EP4551891A1 - Echangeur de chaleur a ailettes de hauteur variable et turbomachine correspondante - Google Patents

Echangeur de chaleur a ailettes de hauteur variable et turbomachine correspondante

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Publication number
EP4551891A1
EP4551891A1 EP23751330.4A EP23751330A EP4551891A1 EP 4551891 A1 EP4551891 A1 EP 4551891A1 EP 23751330 A EP23751330 A EP 23751330A EP 4551891 A1 EP4551891 A1 EP 4551891A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
fins
fluid
longitudinal axis
cylindrical surface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23751330.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Ephraïm TOUBIANA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran SA
Original Assignee
Safran SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran SA filed Critical Safran SA
Publication of EP4551891A1 publication Critical patent/EP4551891A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0012—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the apparatus having an annular form
    • F28D9/0018—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the apparatus having an annular form without any annular circulation of the heat exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
    • F28F3/027—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements with openings, e.g. louvered corrugated fins; Assemblies of corrugated strips
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0021—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for aircrafts or cosmonautics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0026—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for combustion engines, e.g. for gas turbines or for Stirling engines

Definitions

  • TITLE FINNED HEAT EXCHANGER OF VARIABLE HEIGHT AND CORRESPONDING TURBOMACHINE
  • the present invention relates to the general field of aeronautics. It relates in particular to a heat exchanger for a turbomachine, in particular an aircraft.
  • An aircraft turbomachine and an aircraft comprise various organs and/or equipment which must be lubricated and/or cooled for their proper operation or fluids which must be cooled for the proper operation of the turbomachine.
  • These members and/or equipment and/or fluids may be rotor guide means in the turbomachine, electrical and/or electronic components for electrical systems of the aircraft turbomachine, hot exhaust gases from the turbomachine intended to be introduced upstream of the combustion chamber, or even conditioning systems for the interior spaces of the aircraft.
  • the heat released by these organs, equipment and/or fluids, which can be very significant, is evacuated by heat exchange in the turbomachine and/or the aircraft.
  • the heat exchange is carried out using one or more heat exchangers which are installed in the turbomachine or in the aircraft and for various applications.
  • heat exchangers generally use a cold source which can be ambient air, air from the secondary stream of the turbomachine, etc. and a hot source which can be the fuel of the turbomachine, oil, air (bleed air) taken from the low pressure or high pressure compressor of the turbomachine, or air from the primary stream of the turbomachine.
  • Heat exchangers can be tube type, fin type, plate and fin type, etc. Plate and fin exchangers, and in particular those with offset strip fins, are used in turbomachines due to their low mass. These heat exchangers include rows of fins parallel to each other and fins which are arranged in a staggered or staggered manner. The heat exchanger can be configured in several stages. Generally speaking, a first fluid, for example, hot exhaust gases, and a second fluid, for example, an air flow circulating in the turbomachine, pass through the heat exchanger. An example of a plate and fin heat exchanger is described in patent document FR3077630.
  • Prior art also includes the following documents, US-A-3818984, US-A-2792200, US-A1-2021/0180886, US-B2-10866030, US-A1-2016/0054071, US-A1-2021/ 0222963, US-A1-2012/0216543, FR-A1-3097257, US-A-2429508, and US-B2-8601791.
  • Annular-shaped heat exchangers have been developed which favor integration into the turbomachine but which have other types of fin configuration.
  • the arrangement of the fins in these annular heat exchangers present a significant pressure loss, in particular due to significant drag. It is difficult to increase the number of fins significantly to improve the performance of the turbomachine.
  • the difference in temperatures of the fluids circulating in the heat exchanger of this type implies differences in the speed of circulation of the fluids. These speed differences are accentuated by the difference in hydraulic diameter and the hydraulic resistances which increase with the radius of the heat exchanger (in cylindrical coordinate). This leads to heterogeneity in the distribution of flows or fluids in the heat exchanger which can degrade hydraulic/aeraulic performance.
  • the exchanger is generally sized so as to have an optimal convection thermal resistance ratio.
  • the optimal thermal resistance ratio depends on the nature of the two fluids, temperatures/pressures/flows and pressure loss authorized for each of the fluids. This can be close to 1 if the fluids are of the same nature with relatively close temperature/pressure/flow conditions and close target pressure losses.
  • the objective of the present invention is to provide a heat exchanger allowing better optimization of aerothermal and aerodynamic performance while reducing pressure losses and avoiding significantly impacting the mass.
  • a heat exchanger for a turbomachine in particular an aircraft, of longitudinal axis
  • the heat exchanger being intended to carry out a heat exchange between a first fluid and a second fluid
  • the heat exchanger comprising at least a first panel, a second panel and a plurality of fins extending between the first and second panels, the fins being arranged in several rows along the longitudinal axis and being arranged in a staggered manner, each row of fins being parallel to each other and connected to each other, the heat exchanger being annular and centered on the longitudinal axis X, the first panel and the second panel extending radially between an internal cylindrical surface and an external cylindrical surface of the heat exchanger, the fins having a first and second exchange surfaces which are defined in planes substantially perpendicular to the radial axis of the heat exchanger and intended to be swept by the first following the longitudinal axis, and in that the fins of each row have a height which is on the one hand
  • this solution makes it possible to achieve the aforementioned objective.
  • the thermal performance of the heat exchanger is significantly improved.
  • the heat exchanger offers relatively homogeneous and improved distribution of the first fluid.
  • the increase in the height of the fins actually leads to a variation in the hydraulic diameter and the coefficients of the exchange surfaces. There will be less resistance to the flow of the first fluid at the level of the fins having a greater height.
  • the geometric variations of the exchange surfaces make it possible to maintain a constant apparent permeability of the heat exchanger.
  • the heat exchanger also includes one or more of the following features, taken alone or in combination: - the longitudinal pitch defining a distance between a trailing edge of a first fin of the plurality of fins and a leading edge of a second adjacent fin and successively of the plurality of fins, is constant.
  • the fins are spaced radially with a transverse spacing which is constant.
  • the fins are spaced radially by a transverse spacing, the transverse spacing decreasing from the internal cylindrical surface towards the external cylindrical surface.
  • each fin has a length along the longitudinal axis which is constant.
  • each fin has a length along the longitudinal axis which varies from upstream to downstream.
  • the heat exchanger comprises several stages, the stages being spaced apart by passages intended for the circulation of the second fluid, the passages leading to an upstream surface and a downstream surface.
  • the heat exchanger comprises several stages which are arranged around the longitudinal axis, the stages being spaced apart by passages intended to the circulation of the second fluid, the passages opening onto the internal cylindrical surface and the external cylindrical surface.
  • the heat exchanger is made in one piece.
  • the fins are connected alternately by top walls and base walls, the top walls and the base walls being connected respectively to the first and second panels.
  • the heat exchanger comprises an inlet defined in an upstream surface in which the first fluid and/or the second fluid enters the heat exchanger and an outlet defined in an opposite downstream surface along the longitudinal axis by which the first fluid and/or the second fluid evacuates from the heat exchanger.
  • the heat exchanger comprises an inlet defined in the internal cylindrical surface through which the second fluid enters the heat exchanger and an outlet defined in the external cylindrical surface through which the second fluid escapes from the heat exchanger .
  • each fin is defined linearly and the length of the fin is determined using the parameter of the radial position of the fin in cylindrical coordinates, Rmin being the minimum radius of the heat exchanger defined by the internal cylindrical surface, Rmax being the maximum radius of the heat exchanger defined by the external cylindrical surface.
  • the invention also relates to a turbomachine comprising a heat exchanger having any of the aforementioned characteristics, the first and second panels being arranged regularly around the longitudinal axis, the fins being arranged between the first and second panels.
  • the invention further relates to an aircraft comprising a turbomachine as mentioned above.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a heat exchanger as mentioned above, the method comprises a step of producing the heat exchanger by additive manufacturing by selective fusion on powder beds.
