Brevet FR3109625A1 — publié le 20211029

L’invention concerne un échangeur de chaleur pour une turbomachine d’aéronef, cet échangeur comportant deux plaques planes parallèles, respectivement supérieure et inférieure , ainsi que des ailettes (12) s’étendant entre les plaques et perpendiculairement à celles-ci, les ailettes (12) ayant une forme générale plane et parallèle à une direction d’un flux de gaz (F) destiné à s’écouler entre les plaques, les ailettes (12) comportant chacune des bords d’attaque (13) et de fuite (14) du flux de gaz (F) qui s’étendent perpendiculairement aux plaques. Selon l’invention, les bords d’attaque (13) et de fuite (14) sont en dents de scie. L’invention concerne aussi une turbomachine d’aéronef comprenant un tel échangeur. Figure pour l'abrégé : Figure 2 ÉCHANGEUR DE CHALEUR POUR UNE TURBOMACHINE D’AÉRONEF Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un échangeur de chaleur pour une turbomachine d’aéronef. Arrière-plan technique Une turbomachine comprend un générateur de gaz comportant par exemple, d'amont en aval dans le sens d'écoulement des gaz, un ou plusieurs étages de compresseur, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbine, et une tuyère d'éjection des gaz d'échappement. Un échangeur de chaleur est implanté dans une turbomachine pour permettre un transfert d'énergie thermique d'un fluide vers un autre. Un tel échangeur de chaleur est par exemple utilisé pour le transfert d'énergie thermique des gaz chauds d'échappement vers un gaz destiné à être introduit en amont de la chambre de combustion, au bénéfice notamment de la consommation en carburant de la turbomachine. Cet échangeur de chaleur peut également être utilisé pour refroidir le lubrifiant (par exemple de l'huile) des différents moyens de guidage des rotors du générateur de gaz. Un tel échangeur de chaleur, entre un premier fluide (par exemple des gaz chauds d'échappement) s'écoulant suivant une direction longitudinale et un deuxième fluide (par exemple de l'air), comprend par exemple deux plaques parallèles distantes l'une de l'autre de manière à définir un passage de circulation du premier fluide et une pluralité de rangées d'ailettes disposées perpendiculairement entre les plaques. À performance aérothermique équivalente, les échangeurs de chaleur à ailettes, notamment les ailettes à pas décalés, offset strip fins en anglais, sont particulièrement employés dans les turbomachines en raison notamment de leur faible masse. Les rangées d'ailettes à pas décalés s'étendent longitudinalement et sont disposées en quinconce. Chaque ailette est délimitée longitudinalement par un bord d'attaque et un bord de fuite perpendiculaires aux plaques. Pour former les bords d’attaque et de fuite de ce type de surface d’échange, la tôle de métal est ainsi découpée de façon rectiligne afin de former un bord d’attaque et de fuite ayant un angle de 90° avec la surface d’échange primaire (plaques). La disposition en quinconce permet d’améliorer de façon significative les échanges thermiques par interruption (au bord de fuite de l’ailette) et reformation (au bord d’attaque de l’ailette) régulières de la couche limite thermique à la surface de l’ailette. Cependant, une telle architecture d’ailette présente notamment l'inconvénient d'entraîner une importante perte de charges, en partie due à une trainée de forme importante, liée notamment à une zone de recirculation de l’écoulement au niveau de chacun des bords d’attaque des ailettes. Cette zone de recirculation étant d’autant plus importante du fait de la variation des sections de passage du premier fluide, à l’origine d’accélérations locales. Cela se traduit notamment par un ratio coefficient d’échange de Colburn (j) sur facteur de frottement de Fanning (f), j/f, nettement plus faible pour des ailettes en quinconces que pour des ailettes droites continues. La présente invention a notamment pour but de résoudre tout ou partie des problèmes précités. L’invention propose à cet effet un échangeur de chaleur pour une turbomachine d’aéronef, cet échangeur comportant deux plaques planes parallèles, respectivement supérieure et inférieure, ainsi que des ailettes s’étendant entre les plaques et perpendiculairement à celles-ci, les ailettes ayant une forme générale plane et parallèle à