Brevet FR3093765A1 — publié le 20200918

Description Titre de l'invention : SYSTEME ECHANGEUR DE CHALEUR AIR-HUILE DE TURBOMACHINE OPTIMISE Domaine technique [0001] La présente invention concerne le refroidissement d'huile au sein d'une tur- bomachine, et plus particulièrement à une turbomachine à double tlux équipée d'un système échangeur de chaleur entre le flux secondaire et de l'huile circulant dans la turbomachine. Technique antérieure [0002] Une turbomachine à double flux, tel qu'un turboréacteur 1 à double flux et à double corps d'axe longitudinal de révolution AX comme illustré sur la figure 1, comporte de façon classique un générateur de gaz 2. Ce générateur de gaz 2 comprend une chambre de combustion 3 de part et d'autre de laquelle sont agencés des compresseurs basse pression 4 et haute pression 6 en amont AM, et des turbines haute pression 7 et basse pression 8 en aval AV suivant l'axe AX. les termes « amont » AM et « aval » AV sont à considérer selon la direction d'écoulement principale des gaz au sein du turboréacteur. [0003] Le turboréacteur 1 comprend en amont du générateur de gaz 2, une soufflante 9 s'étendant suivant une direction radiale, notée AY et perpendiculaire à l'axe de révolution AX. La soufflante 9 est entourée radialement par un carter de soufflante 11 centré sur l'axe AX. A proximité aval de la soufflante 9, le moteur définit une veine primaire 12 et une veine secondaire 13 séparées l'une de l'autre par un compartiment moteur 14, appelé communément compartiment « core », délimité notamment par un carter 15 du côté de la veine secondaire 13. Cette veine secondaire 13 entoure radialement, suivant AY, la veine primaire 12 en étant également délimitée en partie par une virole 16 prolongeant vers l'aval le carter de soufflante 11. L'air propulsé par la soufflante est ainsi divisé en un flux primaire Fi qui traverse la veine primaire 12 pour alimenter le générateur de gaz 2, et un flux secondaire Fs qui est éjecté directement vers l'aval. [0004] Les ensembles de turbine et compresseur basse et haute pression sont portés chacun par un arbre guidé en rotation par des paliers logés dans des enceintes les isolant du reste du moteur. En outre, un tel moteur comprend généralement un ou plusieurs pignons d'engrenages qui sont entraînés en rotation par un prélèvement mécanique au moyen d'un renvoi d'angle sur l'arbre de l'ensemble basse ou haute pression et sur lesquels viennent se coupler des équipements du boîtier d'accessoires ou AGB (de l'anglais« Accessory GearBox ») tels que des pompes mécaniques pour l'hydraulique, 2 des générateurs électriques, etc... [0005] De l'huile assure la lubrification et le refroidissement de ces paliers et pignons d'engrenage qui sont des organes métalliques assujettis à l'usure durant leur vie en fonctionnement. Cette huile, nécessitant ensuite d'âtre refroidie, passe classiquement par des échangeurs thermiques air-huile conventionnels de type ACOC (de « Air Cooled Oil Cooler ») ou encore de type SACOC (dc l'anglais « Surface Air Coolcr Oil Coolcd »). Ces échangeurs sont généralement disposés dans la veine secondaire pour tirer parti du flux secondaire plus froid que le flux primaire, à savoir significativement plus froid que l'huile à refroidir. [0006] Les besoins accrus en performances des turbomachines impliquent l'intégration de nouvelles technologiques susceptibles d'augmenter, par rapport à la situation actuelle, les besoins de refroidissement de cette huile circulant dans ses équipements. [0007] Cependant, les échangeurs thermiques air-huile intégrés au sein de la veine se- condaire 13 forment des singularités vu du flux, générant des écoulements dits « secondaires » se présentant le plus souvent sous la forme de structures tourbillonnaires qui pénalisent le rendement global du moteur. [0008] Il s'ensuit que la multiplication de ces échangeurs air-huile au sein de la veine se- condaire n'est pas une solution adéquate pour répondre aux besoins grandissant de refroidissement de l'huile. [0009] Le but de