  • Figure 1 is a perspective view of a heat exchanger comprising plates and fins according to the invention
  • Figure 2 is an axial sectional view of an example of a turbomachine to which the invention applies;
  • Figure 3 is a schematic and front view of a stage of a heat exchanger according to the invention.
  • Figure 4 is a perspective view of an example of fin arrangement of a heat exchanger according to the invention.
  • Figure 5 is a radial sectional view of one embodiment of the heat exchanger according to the invention.
  • Figure 6 is a radial sectional view of another embodiment of the heat exchanger according to the invention.
  • Figure 7 is a front view of an example of a heat exchanger according to the invention.
  • Figure 1 represents a heat exchanger 1 which allows a transfer of thermal energy between a first fluid 2 and a second fluid 3.
  • the heat exchanger 1 is intended to be mounted in an aircraft turbomachine 4.
  • heat exchanger 1 can be installed in any system where thermal energy transfer is necessary.
  • FIG. 2 is shown, in an axial sectional view, a double flow turbomachine 4 of longitudinal axis X to which the invention can be applied.
  • a double flow turbomachine 4 of longitudinal axis X to which the invention can be applied.
  • other types of turbomachine are considered.
  • the double flow turbomachine 4 generally comprises a gas generator or gas turbine engine 5 upstream of which a fan or fan module 6 is mounted.
  • the terms “upstream” and “downstream” are defined in relation to the circulation of gases in the turbomachine and here along the longitudinal axis X and with reference to Figure 2 from left to right.
  • the fan 6 comprises blades 7 which are shrouded by a fan casing 8.
  • the fan casing 8 carries a nacelle 9.
  • the latter is annular, centered on the longitudinal axis X and connected to the aircraft.
  • the gas generator 5 comprises, from upstream to downstream, a low pressure compressor 10a, a high pressure compressor 10b, an annular combustion chamber 11, a high pressure turbine 12a and a low pressure turbine 12b.
  • the turbomachine 1 comprises a low pressure shaft 13 which connects the low pressure compressor 10a and the low pressure turbine 12a to form a low pressure body and a high pressure shaft 14 which connects the high pressure compressor 10b and the high pressure turbine 13a to form a high pressure body.
  • the low pressure shaft 13, centered on the longitudinal axis, here drives a fan shaft 15.
  • a speed reducer 16 can be interposed, as here, between the fan shaft 15 and the low pressure shaft 13.
  • rotating guide bearings 17 also make it possible to guide the low pressure shaft 13, the high pressure shaft 14 and the fan shaft 15 in rotation relative to a fixed structure of the turbomachine.
  • the guide bearings 17 and the speed reducer 16 in this example of configuration of the turbomachine 1 must be lubricated and/or cooled to ensure the performance of the turbomachine.
  • the power generated by these is dissipated in a fluid coming from a fluid supply source installed in the turbomachine and which makes it possible to lubricate and/or cool various organs and/or equipment of the turbomachine.
  • Other equipment of the turbomachine or aircraft such as electrical machines, generators, batteries, an accessory box, electronic/electrical systems, cooling systems for the interior spaces of the aircraft, or even gases exhaust can have significant thermal energy to transfer.
  • the heat exchanger 1 is described below in more detail in the context of its installation in a turbomachine and in this example allows the first fluid 2 to be cooled by the second fluid 3.
  • the first fluid 2 comprises the gases leaving the compressor(s) and the second fluid 3 comprises the exhaust gases of the turbomachine 4 at the level of an ejection nozzle 18.
  • the exhaust gases make it possible to heat, for example, the gas leaving the or compressors before passing through the combustion chamber 11. In fact, the heat from the exhaust gases is generally lost.
  • the first fluid 2 is a secondary flow generated by the fan and the second fluid 3 is a secondary flow passing through the gas generator.
  • the primary flow circulates in a primary vein 19 which is delimited radially by an internal wall 20a of an annular inter-vein casing 20 and an external wall 21a of an internal casing 21.
  • the secondary flow circulates in a secondary vein 22 which is delimited radially by at least one internal wall 8a of the fan casing 8 and a wall 20b of the inter-vein casing 20 surrounding the gas generator.
  • radially or “radial” is defined in relation to a radial axis Z which extends from the longitudinal axis L of the turbomachine 1 and which is perpendicular to it.
  • the heat exchanger 1 comprises a primary exchange surface 23 and a secondary exchange surface 24.
  • the primary exchange surface 23 comprises two panels (or plates) respectively called a first panel
  • the heat exchanger 1 also comprises a plurality of fins 29 which extend between the first panel 25 and the second panel 26.
  • the fins 29 form the secondary exchange surface 24.
  • the fins 29 extend transversely to the first and second panels 25, 26.
  • the fins 29 form channels 30 in which the first fluid 2 circulates.
  • the first fluid 2 is intended to pass through/sweep the fins 29 and to flow between the first and second panels 25, 26.
  • FIG. 4 represents in perspective the fins 29 of the heat exchanger 1 without the panels 25, 26.
  • Each fin 29 has a generally planar shape and extends in a first direction D1.
  • the fins 29 each have a leading edge 29a and a trailing edge 29b of the first fluid 2.
  • the leading edges 29a and trailing edges 29b are opposite in the first direction D1.
  • the leading edges 29a and trailing edges 29b longitudinally delimit the fins 29.
  • the leading edge 29a is the edge by which the first fluid 2 first comes into contact with the fin 29.
  • the trailing edge 29b is the edge with which the first fluid 2 is last in contact with the fin 29.
  • the leading edges 29a and trailing edges 29b extend generally in the second direction D2.
  • Each fin 29 also comprises a first exchange surface 29c and a second exchange surface 29d which are interconnected by the leading edges 29a and trailing edges 29b.
  • the first and second exchange surfaces 29c, 29d are opposite in a third direction D3.
  • the third direction D3 is perpendicular to the first and second directions D2, D3.
  • each fin 29 has a generally rectangular shape in this example.
  • the fins 29 have a trapezoidal shape or any other shape or can still be inclined relative to the plane D1, D2 in the example of Figure 4.
  • the first direction D1 is parallel to the longitudinal axis X of the turbomachine 1.
  • the fins 29 are arranged in several rows R1, R2, Rn in the first direction D1.
  • Each row of fins comprises several fins 29.
  • the rows of fins 29 are parallel to each other.
  • the rows R1, R2, Rn of fins 29 are parallel to the third direction D3.
  • the fins 29 are also arranged in a staggered manner. More precisely, the fins 29 are offset in the third direction D3. Advantageously, the fins 29 of every other row are located in the same plane parallel to the plane D1, D2. This arrangement makes it possible to improve heat exchange by interruption and regular reformation of the thermal boundary layer on the surface of the fins 29.
  • the thermal boundary layer is interrupted at the trailing edge of each fin 29 and reforms at the leading edge. of each fin 29.
  • each fin 29 is located at a distance from the adjacent fin 29 along the first direction D1 and along a determined longitudinal pitch PI. More precisely, the pitch PI defines the distance between the trailing edge 29b of a first fin and the leading edge 29a of a second adjacent fin and successively. Each row of fins is also spaced apart from each other following this longitudinal pitch PI.
  • the longitudinal pitch PI is constant.
  • the fins 29 of the same row are spaced from each other transversely (in the third direction D3).
  • a transverse spacing is thus provided between each fin 29 transversely. More precisely, the transverse spacing s defines the distance between a first exchange surface 29 of a first fin 29 and a second exchange surface 29d of a second fin.
  • the fins 29 of each row are connected to each other alternately by a top wall 31 and by a base wall 32.
  • the top walls 31 and the base walls 32 have a generally flat shape and are opposite in the second direction D2.
  • the top walls 31 and the base walls 32 extend in the first direction D1.
  • the fins 29 of the adjacent rows along the first longitudinal direction are connected to each other via the top walls 31.
  • These top walls 31 and base walls 32 have a leading edge 33a connected to the leading edges 29a of the fins 29 and a trailing edge 33b connected to the trailing edges 29b of the fins 29.
  • the fins 29 are fixed to the first and second panels 25, 26.
