it est necessaire de refroidir cet air avant gull alimente les electrorobinets du PCU. A cet effet, 30 it est connu de munir le circuit d'air d'un echangeur de chaleur air/air qui est typiquement un echangeur surfacique transferant les calories de l'air chaud preleve au niveau du compresseur haute-pression du turboreacteur a de ('air plus froid circulant dans la veine secondaire du turboreacteur. Cet echangeur de chaleur air/air est appele echangeur SACAC pour 35 « Surface Air Cooled Air Cooler ». II presente neannnoins comme inconvenient d'utiliser le flux secondaire du turboreacteur comme source 3 froide, ce qui genere des pertes de charge et degradent les performances du moteur (evaluee a 0,03% de Ia consommation specifique de carburant). Les rejets thermiques des nouveaux turboreacteurs etant de 5 plus en plus importants, iI devient necessaire d'optimiser au maximum la gestion des calories du carburant, de l'huile et de l'air circulant dans le moteur afin de favoriser le refroidissement de l'huile et la consommation specifique de carburant. 10 Objet et résumé de !'invention La presente invention a donc pour but principal de proposer une gestion optimisee des calories du carburant, de l'huile et de l'air circulant dans un turboreacteur. Ce but est atteint grace a un circuit de commande hydraulique 15 et pneumatique pour turboreacteur, comprenant une premiere ligne hydraulique pour l'alimentation en carburant d'une chambre de combustion du turboreacteur, une seconde ligne hydraulique pour l'alimentation en carburant d'un ou plusieurs actionneurs hydrauliques pour la commande d'equipements a geometrie variable du turboreacteur, 20 chaque actionneur hydraulique etant alimente en carburant par l'intermediaire d'une servovalve electrohydraulique, et une ligne pneumatique pour l'alimentation en air d'un organe de commande pneumatique de vannes de decharge d'un compresseur du turboreacteur et d'une vanne de controle de jeu en sommet d'aubes d'une 25 turbine du turboreacteur, et comprenant en outre, conformement !Invention, un echangeur de chaleur carburant/air positionne sur la seconde ligne hydraulique en amont des servovalves electrohydrauliques et sur la ligne pneumatique en amont de ('organe de commande pneumatique pour assurer un transfert de calories depuis l'air circulant 30 dans la ligne pneumatique vers le carburant circulant dans la seconde ligne hydraulique. Dans Ia presente invention, on appelle circuit de commande hydraulique et pneumatique ('association d'un circuit de commande hydraulique et d'un circuit de commande pneumatique. Le circuit de 35 commande hydraulique et pneumatique est remarquable notamment en ce prevoit un echangeur de chaleur carburant/air qui assure les 4 fonctions a la fois de refroidissement de l'air destine a alimenter ('organe de commande pneumatique et de rechauffement du carburant dans la seconde ligne hydraulique en amont des servovalves electrohydrauliques. Ainsi, ('invention permet de supprimer la fonction SFH de rechangeur 5 FCOC, cette fonction de rechauffement du carburant circulant dans Ia seconde ligne hydraulique etant realisee grace a ('echangeur de chaleur carburant/air. Cette suppression de la fonction SFH permet ainsi de liberer de Ia marge en termes de pertes de charge dans le circuit d'huile du moteur et de diminuer I'encombrement dans le moteur. Les capacites 10 d'echanges thermiques sur les autres echangeurs de chaleur du circuit d'huile peuvent ainsi etre augmentees. De preference, Ia ligne pneumatique comprend en outre, en aval de ('echangeur de chaleur carburant/air, un organe de depressurisation d'enceintes moteur pour regler le debit d'air traversant 15 ('echangeur de chaleur carburant/air. Cet organe de depressurisation peut comprendre une trompe a jet, cette derniere utilisant un debit permanent pour depressuriser les enceintes moteur, ce qui permet de facilement dimensionner ('echangeur de chaleur carburant/air. La premiere et seconde lignes hydrauliques peuvent etre reliees 20 ('une a I'autre en amont de la chambre