Brevet FR3096767A1 — publié le 20201204

Description Titre de l'invention : ÉCHANGEUR THERMIQUE à DÉ- FLECTION Domaine de l'invention [0001] La présente invention concerne le domaine des échangeurs thermiques, en particulier les échangeurs fluides-fluides de type « plaques et ailettes » pour des turbomachines d'aéronef. État de la technique [0002] En raison des fortes contraintes en termes de masse et compacité à iso-performances (efficacité / pertes de charge) dans le domaine de l'aéronautique, les échangeurs sont classiquement des échangeurs en contre-courant ou en courant croisés dont le coeur présente une série de surfaces d'échange de type « plaques et ailettes ». Les plaques permettent de séparer les flux : d'un côté le flux chaud et de l'autre côté de la plaque, le flux froid. C'est par l'intermédiaire de ces plaques que se réalise l'essentiel de l'échange de chaleur. Les ailettes, quant à elles, permettent d'augmenter la surface d'échange de ces plaques. C'est pourquoi on parle de plaques et ailettes. Par analogie avec le transfert thermique et l'électricité, on parle de « résistance thermique ». Cette analogie est couramment utilisée pour analyser les échangeurs thermiques. Dans la pratique usuelle, on relie le flux thermique et l'écart de température par une résistance thermique (analogie à la loi d'Ohm en électricité). [0003] De manière bien connue en soi, un échangeur 10 de type « plaque et ailettes » est un échangeur dont le coeur 12 (ou zone d'échange) s'organise par étages, comme illustré sur la figure 1. Deux fluides 14, 16 s'écoulant selon une direction générale imposée par des ailettes 18 formant conduits se croisent de part et d'autre de plaques transversales 20. La chaleur est transférée du fluide à température la plus élevée aux plaques et ailettes par conduction thermique. Cette chaleur est alors, à son tour, transférée au fluide à température plus basse et inversement. [0004] Il est ainsi connu que pour des échangeurs comportant une zone d'échange à deux flux (froid et chaud) en contre-courant, il est nécessaire de défléchir au moins un des deux flux en entrée et sortie de coeur (ou zone d'échange) pour assurer leur séparation. La zone où se trouve cette déllection est. située entre l'entrée/la sortie et le coeur (ou zone d'échange) de l'échangeur. Cette zone est appelée zone de distribution. [0005] Les problèmes connus liés à cette zone de distribution sont que : [0006] - la déllection du flux entraine une perte de charge importante et des zones de recir- culation du fluide, ceci gêne la distribution homogène de l'écoulement. et a des conséquences négatives sur les critères aérothermiques et thermomécaniques de 2 l'échangeur, - cette zone de distribution ne contribue pas de façon optimale à l'échange thermique (qui est la fonction principale de l'échangeur) et entraîne donc un surplus de masse gênant. Objectif de l'invention [0007] La présente invention a notamment pour objectif de fournir un échangeur thermique permettant d'améliorer, de manière simple et efficace, une distribution homogène de l'écoulement du flux défléchi dans le coeur de l'échangeur en limitant la perte de charge tout en limitant la taille et donc la masse dudit échangeur. Exposé de l'invention [0008] On parvient à cet objectif conformément à l'invention grâce à un échangeur de chaleur pour turbomachine, comportant au moins un premier et un deuxième étages séparés par une plaque transversale, chaque étage permettant la mise en circulation respectivement d'un premier fluide et d'un deuxième fluide, l'échangeur étant configuré de manière à ce que le premier et le deuxième fluide circulent chacun dans son étage et se croisent dans une zone d'échange, l'un au moins du premier et du second étage comportant en outre, en amont de la zone d'échange selon le sens de circulation du premier fluide, une zone de distribution, la zone de distribution comportant une zone de déflection du premier fluide. L'échangeur se caractérise en ce que la zone de distribution présente trois parties distinctes : 100091 - une première partie, située en amont du point de déflection, comportant au moins deux ailettes sensiblement perpendiculaires à la plaque et présentant une direction constante, 100101 - une seconde partie, située à l'endroit de la zone de déflection des fluides, comportant au moins deux déflecteurs principaux sensiblement perpendiculaires à la plaque et présentant chacun un angle de déflection global, 100111 - une troisième partie comportant les au moins deux déflecteurs principaux et au moins deux déflecteurs secondaires sensiblement perpendiculaires à la plaque et intercalés entre les déflecteurs principaux. 