  • the fixing is carried out via the top walls 31 and the base walls 32.
  • the fixing can be carried out by welding or brazing.
  • the heat exchanger 1 can be presented in the form of one stage or several stages.
  • a single floor is shown.
  • a stage is defined by the fins 29 and by the first and second panels 25, 26.
  • the first fluid 2 circulates through the fins 29, in the channels 30 and between the two panels 25, 26 while the second fluid 3 circulates above the first panel 25 and below the second panel 26.
  • the stages would be spaced apart by passages in which the second fluid is intended to circulate. Each passage would be formed between two adjacent panels 25, 26 of different floors.
  • the heat exchanger 1 is annular (360°) or in the shape of an angular sector.
  • the heat exchanger 1 is centered on the first longitudinal direction D1.
  • the first direction D1 is centered on the longitudinal axis
  • the annular heat exchanger 1 has an internal cylindrical surface 34a defining an internal radius Ri and an external cylindrical surface 34b defining external radius Re.
  • the heat exchanger 1 also has an upstream surface 35 (or front surface) and a downstream surface 36 which are opposite along the longitudinal axis (first direction).
  • the upstream surface 35 and the downstream surface 36 are connected by the internal and external cylindrical surfaces 34a, 34b.
  • the heat exchanger 1 includes an inlet E through which the first fluid 2 enters the heat exchanger 1.
  • the inlet E is defined at the upstream surface 35.
  • the heat exchanger 1 also includes an outlet S by which the first fluid 2 escapes from the heat exchanger 1.
  • the outlet S is defined at the downstream surface 36.
  • the first fluid 2 circulates axially, from upstream to downstream, and along the longitudinal axis.
  • the heat exchanger 1 comprises another inlet and another outlet through which the second fluid 3 enters the heat exchanger.
  • the second fluid 3 can circulate in the heat exchanger 1 axially (along the longitudinal axis) or radially (along the radial axis).
  • the fins are configured to improve the aerothermal and aerodynamic performance of the annular heat exchanger.
  • the fins 29 have a height H which varies linearly along the radial axis of the heat exchanger.
  • the height H of each fin is measured between the first panel 25 and the second panel 26.
  • the first fluid circulates in a direction normal to the plane of Figure 5.
  • the lines which are arranged in the circumferential direction around the longitudinal axis and which define heights H1, H2, etc. . represent trailing or leading edges or the thickness of the fin between the first and second exchange surfaces 29c, 29d following the radial section.
  • the height H of the fins 29 increases linearly from the internal cylindrical surface 34a to the external cylindrical surface 34b.
  • the height of the fins varies transversely to the flow of the first fluid.
  • the fins 2 of the same row R1, R2, Rn along the radial axis have a height H1, H2, H3, H4, H5 which is different.
  • the first and second exchange surfaces 29c, 29d of the fins 29 are defined in a plane which is perpendicular or substantially perpendicular (+/- 5°) to the radial axis.
  • the fins of the same row which extends along the longitudinal axis have an identical height.
  • the fins 29 which are closer to the longitudinal axis have a height H1 which is the minimum and the fins which are furthest from the longitudinal axis have a maximum height Hn.
  • the hydraulic diameter of the heat exchanger is larger at the external cylindrical surface 34b.
  • the first fluid can flow easily and with less resistance at the level of the fins close to the external cylindrical surface 34b compared to the first fluid entering the heat exchanger at the level of the fins close to the internal cylindrical surface 34a.
  • the flow rate is lower near the internal cylindrical surface. With the variation in height, heat exchange is also improved and pressure losses are avoided.
  • the transverse spacing s between the fins 29 along the radial axis is constant.
  • the first fluid 3 is oriented in the axis normal to the plane of Figure 5.
  • the first fluid 2 circulates along the longitudinal axis.
  • the spacing is for example between 5 and 100 mm.
  • the fins 29 each have a predetermined length L which is constant.
  • the length L of each fin is measured (along the first direction D1 (longitudinal axis) and) between the leading edge 29a and the trailing edge 29b.
  • the length L of each fin 29 is for example between 0.5 mm and 150 mm.
  • the length L of the fins can vary linearly.
  • the height H of the fins 29 and the transverse spacing s between the fins of the same row vary.
  • the transverse spacing s1, s2, s3, s4, s5, s6 between each fin 29 along the radial axis decreases or decreases from the internal cylindrical surface 34a to the external cylindrical surface 34b.
  • the variation of the spacing is continuous in an advantageous manner.
  • the spacing increases here with the radius of the heat exchanger (i.e. along the radial axis).
  • the height H increases linearly from the internal cylindrical surface 34a to the external cylindrical surface 34b.
  • the fins 29 which are close to the longitudinal axis have the same height H1.
  • the fins of each row and which are furthest from the longitudinal axis also have the same height H5.
  • the speed of the first fluid 2 is greater, particularly near the external cylindrical surface 34b.
  • the transverse spacing s close to the longitudinal axis is between 5 mm and 100 mm and the transverse spacing s between the fins furthest from the longitudinal axis is between 5 mm and 50 mm.
  • the variation of the transverse spacing makes it possible to compensate and adjust the permeability which has increased thanks to the variation of the fin heights.
  • the transverse spacings decrease with the radius of the heat exchanger.
  • the distribution of the second fluid is more homogeneous.
  • the length L of the fins is constant but can also vary linearly.
  • the longitudinal pitch PI between each fin 29 is constant.
  • the longitudinal pitch can be between 0.5 mm and 50 mm.
  • FIG. 7 shows schematically and in radial section, a heat exchanger 1 mounted in the turbomachine.
  • the heat exchanger 1 is annular and centered on the longitudinal axis X.
  • the heat exchanger 1 has several stages which are arranged around the longitudinal axis is non-uniform.
  • the first and second panels 25, 26 each extend radially with respect to the longitudinal axis X.
  • the first and second exchange surfaces 29, 29d of each row of fins 29 are defined in planes perpendicular to the axis radial.
  • the exchange surfaces 29c, 29d are swept by the first fluid along the longitudinal axis.
  • the channels 30 formed by the fins 29 open onto the upstream surface 35 and onto the downstream surface 36.
  • the length L of the fins 29 also extends axially. Between each stage is formed the passage 37 intended for the circulation of the second fluid. Each passage 37 extends between a radially internal end 37a and a radially external end 37b.
  • the radially internal end 37a of the passages 37 opens into the internal cylindrical surface 34a.
  • the radially outer end 37b opens into the outer cylindrical surface 34b.
  • the passages 37 open into the upstream surface 35 which can form an inlet for the second fluid 3.
  • the passages 37 also open into the downstream surface which can form an outlet for the second fluid 3.
  • the height H of the fins 29 increases along the radial axis (i.e. from the central axis of the heat exchanger 1 towards the position farthest from the center).
  • the transverse spacing is constant in Figure 7.
  • each fin 29 can be defined linearly.
  • ⁇ r the transverse spacing between the fins 29 and in function of the radial position of the fin in cylindrical coordinates.
  • the parameter X r can be between 1.2 and 1.8.
  • the fins are wavy and have offset pitches.
  • the first fluid 2 circulates along the longitudinal axis.
  • the first fluid 2 advantageously enters the heat exchanger at the upstream, front surface 35 and leaves at the downstream surface 36.
  • the second fluid 3 circulates along the longitudinal axis and/or along the radial axis.
  • the fins 29, the first panels 25 and the second panels 26 are formed in one piece (commodity or in one piece).
  • these are obtained by an additive manufacturing process and in particular selective fusion on powder beds known by the English acronym SLM for “Selective Laser Melting”.
  • SLM Selective Laser Melting
  • This process is particularly suitable for producing the annular heat exchanger in a single piece.
  • the process makes it possible to obtain complex shapes and parts with good strength and mechanical characteristics.
  • the principle of SLM additive manufacturing is based on the fusion of thin two-dimensional (2D) layers of powder, for example metal, plastic, or ceramic, using a high-power laser.
  • the heat exchanger is devoid of top walls and base walls.
