Brevet FR3130950A1 — publié le 20230623

L’invention concerne un échangeur de chaleur (21) pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, l’échangeur de chaleur comportant une paroi de support (22) s’étendant sensiblement suivant une direction longitudinale L, une première pluralité d’ailettes (23) s’étendant chacune suivant une direction radiale R depuis une surface radialement externe (24) de la paroi de support (22) et destinées à être balayées par un flux d’air, et un panneau (25) profilé recouvrant les ailettes (23) et s’étendant suivant la direction longitudinale. Selon l’invention, l’échangeur de chaleur comprend une deuxième pluralité d’ailettes (26) s’étendant chacune depuis une surface radialement externe (27) du panneau (25) suivant une direction radiale, le panneau (25) s’étendant entre la première et la deuxième pluralité d’ailettes (23, 26). Figure pour l’abrégé : Figure 2 ECHANGEUR DE CHALEUR A DOUBLE ETAGE ET TURBOMACHINE EQUIPEE D’UN TEL ECHANGEUR DE CHALEUR Domaine de l’invention La présente invention concerne le domaine général de l’aéronautique. Elle vise en particulier un échangeur de chaleur pour une turbomachine. Arrière-plan technique Une turbomachine, notamment d’aéronef, comprend divers organes et/ou équipements devant être lubrifiés et/ou refroidis tels que des paliers à roulements et engrenages. La chaleur dégagée par ces composants qui peut être très importante suivant la puissance de l’organe et/ou de l’équipement, est transportée par un fluide et évacuée vers des sources froides disponibles dans l’aéronef. Il est connu d’équiper la turbomachine d’un ou de plusieurs systèmes d’échanges de chaleur pour réaliser l’échange de chaleur entre le fluide lubrifiant (typiquement de l’huile) et la source froide (air, carburant, etc). Il existe même différents types de systèmes d’échange de chaleur qui sont par exemple les échangeurs de chaleur carburant/huile généralement connus sous l’acronyme anglais FCOC pour « Fuel Cooled Oil Cooler » et les échangeurs de chaleur air/huile connus sous l’acronyme anglais ACOC pour « Air-Cooled Oil Cooler ». Les échangeurs de chaleur FCOC ont une double fonction de réchauffement du carburant avant la combustion dans la chambre de combustion de la turbomachine et de refroidissement de l’huile réchauffée par les dissipations thermiques de la turbomachine. Cependant, les échangeurs de chaleur FCOC ne suffisent pas à absorber toutes les dissipations thermiques car la température du carburant est limitée en vue des contraintes de sécurité. Le complément de refroidissement est obtenu par les échangeurs de chaleur ACOC, en particulier ceux du type surfacique et connus sous l’acronyme SACOC. Les échangeurs de chaleur surfacique sont généralement agencés dans la veine secondaire de la turbomachine et utilisent le flux d’air secondaire pour le refroidissement de l’huile circulant dans la turbomachine. Ces échangeurs de chaleur se présentent sous la forme d’une pièce surfacique métallique permettant le passage d’huile dans des canaux. Le flux d’air secondaire est guidé le long d’ailettes portées par cette pièce surfacique et qui ont pour rôle d’augmenter la surface de contact avec le flux d’air secondaire et d’extraire les calories. Toutefois, les échangeurs de chaleur SACOC ont pour inconvénient de créer des pertes de charge supplémentaires dans la veine secondaire concernée puisqu’ils perturbent l’écoulement d’air, ce qui impacte la performance de la turbomachine ainsi que la consommation de carburant spécifique. Leur performance aérothermique (ratio entre la puissance thermique dissipée et la perte de charge induite du côté du flux d’air secondaire) est faible également. En effet, l’écoulement d’air circule à haute vitesse entre les ailettes de l’échangeur de chaleur classique SACOC et les pertes de charge induites augmentent plus vite que la puissance thermique dissipée quand la vitesse de l’écoulement augmente. Ainsi à vitesse élevée les performances aérothermiques sont en général faibles. Par ailleurs, à cause du développement des couches limites entre les ailettes, une part importante de l’écoulement d’air s’échappe par l’extrémité libre haute des ailettes et ne contribue pas à l’échange de chaleur. De plus, les besoins en refroidissement du fluide lubrifiant augmentent du fait de l’accroissement des vitesses de rotation et des puissances mises en jeu pour répondre aux tendances de spécification sur les turbomachines. Dans l’exemple