Brevet FR3130893A1 — publié le 20230623

Système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine d’aéronef Un aspect de l’invention concerne un système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine d’aéronef comprenant un échangeur (213) comprenant un volume de refroidissement (201) et un circuit de refroidissement (230) d’un fluide caloporteur par une boucle de circulation du fluide diphasique, à pompage thermo-capillaire. Le circuit de refroidissement (230) comprenant un condenseur (3) comprenant des canaux (32) reliés en parallèle les uns aux autres, pour permettre de refroidir le fluide circulant dans le condenseur (3) d’un état vapeur à un état liquide, et un premier évaporateur capillaire (2) de l’échangeur (213), pour absorber les calories du liquide de lubrification dans le premier volume (201), le premier évaporateur (2) comprenant une mèche poreuse capillaire (200) permettant de séparer le fluide caloporteur à l’état diphasique entre un état liquide et un état gazeux par un saut de pression capillaire. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1 Système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine d’aéronef DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION Le domaine technique de l’invention est celui du refroidissement d’un liquide de lubrification tel que l’huile de lubrification, des moteurs à turbine à gaz. La présente invention concerne généralement les turbomachines, c’est-à-dire les moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement un appareil de refroidissement pour transférer la chaleur excédentaire d'une turbomachine. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Les moteurs à turbine à gaz utilisent de l'huile sous pression pour lubrifier et refroidir divers composants (par exemple, les roulements, des moyens de transmissions etc.). Un système de distribution de lubrifiant est prévu pour assurer une bonne lubrification de ces composants et les refroidir. Le lubrifiant (l’huile) capte une chaleur importante dans le processus qui doit être rejetée pour maintenir la température de l'huile dans des limites acceptables. Par voie de conséquence, le lubrifiant doit ensuite également être refroidi par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur. Pour ce faire, une première méthode connue consiste à refroidir le lubrifiant par circulation à travers un échangeur air/huile utilisant de l'air prélevé dans la veine secondaire, flux dit froid, de la nacelle. Le prélèvement et la circulation d'air au travers de cet échangeur, perturbe l'écoulement du flux d'air et entraîne des pertes de charge supplémentaires indésirables. On connait également un dispositif de refroidissement qui comporte un échangeur agencé sur une paroi délimitant la veine secondaire, le fluide étant refroidi par l'écoulement de l'air de la veine secondaire qui circule le long de la surface de l'échangeur. Il est connu aussi un moteur à turbine à gaz comprenant, une nacelle comportant une surface extérieure exposée à un flux d'air extérieur et un appareil de refroidissement disposés dans la nacelle comprenant une pluralité de caloducs en parallèle les uns aux autres. Il est connu aussi par exemple du document EP2819921 une nacelle de turbomoteur équipée d'un système de refroidissement d'huile moteur. Le système de refroidissement comprend un premier circuit d’un premier fluide caloporteur qui peut être un liquide de refroidissement diphasique, servant de liquide de refroidissement pour refroidir un deuxième fluide tel qu’un lubrifiant (huile) moteur dans un échangeur monté dans la nacelle. Le premier circuit comprend une multitude de vannes, une pompe et des canaux de refroidissement le long de parois de la nacelle pour un échange thermique avec l’air extérieur. La chaleur récupérée par l’échange thermique entre le lubrifiant et le liquide de refroidissement provoque l’évaporation de ce dernier au début de sa circulation. Le liquide de refroidissement évaporé est ensuite refroidi pour se recondenser, et la gravité l’entraîne vers le bas de la nacelle où il est pompé pour être renvoyé vers l’échangeur fluide/huile Il est connu par exemple du document EP3487764 une nacelle de turbomoteur comportant un dispositif de refroidissement actif pour turbomoteur. Le dispositif de refroidissement actif comprend une virole qui forme un bord de fuite et qui est agencée à une extrémité aval de la nacelle délimitée par une face externe qui est soumise à un flux d'air extérieur et par une face interne qui est soumise à un flux d'air intérieur circulant dans la veine secondaire de la nacelle. Le