EP4669843A1 - Systeme d'echange de chaleur pour une turbomachine d'aeronef - Google Patents

Systeme d'echange de chaleur pour une turbomachine d'aeronef

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Publication number
EP4669843A1
EP4669843A1 EP24709807.2A EP24709807A EP4669843A1 EP 4669843 A1 EP4669843 A1 EP 4669843A1 EP 24709807 A EP24709807 A EP 24709807A EP 4669843 A1 EP4669843 A1 EP 4669843A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchange
vein
devices
exchange system
height
Prior art date
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Pending
Application number
EP24709807.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Samer MAALOUF
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 EP4669843A1 publication Critical patent/EP4669843A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F02C7/14—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K3/00—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan
    • F02K3/08—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan with supplementary heating of the working fluid; Control thereof
    • F02K3/105—Heating the by-pass flow
    • F02K3/115—Heating the by-pass flow by means of indirect heat exchange
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/30—Arrangement of components
    • F05D2250/31—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05D2250/311—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being in line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/213—Heat transfer, e.g. cooling by the provision of a heat exchanger within the cooling circuit
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to the general field of cooling, and its application in particular in the field of aeronautics. It relates in particular to a heat exchange system, in particular for a turbomachine, in particular an aircraft.
  • the technical background includes in particular documents GB-A-2 596 433, US- B1 -6,668,915, FR-A1-3 093 765 and US-A1 -2008/095611.
  • a turbomachine particularly an aircraft turbomachine, comprises various components and/or equipment that must be lubricated and/or cooled, such as rolling bearings and gears.
  • the heat released by these components which can be very significant depending on the power of the component and/or equipment, is transported by a fluid and evacuated to cold sources available in the aircraft.
  • FCOC heat exchangers have a dual function of heating the fuel before combustion in the combustion chamber of the turbomachine and cooling the oil heated by the heat dissipations of the turbomachine.
  • FCOC heat exchangers are not sufficient to absorb all the heat dissipations because the fuel temperature is limited in view of safety constraints. Additional cooling is achieved by ACOC heat exchangers, particularly those of the surface type and known by the acronym SACOC.
  • Surface heat exchangers are generally arranged in the secondary vein of the turbomachine and use the secondary air flow to cool the oil circulating in the turbomachine. These heat exchangers are in the form of a metal surface part allowing the passage of oil in machined channels.
  • the secondary air flow is guided along a heat exchange matrix carried by this surface part and which have the role of increasing the contact surface with the secondary air flow and extracting calories.
  • SACOC heat exchangers have the disadvantage of creating additional pressure losses in the secondary vein concerned since they disturb the air flow, which impacts the performance of the turbomachine as well as the specific fuel consumption.
  • ACOC exchangers are increasingly in demand in the future generation of engines due to the significant increase in heat dissipation, mainly due to:
  • the engine may have several oil circuits, each with a defined function, for example a first circuit for cooling the oil dedicated to the lubrication and cooling of the engine, a second for the lubrication and cooling of the engine reducer, a third for the cooling of the machines, etc.
  • the temperature and the oil flow must be controlled according to the corresponding circuit.
  • the ACOC is preferably divided into several exchangers, each exchanger being dedicated to a given oil circuit. These different exchangers are generally distributed around the longitudinal axis of the engine
  • the growing need for cooling has a direct impact on the dimensions of the ACOCs. It is therefore necessary to expect to have large exchangers to be able to evacuate the calories from the oil.
  • the ACOCs could occupy all the available space in a vein, and thus extend all around the vein and over the entire height or radial dimension of the vein, in order to have the air flow necessary to evacuate the calories at the dimensioning point generally occurring during the take-off phase in the case of an extremely hot day.
  • the objective of the present invention is to propose an improvement to existing technologies making it possible to optimize the efficiency of heat exchanges while avoiding pressure losses and disrupting the gas flow as little as possible.
  • the invention thus proposes a heat exchange system, in particular for an aircraft turbomachine, this system comprising:
  • annular walls respectively external and internal, which extend around each other and around the same axis, and which are configured to define between them a flow vein for a gas flow
  • first annular heat exchange device which extends around the axis and is carried by one of said walls, and which is located in the vein, this first device occupying at most 75% of a height of the vein, this height being measured in radial direction in a zone of the vein in which this first device is located, characterized in that it further comprises:
  • a second annular heat exchange device which extends around the axis and is carried by the other of said walls, and which is located in the vein, this second device occupying at most 75% of a height of the vein, this height being measured in the radial direction in a zone of the vein in which this second device is located.
