Brevet FR3138671A1 — publié le 20240209

Ce système d’échappement (18) pour turbomachine comprenant une tuyère (20) délimitant au moins en partie une veine d’échappement de gaz comprend un échangeur de chaleur (26) comprenant au moins un distributeur (28), au moins un collecteur (30) et des canalisations (32) configurés pour faire circuler un fluide caloporteur dans lesdites canalisations (32) entre le distributeur et le collecteur, l’échangeur de chaleur (26) étant configuré pour effectuer des échanges thermiques entre la veine d’échappement (24) de gaz et les canalisations (32), et l’échangeur de chaleur (26) étant positionné sur la tuyère (20), les canalisations (32) étant partiellement formées d’une surface (34) de la tuyère (20). Figure pour l’abrégé : Fig 3 Système d’échappement pour turbomachine comprenant un échangeur de chaleur La présente invention concerne la récupération de chaleur au niveau de l’échappement d’une turbomachine. En particulier, la présente invention concerne la récupération de chaleur dans le but de réchauffer du carburant et/ou de l’air destiné à entrer dans une chambre de combustion de ladite turbomachine. De manière générale, l’invention s’applique à tout type de système d’échappement. Techniques antérieures On a représenté schématiquement sur la une turbomachine 2 d’un aéronef selon l’état de la technique. La turbomachine 2 comprend une soufflante 4 permettant de récupérer de l’air provenant de l’atmosphère extérieure à la turbomachine 2, un compresseur 6, une chambre de combustion 8, une turbine 10, et un système d’échappement 12. Dans la perspective d’améliorer les performances des turbomachines, il est possible de réchauffer de l’air sortant du compresseur 6 et/ou du carburant et/ou entrant dans la chambre de combustion 8 avec l’air. Une source de chaleur située à proximité est privilégiée de manière à augmenter le rendement thermique de la turbomachine 2. Une source de chaleur est par exemple constituée par les gaz sortant par le système d’échappement 12, en aval de la turbine 10. Cependant, le positionnement d’un échangeur de chaleur dans le flux primaire d’échappement 14, par exemple sous forme d’ailettes positionnées dans le flux, induit des pertes de charges de la turbomachine 2, ce qui impacte négativement la poussée de l’aéronef. Le positionnement d’un échangeur de chaleur dans la turbomachine 2 nuit également à la compacité de ladite turbomachine 2. La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de fournir un système d’échappement permettant la récupération efficace de chaleur au niveau de l’échappement d’une turbomachine. A cet effet, l'invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des aéronefs et, en ce sens, contribue à la réduction de l’impact environnemental des aéronefs. La présente invention a pour objet un système d’échappement pour turbomachine comprenant une tuyère délimitant au moins en partie une veine d’échappement de gaz, le système d’échappement comprenant en outre un échangeur de chaleur comprenant au moins un distributeur, au moins un collecteur et des canalisations configurés pour faire circuler un fluide caloporteur dans lesdites canalisations entre le distributeur et le collecteur, l’échangeur de chaleur étant configuré pour effectuer des échanges thermiques entre la veine d’échappement de gaz et les canalisations, et l’échangeur de chaleur étant positionné sur la tuyère, les canalisations étant partiellement formées d’une surface de la tuyère. Ainsi, le système d’échappement selon l’invention permet la récupération de chaleur au niveau de l’échappement d’une turbomachine en périphérie de la veine d’échappement sans induire d’importantes pertes de charge pour la turbomachine, l’échangeur de chaleur étant particulièrement compact et non invasif. De préférence, la tuyère comprend une partie externe annulaire et un corps central, l’échangeur de chaleur étant positionné sur la partie externe et/ou sur le corps central. Avantageusement, la partie externe de la tuyère comprend un ou plusieurs secteurs annulaires. Dans différents modes de réalisations, les canalisations sont positionnées à l’extérieur ou à l’intérieur de la veine d’échappement de gaz. Dans un mode de réalisation, les canalisations ont une section transversale de forme semi-circulaire, ou rectangulaire, ou en cloche, ou semi-elliptique, ou triangulaire. Avantageusement, les canalisations s’étendent longitudinalement parallèlement à un axe longitudinal du système d’échappement, ou transversalement à l’axe longitudinal. Dans un mode de réalisation, le système d’échappement est réalisé dans un matériau comprenant un alliage de titane et/ou un alliage de