l'invention est donc de proposer un système échangeur de chaleur air-huile de substitution ou additionnel qui améliore l'aérodynamique de la veine secondaire et optimise les échanges de chaleur. Exposé de l'invention [0010] A cet effet, l'invention a pour objet un système échangeur dc chaleur d'une tur- bomachine comprenant un compartiment moteur dans lequel circule de l'huile, ce compartiment moteur comprenant un carter délimitant une veine de la turbomachine, caractérisée en ce que le système échangeur de chaleur comporte un conduit qui est ménagé dans le compartiment moteur, ce conduit s'étendant depuis une ouverture d'aspiration formée au niveau du carter pour prélever de l'air depuis la veine pour circuler dans le conduit, le conduit étant délimité par au moins une paroi séparant l'huile de l'air prélevé pour établir un échange thermique entre l'air prélevé et l'huile à travers ladite au moins une paroi. [0011] Avec cette solution, le siège des échanges thermiques air-huile est isolé au sein du compartiment moteur. Il s'ensuit que l'aérodynamique de la veine est moins perturbée en comparaison avec l'adjonction classique d'un échangeur de chaleur assurant un refroidissement de l'huile via le flux circulant directement dans cette veine. [0012] L'invention concerne également un système échangeur de chaleur ainsi défini, dans 3 lequel l'huile circule dans une canalisation qui entoure le conduit le long d'au moins une portion du conduit. [0013] L'invention concerne également un système échangeur de chaleur ainsi défini, dans lequel l'huile circule dans une canalisation entourée par le conduit le long d'au moins une portion du conduit. [0014] L'invention concerne également un système échangeur de chaleur ainsi défini, dans lequel l'huile est en contact avec ladite au moins une paroi sur la majorité de la longueur du conduit. [0015] L'invention concerne également un système échangeur de chaleur ainsi défini, dans lequel le système d'échangeur de chaleur comprend des ailettes qui dépassent de ladite au moins une paroi en s'étendant dans le conduit. [0016] L'invention concerne également un système échangeur de chaleur ainsi défini, dans lequel ladite au moins une paroi et les ailettes sont formés monobloc, de préférence par fabrication additive. [0017] L'invention concerne également un système échangeur de chaleur ainsi défini, comprenant en outre un radiateur qui est installé dans le conduit et dans lequel tout ou partie de l'huile circule. [0018] L'invention concerne également un système échangeur de chaleur ainsi défini, dans lequel le conduit s'étend depuis l'ouverture d'aspiration jusqu'à une ouverture d'éjection formée au niveau du carter pour réintroduire l'air prélevé au sein du flux secondaire. [0019] L'invention concerne également une turbomachine à double flux comprenant le système échangeur de chaleur ainsi défini, l'air prélevé étant issu directement de la veine dite secondaire de la turbomachine. Brève description des dessins [0020] [fig.1] est un schéma de principe d'un turboréacteur double flux en coupe axiale ; [0021] [fig.2] est une vue de détail de la figure 1 illustrant notamment un système échangeur de chaleur selon l'invention, en coopération avec une veine secondaire et un circuit hy- draulique de la turbomachine ; [0022] [fig.3] est une vue en coupe radiale et en perspective du système échangeur de chaleur de la figure 2 ; [0023] [fig.4] est une vue de détail de la figure 1 illustrant le système échangeur de chaleur dont le conduit de dérivation est orné d'ailettes ; [0024] [fig.5] est une vue en coupe radiale et en perspective du système échangeur de chaleur de la figure 4 ; [0025] [fig.6] est une vue de détail de la figure 1 illustrant le système échangeur de chaleur dont le conduit de dérivation loge un échangeur de chaleur brique ; [0026] [fig.7] est une vue de détail de la figure 1 illustrant le système échangeur de chaleur dont le conduit de dérivation loge un échangeur de chaleur brique tout en étant orné d'ailettes ; [0027] [fig.8] est