Brevet FR3132328A1 — publié le 20230804

L’invention concerne un échangeur de chaleur (21) pour une turbomachine, notamment d’aéronef, d’axe longitudinal (X), comportant : une paroi de support (22) s’étendant suivant une première direction (L), une pluralité d’ailettes (23) s’élevant chacune suivant une deuxième direction (R) depuis la paroi de support (22) et étant destinées à être balayées par un flux d’air (F3a, F2), et un panneau (27) profilé recouvrant les ailettes (23) et s’étendant suivant la première direction entre une première paroi à profil divergent en amont des ailettes et une deuxième paroi à profil convergent en aval des ailettes. Selon l’invention, l’échangeur de chaleur comprend un dispositif (35) d’admission d’air configuré pour ralentir le flux d’air dans une troisième direction le dispositif (35) comportant plusieurs ouvertures (36) d’admission d’air distinctes qui sont agencées en amont des ailettes (23) suivant la première direction (L) et qui sont réparties suivant la troisième direction (C). Figure pour l’abrégé : Figure 4 ECHANGEUR DE CHALEUR EQUIPE D’UN SYSTEME DE DIFFUSION D’AIR ET TURBOMACHINE CORRESPONDANTE 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, notamment d’aéronef. Arrière-plan technique Une turbomachine d’aéronef et un aéronef comprennent divers organes et/ou équipements devant être lubrifiés et/ou refroidis pour leur bon fonctionnement. Ces organes et/ou équipement peuvent être des paliers ou engrenages dans la turbomachine ou des composants électriques et/ou électroniques pour des systèmes électriques de la turbomachine de l’aéronef ou encore des systèmes de conditionnement des espaces intérieurs de l’aéronef. La chaleur dégagée par ces organes et/ou équipement, qui peut être très importante suivant la puissance de l’organe et/ou de l’équipement, est évacuée par échange thermique avec une source froide disponible dans la turbomachine et/ou l’aéronef. L’échange thermique est réalisé grâce à un ou plusieurs échangeurs de chaleur qui sont installés dans la turbomachine ou dans l’aéronef et pour diverses applications. Selon les applications, les échangeurs de chaleur utilisent de manière générale une source froide pouvant être de l’air ambiant, un air de la veine secondaire de la turbomachine, de l’eau glycolée, un fluide caloporteur de type Novec®, les hydrofluorocarbures (HFC), du gaz naturel liquéfié (LNG), de l’hydrogène liquide (LH2), etc. et une source chaude pouvant être le carburant de la turbomachine, de l’huile, de l’air (bleed air) prélevé au niveau du compresseur basse pression ou haute pression de la turbomachine, ou un air de la veine primaire de la turbomachine. Les besoins en refroidissement des fluides de lubrifiant, des systèmes électriques et/ou électroniques (machines électriques, génératrices, batteries, etc…) sont de plus en plus croissants du fait de l’accroissement des vitesses de rotation et des puissances mises en jeu pour répondre aux spécifications sur les turbomachines et de l’électrification des futurs aéronefs. Cela implique que les échangeurs de chaleur seront de plus en plus sollicités. Par ailleurs, les nouvelles architectures de turbomachine et d’aéronef utilisant des carburants alternatifs ((LH2), (LNG)) qui sont stockés sous forme liquide à basse température (typiquement 23K pour le LH2) pour limiter le volume des réservoirs et la masse ajoutée sur l’aéronef engendre la nécessité de les réchauffer avant de les utiliser, soit l’emploi d’échangeurs de chaleur. Sont connus les échangeurs de chaleur carburant/huile généralement dont l’acronyme anglais est FCOC pour « Fuel Cooled Oil Cooler ». Ces échangeurs de chaleur FCOC peuvent avoir 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 air/huile connus sous l’acronyme anglais ACOC pour « Air-Cooled Oil Cooler », 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 usinés. 