dispositif de refroidissement comporte une pluralité de canaux d'échange de chaleur dans la virole, traversés par un fluide caloporteur pour dissiper les calories acheminées par le fluide caloporteur. Le dispositif de refroidissement comporte un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie, et une source reliée aux deux collecteurs reliés chacun à une extrémité d’entré et de sortie de chaque canal. Le dispositif de refroidissement actif comprend une pompe pour entraîner en circulation le fluide depuis la source jusqu’au canaux. Cependant ces dispositifs de refroidissement nécessitent d’acheminer le fluide caloporteur dans les canaux, ce qui nécessite classiquement une pompe pour entraîner en circulation le fluide depuis la source jusqu’au canaux. En outre, dans ces boucles diphasiques, il y a un besoin de contrôler la surchauffe à la sortie de l’évaporateur ainsi que le sous refroidissement à la sortie condenseur. Un réservoir est nécessaire en entrée de la pompe pour éviter la présence de vapeur et assurer ainsi un pompage de liquide sur toutes les phases de vol, afin d’éviter tout risque de cavitation. La pompe et son réservoir associé pénalisent la masse et la consommation énergétique du système. Il est connu aussi pour éviter de faire circuler l’huile directement dans les surfaces de la nacelle, un appareil de refroidissement passif dont chaque caloduc a une paroi externe allongée avec des extrémités fermées dans lequel un fluide caloporteur est emprisonné. Le moteur comprend en outre un échangeur de chaleur monté à l'extérieur du carter dans lequel l’huile d’un système de lubrification du moteur entre dans l'échangeur de chaleur par une conduite de récupération. Une des extrémités est située dans l’échangeur de chaleur. Dans cet appareil de refroidissement chaque caloduc est donc indépendant entraînant une non-homogénéité du travail des volumes du fluide caloporteur dans les différents canaux réduisant ainsi les performances de refroidissement pour le volume total du fluide caloporteur par rapport aux exemples décrits précédemment dans lequel le fluide caloporteur total circule dans l’ensemble des canaux de refroidissements (boucle de circulation fermée). Il existe donc un besoin d’avoir un système de refroidissement amélioré simple, efficace, tout en réduisant la consommation énergétique et le poids. L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant d’utiliser une boucle calo-porteuse comprenant un système de pompage capillaire. L’effet capillaire d’une mèche poreuse dans un évaporateur permet de mettre sous phase gazeuse le fluide caloporteur et de générer une pression capillaire palliant l'ensemble des pertes de charge dans la boucle. La pression capillaire doit être supérieure à l'ensemble des pertes de charge du système, sinon un pompage mécanique est alors nécessaire comme dans l’art antérieur. Un aspect de l’invention concerne un système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine d’aéronef comprenant : un échangeur comprenant un premier volume de refroidissement du liquide de lubrification, un premier circuit de refroidissement d’un fluide caloporteur diphasique par une boucle de circulation du fluide caloporteur dans un état diphasique à pompage thermo-capillaire, comprenant : un premier condenseur comprenant : une entrée vapeur du fluide caloporteur à l’état vapeur, des canaux s’étendant le long d’une première surface externe d’une nacelle de la turbomachine pour refroidir les canaux, les canaux étant reliés en parallèle les uns aux autres, pour permettre de refroidir le fluide circulant dans le condenseur d’un état vapeur à un état liquide, une sortie liquide du fluide caloporteur à l’état liquide, un premier évaporateur capillaire de l’échangeur, pour absorber les calories du premier volume dans lequel le liquide de lubrification circule, le premier évaporateur comprenant : un premier volume comprenant une entrée liquide du fluide caloporteur reliée à la sortie liquide du premier condenseur, un deuxième volume comprenant une sortie vapeur du fluide caloporteur, reliée à l’entrée vapeur du premier condenseur une mèche poreuse capillaire située entre le premier volume et le deuxième volume, permettant de séparer le fluide diphasique entre une phase liquide et une phase gazeuse par un saut de pression capillaire. Grâce à l’invention, le fait d’utiliser un système de pompage capillaire permet d’imposer un sens de circulation du fluide dans (chaque) le condenseur lequel permet une augmentation de la capacité de refroidissement du liquide de refroidissement et donc de l’huile en utilisant l’espace et surface de la nacelle dans différentes phases de vol d’un aéronef tout en réduisant le poids, l’énergie nécessaire au fonctionnement du premier circuit du fluide caloporteur. En outre, le fait d’utiliser une boucle de circulation d’un fluide diphasique à la place d’un fluide monophasique permet de réduire la quantité du fluide caloporteur à faire circuler dans le circuit de refroidissement. Cela permet ainsi de diminuer la masse totale du fluide caloporteur et donc du système de refroidissement. Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le système de refroidissement selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : Selon un mode de réalisation, le fluide caloporteur comprend un volume entre 30 et 70% du circuit de refroidissement à l’état liquide. Selon un mode de réalisation, le système de refroidissement comprend un deuxième condenseur similaire au premier condenseur, dans lequel le premier et le deuxième condenseur sont situés de part et d’autre d’un plan vertical comprenant l’axe de la nacelle. Selon un exemple de ce mode de réalisation, le premier circuit de refroidissement du fluide caloporteur diphasique comprend le deuxième condenseur comprenant son entrée vapeur reliée à la sortie vapeur du deuxième volume du premier évaporateur. Dans cet exemple le premier et deuxième condensateur sont donc en parallèle (circulation du fluide). Selon un autre exemple de ce mode de réalisation, le système de refroidissement comprend : un deuxième évaporateur capillaire de l’échangeur, similaire au premier évaporateur capillaire, un deuxième circuit de refroidissement d’un fluide caloporteur diphasique similaire au premier circuit de refroidissement d’un fluide caloporteur diphasique, le deuxième circuit de refroidissement comprenant le deuxième condenseur qui comprend son entrée vapeur reliée à la sortie vapeur du deuxième volume du deuxième évaporateur. Selon un mode de réalisation, le premier condenseur est situé plus haut que le premier évaporateur pour que le fluide dans un état liquide à la sortie du condenseur circule par gravité vers l’évaporateur. Cela permet d’utiliser la gravité pour favoriser la circulation du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement. Selon un mode de réalisation, le système de refroidissement comprend un conduit vapeur reliant la sortie vapeur du deuxième volume du premier évaporateur à l’entrée vapeur du premier condenseur, le conduit vapeur étant localisé selon l’axe de la nacelle en amont de l’entrée du premier évaporateur. Selon un mode de réalisation, l’échangeur est situé dans une partie basse de la nacelle située en dessous de la turbomachine. Selon un mode de réalisation qui est une variante du mode de réalisation précédent, l’échangeur est situé dans un compartiment central de la turbomachine entourée par la nacelle, le circuit de refroidissement comprenant un conduit vapeur reliant la sortie vapeur du deuxième volume du premier évaporateur à l’entrée vapeur du premier condenseur en passant à l’intérieur d’un bras de support de la turbomachine. Selon un mode de réalisation, le premier condenseur est situé dans une partie haute de la nacelle située au-dessus de l’axe de la turbomachine. Selon un mode de réalisation qui est une variante du mode de réalisation précédent, le premier condenseur est situé dans une partie basse de la nacelle située en dessous de l’axe de la turbomachine. Selon un mode de réalisation, la première surface externe de la nacelle est une surface d’une paroi extérieure de la nacelle formant la périphérie externe de la nacelle. Selon un mode de réalisation qui est une variante du mode de réalisation précédent, la première surface externe de la nacelle est une surface d’une paroi intérieure de la nacelle qui délimite extérieurement une veine de flux secondaire de la turbomachine. Selon un mode de réalisation, la nacelle comprend une paroi interne et une paroi externe entourant la paroi interne, la paroi externe comprenant la première surface externe et la paroi interne comprenant une surface externe, les canaux s’étendent entre une première et une deuxième paroi comprenant la première surface externe de la nacelle, et les canaux s’étendent entre la surface externe de la paroi interne et la première surface externe de la nacelle . Selon un exemple de ce mode de réalisation, les canaux s’étendent en contact de la paroi externe de la nacelle. Selon un autre exemple de ce mode de réalisation, les canaux s’étendent en contact de la paroi interne de la nacelle. Selon un autre exemple de ce mode de réalisation, les canaux