  • the present invention thus proposes to combine at least two annular heat exchange devices in the same annular flow vein of a gas flow.
  • Each of the walls of the system carries a device which extends only in a part of the height or radial dimension of the vein, which makes it possible to limit the impact of this device on the flow of the gas flow by limiting the pressure losses.
  • the heat exchange system may include one or more of the following features, considered independently of each other or in combination with each other:
  • the devices are spaced axially from each other in the vein;
  • the system comprises a third annular heat exchange device, preferably, which extends around the axis and is located in the vein;
  • the third device is located at a radial distance from said walls and occupies at most 50% of a height of the vein, this height being measured in a radial direction in a zone of the vein in which this third device is located;
  • the third device is located axially between the first and second devices;
  • the first and third devices overlap each other axially in the vein, and/or the third and second devices overlap each other axially in the vein;
  • the third device extends between said walls and is connected to these walls, for example by fixing arms;
  • a heat exchange matrix may comprise fins and/or plates and/or tubes.
  • a matrix may be stepped and comprise for example a stack of several layers, each of the layers comprising fins, or at least one plate or at least one tube. The fins are intended to be swept by a gas flow, and the plates or tubes are traversed for example by an oil circuit or comprise such an oil circuit;
  • annular cover which comprises a first end located upstream of the heat exchange matrix relative to the flow of the gas flow, and which has a divergent shape with respect to this gas flow, and a second end located downstream of the heat exchange matrix relative to the flow of the gas flow, and which has a convergent shape with respect to this gas flow;
  • the heat exchange matrices of the first and second devices are axially spaced from each other, and the second end of the cover of one of the first and second devices axially overlaps the first end of the cover of the other of the first and second devices;
  • the heat exchange matrix of the third device is sandwiched between two annular covers which are independent and at a distance from the covers of the first and second devices;
  • the heat exchange matrix of the third device is sandwiched between two annular covers, a first cover which is connected to the cover or forms the cover of the first device, and a second cover which is connected to the cover or forms the cover of the second device;
  • each of the devices occupies at least 10% of the aforementioned height of the vein
  • each of the devices comprises a single heat exchanger, or is sectorized and comprises two or more heat exchangers distributed around the axis;
  • each of the devices is of the ACOC or SACOC type
  • the or each cover comprises end parts, respectively upstream and downstream, which respectively form a divergent and a convergent part
  • each divergent or divergent shape and each convergent or convergent shape has a truncated or rounded shape; the rounded shape improves the aerodynamics of the flow bypassing the device, which reduces pressure losses due to the installation of this assembly.
  • These shapes can be obtained by additive manufacturing for example;
  • the first heat exchange device is of the surface type, and/or the second heat exchange device is of the surface type, and/or the third heat exchange device is of the surface type;
  • the or each heat exchange device is of the SACOC or ACOC type
  • the or each cover is at a distance from the walls of the vein so that part of the gas flow flowing in the vein can bypass or bypass the or each heat exchange device;
  • the first device occupies at most 50% of the height of the vein
  • the second device occupies at most 50% of the height of the vein.
  • the invention further relates to a turbomachine or an electronic device comprising at least one heat exchange system as mentioned above.
  • the present invention can indeed be used for cooling an electronic device.
  • Figure 1 is a half schematic view in axial section of an example of a turbomachine to which the invention applies;
  • Figure 2 is a very schematic cross-sectional view of a heat exchange system
  • Figure 3 is a very schematic view in axial section of the system of Figure 2;
  • Figure 4 is another very schematic view of a system similar to that of Figure 3;
  • FIG. 5 Figure 5 is a schematic perspective and partial view of a heat exchange device
  • FIG. 6a-6b Figures 6a and 6b are very schematic cross-sectional views of heat exchange systems each comprising a sectorized heat exchange device
  • Figure 7 is a very schematic view in axial section of the system of Figure 6a;
  • Figure 8 is a very schematic view in axial section of a heat exchange system according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 9 is a very schematic view in axial section of a heat exchange system according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 10 is a very schematic view in axial section of a heat exchange system according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 11 is a very schematic view in axial section of a heat exchange system according to a fourth embodiment of the invention.
  • Figure 12 is a very schematic view in axial section of a heat exchange system according to a fifth embodiment of the invention.
  • Figure 13 is a very schematic view in axial section of a heat exchange system according to a sixth embodiment of the invention.
  • Figure 14 is a very schematic axial sectional view of a heat exchange system according to a seventh embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows an axial sectional view of a turbomachine with longitudinal axis X to which the invention applies.