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. L’une des problématiques observées dans les échangeurs de chaleur pour les différentes applications susmentionnées est la génération des pertes de charge supplémentaires côté air (ou gaz) puisqu’ils perturbent l’écoulement. Cela a pour effet d’augmenter la consommation de carburant spécifique (SFC) de la turbomachine et d’impacter négativement la performance de la turbomachine. Les exemples d’échangeurs de chaleur décrits dans les brevets FR-B1-3096444 et FR-B1-3096409 au nom de la demanderesse, ont été proposés pour améliorer leurs performances, notamment aérothermiques. Un de ces échangeurs de chaleur représenté sur la comprend une paroi de ralentissement Pr du flux d’air entrant dans les ailettes A1 et une paroi d’accélération Pa du flux d’air sortant des ailettes. Pour avoir un ralentissement important, le rapport entre la section hi à l’entrée de la paroi de ralentissement Pr et la hauteur he des ailettes A1, et le rapport entre la section de sortie hs des parois d’accélération Pa et la hauteur he des ailettes A1 doivent être tous deux élevés. Cependant, avec une telle paroi de ralentissement Pr, un risque de décollement peut apparaître dans la zone B si l’air entrant dans l’échangeur de chaleur est mal réparti. Un risque de décollement de la couche limite pariétale pourrait également apparaître au niveau des surfaces externes des parois de ralentissement et d’accélération qui sont en contact direct avec le flux d’air F2 contournant l’échangeur de chaleur (le flux d’air F2 étant à Mach élevé (environ 0.5 à 0.8 en croisière)), et notamment au niveau des zones A et C. Tous ces risques de décollement peuvent augmenter la perte de charge totale. Par ailleurs, une longueur trop importante des parois de ralentissement et d’accélération pour, par exemple, assurer un écoulement homogène, pourrait impacter la taille de l’échangeur de chaleur. L’objectif de la présente invention est de fournir un échangeur de chaleur permettant une meilleure optimisation des performances aérothermiques tout en réduisant les pertes de charge 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, notamment d’aéronef, d’axe longitudinal, l’échangeur de chaleur comportant : une paroi de support s’étendant suivant une première direction, une pluralité d’ailettes s’élevant chacune suivant une deuxième direction depuis une surface externe de la paroi de support, les ailettes étant destinées à être balayées par un flux d’air suivant la première direction, une première paroi profilée disposée en amont des ailettes et configurée de manière à guider et ralentir le flux d’air entrant dans l’échangeur de chaleur, une deuxième paroi profilée disposée en aval des ailettes et configurée de manière à accélérer le flux d’air sortant de l’échangeur de chaleur, et un panneau profilé recouvrant les ailettes, le panneau profilé s’étendant suivant la première direction entre la première paroi et la deuxième paroi auxquelles celui-ci est fixé, l’échangeur de chaleur comprenant un système de diffusion d’air comprenant un dispositif d’admission d’air configuré de manière à ralentir le flux d’air dans une troisième direction, le dispositif comportant plusieurs ouvertures d’admission d’air distinctes qui sont agencées en amont des ailettes suivant la première direction et qui sont réparties suivant la troisième direction. Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, en installant une première paroi en amont et un dispositif d’admission d’air d’un système de diffusion avec une pluralité d’ouvertures faisant office de prise d’air à l’entrée de l’échangeur de chaleur, l’écoulement d’air est doublement ralenti grâce à la variation de la section d’une part, dans la deuxième direction (radialement) et d’autre part, dans la direction azimutale. Le fait de ralentir la vitesse de l’écoulement en entrée de l’échangeur de chaleur permet en particulier de minimiser la perte de charge (voire la supprimer) et même de générer de la poussée dans certaines phases de vol de l’aéronef. Ce phénomène est connu sous « l’Effet Meredith ») et permet d’améliorer nettement les performances aérothermiques de l’échangeur de chaleur. En effet, la deuxième paroi en aval et la chaleur et l’énergie thermique rapportée au flux d’air accélère davantage le flux d’air en sortie en sortie de l’échangeur de chaleur. La perte de charge diminue jusqu’à disparaître à une vitesse praticable