s’étendent entre la paroi interne et la paroi externe de la nacelle. Selon une mise en œuvre, les canaux sont radialement sensiblement à la même distance de la surface externe de la paroi interne que de la surface externe de la paroi externe. (Par sensiblement à la même distance radialement, on entend compris entre + 10% et – 10% de la distance) Selon un mode de réalisation, les canaux du premier condensateur sont superposés dans la nacelle pour former une grille qui suit la courbure de la première surface externe de la nacelle. Selon un mode de réalisation, le saut de pression capillaire dans la mèche poreuse capillaire permet de compenser la somme des pertes de charge subies par le fluide dans le premier circuit de condensateur. un autre aspect de l’invention concerne un ensemble propulsif comprenant la turbomachine pour aéronef comprenant une turbomachine et une nacelle entourant la turbomachine, des bras de support reliant la nacelle à un compartiment central, et un système de refroidissement d’un liquide de lubrification de la turbomachine selon le premier aspect de l’invention (avec ou sans les différentes combinaisons possibles des modes de réalisations et exemples, décrits précédemment), le système de refroidissement comprenant un circuit fermé du liquide de lubrification comprenant le premier volume de refroidissement du liquide de lubrification dans l’échangeur, un volume du moteur relié à une entrée et une sortie du premier volume de refroidissement du liquide de lubrification dans l’échangeur, et une pompe montée entre le volume du moteur et le premier volume de refroidissement du liquide de lubrification de l’échangeur, permettant de faire circuler le liquide de lubrification dans le circuit fermé. 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. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. montre un schéma de principe d’un système de refroidissement selon l’invention. montre un schéma de principe d’un condenseur dans une nacelle d’un système de refroidissement selon un exemple de l’invention. montre un schéma de principe d’un système de refroidissement selon un premier exemple d’un premier mode de réalisation de l’invention comprenant deux condenseurs selon l’exemple de la . montre un schéma de principe d’un système de refroidissement selon un deuxième exemple du premier mode de réalisation de l’invention comprenant deux condenseurs selon l’exemple de la . montre un schéma de principe d’un système de refroidissement selon un troisième exemple du premier mode de réalisation de l’invention comprenant deux condenseurs selon l’exemple de la . montre un schéma de principe d’un système de refroidissement selon un premier exemple d’un deuxième mode de réalisation de l’invention comprenant deux condenseurs selon l’exemple de la . montre un schéma de principe d’un système de refroidissement selon un deuxième exemple d’un deuxième mode de réalisation de l’invention comprenant deux condenseurs selon l’exemple de la . montre un schéma de principe de différents emplacements radiaux du condenseur de la dans une nacelle d’un système de refroidissement selon un exemple de l’invention. Système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine d’aéronef comprenant : un échangeur (213) comprenant un premier volume de refroidissement (201) du liquide de lubrification, un premier circuit de refroidissement (230) d’un fluide caloporteur diphasique par une boucle de circulation du fluide diphasique, à pompage thermo-capillaire, comprenant : un premier condenseur (3, 3 1 , 3 1’ ) comprenant : une entrée vapeur du fluide caloporteur à l’état vapeur, des canaux (32) s’étendant le long d’une première surface externe d’une nacelle (4) de la turbomachine pour refroidir les canaux (32), les canaux (32) étant reliés en parallèle les uns aux autres, pour permettre de refroidir le fluide circulant dans le condenseur (3) d’un état vapeur à un état liquide, une sortie liquide du fluide caloporteur à l’état liquide, un premier évaporateur capillaire (2, 2’) de l’échangeur (213), pour absorber les calories du premier volume (201) dans lequel le liquide de lubrification circule, le premier évaporateur (2, 2’) comprenant : un premier volume (203) comprenant une entrée liquide du fluide caloporteur reliée à la sortie liquide du premier condenseur, un deuxième volume (223) comprenant une sortie vapeur du fluide caloporteur, reliée à l’entrée vapeur du premier condenseur une mèche poreuse capillaire (200) située entre le premier volume (203) et le deuxième volume (223), permettant de séparer le fluide diphasique entre une phase liquide