une direction d’un flux de gaz destiné à s’écouler entre les plaques, les ailettes comportant chacune des bords d’attaque et de fuite du flux de gaz qui s’étendent perpendiculairement aux plaques. Selon l’invention, les bords d’attaque et de fuite sont en dents de scie. L’invention propose une géométrie des bords d’attaque et de fuite des ailettes en dents de scie, permettant ainsi aux bords d’attaque et de fuite de former un angle strictement inférieur à 90°, par exemple de 45°, avec la surface d’échange primaire, c’est-à-dire avec les deux plaques. Cette solution entraîne une réduction significative de la trainée de forme causée par les bords d’attaque et de fuite et par conséquent des pertes de charges. Cette solution peut permettre également d’augmenter l’échange thermique et améliorer ainsi les performances aérothermiques de l’échangeur. L’échangeur selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises isolément les unes avec les autres ou en combinaison les unes avec les autres : - chacun des bords d’attaque et de fuite comprend au moins 5 dents ; - chacune des dents comprend un sommet en pointe ; - les dents sont séparées les unes des autres par des creux en pointe ; - chacune des dents a une forme générale triangulaire définie par deux bords latéraux formant un angle 2α inférieur ou égal à 90° ; - ledit angle 2α est compris entre 30 et 60° ; - les ailettes sont obtenues par emboutissage et découpe d’une tôle et sont reliées les unes aux autres par des bandes de matière longitudinales et supérieures s’étendant le long de ladite direction et appliquées contre la plaque supérieure, et par des bandes de matière longitudinales et inférieures s’étendant le long de ladite direction et appliquées contre la plaque inférieure ; - chacune desdites bandes comportent des bords en dents de scie s’étendant perpendiculairement à ladite direction ; et - les ailettes et les bandes sont formées d’une seule pièce. La présente invention concerne également une turbomachine d’aéronef, comportant au moins un échangeur tel que décrit précédemment. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une vue schématique en coupe d’un échangeur de chaleur comprenant deux plaques et une pluralité de rangées d’ailettes disposées entre les plaques ; La figure 2 est une vue schématique en perspective des ailettes présentant des bords d’attaque et de fuite en dents de scie ; la figure 3 est une vue schématique en coupe détaillée d’un bord d’attaque d’une ailette de l’échangeur de chaleur de la figure 1 ; et les figures 4a et 4b sont des modélisations de contraintes pariétales pour des ailettes à géométrie en dents de scie selon l’invention (4a) et des ailettes à géométrie rectiligne de l’art antérieur (4b). Description détaillée de l'invention On se réfère à la figure 1 qui représente un échangeur de chaleur 1 pour une turbomachine d’aéronef, pour permettre un transfert d'énergie thermique d'un fluide vers un autre. Un tel échangeur de chaleur 1 comporte une surface d’échanges primaires 2 et une surface d’échanges secondaires 10. La surface d’échange primaire 2 comporte deux plaques 4a, 4b planes parallèles dans un plan parallèle au plan X, Y, respectivement supérieure 4a et inférieure 4b. Les plaques 4a, 4b sont par exemple en tôle. L’espace entre les deux plaques 4a, 4b permet un passage de circulation d’un premier fluide, notamment un flux de gaz F, circulant dans une direction longitudinale parallèle à l’axe Y. A noter que l’écoulement du premier fluide suivant la direction longitudinale Y peut être d’amont en aval (tel qu’illustré sur la figure 2) ou d’aval en amont. Entre ces deux plaques 4a, 4b parallèles s’étendent des ailettes 12 formant la surface d’échange secondaire 2. Les ailettes 12 s’étendent perpendiculairement aux plaques 4a, 4b. Les ailettes 12, comme représentées sur la figure 2, ont une forme générale plane et parallèle à la direction Y du flux de gaz F destiné à s’écouler entre les plaques 4a, 4b. Les ailettes 12 s’étendent ainsi dans des plans parallèles au plan Y, Z. Les ailettes 12 ont une hauteur h mesurée selon l’axe Z et une longueur L mesurée selon l’axe Y. Les ailettes 12 comportent chacune des bords d’attaque 13 et de fuite 14 du flux de gaz F. Les bords 13, 14 délimitent longitudinalement (selon l'axe