Brevet FR3085058A1 — publié le 20200221

TURBOMACHINE COMPORTANT UN ÉCHANGEUR THERMIQUE À IMMERSION VARIABLE DANS UNE VEINE D'ÉCOULEMENT D'AIR DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne une turbomachine comportant un échangeur thermique à immersion variable dans une veine d'écoulement d'air. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Dans un turboréacteur d'aéronef, un fluide caloporteur, tel que de l'huile, est utilisé pour refroidir des pièces du turboréacteur, telles que des générateurs électriques, des roulements et des engrenages. Afin d'évacuer la chaleur emmagasinée par l'huile, le turboréacteur est équipé d'un échangeur thermique tel qu'un refroidisseur d'huile par air, également appelé SACOC pour « Surface Air Cooled Oil Cooler » selon la terminologie anglo-saxonne. Dans le cas d'un turboréacteur à double flux, le refroidisseur est disposé dans la veine d'écoulement d'air secondaire. Le refroidisseur est dimensionné de manière à maintenir la température de l'huile dans une plage de températures donnée, et ce quel que soit le régime de fonctionnement du turboréacteur. En pratique, on constate que ce dimensionnement est prévu pour répondre aux besoins du turboréacteur lorsque celui-ci fonctionne à bas régime, c'est-à-dire lorsque l'aéronef est au sol. En effet, la surface d'échange thermique du refroidisseur est importante pour compenser le fait que dans ce cas le flux d'air traversant la veine secondaire présente un débit plus faible et une température plus élevée que lorsque l'aéronef est dans un régime de croisière. Un problème est que les dimensions du refroidisseur sont plus grandes que nécessaires pour la plupart des conditions de vol rencontrées par l'aéronef. Ainsi, un tel refroidisseur entraîne constamment des pertes de charge dans le turboréacteur bien que dans la majorité des phases de vol, le refroidisseur ne soit pas, ou peu, utile. Il en résulte un impact négatif sur la consommation spécifique de carburant (« specific fuel consumption » selon la terminologie anglo-saxonne) du turboréacteur. 2 RÉSUMÉ DE L'INVENTION La présente invention vise à résoudre le problème mentionné précédemment en proposant une turbomachine s'étendant selon un axe longitudinal, la turbomachine comportant une veine d'écoulement d'air présentant une symétrie de révolution autour 5 de l'axe longitudinal et un échangeur thermique dans lequel circule un fluide, l'échangeur thermique comportant des éléments de dissipation thermique s'étendant sur une hauteur totale considérée selon une direction radiale, l'échangeur thermique présentant un taux de pénétration dans la veine d'écoulement d'air défini comme étant le rapport entre la hauteur des éléments de dissipation thermique présents dans la io veine secondaire et la hauteur totale des éléments de dissipation thermique, l'échangeur thermique étant installé dans une portion de la veine d'écoulement d'air délimitée extérieurement par une membrane configurée pour être déplacée radialement, le taux de pénétration de l'échangeur thermique variant en fonction de la position de la membrane. 15 La présente invention permet d'adapter le taux de pénétration de l'échangeur thermique dans la veine d'écoulement d'air. Ainsi, en fonction des besoins, seule la partie utile de l'échangeur thermique est plongée dans la veine d'écoulement d'air. Il est donc possible d'obtenir un refroidissement efficace quel que soit le régime de fonctionnement de la turbomachine, tout en minimisant l'impact de l'échangeur 20 thermique sur les pertes de charge dans la veine d'écoulement d'air. Selon un mode de réalisation, le déplacement de la membrane s'effectue de manière progressive entre : une première position extrême dans laquelle le taux de pénétration de l'échangeur thermique dans la veine d'écoulement d'air est minimal ; et 25 - une deuxième position extrême dans laquelle le taux de pénétration de l'échangeur thermique dans la veine d'écoulement d'air est maximal. Selon un mode de réalisation, lorsque la membrane est dans la première position extrême, le taux de pénétration de l'échangeur thermique dans la veine d'écoulement d'air est nul, les éléments de dissipation thermique étant entièrement 30 occultés par la membrane. 