et une phase gazeuse par un saut de pression capillaire. Système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine selon la revendication 1, comprenant un deuxième condenseur (3 2 , 3 2’ ) similaire au premier condenseur (3 1 , 3 1’ ), dans lequel le premier et le deuxième condenseur (3 1 , 3 1’, 3 2 , 3 2’ ) sont situés de part et d’autre d’un plan vertical comprenant l’axe de la nacelle (4). Système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine selon la revendication précédente, dans lequel le premier circuit de refroidissement (230) du fluide caloporteur diphasique comprend le deuxième condenseur (3 2 , 3 2’ ) comprenant son entrée vapeur reliée à la sortie vapeur du deuxième volume (223) du premier évaporateur (2, 2’). Système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine selon la revendication 2, comprenant : un deuxième évaporateur capillaire (2 2 , 2 2 ’) de l’échangeur (213), similaire au premier évaporateur capillaire (2 1 , 2 1 ’), un deuxième circuit de refroidissement (230 2, 230 2’ ) d’un fluide caloporteur diphasique similaire au premier circuit de refroidissement (230 1, 230 1’ ) d’un fluide caloporteur diphasique, le deuxième circuit de refroidissement (230 2, 230 2’ ) comprenant le deuxième condenseur qui comprend son entrée vapeur reliée à la sortie vapeur du deuxième volume du deuxième évaporateur. Système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier condenseur (3 1, 3 1’ ) est situé plus haut que le premier évaporateur (2 1, 2 1’ ) pour que le fluide dans un état liquide à la sortie du condenseur circule par gravité vers l’évaporateur. Système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine selon l’une des revendications précédentes, comprenant un conduit vapeur (31, 31’ 1 , 31’’ 1, 31’ 1 ’, 31 1 ’) reliant la sortie vapeur du deuxième volume (223) du premier évaporateur (2, 2’, 2 1’, 2’ 1’ ) à l’entrée vapeur du premier condenseur (3 1 , 3 1’ ), le conduit vapeur (31, 31’ 1 , 31’’ 1, 31’ 1 ’, 31 1 ’) étant localisé selon l’axe de la nacelle (4) en amont de l’entrée du premier évaporateur (2, 2’, 2 1’, 2’ 1 ’) . Système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’échangeur (312) est situé dans une partie basse de la nacelle (4) située en dessous de la turbomachine. Système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’échangeur (312) est situé dans un compartiment central (5) de la turbomachine entourée par la nacelle (4), le circuit de refroidissement comprenant un conduit vapeur (31, 31’ 1 , 31’’ 1, 31’ 1 ’, 31 1 ’) reliant la sortie vapeur du deuxième volume (223) du premier évaporateur (2, 2’, 2 1’, 2’ 1’ ) à l’entrée vapeur du premier condenseur (3 1 , 3 1’ ) en passant à l’intérieur d’un bras de support de la turbomachine. Système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier condenseur (3 1 ) est situé dans une partie haute de la nacelle (4) située au-dessus de l’axe de la turbomachine. Système de refroidissement d’un liquide de lubrification d’une turbomachine selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le premier condenseur (3 1’ ) est situé dans une partie basse de la nacelle (4) située en dessous de l’axe de la turbomachine. Ensemble propulsif pour aéronef comprenant une turbomachine et une nacelle (4) entourant la turbomachine, des bras de support reliant la nacelle à un compartiment central (5) de la turbomachine, et un système de refroidissement d’un liquide de lubrification de la turbomachine selon l’une des revendications précédentes, le système de refroidissement comprenant un circuit fermé (120) du liquide de lubrification comprenant le premier volume de refroidissement (201) du liquide de lubrification dans l’échangeur (213), un volume du moteur (1) relié à une entrée et une sortie du premier volume de refroidissement (201) du liquide de lubrification dans l’échangeur (213), et une pompe (12) montée entre le volume du moteur (1) et le premier volume de refroidissement (201) du liquide de lubrification de l’échangeur, permettant de faire circuler le liquide de lubrification dans le circuit fermé (120). Ensemble propulsif pour aéronef selon la revendication précédente, dans lequel la première surface externe (410) de la nacelle (4) est une surface d’une paroi extérieure (41) de la nacelle (4) formant la périphérie externe de la nacelle (4). Ensemble propulsif pour aéronef selon la revendication 11 ou 12, dans lequel la première surface externe (400) de la nacelle (4) est une surface d’une paroi intérieure (40) de la nacelle (4) qui délimite extérieurement une veine de flux secondaire de la turbomachine.