Y) chacune des ailettes 12. Le bord d'attaque 13 est le bord par lequel le fluide entre en contact en premier avec l’ailette 12. Le bord de fuite 14 est le bord avec lequel le fluide est en dernier en contact avec l'ailette 12. Les bords d’attaque 13 et de fuite 14 des ailettes 12 s’étendent globalement selon l’axe Z, c’est-à-dire perpendiculairement aux plaques 4a, 4b. L’ensemble des deux plaques 4a, 4b et des ailettes 12 correspond à un étage de l’échangeur thermique 1. Dans le cas d’un échangeur 1 à un seul étage, un premier fluide circule entre les deux plaques 4a, 4b alors qu’un deuxième fluide peut circuler de l’autre côté des plaques 4a, 4b, c’est à dire au-dessus de la plaque supérieure 4a et en dessous de la plaque inférieure 4b. L’exemple illustré sur la figure 1 n’est en rien limitatif, car en fonction des besoins, l’échangeur 1 pourrait avoir un nombre N d'étages. Chaque étage définit un passage de circulation du premier fluide. Deux étages adjacents seraient alors séparés par une voie de circulation d’un deuxième fluide. Pour une partie des applications, les géométries de surface d’échange secondaires 10 sont des ailettes 12 à pas décalés (comme visible sur la figure 2), Offset strip fins en anglais. Cette géométrie est la plus adaptée pour la réduction de masse de l’échangeur 1, à performances thermiques et pertes de charges fixées. En effet, les ailettes 12 à pas décalés sont des ailettes décalées selon l’axe X, c’est-à-dire qu’elles sont disposées en quinconce entre les plaques planes 4a, 4b et permettent d’améliorer de façon significative les échanges thermiques par interruption et reformation régulières de la couche limite thermique à la surface de l’ailette 12. Plus précisément, la couche limite thermique s’interrompt au bord de fuite 14 de l’ailette 12 et se reforme au bord d’attaque 13 de l’ailette 12. Les ailettes 12 sont obtenues par emboutissage et découpe, par exemple d’une tôle. Elles sont reliées les unes aux autres par des bandes de matière supérieures 11a et inférieures 11b. Les bandes de matière supérieures 11a s’étendent longitudinalement selon la direction Y dans un plan parallèle au plan X, Y. Elles sont appliquées contre la plaque supérieure 4a. Les bandes de matière inférieures 11b s’étendent longitudinalement selon la direction Y dans un plan parallèle au plan X, Y. Elles sont appliquées contre la plaque inférieure 4b. Les ailettes 12 et les bandes 11a et 11b sont par exemple formées d’une seule pièce. Les plaques 4a, 4b et les ailettes 12 sont par ailleurs brasées ensemble notamment par l’intermédiaire des bandes 11a et 11B. Les bandes 11a et 11b comprennent des bords 16 s’étendant parallèlement à l’axe X, c’est-à-dire parallèlement aux plaques 4a, 4b et perpendiculairement à la direction Y et aux bords d’attaque 13 et de fuite 14. La découpe de la tôle utilisée pour former les ailettes 12 et les bandes 11a, 11b est une découpe en dents de scie, ce qui entraîne que les bords d’attaque 13 et de fuite 14 de chaque ailette 12 ainsi que par exemple les bords 16 de chaque bande 11a, 11b sont en dents de scie. Plus précisément et comme illustré dans la figure 3, chacun des bords d’attaque 13 et de fuite 14 des ailettes 12 comprend plusieurs dents 15, notamment au moins cinq dents 15. Chaque dent 15 comprend un sommet en pointe 15a dirigé ici vers l’amont. Les dents 15 sont séparées les unes des autres par des creux en pointe 15b dirigés ici vers l’aval. Chacune des dents 15 a une forme générale triangulaire définie par deux bords latéraux 17, 18 formant entre eux un angle 2α. Plus on diminue l’angle 2α des dents 15 de l’ailette 12, plus la trainée de forme et donc la perte de charge engendrée par les bords d’attaque 13 et de fuite 14 est diminuée. L’angle α est mesuré dans le plan d’extension des ailettes 12 et par rapport à une normal N s’étendant selon la direction Y, c’est-à-dire parallèlement aux plaques 4a, 4b. Les dents 15 sont également caractérisées par une distance Δ qui correspond à la distance entre la pointe du sommet 15a et la pointe du creux 15b de la dent 15 mesurée selon l’axe Y. Plus la zone en dent de scie est réduite, c’est-à-dire plus la distance Δ diminue, plus le coefficient d’échange thermique augmente car l’efficacité thermique de l’ailette 12 est réduite dans la zone