Brevet FR3130876A1 — publié le 20230623

L'invention propose un élément aérodynamique (28) de turbomachine comportant un corps (32) s'étendant selon une direction principale radiale et une extrémité radiale (34, 60) située à une extrémité radiale du corps (32), l'élément aérodynamique (28) comportant en outre un échangeur de chaleur entre un fluide interne de la turbomachine et un flux d'air s'écoulant autour du corps (32) de l'élément aérodynamique (28), caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur comporte un caloduc (38) dans lequel un fluide de travail circule et comprenant une partie d'évaporation (40) dans laquelle le fluide de travail échange de la chaleur avec le fluide interne et une partie de condensation (42) dans laquelle le fluide de travail échange de la chaleur avec le flux d'air. Figure pour l’abrégé : figure 4 Aube de redresseur comportant un caloduc L'invention concerne un élément aérodynamique de turbomachine tel qu'une aube ou un bras profilé de carter, comportant des moyens de refroidissement d'un fluide circulant dans la turbomachine. L'invention concerne plus particulièrement un élément aérodynamique comportant un échangeur de chaleur interne ne perturbant pas la circulation d'air autour de celle-ci. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Une turbomachine, notamment une turbomachine d'aéronef comporte une pluralité de composants dont la température augmente lors du fonctionnement de celle-ci. La turbomachine comporte un ou plusieurs circuits de refroidissement permettant de maintenir ces composants à des températures optimales pour leur fonctionnement ou à des températures dans lesquelles les composants ne risquent pas de se détériorer. Parmi ces organes, on peut citer par exemple : paliers fluides, solides, magnétiques ou à roulement, dispositifs de transmission ou réduction, coupleurs, chambre de combustion, aubes de redresseurs dans la veine primaire, pompes, génératrices de courant électrique, moteur électrique, tuyère d’échappement orientable ou fixe. Pour le refroidissement de certains de ces composants, on utilise un conduit d'un fluide interne qui prélève de la chaleur à partir de ces composants et qui est ensuite refroidi par échange de chaleur avec un flux d'air frais circulant dans la turbomachine. Un type d'échangeur de chaleur connu est disposé dans la paroi d'une veine secondaire d'écoulement d'air et est communément désignée SACOC (pour Surface Air Cooled Oil Cooler). Pour pouvoir échanger suffisamment de chaleur, un tel type d'échangeur de chaleur, même dimensionné au plus juste, occasionne des pertes aérodynamiques par une trainée additionnelle. Un autre type d'échangeur de chaleur connu est disposé dans une aube fixe de redresseur, qui a pour fonction première de rediriger la quantité de mouvement circonférentielle du flux d'air secondaire, due au passage du flux d'air dans la soufflante, en quantité de mouvement utile à la poussée. Le document FR-3.078.367 décrit un exemple d'une telle aube, qui comporte un circuit interne de circulation du fluide interne. C'est alors l'aube en elle-même qui sert d'échangeur de chaleur et contrairement aux échangeurs de chaleur de type SACOC, elle n'occasionne pas de perte aérodynamique significative supplémentaire. Cependant, l'aube est exposée à des dégradations car elle est exposée aux chocs de divers éléments pouvant être ingérés par la soufflante tels que des oiseaux, grêlons, plaques de givre ou des projections d’objets au décollage. Ces dégradations peuvent alors entrainer une fuite du fluide interne et ainsi un fonctionnement risqué de la turbomachine, voire son arrêt. L'invention a pour but de proposer un élément aérodynamique de turbomachine conçu pour permettre un échange efficace de chaleur entre le fluide interne et l'air s'écoulant dans la veine secondaire et ne risquant pas de subir de fuites de fluide interne en cas de dommages. L'invention propose un élément aérodynamique de turbomachine comportant un corps s'étendant selon une direction principale radiale et une extrémité radiale de pied située à une extrémité radiale du corps, l'aube comportant en outre un échangeur de chaleur entre un fluide interne de la turbomachine et un flux d'air s'écoulant autour du corps de l'aube, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur comporte un caloduc dans lequel un fluide de travail circule et comprenant une partie d'évaporation dans laquelle le fluide de travail échange de la chaleur avec le fluide interne et une