  • the turbomachine shown is a dual-flow turbomachine 1 intended to be mounted on an aircraft.
  • the invention is not limited to this type of turbomachine.
  • This dual-flow turbomachine 1 generally comprises a gas generator 2 upstream of which a blower or blower module 3 is mounted.
  • upstream and downstream are defined in relation to the circulation of gases in the turbomachine 1 and here along the longitudinal axis X.
  • the gas generator 2 comprises a gas compressor assembly (here comprising a low pressure compressor 4a and a high pressure compressor 4b), a combustion chamber 5 and a turbine assembly (here comprising a high pressure turbine 6a and a low pressure turbine 6b).
  • the turbomachine 1 comprises a low-pressure shaft 7 which connects the low-pressure compressor 4a and the low-pressure turbine 6a to form a low-pressure body, and a high-pressure shaft 8 which connects the high-pressure compressor 4b and the high-pressure turbine 6b to form a high-pressure body.
  • the low-pressure shaft 7, centered on the longitudinal axis X, here drives a fan shaft 9 by means of a speed reducer 10.
  • Rotating guide bearings 15 also make it possible to guide the low-pressure shaft 7 in rotation relative to a fixed structure or stator of the turbomachine.
  • the high-pressure shaft 8 is also guided in rotation by guide bearings (not shown).
  • the blower 3 is shrouded by a blower casing 11 carried by a nacelle 12 and generates a primary air flow F1 which circulates through the gas generator 2 in a primary vein V1, and a secondary air flow F2 which circulates in a secondary vein V2 around the gas generator 2.
  • the secondary air flow F2 is ejected by a secondary nozzle 13 terminating the nacelle while the primary air flow F1 is ejected outside the turbomachine 1 via an ejection nozzle 14 located downstream of the gas generator 2.
  • the fan casing 11 and the nacelle 12 are considered as one and the same part.
  • the guide bearings 15 and the speed reducer 10 in this example configuration of the turbomachine 1 must be lubricated and/or cooled to ensure the performance of the turbomachine 1.
  • the power generated by them is dissipated in a fluid coming from a fluid supply source installed in the turbomachine 1 and which makes it possible to lubricate and/or cool various organs and/or equipment of the turbomachine 1.
  • a fluid supply source installed in the turbomachine 1 and which makes it possible to lubricate and/or cool various organs and/or equipment of the turbomachine 1.
  • other equipment of the turbomachine 1 generates a lot of heat which must be extracted from its environment.
  • the turbomachine 1 comprises a heat exchange system 20 which makes it possible to cool the fluid intended to lubricate and/or cool these components and/or equipment.
  • the fluid is an oil and the cold source intended to cool the oil is a gas flow circulating in the turbomachine, in particular the secondary air flow F2.
  • a heat exchange system 20 is understood to mean a system comprising: - two annular walls, respectively external and internal, which extend around each other and around the same axis, and which are configured to define between them a flow vein for a gas flow, and
  • the heat exchange system 20 of the turbomachine 1 comprises an external wall 22 formed by the fan casing 11 and/or the nacelle 12, an internal wall 23 formed by a casing of the gas generator 2, and a heat exchange device 21 which is here carried by the external wall 22 and located in the vein V2.
  • the heat exchange device 21 is for example of the surface type (for example of the SACOC type) and preferably of the air/oil type.
  • the device 21 comprises an oil circuit and a heat exchange matrix located in the vein V2 and configured to be swept by said gas flow F2.
  • the heat exchange matrix may comprise fins and/or plates and/or tubes.
  • a matrix may be stepped and comprise, for example, a stack of several layers, each of the layers comprising fins, or at least one plate or at least one tube.
  • the fins are intended to be swept by a gas flow, and the plates or tubes are traversed, for example, by an oil circuit or comprise such an oil circuit.
  • FIGS 2 and 3 schematically show a heat exchange system 20 of this type. It can be seen that the heat exchange device 21 of this system 20 is annular and extends continuously over 360° around the X axis.
  • the device 21 occupies only part of the height H of the vein V2.
  • the device 21 has a height h or radial dimension which represents only part of the height H or radial dimension of the vein V2. These heights H, h are measured in the radial direction with respect to the axis X, in a zone of the vein V2 in which this device 21 is located. The height H of the vein V2 is likely to change along the axis X.
  • the flow passing through the device 21 can be controlled by associating with the device 21 a divergent 24 at the inlet and a convergent 25.
  • the divergent 24 upstream of the device 21 is configured so as to compress and slow down the gas flow entering the device 21, and the convergent 25 arranged downstream of the device 21 is configured so as to accelerate and expand the gas flow leaving the deviceError! Reference source not found..