en dent de scie. Cependant, la réduction de la distance Δ associée à la réduction de l’angle α rend la fabrication des ailettes 12 moins aisée. L’invention prévoit donc un compromis entre l’augmentation des performances de l’ailette 12 (donc la diminution de α et Δ) et sa facilité à être fabriquée (donc l’augmentation de α et Δ), et propose par exemple un angle 2α inférieur ou égal à 90°, en particulier compris entre 30 et 60° et notamment égal à 45°, et par exemple une distance Δ comprise entre 0,5mm et un quart de la longueur L de l’ailette 12. Ce compromis dépend notamment de la conductivité du matériau utilisé pour l’ailette 12 ainsi que de la hauteur h de l’ailette 12, elle-même influente sur l’efficacité de l’ailette 12. Les figures 4a et 4b permettent notamment d’illustrer la diminution de perte de charge des ailettes 12 de l’invention par rapport à des ailettes 12’ de l’art antérieur. Ces figures illustrent en effet les valeurs de contraintes pariétales de poches de recirculation du flux de gaz F situées en aval du bord d’attaque pour des ailettes 12 selon l’invention (figure 4a) présentant un bord d’attaque 13 en dent de scie et des ailettes 12’ de l’art antérieur (figure 4b) présentant un bord d’attaque 13’ rectiligne. Avec l’ailette 12’ de l’art antérieur, on peut observer une poche de recirculation 20’ importante en aval du bord d’attaque 13’, caractérisée par des valeurs négatives de la contrainte pariétale. La géométrie en dents de scie de l’ailette 12 selon l’invention permet en revanche de garder des valeurs de la contrainte pariétale positive, c’est-à-dire que l’on observe une diminution très nette de la poche de recirculation 20 par rapport à l’ailette 12’ de l’art antérieur. La trainée de forme engendrée par l’ailette étant directement liée à la poche de recirculation, la diminution de cette dernière permet ainsi à l’ailette 12 de l’invention de proposer une réduction de la trainée de forme et donc une réduction des pertes de charge. Échangeur de chaleur (1) pour une turbomachine d’aéronef, cet échangeur (1) comportant deux plaques (4a, 4b) planes parallèles, respectivement supérieure (4a) et inférieure (4b), ainsi que des ailettes (12) s’étendant entre les plaques (4a, 4b) et perpendiculairement à celles-ci, les ailettes (12) ayant une forme générale plane et parallèle à une direction (Y) d’un flux de gaz (F) destiné à s’écouler entre les plaques (4a, 4b), les ailettes (12) comportant chacune des bords d’attaque (13) et de fuite (14) du flux de gaz (F) qui s’étendent perpendiculairement aux plaques (4a, 4b), caractérisé en ce que les bords d’attaque (13) et de fuite (14) sont en dents de scie. Échangeur (1) selon la revendication 1, dans lequel chacun des bords d’attaque (13) et de fuite (14) comprend au moins 5 dents (15). Échangeur (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chacune des dents (15) comprend un sommet en pointe (15a). Échangeur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les dents (15) sont séparées les unes des autres par des creux en pointe (15b). Échangeur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chacune des dents (15) a une forme générale triangulaire définie par deux bords latéraux (17, 18) formant un angle (2α) inférieur ou égal à 90°. Échangeur (1) selon la revendication précédente, dans lequel ledit angle (2α) est compris entre 30 et 60°. Échangeur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les ailettes (12) sont obtenues par emboutissage et découpe d’une tôle et sont reliées les unes aux autres par des bandes de matière longitudinales et supérieures (11a) s’étendant le long de ladite direction (Y) et appliquées contre la plaque supérieure (4a), et par des bandes de matière longitudinales et inférieures (11b) s’étendant le long de ladite direction (Y) et appliquées contre la plaque inférieure (4b). Échangeur (1) selon la revendication précédente, dans lequel chacune desdites bandes (11a, 11b) comportent des bords (16) en dents de scie s’étendant perpendiculairement à ladite direction (Y). Échangeur (1) selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les ailettes (12) et les bandes (11a, 11b) sont formées d’une seule pièce. Turbomachine d’aéronef, comportant au moins un échangeur (1) selon l’une des revendications précédentes.