  • the process in fact allows a direct connection of the fins and the first and second panels 25, 26.
  • Additive manufacturing is carried out from an SLM installation which generally comprises a supply tank containing a powder and a manufacturing support on which the part to be manufactured is produced, in this case the heat exchanger 1.
  • the installation also includes a scanning element making it possible to transfer a quantity of powder from the supply tank onto the manufacturing support which is mounted in a movable manner following a vertical translation Z.
  • the installation also includes an element for generating a laser beam making it possible to melt the powder intended to make the part and means making it possible to direct the laser beam towards the support such as mirrors.
  • a recycling tank allows unused or unfused powder to be recycled.
  • the process consists of manufacturing the part by superimposing layers of powder from the supply tank and transferred to the manufacturing support. These layers of powder are then melted one after the other by means of the laser beam moving over the surface of each layer. The temperature of the powder is raised to a temperature above the melting temperature of the powder via the laser beam. The melted layers gradually solidify and form a single block.
  • the different layers intended to form the heat exchanger are superimposed along a manufacturing axis which is parallel to the first direction D1.

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Abstract

L'invention concerne un échangeur de chaleur (1) pour une turbomachine, d'axe longitudinal (X), étant destiné à réaliser un échange thermique entre un premier fluide (2) et un deuxième fluide (3), l'échangeur de chaleur comprenant deux panneaux (25, 26) et une pluralité d'ailettes (29) s'étendant entre les panneaux, les ailettes étant disposées en plusieurs rangées suivant l'axe longitudinal et étant disposées en quinconce, chaque rangée d'ailettes étant parallèles et connectées les unes autres, l'échangeur de chaleur étant annulaire et centré sur l'axe longitudinal X. Les panneaux s'étendent radialement entre une surface cylindrique interne (34a) et une surface cylindrique externe (34b) de l'échangeur de chaleur, les ailettes présentant une première et deuxième surfaces d'échange qui sont définies dans des plans sensiblement perpendiculaires à l'axe radial et destinées à être balayées par le premier fluide suivant l'axe longitudinal, et en ce que les ailettes de chaque rangée présentent une hauteur, mesurée entre les panneaux, qui croit radialement, entre les surfaces cylindrique interne externe.

Description

DESCRIPTION
TITRE : ECHANGEUR DE CHALEUR A AILETTES DE HAUTEUR VARIABLE 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 ou des fluides devant être refroidis pour le bon fonctionnement de la turbomachine. Ces organes et/ou équipement et/ou fluides peuvent être des moyens de guidage de rotor dans la turbomachine, des composants électriques et/ou électroniques pour des systèmes électriques de la turbomachine de l’aéronef, des gaz chaud d’échappement de la turbomachine destinés à être introduits en amont de la chambre de combustion, ou encore des systèmes de conditionnement des espaces intérieurs de l’aéronef. La chaleur dégagée par ces organes, équipements et/ou fluides, qui peut être très importante, est évacuée par échange thermique 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, 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 échangeurs de chaleur peuvent être du type à tubes, à ailettes, à plaque et ailettes, etc. Les échangeurs à plaques et ailettes, et notamment ceux à pas décalés connus sous l’expression anglaise « offset strip fins» sont employés dans les turbomachines du fait de leur faible masse. Ces échangeurs de chaleur comprennent des rangées d’ailettes parallèles entre elles et des ailettes qui sont disposées en quinconce ou à pas décalés. L’échangeur de chaleur peut être configuré en plusieurs étages. De manière générale, un premier fluide par exemple, des gaz chauds d’échappement, et un deuxième fluide, par exemple, un flux d’air circulant dans la turbomachine, traversent l’échangeur de chaleur. Un exemple d’échangeur de chaleur à plaques et ailettes est décrit dans le document de brevet FR3077630.
L’art antérieur comprend également les documents suivants, US-A-3818984, US-A- 2792200, US-A1 -2021/0180886, US-B2-10866030, US-A1 -2016/0054071 , US-A1 - 2021/0222963, US-A1 -2012/0216543, FR-A1 -3097257, US-A-2429508, et US-B2- 8601791.
Ce type d’échangeur de chaleur présente des difficultés d’intégration dans la turbomachine du fait du nombre d’étages que celui-comprend et du fait que la turbomachine comprend des espaces restreints.
Il a été développé des échangeurs de chaleur de forme annulaire qui favorisent l’intégration dans la turbomachine mais qui présentent d’autres types de configuration d’ailettes. L’agencement des ailettes dans ces échangeurs de chaleur annulaires présentent une importante perte de charge, en particulier due à une trainée de forme importante. Il est difficile d’augmenter le nombre d’ailettes de manière significative pour améliorer les performances de la turbomachine. Par ailleurs, la différence de températures des fluides circulant dans l’échangeur de chaleur de ce type implique des différences de vitesse de circulation des fluides. Ces différences de vitesses sont accentuées par la différence de diamètre hydraulique et les résistances hydrauliques qui augmentent avec le rayon de l’échangeur de chaleur (en coordonnée cylindrique). Cela entraine une hétérogénéité de la distribution des flux ou fluides dans l’échangeur de chaleur qui peut dégrader les performances hydrauliques/aérauliques.
L’échangeur est généralement dimensionné de façon à avoir un rapport des résistances thermiques de convection optimal. Le rapport des résistances thermiques optimal dépend de la nature des deux fluides, températures/pressions/débits et perte de charge autorisée pour chacun des fluides. Celui-ci peut être proche de 1 si les fluides sont de même nature avec des conditions de températures/pressions/débits relativement proche et de pertes de charge visée proche.
Il existe un besoin de résoudre tout ou partie des inconvénients précités.
Résumé de l’invention L’objectif de la présente invention est de fournir un échangeur de chaleur permettant une meilleure optimisation des performances aérothermiques et aérodynamiques 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 étant destiné à réaliser un échange thermique entre un premier fluide et un deuxième fluide, l’échangeur de chaleur comprenant au moins un premier panneau, un deuxième panneau et une pluralité d’ailettes s’étendant entre les premier et deuxième panneaux, les ailettes étant disposées en plusieurs rangées suivant l’axe longitudinal et étant disposées en quinconce, chaque rangée d’ailettes étant parallèles les unes autres et connectées les unes aux autres, l’échangeur de chaleur étant annulaire et centré sur l’axe longitudinal X, le premier panneau et le deuxième panneau s’étendant radialement entre une surface cylindrique interne et une surface cylindrique externe de l’échangeur de chaleur, les ailettes présentant une première et deuxième surfaces d’échange qui sont définies dans des plans sensiblement perpendiculaires à l’axe radial de l’échangeur de chaleur et destinées à être balayées par le premier suivant l’axe longitudinal, et en ce que les ailettes de chaque rangée présentent une hauteur qui est d’une part, mesurée entre les premier et deuxième panneaux et qui d’autre part, croit radialement, entre la surface cylindrique interne et la surface cylindrique externe.
Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, en adaptant les dimensions et caractéristiques des surfaces d’échange sur le premier fluide en fonction de la distance avec l’axe central de l’échangeur, les performances thermiques de l’échangeur de chaleur sont significativement améliorées. Avec cette configuration, l’échangeur de chaleur offre une distribution relativement homogène et améliorée du premier fluide. L’augmentation de la hauteur des ailettes entraîne en effet une variation du diamètre hydraulique et des coefficients des surfaces d’échange. Il y aura moins de résistance à l’écoulement du premier fluide au niveau des ailettes ayant une plus grande hauteur. Par ailleurs, les variations géométriques des surfaces d’échange permettent de maintenir une perméabilité apparente constante de l’échangeur de chaleur.
L’échangeur de chaleur comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - le pas longitudinal définissant une distance entre un bord de fuite d’une première ailette de la pluralité d’ailettes et un bord d’attaque d’une deuxième ailette adjacente et successivement de la pluralité d’ailettes, est constant.
- les ailettes sont espacées radialement d’un espacement transversal qui est constant.