une vue en coupe radiale et en perspective d'une variante du système échangeur de chaleur dans une configuration sandwich. [0028] EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0029] L'idée à la hase de l'invention est de proposer un système échangeur de chaleur dans une turbomachine telle que décrite précédemment, c'est-à-dire par exemple un turboréacteur 1 à double flux comprenant une veine secondaire 13 délimitée par un carter 15 de compartiment moteur 14. [0030] En référence aux figures 2 et 3, la turbomachine 1 est équipée d'un système échangeur de chaleur, noté 17. Ce système échangeur de chaleur 17 inclut un conduit de dérivation 18 aménagé dans le compartiment moteur 14. S'étendant d'amont en aval depuis une ouverture d'aspiration 19 jusqu'à une ouverture d'éjection 21 formées dans le carter 15, ce conduit de dérivation 18 est adapté pour prélever une partie du flux secondaire Fs, désignée par « ah- prélevé Fp ». L'air prélevé Fp s'engouffre dans le conduit de dérivation 18 au travers de l'ouverture d'aspiration 19 pour ensuite être déchargé par l'ouverture d'éjection 21 dans le flux secondaire Fs qui en était appauvri. [0031] Avantageusement, dans le prolongement aval de l'ouverture d'aspiration 19, le conduit de dérivation 18 forme une rampe 22 qui s'éloigne radialement de la veine secondaire 13 avec une faible inclinaison par rapport au carter 15. Cet arrangement permet de collecter efficacement le flux d'air contigu au carter 15, à savoir de limiter les pertes de charges susceptibles de réduire le débit du flux d'air prélevé Fp à travers l'ouverture d'aspiration 19. De la même manière, en amont de l'ouverture d'éjection 21, le conduit forme une rampe 23 qui s'avance radialement vers le carter 15 pour redresser le flux prélevé en l'orientant sensiblement suivant la direction globale de propagation du flux secondaire Fs dans le prolongement de cette ouverture d'éjection 21. Il est ici compris que cette réintroduction d'air dans la veine secondaire 13, intervenant sensiblement dans la direction de propagation du flux secondaire limite l'introduction de structures tourbillonnaires parasites qui dispersent l'énergie. [0032] Complémentairement, le système échangeur de chaleur 17 comporte une canalisation 24 délimitée, dans l'exemple des figures 2 et 3, par une paroi de canalisation 25 qui longe une portion du conduit de dérivation 18 en l'entourant à distance, dans le compartiment moteur 14. Cette canalisation 24 est greffée sur un circuit hydraulique 26 de la turbomachine 1, de manière à acheminer de l'huile H le long du conduit de dérivation 18 pour ensuite la réintroduire dans ce circuit hydraulique 26. [0033] Le conduit de dérivation 18, de manière non limitative à section circulaire, est délimité par une paroi de conduit 27 incluant une surface interne 28 et une surface externe 29, vu du flux d'air prélevé Fp circulant en son sein. Autrement dit, la surface interne 28 de la paroi de conduit 27 est parcourue par le flux d'air prélevé Fp, tandis que sa surface externe 29 baigne dans l'huile H circulant dans la canalisation 24, également de manière non limitative à section circulaire. Plus précisément, la canalisation 24, dans laquelle circule l'huile H, est délimitée conjointement par la paroi de canalisation 25 et la paroi du conduit 27. [0034] Le circuit hydraulique 26 comprend notamment une pompe d'injection 31 et une pompe de récupération 32, permettant d'appliquer à l'huile H un sens de circulation désiré au sein de la canalisation 24. En pratique, durant la vie en fonctionnement de la turbomachine 1 équipée du système échangeur de chaleur 17 selon l'invention, l'huile H admise dans la canalisation 24 sous l'action de la pompe d'injection 31, présente une température élevée attendu qu'elle vient d'être utilisé à des fins de lubrification d'un engrenage ou de certains équipements, comme ici représenté un palier de roulement 33 qui guide en rotation un arbre 34 d'axe AX. A mesure que cette huile progresse dans la canalisation 24, elle