3 Selon un mode de réalisation, lorsque la membrane est dans la deuxième position extrême, le taux de pénétration de l'échangeur thermique dans la veine d'écoulement d'air est égal à 100 °Ai, les éléments de dissipation thermique étant entièrement présents dans la veine d'écoulement d'air. 5 Selon un mode de réalisation, la membrane présente une forme annulaire, la membrane étant portée par deux anneaux télescopiques disposés respectivement en amont et en aval de l'échangeur thermique, chaque anneau télescopique étant relié mécaniquement à un actionneur, les actionneurs étant configurés pour faire varier le diamètre des anneaux télescopiques de manière à entraîner le déplacement radial de 10 la membrane. Selon un mode de réalisation, la membrane présente une épaisseur comprise entre 3 mm et 7 mm. Selon un mode de réalisation, la membrane est réalisée en un matériau élastomère. 15 BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent, parmi lesquelles : - les figures 1A et 1B sont des vues partielles en coupe transversale d'un 20 turboréacteur d'aéronef comportant une membrane mobile, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue de détail de la membrane mobile des figures 1A et 1 B. Les figures sont schématiques et ne respectent pas les proportions entre les différents éléments représentés, ceci afin d'en faciliter la lecture. 25 Les figures ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur toutes les figures. DESCRIPTION DETAILLÉE D'AU MOINS UN MODE DE RÉALISATION 4 Dans l'ensemble de la description et dans les revendications, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à un sens d'écoulement normal (de l'amont vers l'aval) des gaz traversant une turbomachine. Une turbomachine s'étend selon un axe longitudinal autour duquel la 5 turbomachine présente une symétrie de révolution. Dans l'ensemble de la description et dans les revendications, on entend par « direction axiale » une direction qui est parallèle à l'axe longitudinal, et par « direction radiale » une direction qui est perpendiculaire à l'axe longitudinal. De plus, les termes « axial », « radial », « axialement » et « radialement » sont utilisés en référence aux directions axiale et io radiale. Par ailleurs, les termes cc interne », cc externe », « intérieur », « extérieur », « intérieurement - et « extérieurement » sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte qu'une partie interne (ou intérieure) d'un élément est plus proche de l'axe longitudinal de la turbomachine qu'une partie externe (ou extérieure) du même élément. 15 Un mode de réalisation d'une turbomachine selon l'invention va maintenant être décrit. La turbomachine est par exemple un turboréacteur à double flux comportant d'amont en aval une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. 20 En fonctionnement, la soufflante aspire un flux d'air qui est divisé en un flux d'air primaire traversant une veine d'écoulement d'air primaire et alimentant les compresseurs, la chambre de combustion et les turbines, et en un flux d'air secondaire traversant une veine d'écoulement d'air secondaire avant d'être éjecté hors du turboréacteur. 25 Les figures 1A et 1B montrent en coupe transversale une portion de la veine d'écoulement d'air secondaire 2 du turboréacteur délimitée extérieurement par une membrane 3. Le flux d'air secondaire traversant la veine secondaire 2 est représenté par des flèches 4. Un échangeur thermique 5 est fixé à une paroi interne 61 d'un carter 6 du turboréacteur. Dans un turboréacteur de l'art antérieur, la paroi interne 61 du carter 6 délimite la veine d'écoulement d'air secondaire alors que dans la présente invention, la veine secondaire 2 est reconstituée au moyen de la membrane 3. La 5 membrane 3 comporte deux extrémités (non représentées) disposées respectivement en amont et en aval de l'échangeur thermique 5. Les extrémités de la membrane 3 peuvent être fixées à la paroi interne 61 du carter 6 par exemple par rivetage ou par collage. 