  • the slowdown factor is inversely proportional to the ratio of the heights h/hO, h being the aforementioned height and hO being the height at the inlet of the divergent 24. Note that the more the flow is slowed down, the more the pressure drop generated by the device 21 decreases.
  • the acceleration factor is inversely proportional to the ratio of the heights h/h3, h3 being the height at the outlet of the convergent 25.
  • FIG. 5 illustrates in perspective a part of a heat exchange device 21. It shows the heat exchange matrix 26 which is intercalated or sandwiched between a cover 27 and the wall 22, 23 which supports this device 21.
  • the convergent 25 and the divergent 24 can be formed by ends of the cover 26, as in the example shown.
  • FIGS 6a and 6b schematically show alternative embodiments of heat exchange systems 20.
  • the system 20 comprises an annular heat exchange device 21 which is sectorized and comprises two sectors each having an angular extent of approximately 180°.
  • the system 20 comprises an annular heat exchange device 21 which is sectorized and comprises four sectors each having an angular extent of approximately 90°. Furthermore, in these figures 6a-6b, the heat exchange device 21 extends over the entire height H of the vein and is connected to the two walls 22, 23. The height h of the device 21 is then equal to the height H of the vein (figure 7).
  • the present invention provides an improvement to this technology and provides several embodiments which are illustrated in Figures 8 and following.
  • the heat exchange system comprises at least two separate annular heat exchange devices and that each of these devices occupies at most 75%, or even 50%, of the height of the vein in which they are implanted.
  • the heat exchange system 20 comprises:
  • annular walls respectively external 22 and internal 23, which extend around each other and around the same axis X, and which are configured to define between them a flow vein V2 of a gas flow, such as a secondary flow F2,
  • first annular heat exchange device 21 which extends around the axis X and is carried by one of said walls, here the external wall 22, and which is located in the vein V2, this first device 21 occupying at most 75%, or even 50%, of a height H of the vein V2, this height H being measured in the radial direction in a zone of the vein V2 in which this first device 21 is located, and
  • a second annular heat exchange device 30 which extends around the axis X and is carried by the other of said walls, here the internal wall 23, and which is located in the vein V2, this second device 30 occupying at most 75%, or even 50%, of a height H' of the vein V2, this height H' being measured in the radial direction in a zone of the vein in which this second device is located.
  • the devices 21, 30 are spaced axially from each other in the vein V2. They are spaced from each other by an axial distance noted L.
  • the device 21 located on the external wall 22 is located upstream of the device 30 located on the internal wall 23.
  • These devices 21, 30 are preferably of the air-oil type and for example surface type and each comprise an oil circuit 28 and a heat exchange matrix 26 located in the vein V2 and configured to be swept by the gas flow F2, as mentioned above.
  • the heat exchange matrix 26 of each of the devices 21, 30 are covered by an annular cover 27 which comprises a first end 27a located upstream of the heat exchange matrix 26 relative to the flow of the gas flow F2, and which has a divergent shape with respect to this gas flow F2, and a second end 27b located downstream of the heat exchange matrix 26 relative to the flow of the gas flow F2, and which has a convergent shape with respect to this gas flow F2.
  • the ends 27a, 27b each have a truncated cone shape.
  • Each of the devices 21, 30 may comprise a single heat exchanger, or be sectorized and comprise two or more heat exchangers distributed around the X axis, as mentioned above.
  • the first device 21 located on the left in the drawing is an upstream device which occupies a height h in the vein of between 20 and 50% of the height H.
  • the second device 30 located on the right in the drawing is a downstream device which occupies a height h’ in the vein of between 20 and 50% of the height H’.
  • the height difference H-h can be equal to the height difference H’-h’ or different from this height difference. Furthermore, h’ can be greater or less than h.
  • an external peripheral part of the air flow F2 (for example 5 to 30% of the flow rate) flowing in the vein will enter the device 21 while the remainder will bypass the device 21.
  • an internal peripheral part will enter the device 30 (for example 5 to 30% of the flow rate) while the remaining middle part of the flow will bypass this device 30.
  • the device 30 is thus crossed by a flow of air taken different from that of the device 21.
  • one of the advantages of installing the two devices on either side of the walls of the vein makes it possible not to use the same flow of air at the outlet of the first to carry out the exchange in the second, since the air at the outlet of the first is heated by oil and therefore has a low cooling potential.
  • the air at the inlet of each device has the same temperature which is that at the inlet of the vein (to the nearest degree Kelvin).