nickel. Avantageusement, l’échangeur de chaleur est configuré pour effectuer des échanges thermiques entre des gaz d’échappement sortant par la veine d’échappement de gaz et un fluide caloporteur circulant dans les canalisations, ledit fluide caloporteur comprenant de l’air et/ou de la vapeur d’eau et/ou de l’eau et/ou du carburant et/ou de l’huile et/ou du CO2 supercritique et/ou de l’hydrogène liquide ou gazeux. La présente invention a également pour objet une turbomachine comprenant un compresseur, une chambre de combustion et un système d’échappement tel que défini précédemment, l’échangeur de chaleur étant configuré pour réchauffer du carburant en entrée de la chambre de combustion et/ou de l’air en sortie du compresseur avant l’entrée dans la chambre de combustion. La présente invention a également pour objet un aéronef comprenant une turbomachine telle que définie précédemment et/ou un système d’échappement tel que défini précédemment. La présente invention concerne en outre l’utilisation du système d’échappement tel que défini précédemment dans un système de gestion thermique pour le réchauffage d’air ou de carburant dans une turbomachine. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : est une vue en coupe longitudinale et schématique d’une turbomachine d’un aéronef selon l’état de la technique ; est une vue en coupe longitudinale et schématique d’une turbomachine d’un aéronef selon l’invention ; est une vue schématique d’un premier mode de réalisation d’un système d’échappement pour turbomachine selon l’invention ; est une vue schématique d’une première variante au premier mode de réalisation d’un système d’échappement pour turbomachine illustré sur la ; est une vue schématique d’une deuxième variante au premier mode de réalisation d’un système d’échappement pour turbomachine illustré sur la ; est une vue schématique d’une troisième variante au premier mode de réalisation d’un système d’échappement pour turbomachine illustré sur la ; est une vue schématique d’un deuxième mode de réalisation d’un système d’échappement pour turbomachine selon l’invention ; est une vue schématique du premier mode de réalisation d’un système d’échappement de la comprenant une peau extérieure ; est une vue schématique en coupe de canalisations dont la section transversale est semi-circulaire ; et est une vue schématique en coupe de canalisations dont la section transversale est triangulaire. Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation On a représenté schématiquement sur la une turbomachine 16 d’un aéronef selon l’invention. La turbomachine 16 comprend une soufflante 4 permettant de récupérer de l’air provenant de l’atmosphère extérieure à la turbomachine 16, un compresseur 6, une chambre de combustion 8, une turbine 10, et un système d’échappement 18. En particulier, le système d’échappement 12 comprend une tuyère 20 comprenant de préférence une partie externe 21 annulaire et un corps central 22 formant une veine d’échappement 24 de gaz de section annulaire. Le système d’échappement 18 comprend également un échangeur de chaleur 26 configuré pour réchauffer du carburant en entrée de la chambre de combustion 8 et/ou de l’air en sortie du compresseur 6 et avant l’entrée dans la chambre de combustion 8. On a représenté schématiquement sur la un premier mode de réalisation d’un système d’échappement 18 dans lequel l’échangeur de chaleur 26 est positionné sur la partie externe 21 de la tuyère 20, le corps central 22 n’étant pas représenté sur la ainsi que sur les figures suivantes. En variante, par analogie, l’échangeur de chaleur 26 peut être positionné sur le corps central 22 du système d’échappement 18. L’échangeur de chaleur 26 comprend au moins un distributeur 28, au moins un collecteur 30 et des canalisations 32. Le distributeur 28 est configuré pour injecter un fluide caloporteur dans les canalisations 32 elles-mêmes configurées pour faire circuler ledit fluide caloporteur dans lesdites canalisations 32 jusqu’à un collecteur 30 configuré pour récupérer le fluide caloporteur réchauffé. Le fluide caloporteur comprend par exemple de l’air, et/ou de la vapeur d’eau, et/ou de l’eau, et/ou du carburant, et/ou de l’huile, et/ou du CO2 supercritique et/ou de l’hydrogène liquide, et/ou du carburant pour l’alimentation de la turbomachine 16. L’hydrogène liquide peut par exemple être utilisé comme carburant et est avantageusement utilisé comme fluide caloporteur puisqu’il s’agit d’un carburant froid, sa température d’ébullition étant d’environ 20 Kelvin. Les canalisations 32 sont partiellement formées d’une surface 34 de la partie externe 21 de la tuyère 20 ou d’une surface du corps central le cas