au-delà de laquelle l’échangeur contribue à la propulsion. L’effet Meredith est un phénomène physique par lequel la traînée causée par un échangeur de chaleur réchauffant l’air est compensée par une conception appropriée du canal de l’échangeur de chaleur (dispositif divergent/échangeur/convergent) capable de générer une poussée plus utile. L’effet Meredith est d’autant plus tangible que la vitesse de l’aéronef augmente. Afin d’avoir une trainée nulle et éventuellement pour générer de la poussée par l’échangeur de chaleur dans certaines phases de vol, le facteur de ralentissement doit être supérieur à 6. Le présent échangeur de chaleur est à forte performance aérodynamique et à fort ralentissement dans un encombrement limité, celui-ci répond alors aux conditions de facteur de ralentissement et de l’Effet Meredith. L’échangeur de chaleur comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - la première paroi présente une première extrémité formant une entrée d’air avec la paroi de support, le dispositif d’admission d’air étant situé en amont du plan dans lequel est définie l’entrée d’air. - la première paroi présente une première extrémité reliée à la paroi de support, le dispositif d’admission d’air étant situé en aval du plan dans lequel est définie la première extrémité, les ouvertures d’admission d’air étant formées dans la première paroi et étant agencées à une distance prédéterminée de la première extrémité de la première paroi. - le système de diffusion comprend un dispositif d’échappement d’air configuré de manière à accélérer le flux d’air dans la troisième direction, le dispositif d’échappement comportant plusieurs ouvertures d’échappement d’air distinctes qui sont agencées en aval des ailettes suivant la première direction et qui sont réparties suivant la troisième direction. - la deuxième paroi présente une première extrémité formant une sortie d’air avec la paroi de support, le dispositif d’échappement d’air étant situé en aval du plan dans lequel est définie la sortie d’air. - la deuxième paroi présente une première extrémité reliée à la paroi de support, le dispositif d’échappement d’air étant situé en amont du plan dans lequel est définie la première extrémité, les ouvertures d’admission étant formées dans la deuxième paroi et étant agencées à une distance prédéterminée de la première extrémité de la deuxième paroi. - le nombre d’ouvertures d’admission d’air du dispositif d’admission d’air et /ou du dispositif d’échappement d’air est compris entre 1 et 100. - le dispositif d’admission et/ou le dispositif d’échappement comprend/comprennent plusieurs rangées d’ouvertures, chaque rangée comprenant des ouvertures qui sont alignées suivant la troisième direction, et les ouvertures des rangées étant alignées suivant la première direction ou présentant un décalage angulaire. - l’échangeur de chaleur comprend un dispositif de réglage de débit, le dispositif de réglage comprenant une porte mobile qui est agencée dans une ouverture, la porte mobile se déplaçant dans l’ouverture suivant la première direction et/ou suivant la deuxième direction de sorte à faire varier la section de l’ouverture. - l’échangeur de chaleur est annulaire ou s’étend sur un secteur angulaire. L’invention concerne également une turbomachine d’axe longitudinal comprenant une soufflante, un carter annulaire qui est centré sur l’axe longitudinal et qui entoure la soufflante, et un échangeur de chaleur tel que susmentionné. La turbomachine comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - la turbomachine comprend une nacelle disposée radialement à l’extérieur du carter annulaire et autour duquel est destiné à circuler un air dynamique externe, l’échangeur de chaleur étant disposé radialement à l’extérieur de la nacelle et une portion de l’air dynamique externe formant le flux d’air balayant les ailettes. - l’échangeur de chaleur est disposé radialement à l’intérieur du carter annulaire dans lequel est destiné à circuler un écoulement d’air, une portion de l’écoulement d’air formant le flux d’air balayant les ailettes. - la nacelle ou le carter annulaire comprend une paroi annulaire qui comporte un renfoncement dans lequel est installé l’échangeur de chaleur, les ailettes présentant une hauteur supérieure ou égale à la hauteur du renfoncement. - le renfoncement est annulaire ou s’étend sur un secteur angulaire autour de l’axe longitudinal. - les cloisons du dispositif d’admission et du dispositif d’échappement s’étendent à l’extérieur du renfoncement. L’invention concerne en outre un aéronef comprenant une turbomachine telle que susmentionnée. 