de combustion et des verins hydrauliques, pour former une ligne hydraulique principale comprenant une pompe volumetrique. Dans ce cas, Ia ligne hydraulique principale peut comprendre en outre un echangeur de chaleur huile/carburant ayant une fonction de 25 transfert de calories depuis I'huile s'ecoulant dans un circuit d'huile du turboreacteur vers le carburant circulant dans la ligne hydraulique principale. Cet echangeur de chaleur huile/carburant est avantageusement depourvu de fonction de transfert de calories entre I'huile s'ecoulant dans un circuit d'huile du turboreacteur et le carburant circulant dans la 30 seconde ligne hydraulique. Toujours dans ce cas, la ligne hydraulique principale peut comprendre en outre une pompe basse-pression positionnee en amont de ('echangeur de chaleur huile/carburant et en aval d'un reservoir de carburant. 35 De plus, l'air circulant dans la ligne pneumatique provient d'un prelevement sur le compresseur du turboreacteur. 5 L'invention a egalement pour objet un turboreacteur comprenant un circuit de commande hydraulique et pneumatique tel que defini precedemment. 5 Breve description des dessins D'autres caracteristiques et avantages de la presente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en reference aux dessins annexes qui en illustrent un exemple de realisation depourvu de tout caractere limitatif. Sur les figures : 10 - Ia figure 1 est une vue schematique d'un circuit de commande hydraulique selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue schematique d'un circuit de commande pneumatique selon l'invention. 15 Description detainee de l'invention En liaison avec la figure 1, on decrira le circuit de commande hydraulique d'un turboreacteur selon !Invention. Le circuit de commande hydraulique 2 comporte une ligne hydraulique principale 4. Cette derniere est munie, d'amont en aval dans 20 le sens d'ecoulement du carburant, d'une pompe basse-pression 6 reliee en amont a un reservoir de carburant 8, d'un filtre principal a carburant 10 et d'une pompe volumetrique haute-pression 12. En aval de la pompe haute-pression 12, la ligne hydraulique principale se divise en deux lignes distinctes de carburant, a savoir : une 25 premiere ligne hydraulique 14 pour l'alimentation en carburant de systemes d'injection de carburant 16 d'une chambre de combustion du turboreacteur ; et une seconde ligne hydraulique 18 pour l'alimentation en carburant d'un ou plusieurs actionneurs hydrauliques 20, 22 pour la commande d'equipements a geometrie variable du turboreacteur. 30 Plus precisement, la premiere ligne hydraulique 14 comprend un organe doseur 24 (appelee FMV pour « Fuel Monitoring Valve ») permettant de controler le debit de carburant injecte dans la chambre de combustion de Ia turbomachine via les systemes d'injection de carburant 16, et une vanne de coupure haute-pression 26 (appelee HPSOV pour 35 « High Pressure Shut-Off Valve ») permettant de couper le debit de carburant en cas de survitesse de la turbomachine. Chaque organe 24 ou 6 26 est actionne par une servovalve electrohydraulique 33 dediee (appelee EHSV pour « Electro Hydraulic Servo Valves »). Le carburant en exces dans cette premiere ligne hydraulique est renvoye en amont du filtre principal a carburant 10 via une boucle de 5 recirculation 28 aliment& par une vanne de contournement 30. Quanta la seconde ligne hydraulique 18, elle comprend en outre des servovalves electrohydrauliques 32, chaque servovalve etant utilisee pour delivrer un debit de carburant vers l'une ou l'autre des chambres d'un verin hydraulique 20, 22. 