échéant. La surface est une surface de la paroi de la tuyère, également appelée paroi d’échappement primaire, au contact de laquelle sont expulsés les gaz d’échappement. Les canalisations 32, ainsi que les distributeurs 28 et collecteurs 30 sont positionnés de manière privilégiée sur la surface 34 extérieure de la paroi de la partie externe 21 de la tuyère 20, autrement dit à l’extérieur de la veine d’échappement 24 afin de ne pas perturber le flux d’échappement. En variante, les canalisations 32 peuvent néanmoins être positionnées sur la surface intérieure de la paroi de la tuyère 20, autrement dit à l’intérieur de la veine d’échappement 24. Avantageusement, les canalisations 32 sont réparties sur toute la périphérie de la veine d’échappement 24. Ainsi, l’échangeur de chaleur 26 est configuré pour effectuer des échanges thermiques entre la veine d’échappement 24 de gaz et les canalisations 32 via la et/ou les parois de la tuyère 20. Le système d’échappement 18 tel que représenté sur la comprend quatre secteurs annulaires 36 sensiblement de mêmes dimensions, au moins un collecteur 30, au moins un distributeur 28 et des canalisations 32 étant positionnés sur chaque secteur 36, les collecteur 30 et distributeur 28 mitoyens sur deux secteurs 36 différents étant reliés par un tube 38. En variante, le système d’échappement 18 comprend un seul secteur annulaire ou plusieurs secteurs annulaires. Dans le mode de réalisation illustré sur la , les canalisations 32 s’étendent le long de la périphérie de la partie externe 21 de la tuyère 20, transversalement à l’axe longitudinal L du système d’échappement 18. De plus, l’échangeur de chaleur 26 comprend des canalisations 32 non coudées, dont la seule courbure est la courbure de la partie externe 21 de la tuyère 20. On a représenté schématiquement sur la une première variante au premier mode de réalisation. Dans cette première variante, les canalisations 32 s’étendent le long de la périphérie de la partie externe 21 de la tuyère 20 en serpentant. En particulier, les canalisations 32 présentent des coudes 40 d’angle sensiblement égal à 180° de sorte que chaque collecteur 30 et distributeur 28 comprend peu d’entrées et de sorties vers des canalisations 32, afin de minimiser le débit de fluide traversant l’échangeur. On a représenté schématiquement sur la une deuxième variante au premier mode de réalisation. Cette variante est identique au mode de réalisation de la , excepté que les canalisations 32 s’étendent longitudinalement et sensiblement parallèlement à l’axe longitudinal L du système d’échappement 18. On a représenté schématiquement sur la une troisième variante au premier mode de réalisation. Cette variante est identique au mode de réalisation de la , excepté que les canalisations 32 s’étendent longitudinalement et sensiblement parallèlement à l’axe longitudinal L du système d’échappement 18. Les canalisations 32 présentent également des coudes 40 d’angle sensiblement égal à 180°. On a représenté schématiquement sur la un deuxième mode de réalisation d’un système d’échappement 18 dans lequel l’échangeur de chaleur 26 est positionné sur la partie externe 21 de la tuyère 20. Dans ce mode de réalisation, les canalisations 32 sont positionnées à l’intérieur de la veine d’échappement 24 tandis que les distributeurs 28 et collecteurs 30 sont positionnés à l’extérieur de la veine d’échappement 24. Les canalisations 32 s’étendent sensiblement parallèlement à l’axe longitudinal L du système d’échappement 18. Ce mode de réalisation permet d’augmenter la surface d’échange thermique, au détriment d’une légère perte de charge du flux primaire de la turbomachine. Dans chaque mode de réalisation, le système d’échappement 18 est réalisé dans un matériau thermiquement résistant, par exemple un matériau comprenant un alliage de titane et/ou un alliage de nickel. Dans chaque mode de réalisation, le système d’échappement 18 peut optionnellement comprendre une peau extérieure 42, telle qu’illustrée sur la , disposée annulairement autour de l’échangeur de chaleur 18 et servant de carénage aérodynamique de l’écoulement de la veine secondaire ou de tout autre écoulement issu de la turbomachine. Le système d’échappement peut également comprendre une bride 44 à l’extrémité longitudinale de la tuyère 20 de manière à attacher ladite tuyère 20 à la turbomachine 2. Dans différents modes de réalisations, les canalisations 32 ont par exemple une section transversale de forme semi-circulaire, ou rectangulaire, ou en cloche, ou semi-elliptique, ou encore triangulaire. La forme de la section des canalisations 32 permet en outre aux canalisations d’être facilement démoulables lors de leur