- les ailettes sont espacées radialement d’un espacement transversal, l’espacement transversal décroissant depuis la surface cylindrique interne vers la surface cylindrique externe.
- chaque ailette présente une longueur suivant l’axe longitudinal qui est constante.
- chaque ailette présente une longueur suivant l’axe longitudinal qui varie de l’amont vers l’aval.
- le premier panneau, le deuxième panneau et les ailettes entre les premiers et deuxième panneaux forment un étage et en ce que l’échangeur de chaleur comprend plusieurs étages, les étages étant espacés par des passages destinés à la circulation du deuxième fluide, les passages débouchant sur une surface amont et sur une surface aval.
- le premier panneau, le deuxième panneau et les ailettes entre les premiers et deuxième panneaux forment un étage et en ce que l’échangeur de chaleur comprend plusieurs étages qui sont disposés autour de l’axe longitudinal, les étages étant espacés par des passages destinés à la circulation du deuxième fluide, les passages débouchant sur la surface cylindrique interne et sur la surface cylindrique externe.
- l’échangeur de chaleur est réalisé en une seule pièce.
- les ailettes sont reliées alternativement par des parois de sommet et des parois de base, les parois de sommet et les parois de base étant reliées respectivement aux premier et deuxième panneaux.
- l’échangeur de chaleur comprend une entrée définie dans une surface amont dans laquelle le premier fluide et/ou le deuxième fluide entre(nt) dans l’échangeur de chaleur et une sortie définie dans une surface aval opposée suivant l’axe longitudinal par laquelle le premier fluide et/ou le deuxième fluide s’évacue(nt) de l’échangeur de chaleur.
- l’échangeur de chaleur comprend une entrée définie dans la surface cylindrique interne par laquelle le deuxième fluide entre dans l’échangeur de chaleur et une sortie définie dans la surface cylindrique externe par laquelle le deuxième fluide s’évacue de l’échangeur de chaleur.
- l’augmentation de la hauteur des ailettes est linéaire.
- la longueur de chaque ailette est définie de manière linéaire et la longueur de l’ailette est déterminée grâce au paramètre Xr = , où s est l’espacement transversal entre les s(^max) ailettes d’une même rangée et en fonction de la position radiale de l’ailette en coordonnées cylindriques, Rmin étant le rayon minimum de l’échangeur de chaleur définie par la surface cylindrique interne, Rmax étant le rayon maximum de l’échangeur de chaleur définie par la surface cylindrique externe.
L’invention concerne également une turbomachine comprenant un échangeur de chaleur présentant l’une quelconque des caractéristiques susmentionnées, les premier et deuxième panneaux étant disposés régulièrement autour de l’axe longitudinal, les ailettes étant disposés entre les premier et deuxième panneaux.
L’invention concerne en outre un aéronef comprenant une turbomachine telle que susmentionnée.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur tel que susmentionné, le procédé comprend une étape de réalisation de l’échangeur de chaleur par fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre.
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 figure 1 est une vue en perspective d’un échangeur de chaleur comprenant des plaques et des ailettes selon l’invention ;
La figure 2 est une vue en coupe axiale d’un exemple de turbomachine à laquelle s’applique l’invention;
La figure 3 est une vue schématique et en vue de face d’un étage d’un échangeur de chaleur selon l’invention ;
La figure 4 est une vue en perspective d’un exemple d’agencement d’ailettes d’un échangeur de chaleur selon l’invention ;
La figure 5 est une vue en coupe radiale d’un mode de réalisation de l’échangeur de chaleur selon l’invention ;
La figure 6 est une vue en coupe radiale d’un autre mode de réalisation de l’échangeur de chaleur selon l’invention ; et,
La figure 7 est une vue de face d’un exemple d’échangeur de chaleur selon l’invention.
Description détaillée de l’invention La figure 1 représente un échangeur de chaleur 1 qui permet un transfert d’énergie thermique entre un premier fluide 2 et un deuxième fluide 3. L’échangeur de chaleur 1 est destiné à être monté dans une turbomachine 4 d’aéronef. Bien entendu, l’échangeur de chaleur 1 peut être installé dans n’importe quel système où un transfert d’énergie thermique est nécessaire.
Sur la figure 2 est représentée, suivant une vue en coupe axiale, une turbomachine 4 double flux d’axe longitudinal X à laquelle peut s’appliquer l’invention. Bien entendu, d’autres types de turbomachine sont envisagés.
La turbomachine 4 double flux comprend, de manière générale, un générateur de gaz ou moteur à turbine à gaz 5 en amont duquel est montée une soufflante ou module de soufflante 6. Dans la présente invention, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation des gaz dans la turbomachine et ici suivant l’axe longitudinal X et en référence à la figure 2 de gauche à droite.
La soufflante 6 comprend des aubes 7 qui sont carénées par un carter de soufflante 8. Le carter de soufflante 8 porte une nacelle 9. Cette dernière est annulaire, centrée sur l’axe longitudinal X et reliée à l’aéronef.
De manière connue et non limitativement, le générateur de gaz 5 comprend, d’amont en aval, un compresseur basse pression 10a, un compresseur haute pression 10b, une chambre annulaire de combustion 1 1 , une turbine haute pression 12a et une turbine basse pression 12b. Classiquement, la turbomachine 1 comprend un arbre basse pression 13 qui relie le compresseur basse pression 10a et la turbine basse pression 12a pour former un corps basse pression et un arbre haute pression 14 qui relie le compresseur haute pression 10b et la turbine haute pression 13a pour former un corps haute pression.
L’arbre basse pression 13, centré sur l’axe longitudinal, entraîne ici un arbre de soufflante 15. Un réducteur de vitesse 16 peut être interposé, comme ici, entre l’arbre de soufflante 15 et l’arbre basse pression 13. De manière avantageuse, des paliers de guidage 17 en rotation permettent également de guider en rotation l’arbre basse pression 13, l’arbre haute pression 14 et l’arbre de soufflante 15 par rapport à une structure fixe de la turbomachine.
Les paliers de guidage 17 et le réducteur de vitesse 16 dans cet exemple de configuration de la turbomachine 1 doivent être lubrifiés et/ ou refroidis pour assurer la performance de la turbomachine. La puissance générée par ceux-ci est dissipée dans un fluide provenant d’une source d’alimentation en fluide installée dans la turbomachine et qui permet de lubrifier et/ou de refroidir divers organes et/ou équipements de la turbomachine. D’autres équipements de la turbomachine ou de l’aéronef tels que des machines électriques, génératrices, batteries, un boîtier d’accessoires, des systèmes électroniques/électriques, des systèmes de refroidissement des espaces intérieurs de l’aéronef, ou même les gaz d’échappement peuvent avoir une énergie thermique importante à transférer.
L’échangeur de chaleur 1 est décrit ci-après plus en détail dans le contexte de son installation dans une turbomachine et permet dans cet exemple de refroidir le premier fluide 2 par le deuxième fluide 3. Dans le présent exemple, le premier fluide 2 comprend les gaz en sortie du ou des compresseurs et le deuxième fluide 3 comprend les gaz d’échappement de la turbomachine 4 au niveau d’une tuyère d’éjection 18. Les gaz d’échappement permettent de réchauffer par exemple le gaz en sortie du ou des compresseurs avant de traverser la chambre de combustion 11 . En effet, la chaleur des gaz d’échappement est de manière générale perdue.
De manière alternative, le premier fluide 2 est un flux secondaire généré par la soufflante et le deuxième fluide 3 est un flux secondaire traversant le générateur de gaz.
De manière avantageuse, mais non limitativement, le flux primaire circule dans une veine primaire 19 qui est délimitée radialement par une paroi interne 20a d’un carter inter-veine 20 annulaire et une paroi externe 21 a d’un carter interne 21 . Le flux secondaire circule dans une veine secondaire 22 qui est délimitée radialement par au moins une paroi interne 8a du carter de soufflante 8 et une paroi 20b du carter inter-veine 20 entourant le générateur de gaz.