10 Ces servovalves 32 sont commandoes electriquement par le calculateur electronique du turboreacteur (ou ECU pour « Electronic Control Unit » designant une unite de commande electronique). Un tel calculateur est bien connu en soi : it permet de commander un certain nombre d'equipements associes a la turbomachine. Le carburant sortant 15 des servovalves 32 rejoint la ligne hydraulique principale 4 entre le filtre principal a carburant 10 et la pompe haute-pression 12 par l'intermediaire d'une boucle de recirculation 34. Le circuit de commande hydraulique 2 comporte en outre un echangeur de chaleur huile/carburant 36 - appele echangeur FCOC (pour 20 « Fuel Cooled Oil Cooler ») - qui est muni d'une fonction principale de transfert de chaleur destinee a assurer, d'une part un refroidissement de l'huile du circuit d'huile du turboreacteur dans les conditions chaudes, et d'autre part un rechauffernent du carburant dans les conditions froides. Cette fonction principale de transfert de chaleur est mise en 25 oeuvre par un echangeur thermique carburant/huile 38 intercale sur la ligne hydraulique principale 4 entre la pompe basse-pression 6 et le filtre principal a carburant 10 afin de refroidir l'huile de lubrification du turboreacteur par echange thermique avec du carburant au travers d'une surface d'echange separant ces deux fluides, ce qui a pour consequence 30 de chauffer le carburant et de refroidir l'huile. On notera que selon ('invention, l'echangeur de chaleur huile/carburant 36 est depourvu de fonction SFH destinee a rechauffer le carburant circulant dans la seconde ligne hydraulique 18 grace a l'huile chaude s'ecoulant dans le circuit d'huile du turboreacteur (non represents 35 sur les figures). 7 A Ia place, le circuit de commande hydraulique 2 selon l'invention comprend un echangeur de chaleur carburant/air 40 qui est positionne sur Ia seconde ligne hydraulique 18 en amont des servovalves electrohydrauliques 32 pour assurer un transfert de calories depuis l'air 5 circulant dans la ligne pneumatique (decrite ulterieurement) vers le carburant circulant dans la seconde ligne hydraulique. Cet echangeur de chaleur carburant/air 40 est un rechauffeur/refroidisseur qui transfere les calories de sa source chaude (en l'espece l'air alimentant ('organe de commande pneumatique) a sa 10 source froide (en l'espece le carburant alimentant les servovalves electrohydrauliques). II est denonnnne echangeur FCAC pour « Fuel Cooled Air Cooler ». A titre d'exemple, cet echangeur de chaleur carburant/air 40 presente une partie aliment& par le carburant et l'autre par de l'air. La 15 rinethode de transfert thermique entre l'air et le carburant peut etre via une architecture type « a plaque » ou bien « a tube », ces deux architectures sont bien connues et dependent des caracteristiques des circuits en termes de debits et de temperature. En liaison avec Ia figure 2, on decrira maintenant le circuit de 20 commande pneumatique 42 du turboreacteur selon l'invention. On appelle circuit de commande hydraulique et pneumatique ('association du circuit de commande hydraulique 2 et du circuit de commande pneumatique 42. Ce circuit de commande pneumatique 42 comprend notamment une ligne pneumatique 44 pour ('alimentation en air d'un organe de 25 commande pneumatique 46, cet organe etant destine a commander une pluralite de vannes de decharge 48 d'un compresseur du turboreacteur et une vanne 50 de controle de jeu en sommet d'aubes d'une turbine du turboreacteur. De fawn plus precise, l'air circulant dans la ligne pneumatique 30 44 provient d'un prelevement effectue sur un etage du compresseur haute-pression du turboreacteur. De plus, l'organe de commande pneumatique 46 est commande electriquement par le calculateur electronique du turboreacteur et renferme une pluralite d'electrorobinets (non representes) alimentant 35 chacun une vanne 48, 50, ces dernieres ayant un fonctionnement de type tout ou rien. 8 Selon ('invention, l'echangeur de chaleur carburant/air 40 precedemment decrit est egalement positionne sur Ia ligne pneumatique 44 en amont de ('organe de commande pneumatique 46. Ainsi, cet echangeur de chaleur carburant/air 40 permet de refroidir ('air provenant 5 du prelevement sur le compresseur haute-pression du turboreacteur avant n'alimente ('organe de commande pneumatique 46, tout en rechauffant le carburant circulant dans Ia seconde ligne hydraulique du circuit hydraulique avant qu'iI n'alimente les servovalves electrohydrauliques. 