partie de condensation dans laquelle le fluide de travail échange de la chaleur avec le flux d'air. Le caloduc intégré à l'aube permet d'éloigner le circuit de fluide interne de la partie exposée de l'aube pouvant être endommagée. Il n'y a alors aucun risque de fuite de liquide interne. De préférence, la partie d'évaporation comporte un accumulateur de fluide de travail agencé dans le pied de l'aube, au niveau duquel le fluide de travail échange de la chaleur avec le fluide interne. De préférence, le pied comporte un conduit de circulation du fluide interne qui est isolé fluidiquement du caloduc et qui s'étend autour de l'accumulateur. De préférence, la géométrie des cavités et parois de l’échangeur est optimisée pour assurer le meilleur échange thermique possible entre les deux fluides, par un compromis entre une grande surface d’échange et une bonne circulation des fluides. Selon un mode de réalisation, le conduit de circulation est de forme hélicoïdale centrée sur l'accumulateur. De préférence, et par souci d’intégration, le conduit de circulation comporte deux extrémités qui sont agencées dans le pied. De préférence, la partie d'évaporation comporte un conduit de vapeur s'étendant radialement à partir de l'accumulateur, dans lequel le fluide réchauffé s'évapore et circule librement vers la partie de condensation. De préférence, la partie de condensation comporte des géométries favorisant l’échange de température et l’écoulement des condensats, pouvant être, selon un mode de réalisation des ailettes prolongées de conduits fins de refroidissement qui sont en communication fluidique avec le conduit de vapeur d’un côté, qui débouchent dans un récupérateur. De préférence, les surfaces et conduits de condensation sont agencés dans le corps de l'aube. De préférence, le caloduc comporte un conduit de récupération du fluide interne qui met en communication le récupérateur avec l'accumulateur et dans lequel le fluide de travail sous forme liquide circule séparément de l’essentiel de la phase gazeuse provenant de l’évaporateur. De préférence, au moins le conduit de récupération est conçu pour que le fluide interne condensé s'y écoule par gravité ou par capillarité. De préférence, la quantité, la composition chimique et la pression interne du fluide de travail du caloduc sont choisis pour assurer le bon échange de chaleur dans toutes les conditions de fonctionnement possibles pour la turbomachine. est une représentation schématique en demi-section axiale d'une turbomachine, montrant un bras de carter faisant fonction d’aube de redresseur avec le positionnement d’échangeurs de type SACOC, selon l’état de l’art (à faire figurer). est une vue latérale d'une aube représentée à la , comportant un échangeur de chaleur selon l'invention. est une représentation schématique en perspective de l'aube représentée à la , selon un mode de réalisation pour lequel les aubes de redresseur sont situées en partie basse de la turbomachine et l’échangeur de chaleur est localisé dans le stator côté moyeu. est une représentation schématique en écorché et en transparence de l'aube selon l'invention, montrant les différentes parties du caloduc. est un détail à plus grande échelle de l'aube représentée à la , montrant la coopération entre le circuit de fluide interne et la partie d'évaporation du caloduc. est une vue similaire à celle de la , représentant un mode de réalisation pour lequel les aubes de redresseur sont situées en partie basse de la turbomachine et l’échangeur de chaleur se trouve dans la partie extérieure du stator de la soufflante. est une représentation schématique en écorché de l'aube représentée à la , montrant les différentes parties d’un caloduc. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE L’INVENTION On a représenté schématiquement à la une turbomachine 10 d'aéronef du type à double flux, qui comporte une veine primaire 12 d'écoulement de gaz et une veine secondaire 14 d'écoulement de gaz qui sont centrées sur un axe principal de la turbomachine. La veine primaire 12 comporte, dans le sens d'écoulement de gaz dans celle-ci : un compresseur basse pression 16, un compresseur haute pression 18, une chambre de combustion 20, une turbine haute pression 22 et une turbine basse pression 24. La veine secondaire 14 d'écoulement de gaz s'étend radialement autour de la veine primaire 12 et un flux d'air s'écoule axialement au travers de celle-ci. En amont de la veine primaire 12 et de la veine secondaire 14, la turbomachine 10 comporte une