est progressivement refroidie par la paroi de conduit 27 qui constitue une interface d'échange thermique, avec sa surface interne 28 étant parcourue par le flux prélevé Fp et sa surface externe 29 étant en contact avec l'huile H plus chaude que ce flux prélevé Fp. [0035] En particulier, le transfert thermique présente une première composante d'échange convectif entre le flux prélevé Fp et la surface interne 28 du conduit 18, une seconde composante d'échange convectif entre l'huile H et la surface externe 29 du conduit 18, ainsi qu'une composante d'échange conductif au sein de la paroi de conduit 27 qui tend à l'équilibre entre les deux surfaces. Une fois refroidie, cette huile H est réinjectée sous l'action de la pompe de récupération 32 dans le circuit hydraulique 26, et plus spécifiquement dans un réservoir 36 à partir duquel il sera à nouveau prélevé à des fins de lubrification. [0036] Dans l'exemple de la figure 2, le sens de propagation de l'huile au sein de la cana- lisation 24 est opposée à celui du flux d'air prélevé Fp au sein du conduit de dérivation 18, mais il est à noter qu'un écoulement dans le même sens peut être retenu sans sortir du cadre de l'invention. [0037] Concrètement, le système échangeur de chaleur selon l'invention permet d'isoler le 6 siège des échanges thermiques air-huile au sein du compartiment moteur 14. Il s'ensuit que l'aérodynamique de la veine secondaire 13 est moins perturbée en comparaison avec l'adjonction classique d'un échangeur de chaleur assurant un refroidissement de l'huile via le flux secondaire Fs directement dans la veine secondaire. [0038] Afin d'augmenter le coefficient d'échange thermique, l'invention prévoit dans unc variante de réalisation d'enrichir le système échangeur de chaleur 17 avec une pluralité d'ailettes, notées 38 dans l'exemple des figures 4 et 5. Ces ailettes 38 dépassent de la surface interne 28 de la paroi de conduit 27 et s'étendent parallèlement à la direction du flux prélevé Fp le long d'une portion du conduit 18. Les ailettes, formant une extension de la surface interne 28 au sein du conduit 18, augmentent la surface d'échange thermique, également appelée « surface mouillée », entre le flux prélevé Fp et la paroi de conduit 27. [0039] L'intégration des ailettes 38 au sein du conduit 18 est rendue possible avec une paroi de conduit 27 issue de l'assemblage de plusieurs segments sur chacun desquels une partie des ailettes est rapportée. Néanmoins, en raison de la complexité de forme du conduit 18, l'invention prévoit avantageusement de recourir à la fabrication additive pour fabriquer la paroi de conduit 27 d'un seul tenant avec les ailettes 38, à titre non limitatif par fusion/frittage laser métallique sur lit de poudre. [0040] Aussi, afin d'augmenter le coefficient d'échange thermique selon une autre variante de réalisation, le système échangeur de chaleur 17 inclut un échangeur de type brique 39, c'est-à-dire un échangeur de type ACOC également désigné par radiateur, intégré au sein du conduit 18. Comme visible sur la figure 6, le radiateur 39 est disposé dans une région centrale du conduit 18 et occupe, de manière non limitative, intégralement la section de passage du flux prélevé Fp le long de son étendue, autrement dit avec son pourtour qui est en contact continu avec la surface interne 28 de la paroi de conduit 27. Ce radiateur 39 comprend un circuit interne qui est en communication fluidique avec la canalisation 24 et qui traverse le conduit 18. Ce circuit interne capte tout ou partie de l'huile de la canalisation 24 et la réinjecte au sein de cette canalisation une fois l'avoir exposé au flux d'air prélevé. [0041] Suivant un autre mode de réalisation, l'invention prévoit une combinatoire ailettes/ radiateur, comme illustré sur la figure 7. Dans l'exemple de cette figure, les dimensions du radiateur 39 sont réduites, autrement dit il n'occupe pas tout l'encombrement disponible au sein du conduit 18, de manière à ce que certaines ailettes 38 puissent s'étendre en parallèle. Il est