  • L could be zero, or negative in the case of axial overlap of the devices 21, 30.
  • the second embodiment illustrated in Figure 9 differs from the first embodiment in particular in that the device 21 located on the external wall 22 is located downstream of the device 30 located on the internal wall 23.
  • the devices 21, 30 are spaced axially from each other by a distance which is noted L0 and which can be close to zero or even equal to zero (and therefore zero), that is to say that the devices 21, 30 can be arranged directly one behind the other in the vein V2.
  • ends 27a, 27b of the covers 28 here have curved shapes and no longer truncated cones.
  • L0 could be positive and non-zero, or negative in the case of axial overlap of the devices 21, 30.
  • the third embodiment illustrated in FIG. 10 differs from the second embodiment in particular in that the devices 21, 30 are even closer axially to each other and even overlap each other in the axial direction.
  • the heat exchange matrices 26 of the devices 21, 30 are axially spaced from each other.
  • the cover 27 of the device 30 has its downstream end 27b which axially overlaps the upstream end 27a of the cover 27 of the device 21.
  • the operation of this embodiment is similar to that of FIG. 9.
  • the overlap allows for a more gradual variation in the flow section for the flow bypassing the two devices, thus avoiding a significant variation in the flow section bypassing the devices as it passes through the area where these two devices are located.
  • the fourth embodiment illustrated in Figure 11 differs from the second embodiment in particular in that the device 30 is sectorized and comprises two or more heat exchangers distributed around the X axis. This principle is explained in the above and illustrated in Figures 6a and 6b for example.
  • Device 21 could also be sectorized.
  • FIG. 12 differs from the previous embodiments in particular by the fact that they comprise a third annular heat exchange device 40 which extends around the axis X and is located in the vein V2.
  • the devices 21 and 30 are similar to those of Figure 8.
  • the third device 40 is located at a radial distance from the walls 22, 23 and occupies at most 75%, or even 50%, of a height H” of the vein V2, this height H” being measured in the radial direction in a zone of the vein V2 in which this third device 40 is located.
  • the third device 40 is located axially between the first and second devices 21, 30.
  • the first and third devices 21, 40 may be axially spaced from each other, may be located directly behind each other, or may overlap each other axially in the vein.
  • the third and second devices 40, 30 may be axially spaced from each other, may be located directly behind each other, or may overlap each other axially in the vein.
  • the third device 40 comprises a heat exchange matrix 41 which is sandwiched between two annular covers, respectively internal 42 and external 43.
  • the covers 42, 43 are independent and at a distance from the covers 27 of the first and second devices 21, 30.
  • the covers 42, 43 of the device 40 can be curved or, alternatively, truncated cone-shaped.
  • the height difference Hh can be equal to the height difference H'-h' and can still be equal to the height difference H”-h”, as schematically illustrated in the drawing.
  • the devices 21 and 30 are similar to those of Figure 9.
  • the third device 40 extends between the walls
  • the third device 40 is located upstream of the devices 21, 30.
  • This third device 40 comprises a heat exchange matrix 41 which is directly connected to the walls 22, 23.
  • the third device 40 therefore has a height h” equal to the height H” of the vein V2.
  • This is a hybrid (series/parallel) installation configuration, with the third device 40 installed in series with the other two devices 21, 30, which in turn are installed in parallel.
  • the devices 21 and 30 are similar to those of Figure 8.
  • the third device 40 is located axially between the first and second devices 21, 30.
  • the third device 40 is located radially between the first and second devices 21, 30.
  • the third device 40 comprises a heat exchange matrix 41 which is sandwiched between two annular covers, the inner cover of the device 40 being formed by the upstream end 27a of the cover 27 of the device 30, and the outer cover of the device 40 being formed by the downstream end 27b of the cover 27 of the device 30.
  • the proposed concept makes it possible to optimize the flow from an aerothermal point of view in each device.
  • the heat exchange system does not necessarily occupy all the available radial height, which makes it possible to install a divergent/convergent device upstream/downstream to better manage the flow in each of the exchangers, without obstructing the vein, and thus to achieve a significant slowdown of the flow passing through each device.
  • This makes it possible to optimize the aerothermal performance of each device, to reduce the pressure losses on the air side, and to have more efficient devices.