fabrication. On a représenté schématiquement sur la une vue en coupe de canalisations 32 dont la section transversale est semi-circulaire. La vue en coupe est ici réalisée selon l’axe longitudinal du système d’échappement 18. Les canalisations 32 représentées sont par exemple les canalisations 32 présentées dans le mode de réalisation de la . Elles sont protégées par la peau extérieure 42. On a représenté sur la une vue en coupe de canalisations 32 dont la section transversale est triangulaire. La vue en coupe est réalisée transversalement à l’axe longitudinal L du système d’échappement 18. Les canalisations 32 représentées sont par exemple les canalisations 32 présentées dans le mode de réalisation de la , dans lequel les canalisations 32 sont positionnées dans la veine d’échappement 24 et s’étendent parallèlement à l’axe longitudinal L du système d’échappement. La section triangulaire des canalisations 32 permet une grande surface d’échange thermique et une faible perte de charge. De plus, l’un des côtés de chaque canalisation 32 est avantageusement orienté radialement en direction de l’axe longitudinal L, permettant ainsi un démoulage facilité lors de la fabrication du système d’échappement 18. De plus, pour chaque mode de réalisation, la fabrication s’effectue préférentiellement par soudage par diffusion d’un empilement de plusieurs tôles, un gaz inerte étant injecté à l’emplacement désiré des canalisations 32. Le soudage par diffusion permet d’éviter un abattement au niveau des soudures, et permet ainsi de réaliser un système d’échappement 18 ayant sensiblement les mêmes propriétés que si ce dernier était réalisé d’une seule pièce. Système d’échappement (18) pour turbomachine (16) comprenant une tuyère (20) délimitant au moins en partie une veine d’échappement (24) de gaz, caractérisé en ce qu’il comprend un échangeur de chaleur (26) comprenant au moins un distributeur (28), au moins un collecteur (30) et des canalisations (32) configurés pour faire circuler un fluide caloporteur dans lesdites canalisations (32) entre le distributeur (28) et le collecteur (30), l’échangeur de chaleur (26) étant configuré pour effectuer des échanges thermiques entre la veine d’échappement (24) de gaz et les canalisations (32), et l’échangeur de chaleur (26) étant positionné sur la tuyère (20), les canalisations (32) étant partiellement formées d’une surface (34) de la tuyère (20). Système d’échappement selon la revendication 1, dans lequel la tuyère (20) comprend une partie externe (21) annulaire et un corps central (22), l’échangeur de chaleur (26) étant positionné sur la partie externe (21) et/ou sur le corps central (22). Système d’échappement selon la revendication 2, dans lequel la partie externe (21) de la tuyère (20) comprend un ou plusieurs secteurs annulaires (36). Système d’échappement selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les canalisations (32) sont positionnées à l’extérieur ou à l’intérieur de la veine d’échappement (24) de gaz. Système d’échappement selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les canalisations (32) s’étendent longitudinalement parallèlement à un axe longitudinal (L) du système d’échappement, ou transversalement à l’axe longitudinal (L). Système d’échappement selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, réalisé dans un matériau comprenant un alliage de titane et/ou un alliage de nickel. Système d’échappement selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’échangeur de chaleur (26) est configuré pour effectuer des échanges thermiques entre des gaz d’échappement sortant par la veine d’échappement (24) de gaz et un fluide caloporteur circulant dans les canalisations (32), ledit fluide caloporteur comprenant de l’air et/ou de la vapeur d’eau et/ou de l’eau et/ou du carburant et/ou de l’huile et/ou du CO2 supercritique et/ou de l’hydrogène liquide ou gazeux. Turbomachine (16) comprenant un compresseur (6) et une chambre de combustion (8), caractérisée en ce qu’elle comprend un système d’échappement (18) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, l’échangeur de chaleur (26) étant configuré pour réchauffer du carburant en entrée de la chambre de combustion (8) et/ou de l’air en sortie du compresseur (6) avant l’entrée dans la chambre de combustion (8). Aéronef caractérisé en ce qu’il comprend une turbomachine (16) selon la revendication 8 ou un système d’échappement (18) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7. Utilisation du système d’échappement (18) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans un système de gestion thermique pour le réchauffage d’air ou de carburant dans une turbomachine (16).