entendu que l'invention ne se limite pas à cette disposition particulière, et permet à l'inverse de prévoir des ailettes discontinues situées de part et d'autre du radiateur lorsque celui-ci occupe intégralement la section de passage du flux prélevé Fp le long de son étendue. [0042] Le système échangeur de chaleur 17 a été expliqué à ce stade avec la canalisation 24 7 qui entoure le conduit 18, cependant tout autre arrangement est envisageable sans sortir du cadre de l'invention dès lors qu'il existe une paroi qui délimite au moins partiellement le conduit 18, tout en étant en contact avec de l'huile à refroidir de manière à former une interface d'échange thermique. [0043] A cet égard, l'invention pourrait prévoir que la canalisation 24 s'étende à l'inverse dans le conduit de dérivation 18 en traversant la paroi de conduit 27. [0044] Aussi, un arrangement dit sandwich peut être retenu, comme dans l'exemple de la figure 8, avec la canalisation 24 qui se scinde en une première ramification 41 qui entoure le conduit 18, et en une deuxième ramification 42 qui traverse la paroi 25 de part et d'autre de sorte que le conduit de dérivation 18 entoure cette deuxième ramification 42. On distingue une paroi extérieure de canalisation 43 qui délimite, conjointement avec la paroi de conduit 27, la première ramification 41. Cette paroi extérieure de canalisation 43 comporte une surface interne 44 et une surface externe 46, vu de l'huile H circulant au sein de la première ramification 41. Une paroi intérieure de canalisation 47 définit la deuxième ramification 42 et délimite le conduit 18 conjointement avec la paroi de conduit 27. Cette paroi intérieure de canalisation 47 inclut une surface interne 48 et une surface externe 49, vu de l'huile H circulant au sein de la deuxième ramification 42. [0045] Avec cet arrangement sandwich, le flux prélevé Fp se propage ainsi entre deux parois, à savoir la paroi de conduit 27 et la paroi intérieure de canalisation 47 délimitant ensemble le conduit 18, qui sont chacune en contact avec de l'huile H. Comme il est compris, le potentiel d'échange thermique s'en retrouve augmenté à isoprélèvement d'air par rapport à un arrangement avec une seule paroi formant interface entre l'air et l'huile. Autrement dit, il devient dès lors possible de diminuer la quantité de prélèvement d'air nécessaire pour assurer un refroidissement de l'huile qui est équivalent à celui atteint avec un arrangement avec une seule paroi formant interface entre l'air et l'huile. Cette réduction du flux prélevé permet ainsi de limiter les pertes de rendement de la turbomachine, entendu que le flux prélevé Fp est généralement réintroduit dans la veine secondaire 13 avec une vitesse inférieure à celle du flux secondaire Fs. [0046] Dans le cas d'un tel arrangement sandwich, en combinaison avec l'adjonction d'ailettes 38 comme illustré sur la figure 8, ces ailettes 38 sont avantageusement, et de manière non limitative, formées traversantes dans le conduit de dérivation 18. Plus précisément, chaque ailette 38 comprend une première extrémité formant un point de raccord au niveau de la surface interne 28 de la paroi de conduit 27, et une seconde extrémité formant un point de raccord au niveau de la surface externe 49 de la paroi intérieure de canalisation 47. Avec cet arrangement, les ailettes forment chacune un pont thermique entre l'huile se propageant dans la première ramification 41 et celle se 8 propageant dans la deuxième ramification 42. Autrement dit, les ailettes 38 ajoutent à la fois une composante d'échange convectif en augmentant la surface mouillée des deux parois délimitant le conduit 18, le flux prélevé Fp se propageant au niveau de l'espace définit entre deux ailettes, et une composante d'échange conductif entre ces deux parois. [0047] L'adjonction du radiateur 39 reste applicable également, avec ou sans ailette, et peut dans un tel cas assurer avantageusement une communication fluidique entre la première et la deuxième ramification 41 et 42 en s'étendant dans le