Landscapes

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Abstract

Système d'échange de chaleur (20), en particulier pour une turbomachine (1) d'aéronef, ce système comportant : - deux parois annulaires qui s'étendent l'une autour de l'autre et autour d'un même axe (X), et qui définissent entre elles une veine (V2) d'écoulement d'un flux de gaz (F2), - un premier dispositif annulaire d'échange de chaleur (21) qui est porté par l'une desdites parois (22), et qui est situé dans la veine (V2), ce premier dispositif (21) occupant au plus 75%, voire 50%, d'une hauteur (H) de la veine (V2), et - un second dispositif annulaire d'échange de chaleur (30) qui est porté par l'autre desdites parois (23), et qui est situé dans la veine (V2), ce second dispositif (30) occupant au plus 75%, voire 50%, d'une hauteur (H') de la veine (V2).

Description

DESCRIPTION
TITRE : SYSTEME D’ECHANGE DE CHALEUR POUR UNE TURBOMACHINE D’AERONEF
Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine général du refroidissement, et son application notamment dans le domaine de l’aéronautique. Elle vise en particulier un système d’échange de chaleur, notamment pour une turbomachine, en particulier d’aéronef.
Arrière-plan technique
L’arrière-plan technique comprend notamment les documents GB-A-2 596 433, US- B1 -6,668,915, FR-A1-3 093 765 et US-A1 -2008/095611 .
Une turbomachine, notamment d’aéronef, comprend divers organes et/ou équipements devant être lubrifiés et/ou refroidis tels que des paliers à roulements et engrenages. La chaleur dégagée par ces composants qui peut être très importante suivant la puissance de l’organe et/ou de l’équipement, est transportée par un fluide et évacuée vers des sources froides disponibles dans l’aéronef.
Il est connu d’équiper la turbomachine d’un ou de plusieurs systèmes d’échange de chaleur pour réaliser l’échange de chaleur entre le fluide (typiquement de l’huile) et la source froide (air, carburant, etc.). Il existe même différents types de systèmes d’échange de chaleur qui sont par exemple les échangeurs de chaleur carburant/huile généralement connus sous l’acronyme anglais FCOC pour « Fuel Cooled Oil Cooler » et les échangeurs de chaleur air/huile connus sous l’acronyme anglais ACOC pour « Air-Cooled Oil Cooler ».
Les échangeurs de chaleur FCOC ont une double fonction de réchauffement du carburant avant la combustion dans la chambre de combustion de la turbomachine et de refroidissement de l’huile réchauffée par les dissipations thermiques de la turbomachine. Cependant, les échangeurs de chaleur FCOC ne suffisent pas à absorber toutes les dissipations thermiques car la température du carburant est limitée en vue des contraintes de sécurité. Le complément de refroidissement est obtenu par les échangeurs de chaleur ACOC, en particulier ceux du type surfacique et connus sous l’acronyme SACOC. Les échangeurs de chaleur surfacique sont généralement agencés dans la veine secondaire de la turbomachine et utilisent le flux d’air secondaire pour le refroidissement de l’huile circulant dans la turbomachine. Ces échangeurs de chaleur se présentent sous la forme d’une pièce surfacique métallique permettant le passage d’huile dans des canaux usinés. Le flux d’air secondaire est guidé le long d’une matrice d’échange thermique portée par cette pièce surfacique et qui ont pour rôle d’augmenter la surface de contact avec le flux d’air secondaire et d’extraire les calories. Toutefois, les échangeurs de chaleur SACOC ont pour inconvénient de créer des pertes de charge supplémentaires dans la veine secondaire concernée puisqu’ils perturbent l’écoulement d’air ce qui impacte la performance de la turbomachine ainsi que la consommation de carburant spécifique.
La Déposante a déjà proposé une solution à ce problème dans les documents FRAI -3 096 409 et FR-A1-3 096 444.
De plus, les besoins en refroidissement du fluide lubrifiant augmentent du fait de l’accroissement des vitesses de rotation et des puissances mises en jeu pour répondre aux tendances de spécification sur les turbomachines.
En effet, les échangeurs ACOC sont de plus en plus sollicités dans la future génération des moteurs du fait de l’augmentation importante des dissipations thermiques, principalement due :
- aux moteurs du futur qui sont plus gros, ce qui augmente le besoin de lubrification et de refroidissement par de l’huile,
- à la présence d’un réducteur de vitesse dans les nouvelles architectures moteur, ce réducteur transmettant une puissance mécanique très élevée et ayant besoin d’être lubrifié et refroidi par de l’huile, et
- l’ajout des machines électriques à bord d’un moteur pour l’hybridation, ces machines ayant besoin d’être lubrifiées et refroidies par de l’huile.