10012] L'échangeur est également caractérisé en ce que la première partie se situe, selon le sens de circulation du premier fluide, en amont de la seconde partie, elle-même en amont de la troisième partie. 10013] Ainsi, cette solution permet d'atteindre l'objectif susmentionné. En particulier, la présence de deux types de déflecteurs, principaux et secondaires, permet d'effectuer la déflection de l'écoulement du premier fluide en douceur et en la combinant avec l'augmentation de la densité d'ailettes. Elle permet ainsi une transition douce, progressive et en réduisant les pertes de charge de manière significative entre : 3 100141 - l'écoulement rapide du premier fluide dans une zone d'ailettes peu denses (dans la première zone), et [0015] - l'écoulement ralenti du premier fluide au sein du coeur de l'échangeur avec un agencement d'ailettes plus dense. [0016] Les déflecteurs principaux et secondaires permettent donc une meilleure répartition de l'écoulement du premier fluide, une réduction de la perte de charge et un meilleur équilibre des résistances thermiques des premier et deuxième flux situés dans le coeur de l'échangeur. [0017] L'échangeur comprend également l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : [0018] les au moins deux déflecteurs secondaires sont intercalés de manière asy- métrique entre les au moins deux déflecteurs principaux, les au moins deux déflecteurs principaux présentent chacun le même angle de déflection global et sont séparés par un espacement constant, les au moins deux déflecteurs principaux présentent chacun un angle de dé- fleetion global différent et sont séparés par un espacement variable, chaque déflecteur principal présente une portion formant arrondi, le rayon de courbure de cette portion étant compris entre 0,5 cm et 10 cm, la seconde partie comporte au moins trois déflecteurs principaux, l'espacement entre deux déflecteurs principaux étant différent d'un es- pacement à l'autre, le premier fluide circule sur une première face de la plaque, le deuxième fluide circule sur une deuxième face de la plaque, seul le premier fluide est défléchi, le premier fluide est défléchi en amont de la zone d'échange et en aval de la zone d'échange, L'échangeur est obtenu par fabrication additive. [0019] L'invention concerne une turbomachine comprenant au moins un échangeur présentant l'une quelconque des caractéristiques susmentionnées. [0020] L'invention concerne également un aéronef comprenant au moins une turbomachine telle que susmentionnée. Brève description des figures [0021] L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels : [0022] [fig.1] la figure 1 est un exemple d'un coeur (zone d'échange) d'un échangeur thermique de type « plaque et ailettes » pour lequel est pensé la présente invention, [0023] [fig.2] la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un échangeur comportant une zone de distribution selon l'invention, [0024] [fig.3] la figure 3 est une vue schématique d'une zone de distrihution d'un échangeur selon l'invention, [0025] [fig.4] la figure 4 est une vue schématique de l'angle d'ouverture et de l'angle de dé- fiection global de l'écoulement du fluide défléchi dans la zone de distrihution. [0026] [fig.5] la figure 5 est une vue schématique d'une série d'échangeurs thermiques de type « à contre-courant ». [0027] [fig.6] la figure 6 est une vue schématique d'un échangeur thermique de type « à courant croisé ». [0028] Description de modes de réalisation de l'invention [0029] Sur la figure 1, un échangeur de chaleur 10 comporte une zone d'échange 12 se présentant sous la forme d'un empilement. L'échangeur de chaleur 10 peut être de type « à contre-courant » tel qu'illustré sur l'une des variantes de la figure 5 ou de type « à courant croisés » tel qu'illustré en figure 6. Ainsi la zone d'échange 12 comporte au moins un premier étage El et un deuxième étage E2. Chaque étage El, E2 est séparé de l'étage du dessus par une plaque transversale 20 étanche. Un échangeur 10 permet classiquement un échange de chaleur entre deux fluides 14, 16. Ainsi, comme visible sur la figure 1, chaque étage El, E2 permet la mise en circulation d'un fluide 14, 16 : soit le premier fluide 14, soit le deuxième fluide 16. Les fluides 14, 16 sont ainsi mis en circulation en alternance, de manière à ce que chaque étage El mettant en circulation le premier fluide 14 soit suivi d'un deuxième étage E2 mettant en circulation le deuxième fluide 16 et vice versa. Le premier fluide 14 circule ainsi sur une première face de la plaque transversale 20 entre deux étages El, E2 et le deuxième fluide 16 circule sur une deuxième face de la plaque transversale 20 de ces deux étages El, E2. De manière classique et bien connue