Le terme « radialement » ou « radial » est défini par rapport à un axe radial Z qui s’étend depuis l’axe longitudinal L de la turbomachine 1 et qui est perpendiculaire à celui-ci.
L’échangeur de chaleur 1 peut être agencé dans la veine primaire 19 ou alternativement dans la veine secondaire 22. Suivant encore une autre alternative, l’échangeur de chaleur peut être agencé au niveau de la tuyère d’éjection 18. Avantageusement, l’échangeur de chaleur peut être agencé en amont de la chambre de combustion ou en aval de la chambre de combustion.
En référence à la figure 3, l’échangeur de chaleur 1 comporte une surface d’échanges primaires 23 et une surface d’échanges secondaire 24. La surface d’échanges primaires 23 comprend deux panneaux (ou plaques) dénommés respectivement un premier panneau
25 et un deuxième panneau 26.
L’échangeur de chaleur 1 comprend également une pluralité d’ailettes 29 qui s’étendent entre le premier panneau 25 et le deuxième panneau 26. Les ailettes 29 forment la surface d’échanges secondaires 24. Les ailettes 29 s’étendent transversalement aux premier et deuxième panneaux 25, 26. Avantageusement, les ailettes 29 forment des canaux 30 dans lesquels circule le premier fluide 2. Le premier fluide 2 est destiné à traverser/balayer les ailettes 29 et à s’écouler entre les premier et deuxième panneaux 25, 26.
La figure 4 représente en perspective les ailettes 29 de l’échangeur de chaleur 1 sans les panneaux 25, 26. Chaque ailette 29 a une forme générale plane et s’étend suivant une première direction D1 .
Les ailettes 29 ont chacune un bord d’attaque 29a et un bord de fuite 29b du premier fluide 2. Les bords d’attaque 29a et bords de fuite 29b sont opposées suivant la première direction D1. Les bords d’attaque 29a et bords de fuite 29b délimitent longitudinalement les ailettes 29. Le bord d’attaque 29a est le bord par lequel le premier fluide 2 entre en contact en premier avec l’ailette 29. Le bord de fuite 29b est le bord avec lequel le premier fluide 2 est en dernier en contact avec l’ailette 29. Les bords d’attaque 29a et bords de fuite 29b s’étendent globalement suivant la deuxième direction D2. Chaque ailette 29 comprend également une première surface d’échange 29c et une deuxième surface d’échange 29d qui sont reliées entre elles par les bords d’attaque 29a et bords de fuite 29b. Dans l’exemple représenté, les première et deuxième surfaces d’échange 29c, 29d sont opposées suivant une troisième direction D3. La troisième direction D3 est perpendiculaire aux première et deuxième directions D2, D3.
De manière avantageuse, chaque ailette 29 présente dans cet exemple une forme générale rectangulaire. Suivant encore une autre alternative, les ailettes 29 présentent une forme trapézoïdale ou toute autre forme ou peuvent encore être inclinées par rapport au plan D1 , D2 dans l’exemple de figure 4.
Nous utilisons le terme « direction » pour décrire l’échangeur de chaleur en particulier. En situation d’installation, la première direction D1 est parallèle à l’axe longitudinal X de la turbomachine 1 . Les ailettes 29 sont disposées en plusieurs rangées R1 , R2, Rn suivant la première direction D1. Chaque rangée d’ailettes comprend plusieurs ailettes 29. Les rangées d’ailettes 29 sont parallèles les unes aux autres. Dans le cas présent, les rangées R1 , R2, Rn d’ailettes 29 sont parallèles à la troisième direction D3.
Comme cela est illustré sur la figure 4, les ailettes 29 sont également disposées en quinconce. Plus précisément, les ailettes 29 sont décalées suivant la troisième direction D3. Avantageusement, les ailettes 29 d’une rangée sur deux se trouvent dans un même plan parallèle au plan D1 , D2. Cette disposition permet d’améliorer l’échange thermique par interruption et reformation régulière de la couche limite thermique à la surface des ailettes 29. La couche limite thermique s’interrompt au bord de fuite de chaque ailette 29 et se reforme au bord d’attaque de chaque ailette 29.
Avantageusement, chaque ailette 29 est située à distance de l’ailette 29 adjacente suivant la première direction D1 et suivant un pas PI longitudinal déterminé. Plus précisément, le pas PI définit la distance entre le bord de fuite 29b d’une première ailette et le bord d’attaque 29a d’une deuxième ailette adjacente et successivement. Chaque rangée d’ailettes est également à distance l’une de l’autre suivant ce pas longitudinal PI. De manière avantageuse, le pas longitudinal PI est constant.
Suivant une autre caractéristique avantageuse, les ailettes 29 d’une même rangée sont espacées entre elles transversalement (suivant la troisième direction D3). Un espacement transversal s est ainsi prévu entre chaque ailette 29 transversalement. Plus précisément, l’espacement transversal s définit la distance entre une première surface d’échange 29 d’une première ailette 29 et une deuxième surface d’échange 29d d’une deuxième ailette.
De manière avantageuse, mais non limitativement, les ailettes 29 de chaque rangée sont reliées entre elles alternativement par une paroi de sommet 31 et par une paroi de base 32. Les parois de sommet 31 et les parois de base 32 ont une forme générale plane et sont opposées suivant la deuxième direction D2. Les parois de sommet 31 et les parois de base 32 s’étendent suivant la première direction D1. De même, les ailettes 29 des rangées adjacentes suivant la première direction longitudinale sont reliées entre elles par l’intermédiaire des parois de sommet 31 . Ces parois de sommet 31 et parois de base 32 présentent une bordure d’attaque 33a reliée aux bords d’attaque 29a des ailettes 29 et une bordure de fuite 33b reliée aux bords de fuite 29b des ailettes 29. Les ailettes 29 sont fixées aux premier et deuxième panneaux 25, 26. Avantageusement, la fixation est réalisée par l’intermédiaire des parois de sommet 31 et des parois de base 32. La fixation peut être réalisée par soudage ou brasage.
L’échangeur de chaleur 1 peut être présenté sous la forme d’un étage ou de plusieurs étages. Sur la figure 2 est représenté un seul étage. Un étage est défini par les ailettes 29 et par les premiers et deuxièmes panneaux 25, 26. De la sorte, le premier fluide 2 circule à travers les ailettes 29, dans les canaux 30 et entre les deux panneaux 25, 26 tandis que le deuxième fluide 3 circule au-dessus du premier panneau 25 et en dessous du deuxième panneau 26. Dans le cas d’un échangeur de chaleur 1 à plusieurs étages, les étages seraient espacés par des passages dans lesquels est destiné à circuler le deuxième fluide. Chaque passage serait formé entre deux panneaux 25, 26 adjacents d’étages différents.
En référence aux figures 1 et 5, l’échangeur de chaleur 1 est annulaire (360°) ou en forme de secteur angulaire. Avantageusement, l’échangeur de chaleur 1 est centré sur la première direction longitudinale D1. En situation d’installation, la première direction D1 est centrée sur l’axe longitudinal X. La forme annulaire de l’échangeur de chaleur 1 permet une meilleure intégration de celui-ci et une réduction de l’encombrement dans la turbomachine 4.
Avantageusement, l’échangeur de chaleur 1 annulaire présente une surface cylindrique interne 34a définissant un rayon interne Ri et une surface cylindrique externe 34b définissant rayon externe Re. L’échangeur de chaleur 1 présente également une surface amont 35 (ou surface frontale) et une surface aval 36 qui sont opposées suivant l’axe longitudinal (première direction). La surface amont 35 et la surface aval 36 sont reliées par les surfaces cylindriques interne et externe 34a, 34b.
L’échangeur de chaleur 1 comprend une entrée E par laquelle le premier fluide 2 entre dans l’échangeur de chaleur 1. L’entrée E est définie au niveau de la surface amont 35. L’échangeur de chaleur 1 comprend également une sortie S par laquelle le premier fluide 2 s’échappe de l’échangeur de chaleur 1 . La sortie S est définie au niveau de la surface aval 36. En d’autres termes, le premier fluide 2 circule axialement, de l’amont vers l’aval, et suivant l’axe longitudinal.