soufflante 26 destinée à induire un déplacement axial supplémentaire au flux d'air entrant dans la turbomachine 10. La veine secondaire 14 comporte à son extrémité amont, un redresseur constitué d'une pluralité d'éléments aérodynamiques 28, faisant office d'aubes fixes, répartis autour de l'axe principal de la turbomachine, dont le but est de rediriger la quantité de mouvement circonférentielle du flux d'air secondaire en quantité de mouvement axial utile à la poussée. Ces éléments aérodynamiques 28 sont des bras radiaux communément appelés bras de carter ou aubes. La turbomachine 10 comporte aussi des composants (non représentés) dont la température est amenée à augmenter lors du fonctionnement de la turbomachine 10 et un circuit de refroidissement de ces composants. Le circuit de refroidissement utilise un fluide interne qui est de préférence une huile servant aussi de lubrifiant pour ces composants. Le fluide interne prélève de la chaleur depuis les composants pour les refroidir et s'échauffe par conséquent. Le circuit de refroidissement comporte aussi un ou plusieurs dispositifs d'échange de chaleur, généralement saillant des parois dans la veine secondaire 14 dont chacun permet de refroidir le fluide interne en rejetant cette chaleur dans le flux d'air s'écoulant dans la veine secondaire 14. Alternativement, chaque dispositif d'échange de chaleur peut être également agencé dans une aube 28 du redresseur. Ainsi, la chaleur est conduite par le matériau constitutif de l'aube 28 depuis le fluide interne vers le flux d'air. Dans la description qui va suivre, on fera référence à un élément aérodynamique de la turbomachine en le désignant comme étant une aube. Il sera compris que cette désignation concerne aussi bien tout bras de carter, ou toute autre aube fixe, qui comporte un dispositif d'échange de chaleur. La description de chaque autre aube comportant un tel dispositif d'échange de chaleur se déduira par similitude de cette description qui va suivre. Comme on peut le voir plus en détails à la , l'aube 28, qui est d'orientation principale radiale par rapport à l'axe principal , comporte un corps 32 qui s'étend au travers de la veine secondaire, une extrémité radiale interne 34 de pied par laquelle l'aube 28 est fixée à un élément structurel de la turbomachine 10 (non représenté) et une plateforme 36 de reconstitution de la paroi radialement interne de la veine secondaire 14. Selon l'invention, le dispositif d'échange de chaleur comporte un caloduc 38 qui s'étend au moins en partie dans le corps 32 qui agit en tant qu'échangeur de chaleur intermédiaire entre le fluide interne et le flux d'air circulant dans la veine secondaire 14. Le caloduc 38 fonctionne en circuit fermé dans lequel un fluide de travail circule par gravité ou par capillarité et est apte à s'évaporer en absorbant de la chaleur, qui provient ici du fluide interne, puis à se condenser en dégageant de la chaleur, ici en dégageant de la chaleur dans le flux d'air circulant dans la veine secondaire 14. Le circuit de fluide de travail étant séparé du circuit de fluide interne, une fuite dans le caloduc ne résulte alors pas en une fuite de fluide interne. Le caloduc 38 comporte une partie d'évaporation 40 dans laquelle le fluide de travail échange de la chaleur avec le fluide interne et une partie de condensation 42 dans laquelle le fluide de travail échange de la chaleur avec le flux d'air circulant dans la veine secondaire 14. Comme on peut le voir plus en détails à la , la partie d'évaporation 40 comporte un accumulateur 44 dans lequel le fluide de travail s'accumule sous forme liquide. Cet accumulateur 44 est situé dans la partie située verticalement la plus basse de l'aube 28, c’est-à-dire ici dans le pied 34 de l'aube 28. Le pied 34 de l'aube 28 comporte aussi un conduit de circulation 46 dans lequel circule le fluide interne, et qui coopère thermiquement avec l'accumulateur 44 du caloduc 38. Selon le mode de réalisation représenté, le conduit de circulation 46 entoure l'accumulateur 44 du caloduc 39. Il sera compris que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et que tout autre mode de réalisation permettant un échange de chaleur entre l'accumulateur 44 et le conduit de circulation 46 peut être envisagé. Par exemple, l'accumulateur 44 et le conduit de circulation 46 sont enchevêtrés. Le conduit de circulation 46 est séparé de l'accumulateur 44 par de la matière constituant le pied 34 de l'aube 28 et cette quantité de matière agit en tant que conducteur de