en soi, la zone d'échange 12 permet ainsi de transférer de l'énergie thermique d'un des fluides 14, 16 vers l'autre fluide 14, 16 sans les mélanger. Il n'y a que le flux thermique qui traverse la plaque transverse 20 séparant les deux étages El, E2. L'ensemble des plaques transverses 20 de la zone d'échange 12 forme donc la surface d'échange de l'échangeur 10. L'échangeur 10 est, de plus, configuré de manière à ce que, dans la zone d'échange 12, le premier et le deuxième fluides 14, 16 circulent en sens inversés, chacun dans leur(s) étage(s) El, E2 respectif(s). De manière classique, seul un des deux fluides 14, 16 est défléchi. Dans l'exemple considéré, c'est le premier fluide 14 de chaque étage El qui est défléchi. [0030] Comme déjà mentionné en introduction, la direction d'écoulement des fluides 14, 16 est classiquement imposée par des ailettes 18 s'étendant sensiblement perpendicu- lairemcnt aux plaques transversales 20, entre deux plaques 20 successives. Ces ailettes 18 s'étendent donc, sur toute la longueur du parcours du fluide 14, 16, dans une direction sensiblement parallèle à la direction d'écoulement des fluides 14, 16. [0031] En amont de la zone d'échange 12 (selon chacun des sens de circulation des fluides 14, 16, l'amont et l'aval changeant entre un étage El et un étage E2), les ailettes 18 sont agencées de manière à former des conduits 22 indépendants. Chaque conduit 22 est ainsi délimité par deux ailettes 18 et deux plaques transversales 20. Chaque étage El, E2 comporte ainsi au moins deux ailettes 18 en amont de la zone d'échange 12. Dans la zone d'échange 12, les ailettes 18 ne sont plus agencées de manière à former des conduits 22. En effet, dans cette zone d'échange 12, les ailettes 18 sont agencées en quinconce. Cette disposition en quinconce permet d'homogénéiser la température dans le fluide circulant 14, 16 et donc d'améliorer les échanges thermiques. En effet, sans cette disposition en quinconce, le « coeur de flux » du fluide circulant 14, 16 entre chaque ailette 18 resterait chaud ou froid et n'entrerait pas en contact avec lesdites ailettes 18. Seuls les « bords du flux » du fluide circulant 14, 16 serait au contact des ailettes 18. La disposition en quinconce permet ainsi aux ailettes 18 de « couper » le flux du fluide 14, 16 circulant et d'atteindre le coeur du flux pour le refoidir/réchauffer au même titre que les bords du flux. [0032] On observe donc une différence de densité d'ailettes 18 entre la zone d'échange 12 et la zone en amont de la zone d'échange 12. Cette différence de densité d'ailettes 18 qui peut être, en plus, combinée à une déflection (dans le cas du premier fluide 14) mène à une perte de charge des fluides 14, 16 mais plus particulièrement du premier fluide 14 au sein des étages El de l'échangeur 10. [0033] Afin de permettre la déflection du premier fluide 14, chaque premier étage El comporte en outre, en amont de la zone d'échange 12 selon le sens de circulation du premier fluide 14, une zone de distribution 24. Cette zone de distribution 24 est illustrée aux figures 2 et 3. La zone de distribution 24 comporte, pour chaque conduit 22, un point de déflection du premier fluide 14. L'ensemble des points de déflection forme une zone de déflection 26. Dans l'exemple illustrée en figures 2 et 3, l'ensemble des points de déflection 26 est aligné et la zone de déflection 26 forme ainsi une ligne. Cette zone de déflection 26 permet de définir trois parties distinctes A, B. C de la zone de distribution 24. Comme visible sur les figures 2 et 3, la première partie A se situe, selon le sens de circulation du premier fluide 14, en amont de la seconde partie B, elle-même en amont de la troisième partie C. [0034] La première partie A de la zone de distribution 24 est située en amont de la zone de déflection 26 (selon le sens de circulation du premier fluide 14). Les ailettes 18 de la partie A présentent une direction constante et forment, comme déjà mentionné, les conduits 22. Ces conduits 22 présentent un tracé sensiblement rectiligne. Les parois 6 des conduits 22 sont sensiblement parallèles entre elles. [0035] La seconde partie B de la zone de distribution 24 est située à l'endroit du/des points de déflection du premier fluide 14. Cette seconde partie B comporte au moins deux déflecteurs principaux 28 sensiblement perpendiculaires à la plaque transversale 20. Ces déflecteurs principaux 28 présentent chacun un angle de déflection global Chaque déflecteur principal 28 présente ainsi une portion formant arrondi Le rayon de courbure RC (voir figure 4) de cet arrondi est compris entre 0,5 cm et 10 cm. [0036] Dans le mode de réalisation illustré en figures 2 et 3, certains déflecteurs