5 L'échangeur thermique 5 comporte un conduit dans lequel circule un fluide caloporteur utilisé pour refroidir différents organes du turboréacteur tels que des générateurs électriques, des roulements et des engrenages. Lorsque l'échangeur thermique 5 est plongé dans la veine secondaire 2, un transfert de chaleur s'opère entre le fluide caloporteur et le flux d'air secondaire 4. Le fluide caloporteur est par io exemple de l'huile. Dans ce cas, l'échangeur thermique est un refroidisseur d'huile par air (SACOC). Alternativement, le fluide caloporteur peut être du carburant ou tout autre fluide approprié. L'échangeur thermique 5 comporte des éléments de dissipation thermique, tels que des ailettes, qui permettent d'augmenter la surface d'échange thermique. Les 15 ailettes s'étendent sur une hauteur totale Ho considérée selon une direction radiale. La membrane 3 est configurée pour être déplacée radialement de manière à ajuster la hauteur Hi des ailettes qui pénètrent dans la veine secondaire 2. Autrement dit, l'échangeur thermique 5 est fixe et c'est la membrane 3 qui se déplace pour que les ailettes de l'échangeur thermique 5 soit plus ou moins plongées dans la veine 20 secondaire 2. Il est ainsi possible de réguler, en fonction des besoins, l'efficacité de l'échange thermique entre les ailettes de l'échangeur thermique 5 et le flux d'air secondaire 4. Cela permet de minimiser les pertes de charges dans la veine secondaire 2 dues aux frottements lorsque le besoin de refroidissement est moindre. La consommation spécifique de carburant du turboréacteur est ainsi améliorée. 25 L'échangeur thermique 5 présente un taux de pénétration dans la veine secondaire 2 défini comme étant le rapport entre la hauteur Hi des ailettes présentes dans la veine secondaire 2 et la hauteur totale Ho des ailettes. Dans le contexte de l'invention, l'expression « présent dans la veine secondaire » signifie « qui dépasse radialement de la membrane vers l'intérieur de la veine secondaire » 30 Avantageusement, le déplacement de la membrane 3 s'effectue de manière progressive entre une première position extrême et une deuxième position extrême 6 dans lesquelles le taux de pénétration est respectivement minimal et maximal. De préférence, le taux de pénétration de l'échangeur thermique 5 peut varier de 0 % à 100 %, ce qui offre une amplitude de variation maximale. Il est ainsi plus facile d'ajuster l'efficacité de l'échangeur thermique 5 en fonction des besoins. La figure 1A illustre la première position extrême de la membrane 3 correspondant à un taux de pénétration nul. Dans ce cas, les ailettes de l'échangeur thermique 5 sont entièrement cachées par la membrane 3. La figure 1B illustre la deuxième position extrême de la membrane 3 correspondant à un taux de pénétration de 100 %. Dans ce cas, les ailettes de 10 l'échangeur thermique 5 sont entièrement présentes dans la veine secondaire 2. La membrane 3 a par exemple une forme annulaire. En d'autres termes, la membrane 3 s'étend sur toute la circonférence de la portion concernée de la veine secondaire 2. Avantageusement, la membrane 3 est réalisée dans un matériau élastomère, ce qui lui permet de s'étirer et de se contracter de manière à modifier le 15 diamètre de la veine secondaire 2. Le matériau élastomère peut par exemple être du caoutchouc naturel (N R), du polyisoprène synthétique (IR) ou du chloroprène (CR). La membrane 3 présente une épaisseur comprise de préférence entre 2 mm et 10 mm, et plus préférentiellement entre 3 mm et 7 mm. Ces plages d'épaisseur permettent d'assurer une bonne tenue mécanique de la membrane 3 tout en faisant en sorte que 20 la membrane 3 soit suffisamment souple. La membrane 3 est par exemple portée par deux anneaux télescopiques 31, 32 disposés respectivement en amont et en aval de l'échangeur thermique 5. Les anneaux télescopiques 31, 32 ont un diamètre variable permettant le déplacement de la membrane 3. Chaque anneau télescopique 31, 32 est par exemple glissé dans un 25 logement 33 ménagé dans la membrane 3, comme illustré plus en détail à la figure 2. Ce type d'assemblage est similaire à celui des arceaux d'une tente. Dans ce mode réalisation, chaque anneau télescopique 31, 32 est déplacé au moyen d'un actionneur 7 tel qu'un vérin hydraulique. Le déplacement des anneaux télescopiques 31, 32 entraîne le déplacement de la membrane 3. Chaque vérin 30 hydraulique 7 comporte un cylindre 71 dans lequel coulisse radialement un piston 72 relié mécaniquement à l'un des anneaux télescopique 31, 32. Une ouverture 34 est 7 pratiquée dans la partie extérieure du logement 33 de la membrane 3 pour permettre de fixer le piston 72 à l'anneau télescopique 31, 32 correspondant. Les pistons 72 sont montés à travers le carter 6 par exemple aux moyens de bagues d'étanchéité 8. Grâce aux actionneurs 7, la membrane 3 peut être déplacée d'une position extrême à l'autre 5 de manière graduelle et réversible. Les ailettes de l'échangeur