chaleur depuis le conduit de circulation 46 vers l'accumulateur 44. Le fluide de travail présent sous forme liquide dans l'accumulateur 44 se réchauffe par la chaleur échangée avec le fluide interne puis s'évapore. En s'évaporant, le fluide de travail sous forme gazeuse s'écoule verticalement vers le haut dans la partie d'évaporation. La partie d'évaporation 40 comporte un conduit de vapeur 48 qui est en communication fluidique avec l'accumulateur 44 et dans lequel la vapeur ainsi formée s'écoule. Le conduit de vapeur 48 s'étend principalement radialement au travers de l'aube 28 et s'étend depuis le pied 34 jusque dans le corps 32. Il comporte une extrémité radiale interne 48a qui est raccordée à l'accumulateur et qui est située dans le pied 34, le reste du conduit de vapeur 48 est situé dans le corps 32 de l'aube 28. La partie de condensation 42 comporte une pluralité d'ailettes 50 prolongées de tubules (non représentées) qui sont agencées dans le corps 32 de l'aube 28 et qui sont en contact thermique avec celui-ci. Les ailettes 50, que l'on désignera par la suite ailettes tubulées, sont en outre en communication fluidique avec le conduit de vapeur 48 pour que le fluide de travail évaporé circule dans celles-ci. Les ailettes tubulées 50 ont pour but de transmettre la chaleur du fluide de travail sous forme de vapeur vers la paroi du corps 32 de l'aube 28. Cette paroi du corps 32 de l'aube 28 échange à son tour de la chaleur avec le flux d'air. Le fluide de travail sous forme de vapeur se refroidit dans les ailettes tubulées 50 en perdant de la chaleur et par conséquent il se condense. La partie de condensation 42 comporte un récupérateur 52 avec lequel les ailettes tubulées 50 communiquent fluidiquement. Le fluide de travail qui s'est condensé est acheminé depuis les ailettes tubulées 50 vers le récupérateur 52. Le récupérateur 52 est aussi en communication fluidique avec l'accumulateur 44 par l'intermédiaire d'un conduit de récupération 54 par lequel le fluide de travail condensé s'écoule vers l'accumulateur 44 pour échanger de nouveau de la chaleur avec le fluide interne. Ainsi, le fluide de travail circule dans un circuit fermé du caloduc 38 en s'écoulant successivement en phase vapeur puis liquide, depuis l'accumulateur 44 vers le conduit de vapeur 48, les ailettes 50, le récupérateur 52, le conduit de récupération 54 et enfin l'accumulateur 44. Il n'y a donc aucun risque de mélange avec le fluide interne de la turbomachine 10, même en cas de dégradation de l’aube 28 de redresseur. Comme on l'a dit précédemment, le conduit de circulation 46 dans lequel le fluide interne circule est agencé dans le pied 34 de l'aube 28. Selon le mode de réalisation décrit, le conduit de circulation consiste en une cavité de forme hélicoïdale réalisée dans le pied 34. Pour une efficacité optimale, l’agencement des circulations des deux fluides peut être subdivisé et enchevêtré. Le conduit de circulation 46 comporte ainsi deux extrémités 56 par lesquelles le conduit de circulation 46 est relié au reste du circuit de refroidissement de la turbomachine. Par facilité et de manière non restrictive, et comme on peut le voir à la , ces deux extrémités 56 sont situées dans une même face 58 du pied. Comme on l'a dit précédemment, le circuit de refroidissement peut comporter une seule aube 28 munie d'un caloduc ou bien plusieurs aubes 28 qui sont distribuées autour de l'axe principal de la turbomachine. Ces aubes 28 peuvent ainsi être disposées dans la turbomachine avec leur axe principal radial qui est orienté sensiblement verticalement selon la gravité terrestre avec le pied 34 situé verticalement sous le corps 32 ou bien avec leur axe incliné par rapport à la direction verticale avec le pied 34 situé au-dessus du corps 32. Les géométries des différentes cavités de ces caloducs non verticaux pourront être optimisées en fonction de leurs inclinaisons pour faciliter la circulation des condensats. Les aubes 28 qui viennent d'être décrites comporte un accumulateur 44 et un conduit de circulation 46 disposés dans le pied, c’est-à-dire qu'ils sont situés dans le stator côté moyeu de la turbomachine 10. Ces aubes 28 sont de préférence les aubes situées au-dessus d'un plan médian horizontal de la turbomachine 10, pour que la gravité terrestre favorise l'écoulement du fluide de travail dans le caloduc Selon une variante de réalisation représentée aux figures 6 et 7, l'aube 28 représentée est destinée à être située au-dessous du plan médian horizontal de la turbomachine 