Avantageusement, l’échangeur de chaleur 1 comprend une autre entrée et une autre sortie par laquelle le deuxième fluide 3 entre dans l’échangeur de chaleur. Le deuxième fluide 3 peut circuler dans l’échangeur de chaleur 1 axialement (suivant l’axe longitudinal) ou radialement (suivant l’axe radial).
Les ailettes sont configurées de manière à améliorer les performances aérothermiques et aérodynamiques de l’échangeur de chaleur annulaire.
Les ailettes 29 présentent une hauteur H qui varie linéairement suivant l’axe radial de l’échangeur de chaleur. Avantageusement, la hauteur H de chaque ailette est mesurée entre le premier panneau 25 et le deuxième panneau 26.
Suivant le mode de réalisation de la figure 5, le premier fluide circule dans une direction normale au plan de la figure 5. Les traits qui sont disposés dans le sens circonférentiel autour de l’axe longitudinal et qui définissent des hauteurs H1 , H2, etc. représentent des bords de fuite ou d’attaque ou encore l’épaisseur de l’ailette entre la première et la deuxième surface d’échange 29c, 29d suivant la coupe radiale. La hauteur H des ailettes 29 augmente linéairement depuis la surface cylindrique interne 34a jusqu’à la surface cylindrique externe 34b. La hauteur des ailettes varie transversalement à l’écoulement du premier fluide. Les ailettes 2 d’une même rangée R1 , R2, Rn suivant l’axe radial présente une hauteur H1 , H2, H3, H4, H5 qui est différente. Les première et deuxième surfaces d’échange 29c, 29d des ailettes 29 sont définies dans un plan qui est perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire (+/- 5°) à l’axe radial.
Dans cet exemple, les ailettes d’une même rangée qui s’étend suivant l’axe longitudinal présentent une hauteur identique. En particulier les ailettes 29 qui sont plus proches de l’axe longitudinal présente une hauteur H1 qui est la minimale et les ailettes qui sont les plus éloignées de l’axe longitudinal présentent une hauteur Hn la plus maximale.
Le diamètre hydraulique de l’échangeur de chaleur est plus grand au niveau de la surface cylindrique externe 34b. Le premier fluide peut s’engouffrer facilement et avec une résistante moins importante au niveau des ailettes proches de la surface cylindrique externe 34b par rapport au premier fluide entrant dans l’échangeur de chaleur au niveau des ailettes proches de la surface cylindrique interne 34a. Le débit est plus faible proche de la surface cylindrique interne. Avec la variation de la hauteur, l’échange thermique est amélioré également et les pertes de charge sont évitées.
Comme cela est visible sur la figure 5, l’espacement transversal s entre les ailettes 29 suivant l’axe radial est constant. Le premier fluide 3 est orienté dans l’axe normal au plan de la figure 5. En d’autres termes, le premier fluide 2 circule selon l’axe longitudinal. L’espacement s est compris par exemple entre 5 et 100 mm. Avec un espacement transversal s constant, l’échangeur de chaleur est plus « perméable » à proximité de la surface cylindrique interne 34a ce qui implique que le premier fluide aura tendance à « passer » plutôt par la surface cylindrique interne 34a et avoir une vitesse plus importante.
Avantageusement, les ailettes 29 présentent chacune une longueur L prédéterminée qui est constante. La longueur L de chaque ailette est mesurée (suivant la première direction D1 (axe longitudinal) et) entre le bord d’attaque 29a et le bord de fuite 29b. La longueur L de chaque ailette 29 est comprise par exemple entre 0.5 mm et 150 mm. Avantageusement, la longueur L des ailettes peut varier linéairement.
Suivant le mode de réalisation de la figure 6, la hauteur H des ailettes 29 et l’espacement transversal s entre les ailettes d’une même rangée varient. Ici, l’espacement transversal s1 , s2, s3, s4, s5, s6 entre chaque ailette 29 suivant l’axe radial décroit ou diminue de la surface cylindrique interne 34a à la surface cylindrique externe 34b. La variation de l’espacement s est continue de manière avantageuse. L’espacement s croit ici avec le rayon de l’échangeur de chaleur (soit suivant l’axe radial).
La hauteur H augmente linéairement depuis la surface cylindrique interne 34a jusqu’à la surface cylindrique externe 34b. Les ailettes 29 qui sont proches de l’axe longitudinal ont la même hauteur H1. Les ailettes de chaque rangée et qui sont les plus éloignées de l’axe longitudinal ont la même hauteur H5 également. Comme la hauteur des ailettes augmente, la perméabilité de l’échangeur de chaleur augmente également. La vitesse du premier fluide 2 est plus importante notamment à proximité de la surface cylindrique externe 34b.
De manière avantageuse, l’espacement transversal s proche de l’axe longitudinal est compris entre 5 mm et 100 mm et l’espacement transversal s entre les ailettes les plus éloignées de l’axe longitudinal est compris entre 5 mm et 50 mm. La variation de l’espacement transversal s permet de compenser et d’ajuster la perméabilité qui a augmenté grâce à la variation des hauteurs d’ailettes. Les espacement transversaux s décroissent avec le rayon de l’échangeur de chaleur. La distribution du deuxième fluide est davantage homogène.
Dans cet exemple de la figure 6, la longueur L des ailettes est constante mais peut également varier linéairement. Le pas longitudinal PI entre chaque ailette 29 est constant. Le pas longitudinal peut être compris entre 0.5 mm et 50 mm.
La figure 7 représente schématiquement et en coupe radiale, un échangeur de chaleur 1 monté dans la turbomachine. L’échangeur de chaleur 1 est annulaire et centré sur l’axe longitudinal X. L’échangeur de chaleur 1 présente plusieurs étages qui sont disposés autour de l’axe longitudinal X. Le motif formé par les ailettes 29 entre deux panneaux 25, 26 est non uniforme. Les premier et deuxième panneaux 25, 26 s’étendent chacune radialement par rapport à l’axe longitudinal X. Les premières et deuxième surfaces d’échange 29, 29d de chaque rangée d’ailettes 29 sont définies dans des plans perpendiculaires à l’axe radial. Les surfaces d’échange 29c, 29d sont balayées par le premier fluide suivant l’axe longitudinal. Les canaux 30 formés par les ailettes 29 débouchent sur la surface amont 35 et sur la surface aval 36.
La longueur L des ailettes 29 s’étend axialement également. Entre chaque étage est formé le passage 37 destiné à la circulation du deuxième fluide. Chaque passage 37 s’étend entre une extrémité radialement interne 37a et une extrémité radialement externe 37b.
Avantageusement, l’extrémité radialement interne 37a des passages 37 débouche dans la surface cylindrique interne 34a. L’extrémité radialement externe 37b débouche dans la surface cylindrique externe 34b.
Suivant une autre caractéristique avantageuse, les passages 37 débouchent dans la surface amont 35 pouvant former une entrée pour le deuxième fluide 3. Les passages 37 débouchent également dans la surface aval pouvant former une sortie pour le deuxième fluide 3.
La hauteur H des ailettes 29 croit suivant l’axe radial (soit depuis l’axe central de l’échangeur de chaleur 1 vers la position la plus éloignée du centre). L’espacement transversal s est contant sur la figure 7.
La longueur de chaque ailette 29 peut être définie de manière linéaire. La variation de la longueur peur être fonction de la coordonnée radiale moyenne de l’ailette et être définie par un paramètre Àr = où s est l’espacement transversal entre les ailettes 29 et en fonction de la position radiale de l’ailette en coordonnées cylindriques. Un système en coordonnée cylindrique permet de manière connue de repérer un point donné dans un espace à l’aide d’un angle azimutal, d’une hauteur, et d’un rayon par rapport à un axe principale (ici l’axe longitudinal).
Par exemple, le paramètre Xr peut être compris entre 1 .2 et 1 .8.
De manière alternative, mais non limitativement, les ailettes sont ondulées et à pas décalés.