d’échangeur de chaleur décrit dans le brevet FR-B1-3096444 au nom de la demanderesse, pour améliorer les performances aérothermiques, il a été proposé de rajouter des moyens de ralentissement du flux d’air entrant dans les ailettes et des moyens d’accélération du flux d’air sortant des ailettes. Cet échangeur de chaleur comprend également un capot ou panneau qui recouvre les extrémités libres longitudinales pour éviter que le flux d’air ne s’échappe de l’échangeur de chaleur par les extrémités libres longitudinales. Cependant, l’échange thermique est moins important à proximité des extrémités libres longitudinales à cause de la différence de température sur la hauteur des ailettes et la perte de charge peut augmenter dans une telle configuration. L’objectif de la présente invention est de fournir un échangeur de chaleur permettant d’optimiser ses performances thermiques tout en réduisant les pertes d’énergie mécaniques et en évitant d’impacter la masse considérablement. Nous parvenons à cet objectif conformément à l’invention grâce à un échangeur de chaleur pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, l’échangeur de chaleur comportant : - une paroi de support s’étendant sensiblement suivant une direction longitudinale L, - une première pluralité d’ailettes s’étendant chacune suivant une direction radiale R depuis une surface radialement externe de la paroi de support et destinées à être balayées par un premier flux d’air, et - un panneau profilé recouvrant les ailettes et s’étendant suivant la direction longitudinale, l’échangeur de chaleur comprend une deuxième pluralité d’ailettes destinées à être balayées par un deuxième flux d’air et en ce que le panneau s’étend entre la première et la deuxième pluralité d’ailettes, et la pluralité d’ailettes comprenant chacune une extrémité libre longitudinale au niveau de laquelle peut s’évacuer le deuxième flux d’air. Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, avec une telle configuration, l’échangeur de chaleur permet que le deuxième flux d’air circulant dans les deuxième ailettes soit libre de s’évacuer ce qui permet une réduction des pertes de charge à un endroit où la performance aérothermique des ailettes est moindre du fait de la conductivité thermique limitée du matériau les constituant. L’échangeur de chaleur permet de ne canaliser et ralentir que le premier flux circulant dans les premières ailettes où leurs performances aérothermiques sont meilleures. En effet, la température des ailettes décroît avec la hauteur à cause de la conductivité thermique limitée du matériau utilisé, et la partie supérieure des ailettes contribue par conséquent moins à l’évacuation de la chaleur. L’échangeur de chaleur comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - le panneau présente une épaisseur comprise entre 0.2 mm et 1 mm. - le panneau comprend un bord amont pourvu d’une première série de languettes en forme de chevrons et un bord aval pourvu d’une deuxième série de languettes en forme de chevron, chaque languette présentant une première face et une deuxième face reliée à un sommet, la première face ou la deuxième face de la première série de languettes présentant un angle d’inclinaison avec l’axe longitudinal, et la première face ou la deuxième face de la deuxième série de languettes présentant un angle d’inclinaison avec l’axe longitudinal, les angles d’inclinaison étant compris entre 10° et 90°. - les ailettes de la première pluralité d’ailettes et de la deuxième pluralité d’ailettes sont continues et rectilignes chacune suivant la direction longitudinale. - les ailettes de la première pluralité d’ailettes présente une longueur supérieure à une longueur des ailettes de la deuxième pluralité d’ailette. - chaque ailette présente un bord d’attaque opposé à un bord de fuite suivant la direction longitudinale, les bords d’attaque des ailettes de la deuxième pluralité d’ailettes sont placés à une distance prédéterminée d’un bord amont du panneau. - chaque ailette présente une forme trapézoïdale, chaque bord d’attaque et chaque bord de fuite des ailettes de la première pluralité d’ailettes et de la deuxième pluralité d’ailettes est incliné suivant un angle d’inclinaison formé avec la surface radialement externe de la paroi de support, l’angle d’inclinaison des bords d’attaque des ailettes étant comprise entre 20°et 80°. - les angles d’inclinaison des bords d’attaque et bords de fuite de la première pluralité d’ailettes sont identiques