10 De preference, Ia ligne pneumatique 44 du circuit pneumatique comprend en outre, en aval de l'echangeur de chaleur carburant/air 40, un organe de depressurisation d'enceintes moteur 52 pour *ler le debit d'air traversant l'echangeur de chaleur carburant/air. Typiquement, cet organe de depressurisation 52 comprend une 15 trompe a jet utilisant un debit permanent pour depressuriser les enceintes moteur, ce qui permet de facilement dimensionner l'echangeur de chaleur carburant/air. Le circuit d'huile du turboreacteur n'est pas decrit ici. Typiquement, un tel circuit d'huile a pour fonction principale le 20 refroidissement et Ia lubrification d'elements du turboreacteur. Dans Ia mise en oeuvre de ('invention, le circuit d'huile se distingue de ('art anterieur en ce que l'echangeur de chaleur huile/carburant est depourvu de fonction SFH destinee a rechauffer le carburant circulant dans Ia seconde ligne hydraulique grace a I'huile chaude s'ecoulant dans le circuit 25 d'huile. REVENDICATIONS1. Circuit de commande hydraulique et pneumatique pour turboreacteur, comprenant : une premiere ligne hydraulique (14) pour l'alimentation en carburant d'une chambre de combustion du turboreacteur ; une seconde ligne hydraulique (18) pour l'alimentation en carburant d'un ou plusieurs actionneurs hydrauliques (20, 22) pour la commande d'equipements a geometrie variable du turboreacteur, chaque actionneur hydraulique etant alirnente en carburant par l'intermediaire d'une servovalve electrohydraulique (32) ; et une ligne pneumatique (44) pour ('alimentation en air d'un organe de commande pneumatique (46) de vannes de decharge (48) d'un compresseur du turboreacteur et d'une vanne de controle de jeu (50) en 15 sommet d'aubes d'une turbine du turboreacteur ; caracterise en ce qu'il comprend en outre un echangeur de chaleur carburant/air (40) positionne sur la seconde ligne hydraulique en amont des servovalves electrohydrauliques et sur la ligne pneumatique en amont de ('organe de commande pneumatique pour assurer un transfert 20 de calories depuis ('air circulant dans la ligne pneumatique vers le carburant circulant dans la seconde ligne hydraulique. 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel la ligne pneumatique (44) comprend en outre, en aval de l'echangeur de chaleur 25 carburant/air (40), un organe de depressurisation d'enceintes moteur (52) permettant de *ler le debit d'air traversant l'echangeur de chaleur carburant/air. 3. Circuit selon la revendication 2, dans lequel ('organe de 30 depressurisation (52) comprend une trompe a jet. 4. Circuit selon ('une quelconque des revendications 1 a 3, dans lequel les premiere et seconde lignes hydrauliques (14, 18) sont reliees ('une a I'autre, en amont de la chambre de combustion et des verins 35 hydrauliques, pour former une ligne hydraulique principale (4) comprenant une pompe volumetrique (12). 10 5. Circuit selon Ia revendication 4, dans lequel la ligne hydraulique principale (4) comprend en outre un echangeur de chaleur huile/carburant (36) ayant une fonction de transfert de calories (38) 5 depuis l'huile s'ecoulant dans un circuit d'huile du turboreacteur vers le carburant circulant dans la ligne hydraulique principale. 6. Circuit selon la revendication 5, dans lequel l'echangeur de chaleur huile/carburant (36) est depourvu de fonction de transfert de 10 calories entre l'huile s'ecoulant dans un circuit d'huile du turboreacteur et le carburant circulant dans la seconde ligne hydraulique. 7. Circuit selon ('une des revendications 5 et 6, dans lequel la ligne hydraulique principale (4) comprend en outre une pompe basse15 pression (6) positionnee en amont de l'echangeur de chaleur huile/carburant (36) et en aval d'un reservoir de carburant (8). 8. Circuit selon rune quelconque des revendications 1 a 7, dans lequel l'air circulant dans Ia ligne pneumatique (44) provient d'un 20 prelevement sur le compresseur du turboreacteur. 9. Turboreacteur comprenant un circuit de commande hydraulique et pneumatique selon ('une quelconque des revendications 1 a 8. 25