Le moteur peut comporter plusieurs circuit d’huile, chacun ayant une fonction définie, par exemple un premier circuit pour le refroidissement de l’huile dédiée à la lubrification et au refroidissement du moteur, un deuxième pour la lubrification et le refroidissement du réducteur moteur, un troisième pour le refroidissement des machines, etc. La température et le débit d’huile doivent être pilotés en fonction du circuit correspondant. Par exemple, l’huile servant à lubrifier et refroidir les machines électriques à une plage de température différente de celle pour le refroidissement moteur. Ainsi, l’ACOC est de préférence divisé en plusieurs échangeurs, chaque échangeur étant dédié à un circuit d’huile donné. Ces différents échangeurs sont en général répartis autour de l’axe longitudinal du moteur
Le besoin de refroidissement grandissant à un impact direct sur les dimensions des ACOC. Il faut ainsi s’attendre à avoir de gros échangeurs pour pouvoir évacuer les calories de l’huile. Afin d’évacuer les calories d’huile, les ACOC pourraient occuper tout l’espacement disponible d’une veine, et s’étendre ainsi tout autour de la veine et sur toute la hauteur ou dimension radiale de la veine, afin d’avoir le débit d’air nécessaire pour évacuer les calories au point dimensionnant ayant lieu en général lors de la phase de décollage dans le cas d’un jour extrême chaud.
Cependant, le fait que les échangeurs ACOC occupent toute la hauteur radiale de la veine empêche de contrôler l’écoulement traversant l’échangeur avec la solution décrite dans les documents FR-A1 -3 096 409 et FR-A1 -3 096 444.
De ce fait, tout le débit d’air traverse les ACOC et par conséquent, chacun des ACOC fonctionne avec des performances aérothermiques non optimales. Cela entraine une perte de charges élevée côté air et conduit à des échangeurs peu efficaces.
L’objectif de la présente invention est de proposer un perfectionnement aux technologies existantes permettant d’optimiser le rendement des échanges de chaleur tout en évitant les pertes de charge et en perturbant le moins possible le flux de gaz.
Résumé de l’invention
L’invention propose ainsi un système d’échange de chaleur, en particulier pour une turbomachine d’aéronef, ce système comportant :
- deux parois annulaires, respectivement externe et interne, qui s’étendent l’une autour de l’autre et autour d’un même axe, et qui sont configurées pour définir entre elles une veine d’écoulement d’un flux de gaz,
- un premier dispositif annulaire d’échange de chaleur qui s’étend autour de l’axe et est porté par l’une desdites parois, et qui est situé dans la veine, ce premier dispositif occupant au plus 75% d’une hauteur de la veine, cette hauteur étant mesurée en direction radiale dans une zone de la veine dans laquelle est situé ce premier dispositif, caractérisé en ce qu’il comprend en outre :
- un second dispositif annulaire d’échange de chaleur qui s’étend autour de l’axe et est porté par l’autre desdites parois, et qui est situé dans la veine, ce second dispositif occupant au plus 75% d’une hauteur de la veine, cette hauteur étant mesurée en direction radiale dans une zone de la veine dans laquelle est situé ce second dispositif.
La présente invention propose ainsi de combiner au moins deux dispositifs annulaires d’échange de chaleur dans une même veine annulaire d’écoulement d’un flux de gaz. Chacune des parois du système porte un dispositif qui s’étend seulement dans une partie de la hauteur ou dimension radiale de la veine, ce qui permet de limiter l’impact de ce dispositif sur l’écoulement du flux de gaz en limitant les pertes de charge.