et en ce que l’angle d’inclinaison des bords de fuite de la deuxième pluralité d’ailettes est supérieur à l’angle d’inclinaison aux bords de d’attaque de la deuxième pluralité d’ailettes. - le panneau est disposé à une hauteur prédéterminée de la surface radialement externe de la paroi de support, la hauteur prédéterminée étant donnée par le ratio , h1 étant la hauteur des ailettes de la première pluralité d’ailettes et étant la hauteur des ailettes la deuxième pluralité d’ailettes. - l’échangeur de chaleur comprend une première paroi profilée disposée en amont des ailettes et configurée de manière à guider et ralentir le premier flux d’air entrant dans l’échangeur de chaleur à travers les ailettes et une deuxième paroi profilée disposée en aval des ailettes et configurées de manière à accélérer le premier flux d’air sortant de l’échangeur de chaleur, chaque première et deuxième paroi profilée étant fixée à la paroi de support via des éléments de support s’étendant radialement depuis la surface radialement externe, la première paroi étant reliée en amont au panneau et la deuxième paroi étant reliée en aval au panneau. - la première paroi profilée comprend une première extrémité formant avec la paroi de support une entrée d’air présentant une première hauteur radiale et la deuxième paroi profilée comprend une première extrémité formant avec la paroi de support une sortie d’air présentant une deuxième hauteur radiale, le rapport entre la première hauteur et la deuxième hauteur étant compris entre 0.5 et 1. - l’échangeur de chaleur comprend un ou des canaux agencés dans l’épaisseur du panneau, le ou les canaux étant destiné à être relié(s) à un circuit de circulation fluidique dans lequel circule un fluide destiné à refroidir et/ou lubrifier des organes et/ou équipement de la turbomachine. -l’échangeur de chaleur est réalisé par fabrication additive. - la deuxième pluralité d’ailettes s’étendant chacune depuis une surface radialement externe du panneau suivant une direction radiale. L’invention concerne également un module de turbomachine d’axe longitudinal X comprenant un carter annulaire autour de l’axe longitudinal dans lequel circule un flux d’air et un échangeur de chaleur, présentant l’une quelconque des caractéristiques précédentes, qui est agencé dans le carter annulaire. L’invention concerne en outre une turbomachine comprenant au moins un échangeur de chaleur présentant l’une quelconque des caractéristiques précédentes et/ou un module de turbomachine tel que susmentionné. Brève description des figures 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 : La est une vue en coupe axiale d’un exemple de turbomachine à laquelle s’applique l’invention; La est une vue en perspective d’un échangeur de chaleur destiné à équiper une turbomachine selon l’invention ; La est une vue schématique et en coupe axiale d’un exemple d’échangeur de chaleur selon l’invention ; La représente une vue de dessus d’un panneau équipant un échangeur de chaleur selon invention ; La illustre schématiquement et en coupe axiale un autre mode de réalisation d’un échangeur de chaleur selon l’invention ; La est une vue schématique et en coupe axiale d’un autre mode de réalisation d’un échangeur de chaleur selon l’invention. Echangeur de chaleur (21) pour une turbomachine (1), en particulier d’aéronef, l’échangeur de chaleur (21) comportant : - une paroi de support (22) s’étendant sensiblement suivant une direction longitudinale L, - une première pluralité d’ailettes (23) s’étendant chacune suivant une direction radiale R depuis une surface radialement externe (24) de la paroi de support (22) et destinées à être balayées par un premier flux d’air (F1), et - un panneau (25) profilé recouvrant les ailettes (23) et s’étendant suivant la direction longitudinale, caractérisé en ce qu’il comprend une deuxième pluralité d’ailettes (26) destinées à être balayées par un deuxième flux d’air (F2) et en ce que le panneau (25) s’étend entre la première et la deuxième pluralité d’ailettes (23, 26), et la pluralité d’ailettes (26) comprenant chacune une extrémité libre (26c) longitudinale au niveau de laquelle peut s’évacuer le deuxième flux d’air (F2). Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le panneau (25) présente une épaisseur (e) comprise entre 0.2 mm et 1 mm. Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le panneau (25) comprend un bord amont (25a) pourvu d’une première série de languettes (30) en forme de chevrons et un bord aval (25b) pourvu d’une deuxième série de languettes (31) en forme de chevron, chaque languette (30, 31) présentant une première face (30a, 31a) et une deuxième face (30b, 31b) reliée à un sommet (30c, 31c), la première face (30a) ou la deuxième face (31b) de la première série de languettes (30) présentant un angle d’inclinaison (σ1) avec l’axe longitudinal (L), et la première face (31a) ou la deuxième face (31b) de la deuxième série de languettes (31) présentant un angle d’inclinaison (σ2) avec l’axe longitudinal (L), les angles d’inclinaison étant compris entre 10° et 90°. Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes (23, 26) de la première pluralité d’ailettes et de la deuxième pluralité d’ailettes sont continues et rectilignes chacune suivant la direction longitudinale (L). Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes (23) de la première pluralité d’ailettes présente une longueur (L1) supérieure à une longueur L2 des ailettes (26) de la deuxième pluralité d’ailette. Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque ailette (23, 26) présente un bord d’attaque (23a, 26a) opposé à un bord de fuite (23b, 26b) suivant la direction longitudinale (L), les bords d’attaque (26a) des ailettes (26) de la deuxième pluralité d’ailettes sont placés à une distance prédéterminée (D) d’un bord amont (25a) du panneau (25). Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque ailette (23, 26) présente une forme trapézoïdale, chaque bord d’attaque (23a, 26a) et chaque bord de fuite (23b, 26b) des ailettes de la première pluralité d’ailettes et de la deuxième pluralité d’ailettes est incliné suivant un angle d’inclinaison (α1, α2, β1, β2) formé avec la surface radialement externe (24) de la paroi de support (22), l’angle d’inclinaison (α1, β1) des bords d’attaque (23a, 26a) des ailettes étant comprise entre 20°et 80°. Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le panneau (25) est disposé à une hauteur prédéterminée (hp) de la surface radialement externe (24) de la paroi de support (22), la hauteur prédéterminée (hp) étant donnée par le ratio , (e) étant l’épaisseur du panneau (25), (h1) étant la hauteur des ailettes (23) de la première pluralité d’ailettes et (h2) étant la hauteur des ailettes (26) la deuxième pluralité d’ailettes. Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une première paroi (40) profilée disposée en amont des ailettes (23) et configurée de manière à guider et ralentir le premier flux d’air (F1) entrant dans l’échangeur de chaleur (21) à travers les ailettes (23) et une deuxième paroi (42) profilée disposée en aval des ailettes (23) et configurées de manière à accélérer le premier flux d’air (F1) sortant de l’échangeur de chaleur (21), chaque première et deuxième paroi (40, 42) profilée étant fixée à la paroi de support (22) via des éléments de support (44) s’étendant radialement depuis la surface radialement externe (24), la première paroi (40) étant reliée en amont au panneau (25) et la deuxième paroi (42) étant reliée en aval au panneau (25). Echangeur de chaleur (21) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première paroi (40) profilée comprend une première extrémité (40a) formant avec la paroi de support (22) une entrée d’air présentant une première hauteur (hd) radiale et la deuxième paroi (42) profilée comprend une première extrémité (42a) formant avec la paroi de support (22) une sortie d’air présentant une deuxième hauteur (hc) radiale, le rapport entre la première hauteur (hd) et la deuxième hauteur (hc) étant compris entre 0.5 et 1. Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un ou des canaux (50) agencés dans l’épaisseur du panneau (25), le ou les canaux (50) étant destiné à être relié(s) à un circuit (61) de circulation fluidique dans lequel circule un fluide destiné à refroidir et/ou lubrifier des organes et/ou équipement de la turbomachine (1). Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est réalisé par fabrication additive. Module de turbomachine d’axe longitudinal X comprenant un carter (11) annulaire autour de l’axe longitudinal X dans lequel est destiné à circuler un flux d’air (F) et un échangeur de chaleur (21), selon l’une quelconque des revendications précédentes, qui est agencé dans le carter (13) annulaire. Turbomachine (1) comprenant au moins un échangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12 et/ou un module de turbomachine selon la revendication précédente.