De manière avantageuse, dans le cas où l’espacement transversal s décroit à mesure que la hauteur H d’ailette augmente, cela permet d’avoir un diamètre hydraulique relativement constant sur toute la surface amont, frontale, de l’échangeur de chaleur pour le premier fluide 2 considéré : avec s l’espacement transversal entre deux ailettes consécutives suivant l’axe radial, H la hauteur d’ailette et DH 0 le diamètre hydraulique moyen de référence.
Le premier fluide 2 circule suivant l’axe longitudinal. Le premier fluide 2 entre avantageusement dans l’échangeur de chaleur au niveau de la surface amont, frontale 35 et en sort au niveau de la surface aval 36. De même, le deuxième fluide 3 circule suivant l’axe longitudinal et/ou suivant l’axe radial.
De manière avantageuse, les ailettes 29, les premiers panneaux 25 et les deuxièmes panneaux 26 sont formés d’une seule pièce (venues de matière ou monobloc). De manière avantageuse, celles-ci sont obtenues par un procédé de fabrication additive et notamment fusion sélective sur lits de poudre connu sous l’acronyme anglais SLM pour « Selective Laser Melting ». Ce procédé est particulièrement adapter pour la réalisation de l’échangeur de chaleur annulaire en une seule pièce. En particulier, le procédé permet d’obtenir des formes complexes et des pièces de bonnes résistances et caractéristiques mécaniques. Le principe de la fabrication additive SLM se base sur la fusion de fines couches en deux dimensions (2D) de poudre, par exemple métallique, plastique, ou céramique, à l'aide d'un laser de forte puissance.
Dans le cadre de ce procédé de fabrication additive, l’échangeur de chaleur est dépourvu des parois de sommet et des parois de base. Le procédé permet en effet une liaison directe des ailettes et des premier et deuxième panneaux 25, 26. Ainsi, la fabrication additive et l’absence de ces parois permettent un gain de poids. La fabrication additive est réalisée à partir d’une installation SLM qui comprend de manière générale un réservoir d’alimentation contenant une poudre et un support de fabrication sur lequel est réalisée la pièce à fabriquer, en l’occurrence l’échangeur de chaleur 1. L’installation comprend également un élément de balayage permettant de transférer une quantité de la poudre du réservoir d’alimentation sur le support de fabrication qui est monté de manière mobile suivant une translation verticale Z. L’installation comprend également un élément de génération d’un faisceau laser permettant de fondre la poudre destinée à réaliser la pièce et des moyens permettant d’orienter le faisceau laser vers le support tels que des miroirs. Un réservoir de recyclage permet de recycler la poudre non utilisée ou non fusionnée.
Le procédé consiste à fabriquer la pièce en superposant des couches de poudre issues du réservoir d’alimentation et transférées sur le support de fabrication. Ces couches de poudre sont ensuite fondues les unes après les autres au moyen du faisceau laser se déplaçant sur la surface de chaque couche. La température de la poudre est portée à une température supérieure à la température supérieure à la température de fusion de la poudre via le faisceau laser. Les couches fondues se solidifient au fur et à mesure et forment un bloc d’un seul tenant.
De manière avantageuse, les différentes couches destinées à former l’échangeur de chaleur sont superposées suivant un axe de fabrication qui est parallèle à la première direction D1.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Echangeur de chaleur (1 ) pour une turbomachine (4), notamment d’aéronef, d’axe longitudinal (X), l’échangeur de chaleur (1), annulaire et centré sur l’axe longitudinal, étant destiné à réaliser un échange thermique entre un premier fluide (2) et un deuxième fluide (3), l’échangeur de chaleur (1) comprenant au moins un premier panneau (25), un deuxième panneau (26) et une pluralité d’ailettes (29) s’étendant entre les premier et deuxième panneaux (25, 26), le premier panneau (25) et le deuxième panneau (26) s’étendant radialement entre une surface cylindrique interne (34a) et une surface cylindrique externe (34b) de l’échangeur de chaleur (1 ), les ailettes (29) présentant une première et deuxième surfaces d’échange (29c, 29d) qui sont définies dans des plans sensiblement perpendiculaires à l’axe radial de l’échangeur de chaleur et destinées à être balayées par le premier fluide (2) suivant l’axe longitudinal, les ailettes (29) de chaque rangée (R1 , R2, Rn) présentant une hauteur (H) qui est d’une part, mesurée entre les premier et deuxième panneaux (25, 26) et qui d’autre part, croit radialement, entre la surface cylindrique interne (34a) et la surface cylindrique externe (34b), caractérisé en ce que les ailettes (29) sont disposées en plusieurs rangées (R1 , R2, Rn) suivant l’axe longitudinal et sont disposées en quinconce, chaque rangée (R1 , R2, Rn) d’ailettes (29) étant parallèles les unes autres et connectées les unes aux autres et en ce que le pas longitudinal (PI) définissant une distance entre un bord de fuite (29b) d’une première ailette de la pluralité d’ailettes et un bord d’attaque (29a) d’une deuxième ailette adjacente et successivement de la pluralité d’ailettes, est constant.
2. Echangeur de chaleur (1 ) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les ailettes (29) sont espacées radialement d’un espacement transversal (s) qui est constant.
3. Echangeur de chaleur (1 ) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les ailettes (29) sont espacées radialement d’un espacement transversal (s), l’espacement transversal (s) décroissant depuis la surface cylindrique interne (34a) vers la surface cylindrique externe (34b).
4. Echangeur de chaleur (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque ailette (29) présente une longueur (L) suivant l’axe longitudinal qui est constante.
5. Echangeur de chaleur (1) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce chaque ailette (29) présente une longueur (L) suivant l’axe longitudinal qui varie de l’amont vers l’aval.
6. Echangeur de chaleur (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier panneau (25), le deuxième panneau (26) et les ailettes (29) entre les premiers et deuxième panneaux (23, 24) forment un étage et en ce que l’échangeur de chaleur (1 ) comprend plusieurs étages, les étages étant espacés par des passages (37) destinés à la circulation du deuxième fluide (3), les passages (37) débouchant sur une surface amont (35) et sur une surface aval (37).
7. Echangeur de chaleur (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est réalisé en une seule pièce.
8. Echangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les ailettes (29) sont reliées alternativement par des parois de sommet (31 ) et des parois de base (32), les parois de sommet (31) et les parois de base (32) étant reliées respectivement aux premier et deuxième panneaux (25, 26).
9. Echangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que qu’il comprend une entrée définie dans une surface amont (35) dans laquelle le premier fluide et/ou le deuxième fluide entre(nt) dans l’échangeur de chaleur (1) et une sortie définie dans une surface aval opposée suivant l’axe longitudinal (X) par laquelle le premier fluide et/ou le deuxième fluide s’évacue(nt) de l’échangeur de chaleur (1).
10. Echangeur de chaleur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend une entrée définie dans la surface cylindrique interne (34a) par laquelle le deuxième fluide entre dans l’échangeur de chaleur (1) et une sortie définie dans la surface cylindrique externe (34b) par laquelle le deuxième fluide s’évacue de l’échangeur de chaleur (1).
11 . Echangeur de chaleur (1 ) selon l’une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que la longueur (L) des ailettes (29) est définie de manière linéaire et s(R • est déterminée grâce au paramètre Àr = , où s est l’espacement transversal (s) s(^max) entre les ailettes (29) d’une même rangée et en fonction de la position radiale de l’ailette (29) en coordonnées cylindriques, Rmin étant un rayon minimum de l’échangeur de chaleur (1) définie par la surface cylindrique interne (34a) et Rmax étant un rayon maximum de l’échangeur de chaleur (1) définie par la surface cylindrique externe (34b).
12. T urbomachine d’axe longitudinal X comprenant un échangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, les premier et deuxième panneaux (25, 26) sont disposés régulièrement autour de l’axe longitudinal (X), les ailettes (29) étant disposés entre les premier et deuxième panneaux (25, 26).
13. Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de réalisation de l’échangeur de chaleur (1) par fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre.
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