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 et schématique d’un échangeur de chaleur selon l’art antérieur ; La est une vue en coupe axiale d’un exemple de turbomachine à laquelle s’applique l’invention; La est une vue schématique et en coupe axiale d’un échangeur de chaleur agencé à l’extérieur d’une turbomachine et équipé d’un système de diffusion d’air selon l’invention ; La est une vue en perspective d’un exemple d’échangeur de chaleur porté par une turbomachine d’aéronef et équipé d’un dispositif d’admission d’air en amont et un disposition d’échappement en aval selon l’invention ; La est une vue en coupe radiale de l’échangeur de chaleur de la ; La illustre un autre mode de réalisation d’un échange de chaleur équipé d’un système de diffusion d’air selon l’invention ; La illustre schématiquement et suivant une vue en coupe radiale un autre exemple de réalisation d’un échangeur de chaleur selon l’invention ; La est une vue en coupe axiale et schématique d’un autre exemple de réalisation d’un échangeur de chaleur selon l’invention ; La est une vue en coupe radiale de l’échangeur de chaleur de la ; La illustre suivant une coupe radiale et partielle un autre mode de réalisation d’un échangeur de chaleur selon l’invention ; La illustre suivant une coupe radiale un autre mode de réalisation de l’échangeur de chaleur selon l’invention ; La illustre un autre exemple de réalisation d’un échangeur de chaleur équipé d’un dispositif de régulation de débit d’air selon l’invention ; La représente une vue schématique et en coupe axiale un exemple d’échangeur de chaleur semi enterré selon l’invention ; La représente une vue schématique et en coupe axiale un exemple d’échangeur de chaleur enterré selon l’invention ; La représente un autre mode de réalisation d’un échangeur de chaleur agencé dans une veine secondaire d’une turbomachine selon l’invention. Echangeur de chaleur (21) pour une turbomachine, notamment d’aéronef, d’axe longitudinal (X), l’échangeur de chaleur (21) comportant : une paroi de support (22) s’étendant suivant une première direction (L), une pluralité d’ailettes (23) s’élevant chacune suivant une deuxième direction (R) depuis une surface externe (24) de la paroi de support (22), les ailettes (23) étant destinées à être balayées par un flux d’air (F3a, F2) suivant la première direction (L), une première paroi (25) profilée disposée en amont des ailettes (23) et configurée de manière à guider et ralentir le flux d’air (F3a, F2) entrant dans l’échangeur de chaleur (21), une deuxième paroi (26) profilée disposée en aval des ailettes (23) et configurée de manière à accélérer le flux d’air (F3a, F2) sortant de l’échangeur de chaleur (21), et un panneau (27) profilé recouvrant les ailettes (23), le panneau (27) profilé s’étendant suivant la première direction (L) entre la première paroi (25) et la deuxième paroi (26) auxquelles celui-ci est fixé, caractérisé en ce que l’échangeur de chaleur (21) comprenant un système de diffusion d’air comprenant un dispositif (35) d’admission d’air configuré de manière à ralentir le flux d’air dans une troisième direction (C), le dispositif (35) comportant plusieurs ouvertures (36) d’admission d’air distinctes qui sont agencées en amont des ailettes (23) suivant la première direction (L) et qui sont réparties suivant la troisième direction (C). Echangeur de chaleur (21) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première paroi (25) présente un première extrémité (25a) formant une entrée d’air (25aa) avec la paroi de support (22), le dispositif (35) d’admission d’air étant situé en amont du plan dans lequel est définie l’entrée d’air (25aa). Echangeur de chaleur (21) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première paroi (25) présente une première extrémité (25a) reliée à la paroi de support (22), le dispositif (35) d’admission d’air étant situé en aval du plan dans lequel est définie la première extrémité (25a), les ouvertures (36) d’admission d’air étant formées dans la première paroi (25) et étant agencées à une distance prédéterminée (D1) de la première extrémité (25a) de la première paroi (25). Echangeur de chaleur (21) selon quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de diffusion comprend un dispositif (38) d’échappement d’air configuré de manière à accélérer le flux d’air dans la troisième direction, le dispositif (38) d’échappement comportant plusieurs ouvertures (39) d’échappement d’air distinctes qui sont agencées en aval des ailettes (23) suivant la première direction et qui sont réparties suivant la troisième direction. Echangeur de chaleur (21) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la deuxième paroi (26) présente une première extrémité (26a) formant une sortie d’air (26aa) avec la paroi de support (22), le dispositif (38) d’échappement d’air étant situé en aval du plan dans lequel est définie la sortie d’air (26aa). Echangeur de chaleur (21) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la deuxième paroi (26) présente une première extrémité (26a) reliée à la paroi de support (22), le dispositif (38) d’échappement d’air étant situé en amont du plan dans lequel est définie la première extrémité (26a), les ouvertures (39) d’admission étant formées dans la deuxième paroi (26) et étant agencées à une distance prédéterminée (D2) de la première extrémité (26a) de la deuxième paroi (26). Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre d’ouvertures (36, 39) d’admission d’air du dispositif (35) d’admission d’air et /ou du dispositif (38) d’échappement d’air est compris entre 1 et 100. Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif (35) d’admission et/ou le dispositif (38) d’échappement comprend/comprennent plusieurs rangées (R1, R2) d’ouvertures (36, 39), chaque rangée (R1, R2) comprenant des ouvertures (36a, 36b, 39a, 39b) qui sont alignées suivant la troisième direction, et les ouvertures (36a, 36b, 39a, 39b) des rangées étant alignées suivant la première direction ou présentant un décalage angulaire. Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de réglage (50) de débit, le dispositif de réglage (50) comprenant une porte mobile (51) qui est agencée dans une ouverture (36, 39), la porte mobile (51) se déplaçant dans l’ouverture (36, 39) suivant la première direction et/ou suivant la deuxième direction de sorte à faire varier la section de l’ouverture (36, 39). Echangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est annulaire ou s’étend sur un secteur angulaire. Turbomachine (1) d’axe longitudinal X comprenant une soufflante (3), un carter (12) annulaire qui est centré sur l’axe longitudinal (X) et qui entoure la soufflante (3), et un échangeur de chaleur (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes. Turbomachine (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu’elle comprend une nacelle (13) disposée radialement à l’extérieur du carter (12) annulaire et autour duquel est destiné à circuler un air dynamique externe (F3), l’échangeur de chaleur (21) étant disposé radialement à l’extérieur de la nacelle (13) et une portion (F3a) de l’air dynamique externe (F3) formant le flux d’air balayant les ailettes (23). Turbomachine (1) selon l’une des revendications 11 et 12, caractérisée en ce que l’échangeur de chaleur (21) est disposé radialement à l’intérieur du carter (12) annulaire dans lequel est destiné à circuler un écoulement d’air (F2), une portion de l’écoulement d’air formant le flux d’air balayant les ailettes (23). Turbomachine (1) selon l’une des revendications 12 et 13, caractérisée en ce que la nacelle (13) ou le carter annulaire (12) comprend une paroi annulaire (18, 43) qui comporte un renfoncement (42) dans lequel est installé l’échangeur de chaleur (21), les ailettes (23) présentant une hauteur (he) supérieure ou égale à la hauteur du renfoncement (42).