10. Cette aube 28 comporte une extrémité radiale externe de tête 60 qui est reliée au stator externe de la turbomachine. Une plateforme 62 de reconstitution de la partie radialement externe de la veine est située entre la tête 60 et le corps 32 de l'aube 28. Selon cette variante, l'accumulateur 44 et le conduit de circulation 46 sont disposés dans la tête 60, le reste du dispositif d'échange de chaleur est agencé dans le corps 32 de l'aube et se déduit par similitude. Alternativement, pour permettre l'écoulement du fluide de travail dans le caloduc 38 indépendamment de la position de l'aube 28 dans la veine secondaire 14, les différents conduits 54 et ailettes tubulées 50 du caloduc 38 peuvent être conçus pour provoquer une circulation du fluide de travail par capillarité. Alternativement, un dispositif mécanique de forçage de circulation du fluide de travail peut être ajouté dans le circuit fermé du caloduc 38, par exemple pour le répartir sur un plus grand évaporateur. La quantité et la nature du fluide de travail utilisé dans le caloduc 38 sont déterminées pour que l'évaporation et la condensation du fluide de travail dans le caloduc 38 aient lieu aux conditions optimales de fonctionnement de la turbomachine. Dans le cas d’une multiplicité d’aubes à caloducs dans le circuit de refroidissement, il est possible de faire varier les caractéristiques internes (chimie, pression et quantité de fluide de travail) des différents caloducs afin d’assurer un échange global de chaleur optimal aussi dans des conditions d’opération extrêmes de température (chaudes ou froides). Elément aérodynamique (28) de turbomachine comportant un corps (32) s'étendant selon une direction principale radiale et une extrémité radiale (34, 60) située à une extrémité radiale du corps (32), l'élément aérodynamique (28) comportant en outre un échangeur de chaleur entre un fluide interne de la turbomachine et un flux d'air s'écoulant autour du corps (32) de l'élément aérodynamique (28), caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur comporte un caloduc (38) dans lequel un fluide de travail circule et comprenant une partie d'évaporation (40) dans laquelle le fluide de travail échange de la chaleur avec le fluide interne et une partie de condensation (42) dans laquelle le fluide de travail échange de la chaleur avec le flux d'air. Elément aérodynamique (28) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie d'évaporation comporte un accumulateur (44) de fluide de travail agencé dans l'extrémité radiale (34, 60) de l'élément aérodynamique (28), au niveau duquel le fluide de travail échange de la chaleur avec le fluide interne. Elément aérodynamique (28) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémité radiale (34, 60) de l'élément aérodynamique (28) comporte un conduit de circulation (46) du fluide interne qui est isolé fluidiquement du caloduc (38) et qui s'étend autour de l'accumulateur (44). Élément aérodynamique (28) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le conduit de circulation (46) est conçu pour échanger de la chaleur avec l'accumulateur. Élément aérodynamique (28) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le conduit de circulation (46) comporte deux extrémités qui sont agencées dans l'extrémité radiale (34, 60) de l'élément aérodynamique (28). Élément aérodynamique (28) selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la partie d'évaporation (40) comporte un conduit de vapeur (48) s'étendant radialement à partir de l'accumulateur (44), dans lequel le fluide réchauffé s'évapore. Élément aérodynamique (28) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la partie de condensation (42) comporte des ailettes tubulées (50) de refroidissement qui sont en communication fluidique avec le conduit de vapeur (48), qui débouchent dans un récupérateur (52). Élément aérodynamique (28) selon la revendication 7, caractérisé en ce que les ailettes tubulées (50) sont agencées dans le corps (32) de l'élément aérodynamique (28). Élément aérodynamique (28) selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le caloduc (38) comporte un conduit de récupération (54) du fluide interne qui met en communication le récupérateur (52) avec l'accumulateur (44) et dans lequel le fluide de travail sous forme liquide circule. Élément aérodynamique (28) selon la revendication 9, caractérisé en ce que au moins le conduit de récupération (54) est conçu pour que le fluide interne condensé s'y écoule par gravité ou par capillarité.