principaux 28 s'étendent dans le prolongement d'une ailette 18 correspondante et d'autres déflecteurs principaux 28 sont agencés dans l'espace entre deux ailettes 18. L'ailette 18 et le déflecteur principal 28 correspondant peuvent être venus de matière. Selon le mode de réalisation considéré, les espacements 32 entre deux déflecteurs principaux 28 successifs peuvent être identiques ou non, variables ou non. Ainsi, dans le mode de réalisation illustré aux figures 2 et 3, les déflecteurs principaux 28 présentant chacun le même angle de déflection global ri, sont tous séparés par un espacement 32 constant (visible également sur la figure 4). Dans un mode de réalisation non représenté, les déflecteurs principaux 28 présentent chacun un angle de déflection global p différent et sont séparés par un espacement 32 variable. Selon un autre mode de réalisation non représenté, la seconde partie B comporte les déflecteurs principaux 28 présentant chacun le même angle de déflection global fi mais l'espacement 32 entre deux déflecteurs principaux 28 successifs est différent d'un espacement 32 à l'autre. [0037] L'angle de déflection global p de la deuxième partie B de la zone de distribution 24 est défini entre la direction des ailettes 18 de la première partie A de la zone de distribution 24 et la direction des ailettes 18 de la zone d'échange 12. L'ordre de grandeur de l'angle r3 est compris entre 90° et 120°. Avantageusement, l'angle de grandeur de l'angle r3 est compris entre 90 et 105° et est préférentiellement égal à 90°. [0038] L'angle de déflection global p est classiquement complémentaire d'un angle d'ouverture cz. Cet angle d'ouverture a. définit l'inclinaison des ailettes 18 de la première partie A de la zone de distribution par rapport à une droite perpendiculaire à la direction des ailettes 18 de la zone d'échange 12. L'angle d'ouverture a est ainsi défini comme a = ((3 - 90) et est compris entre 0° et 30°. Ceci est illustré en figure 4. [0039] La troisième partie C comporte les déflecteurs principaux 28 de la partie B et également, au moins deux déflecteurs secondaires 30. Ces déflecteurs secondaires 30 sont eux aussi sensiblement perpendiculaires à la plaque transversale 20. Ils sont intercalés entre les déflecteurs principaux 28, comme visible sur les figures 2 et 3. Selon le mode de réalisation considéré, les espacements entre les déflecteurs principaux 28 et les déflecteurs secondaire 30 peuvent être identiques ou non, variables ou non. Ainsi, dans le mode de réalisation illustré aux figures 2 et 3, les déflecteurs secondaires 30 7 sont intercalés de manière symétrique entre les déflecteurs principaux 28. Mais ces déflecteurs secondaires 30 peuvent aussi être intercalés de manière asymétrique entre les déflecteurs principaux 28. Par exemple sur la figure 4, on voit que les déflecteurs secondaires 30 sont intercalés de manière asymétrique entre les déflecteurs principaux 28. [0040] On observe donc bien, en aval de la zone d'inflexion 26 de la zone de distribution 24, une densification progressive des éléments (ailettes 18 et déflecteurs 28, 30) disposés sur le passage du fluide 14 et une disparition progressive des conduits 22. Sur le mode de réalisation illustré en figure 3, on voit par ailleurs que le premier fluide 14 de chaque étage El est défléchi une première fois en amont de la zone d'échange 12 et une seconde fois en aval de la zone d'échange 12. En amont de la zone d'échange 12, les deux types de déflecteurs 28, 30 successifs permettent de progressivement densifier le nombre d'éléments (ailettes 18 et déflecteurs 28, 30) disposés sur le passage du fluide augmentant ainsi le nombre de surfaces d'échange de manière inversement proportionnelle à la décélération du fluide 14 duc à la perte de charge du fluide 14 induite par la déflection imposée dans la partie B de la zone d'e distribution 24. Ceci permet de maintenir un coefficient d'échange suffisamment important pour maintenir un bon équilibre entre les résistances thermiques associés à chacun des deux flux 14, 16. Cette densification progressive des éléments 18, 28, 30 permet également de maintenir une bonne répartition de l'écoulement du fluide 14 et de limiter les turbulences et zones de recirculation malgré la perte de charge associée à la déflection. [0041] En aval de la zone d'échange 12, ces deux types de déflecteurs 28, 30 permettent de progressivement réduire le nombre d'éléments 18, 28, 30 dans la direction transverse à l'écoulement avec l'accélération de l'écoulement induit par la sortie de la zone d'échange 12 (voir précédemment). [0042] La réduction des zones de recirculation du premier fluide 14 et de la maldistribution permet également