thermique 5 pénètrent dans la veine secondaire 2 par exemple en s'enfonçant dans la membrane 3. Autrement dit, la membrane 3, qui est déformable, recouvre les ailettes lorsqu'elles sont dans la veine secondaire, ce qui n'a que peu d'incidence sur l'efficacité de l'échange thermique compte tenu de la faible 10 épaisseur de la membrane 3. Alternativement, la membrane 3 peut comporter des ouvertures formant un motif complémentaire à celui formé par les ailettes de l'échangeur thermique 5. Ainsi, les ailettes peuvent pénétrer plus facilement dans la veine secondaire 2 en traversant la membrane 3. Dans ce cas, les ailettes ne sont pas recouvertes par la membrane 3. 15 Le turboréacteur comporte également un aubage directeur de sortie, également appelé OGV pour « Outlet Guide Vane » selon la terminologie anglo-saxonne. Avantageusement, l'échangeur thermique 5 est disposé en aval de l'aubage directeur de sortie, de préférence juste derrière. Le flux d'air secondaire étant moins rapide à cet endroit, les pertes de charge, qui sont proportionnelles au carré de la vitesse 20 d'écoulement du flux d'air, sont ainsi réduites. Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, d'autre d'anneaux télescopiques peuvent être utilisés afin d'offrir davantage de possibilités pour moduler la forme de la veine secondaire. Il est 25 par exemple possible d'utiliser un anneau supplémentaire relié à un piston incliné par rapport à la direction radiale de manière à créer ou supprimer un espace de la veine secondaire situé en amont de l'échangeur REVENDICATIONS1. Turbomachine s'étendant selon un axe longitudinal, la turbomachine comportant une veine d'écoulement d'air (2) présentant une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal et un échangeur thermique (5) dans lequel circule un fluide, s l'échangeur thermique (5) comportant des éléments de dissipation thermique s'étendant sur une hauteur totale (Ho) considérée selon une direction radiale, l'échangeur thermique (5) présentant un taux de pénétration dans la veine d'écoulement d'air (2) défini comme étant le rapport entre la hauteur (Hi) des éléments de dissipation thermique présents dans la veine secondaire (2) et la hauteur totale (Ho) io des éléments de dissipation thermique, la turbomachine étant caractérisée en ce que l'échangeur thermique (5) est installé dans une portion de la veine d'écoulement d'air (2) délimitée extérieurement par une membrane (3) configurée pour être déplacée radialement, le taux de pénétration de l'échangeur thermique (5) variant en fonction de la position de la membrane (3). as 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le déplacement de la membrane (3) s'effectue de manière progressive entre : une première position extrême dans laquelle le taux de pénétration de l'échangeur thermique (5) dans la veine d'écoulement d'air (2) est minimal ; et une deuxième position extrême dans laquelle le taux de pénétration de 20 l'échangeur thermique (5) dans la veine d'écoulement d'air (2) est maximal. 3. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que, lorsque la membrane (3) est dans la première position extrême, le taux de pénétration de l'échangeur thermique (5) dans la veine d'écoulement d'air (2) est nul, les éléments de dissipation thermique étant entièrement occultés par la membrane (3). 25 4. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que, lorsque la membrane (3) est dans la deuxième position extrême, le taux de pénétration de l'échangeur thermique (5) dans la veine d'écoulement d'air (2) est égal à 100 %, les éléments de dissipation thermique étant entièrement présents dans la veine d'écoulement d'air (3). 9 5. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la membrane (3) présente une forme annulaire, la membrane (3) étant portée par deux anneaux télescopiques (31, 32) disposés respectivement en amont et en aval de l'échangeur thermique (5), chaque anneau télescopique (31, 32) étant relié mécaniquement à un actionneur (7), les actionneurs étant configurés pour faire varier le diamètre des anneaux télescopiques (31, 32) de manière à entraîner le déplacement radial de la membrane (3). 6. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la membrane (3) présente une épaisseur comprise entre 3 mm et 7 mm. 7. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la membrane (3) est réalisée en un matériau élastomère.