conduit 18, de sorte à réaliser un brassage de l'huile et donc une homogénéisation de la température de l'huile entre ces deux ramifications. [0048] Dans l'exemple des figures, les parois délimitant le conduit et la canalisation d'huile sont à section globalement circulaire et sont disposées coaxialement. Il est entendu que l'invention n'est pas limité à cette disposition particulière et permet notamment tout type de forme, dès lors qu'au moins une paroi délimitant le conduit forme une interface d'échange thermique air-huile. Le conduit et la canalisation, continue ou présentant des ramifications, peuvent être par exemple à section ovoïde, rectangulaire, triangulaire, parallélépipédique, conique, prismatique, ou toute autre forme que l'homme du métier pourrait considérer. [0049] Aussi, les ailettes 38 ont été présentées comme s'étendant parallèlement au flux prélevé Fp circulant au sein du conduit de dérivation 18 de manière à essentiellement augmenter la surface d'échange thermique, le flux d'air se propageant entre ces dernières le long de leur étendue. Cependant, d'autres formes et agencements d'ailettes sont envisageables sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, l'invention pourrait prévoir de former des ailettes, par exemple de type pétale, formant des obstacles dans le conduit de dérivation 18 afin d'augmenter l'échange thermique par turbulence, à savoir en obligeant le flux prélevé Fp à les contourner localement. [0050] En pratique, la morphologie du conduit de dérivation 18, ainsi que l'agencement et le dimensionnement des ailettes 38 et/ou du radiateur 39 le cas échéant, conditionnent directement le débit de l'air prélevé Fp. Ces paramètres sont ainsi définis suivant le besoin d'échange thermique et des conditions aérodynamiques d'écoulement de la veine secondaire 13. Il s'agit notamment de trouver un compromis entre surface d'échange et section de passage de l'air prélevé Fp, en considérant en particulier les pertes de charges. [0051] Enfin, le conduit de dérivation 18 a été décrit comme s'étendant au sein du com- partiment moteur 14 entre une ouverture d'aspiration 19, au niveau de laquelle une portion Fp du flux secondaire Fs s'engouffre dans ce conduit 18, et une ouverture d'éjection 21 au niveau de laquelle cette portion prélevée Fp est réinjectée dans la veine secondaire 13. Il est envisageable cependant de former le conduit de dérivation 9 18 exempt d'ouverture d'éjection formée au niveau du carter 15, en vue de distribuer le flux prélevé Fp vers un autre module de la turbomachine, ou encore dans l'enceinte de l'aéronef équipé de la turbomachine. A titre d'exemple, le conduit 18 pourrait être prolongé de manière à acheminer l'air, au terme des échanges thermiques avec l'huile s'effectuant dans le compartiment moteur 14, jusqu'à la cabine de l'aéronef afin d'en renouveler l'air. Il est compris ici que le système échangeur de chaleur selon l'invention pourrait permettre de fournir un flux d'air réchauffé au sein de l'aéronef, faisant double emploi de l'extraction de l'énergie thermique de l'huile. [0052] En pratique, le système échangeur de chaleur est conçu pour maximiser la surface d'échange entre l'huile et l'air prélevé, autrement dit que l'huile s'étende sur la majorité de la longueur du conduit 18, au minimum le long de la moitié de cc conduit. [0053] Bien entendu, en ce qui concerne la canalisation 24, l'invention ne se limite pas à cette appellation, qui désigne ici tout type d'enceinte dans laquelle est logé de l'huile, cette huile étant en contact avec une paroi délimitant le conduit 18. En particulier, l'huile peut être en mouvement comme dans l'exemple de la figure 2 ou encore dans un état stationnaire, comme dans le cas d'un réservoir. A cet égard, il est compris concrètement que le système échangeur de chaleur comporte un conduit 18 qui est avantageusement ménagé dans le compartiment moteur 14 et séparant l'huile H, logé dans le compartiment moteur, de l'air prélevé Fp pour établir un échange thermique air-huile. 10