d'obtenir (en plus de la réduction de pertes de charge et de l'augmentation des échanges thermiques) une température plus homogène ce qui permet de réduire les contraintes thermomécaniques. On appelle zone de recirculation une zone dans laquelle une partie du flux en circulation forme un tourbillon sur lui-même et ne circule donc plus. On appelle maldistribution une distribution non-homogène de la vitesse. [0043] La solution proposée par la présente invention est particulièrement adaptée aux échangeurs 10 réalisés en fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre. Cette solution en fabrication additive présente beaucoup moins de difficultés à la réalisation que les procédés de fabrication traditionnels par brasage. Par ailleurs les procédés de fabrication additive ne nécessitent pas forcement de supports particuliers lors de la fabrication. 8 [0044] . 9 REVENDICATIONS[Revendication 1] Echangeur de chaleur (10) pour turbomachine, comportant au moins un premier et un deuxième étages (El, E2) séparés par une plaque transversale (20), chaque étage (El, E2) permettant la mise en circulation respectivement d'un premier fluide (14) et d'un deuxième fluide (16), l'échangeur (10) étant configuré de manière à ce que le premier et le deuxième fluide (14, 16) circulent chacun dans son étage (El, E2) et se croisent dans une zone d'échange (12), l'un au moins du premier et du second étage (El E2) comportant en outre, en amont de la zone d'échange (12) selon le sens de circulation du premier fluide (14), une zone de distribution (24), la zone de distribution (24) comportant une zone de déflection (27) du premier fluide (14), l'échangeur (10) étant caractérisé en ce que : - la zone de distribution (24) présente trois parties distinctes (A, B. C) : - une première partie (A), située en amont du point de déflection, comportant au moins deux ailettes sensiblement perpendiculaires à la plaque (20) et présentant une direction constante, - une seconde partie (B), située à l'endroit de la zone de déflection (27) des fluides (14, 16), comportant au moins deux déflecteurs principaux (28) sensiblement perpendiculaires à la plaque (20) et présentant chacun un angle de déflection global ([3), - une troisième partie (C) comportant les au moins deux déflecteurs principaux (28) et au moins deux déflecteurs secondaires (30) sensiblement perpendiculaires à la plaque (20) et intercalés entre les déflecteurs principaux (28), et - la première partie (A) se situe, selon le sens de circulation du premier fluide (14), en amont de la seconde partie (B), elle-même en amont de la troisième partie (C). [Revendication 2] Echangeur (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les au moins deux déflecteurs secondaires (30) sont intercalés de manière asymétrique entre les au moins deux déflecteurs principaux (28). [Revendication 3] Echangeur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les au moins deux déflecteurs principaux (28) présentent chacun le même angle de déflection global ((3) et sont séparés par un espacement (32a) constant. [Revendication 4] Echangeur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, ca- 10 [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] ractérisé en cc que les au moins deux déflecteurs principaux (28) présentent chacun un angle de déflection global ((i) différent et sont séparés par un espacement (32) variable. Echangcur (10) selon l'une des revendication 3 et 4, caractérisé en cc que chaque déflecteur principal (28) présente une portion formant arrondi, le rayon de courbure de cette portion étant compris entre 0,5 cm et 10 cm. Echangcur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde partie (B) comporte au moins trois déflecteurs principaux (28), l'espacement (32) entre deux déflecteurs principaux (28) étant différent d'un espacement à l'autre. Echangcur (10) selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, caractérisé en ce que le premier fluide (14) circule sur une première face de la plaque (20), le deuxième fluide (16) circule sur une deuxième face de la plaque (20). Echangcur (10) selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, caractérisé en ce que seul le premier fluide (14) est défléchi. Echangcur (10) selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, caractérisé en ce que le premier fluide (14) est défléchi en amont de la zone d'échange (12) et en aval de la zone d'échange (12). Echangeur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est obtenu par fabrication additive. Turbomachine comportant au moins un échangeur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes. Aéronef comprenant au moins une turbomachine selon la revendication précédente.