Le système d’échange de chaleur peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, considérées indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- les dispositifs sont espacés axialement l’un de l’autre dans la veine ;
- les dispositifs se chevauchent mutuellement axialement dans la veine ;
- le système comprend un troisième dispositif annulaire d’échange de chaleur, de préférence, qui s’étend autour de l’axe et est situé dans la veine ;
- le troisième dispositif est situé à distance radiale desdites parois et occupe au plus 50% d’une hauteur de la veine, cette hauteur étant mesurée en direction radiale dans une zone de la veine dans laquelle est situé ce troisième dispositif ;
- le troisième dispositif est situé axialement entre les premier et second dispositifs ;
- les premier et troisième dispositifs se chevauchent mutuellement axialement dans la veine, et/ou les troisième et second dispositifs se chevauchent mutuellement axialement dans la veine ;
- le troisième dispositif s’étend entre lesdites parois et est relié à ces parois, par exemple par des bras de fixation ;
- les dispositifs sont du type air-huile et comprennent un circuit d’huile et une matrice d’échange thermique située dans la veine et configurée pour être balayée par ledit flux de gaz ; dans la présente demande, une matrice d’échange thermique peut comprendre des ailettes et/ou des plaques et/ou des tubes. Une matrice peut être étagée et comprendre par exemple un empilement de plusieurs couches, chacune des couches comportant des ailettes, ou au moins une plaque ou au moins un tube. Les ailettes sont destinées à être balayées par un flux de gaz, et les plaques ou tubes sont traversées par exemple par un circuit d’huile ou comprennent un tel circuit d’huile ;
- la matrice d’échange thermique de chacun des premier et second dispositifs est recouverte par un capot annulaire qui comprend une première extrémité située en amont de la matrice d’échange thermique par rapport à l’écoulement du flux de gaz, et qui a une forme divergente vis-à-vis de ce flux de gaz, et une seconde extrémité située en aval de la matrice d’échange thermique par rapport à l’écoulement du flux de gaz, et qui a une forme convergente vis-à-vis de ce flux de gaz ;
- les matrice d’échange thermique des premier et seconds dispositifs sont espacées axialement les unes des autres, et la seconde extrémité du capot de l’un des premier et second dispositifs chevauche axialement la première extrémité du capot de l’autre des premier et second dispositifs ;
- la matrice d’échange thermique du troisième dispositif est prise en sandwich entre deux capots annulaires qui sont indépendants et à distance des capots des premier et second dispositifs ;
- la matrice d’échange thermique du troisième dispositif est prise en sandwich entre deux capots annulaires dont un premier capot qui est relié au capot ou forme le capot du premier dispositif, et dont un second capot est relié au capot ou forme le capot du second dispositif ;
- chacun des dispositifs occupe au moins 10% de la hauteur précitée de la veine ;
- chacun des dispositifs comprend un échangeur de chaleur unique, ou est sectorisé et comprend deux ou plus échangeurs de chaleur répartis autour de l’axe ;
- chacun des dispositifs est du type ACOC ou SACOC ;
- le ou chaque capot comprend des parties d’extrémité, respectivement amont et aval, qui forment respectivement un divergent et un convergent ;
- chaque divergent ou forme divergente et chaque convergent ou forme convergente a une forme tronconique ou arrondie ; la forme arrondie permet d’améliorer l’aérodynamique de l’écoulement contournant le dispositif, ce qui permet de réduire les pertes de charge dues à l’installation de cet ensemble. Ces formes peuvent être obtenues par fabrication additive par exemple ;
-- le premier dispositif d’échange de chaleur est du type surfacique, et/ou le deuxième dispositif d’échange de chaleur est du type surfacique, et/ou le troisième dispositif d’échange de chaleur est du type surfacique ;
-- le ou chaque dispositif d’échange de chaleur est du type SACOC ou ACOC ;
-- le ou chaque capot est à distance des parois de la veine de façon à ce qu’une partie du flux de gaz s’écoulant dans la veine puisse contourner ou by-passer le ou chaque dispositif d’échange de chaleur ;
- le premier dispositif occupe au plus 50% d’une hauteur de la veine,
- le second dispositif occupe au plus 50% d’une hauteur de la veine.
L’invention concerne en outre une turbomachine ou un appareil électronique comprenant au moins un système d’échange de chaleur tel que susmentionné. La présente invention est en effet utilisable pour le refroidissement d’un appareil électronique.
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 :
[Fig. 1] La figure 1 est une demi vue schématique en coupe axiale d’un exemple de turbomachine à laquelle s’applique l’invention ;
[Fig. 2] La figure 2 est une vue très schématique en coupe transversale d’un système d’échange de chaleur ;
[Fig. 3] La figure 3 est vue très schématique en coupe axiale du système de la figure 2 ;
[Fig. 4] La figure 4 est une autre vue très schématique d’un système similaire à celle de la figure 3 ;
[Fig. 5] La figure 5 est une vue schématique en perspective et partielle d’un dispositif d’échange de chaleur ; [Fig. 6a-6b] Les figures 6a et 6b sont des vues très schématiques en coupe transversale de systèmes d’échange de chaleur comportant chacun un dispositif d’échange de chaleur sectorisé ;
[Fig. 7] La figure 7 est vue très schématique en coupe axiale du système de la figure 6a ;
[Fig. 8] La figure 8 est une vue très schématique en coupe axiale d’un système d’échange de chaleur selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
[Fig. 9] La figure 9 est une vue très schématique en coupe axiale d’un système d’échange de chaleur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
[Fig. 10] La figure 10 est une vue très schématique en coupe axiale d’un système d’échange de chaleur selon un troisième mode de réalisation de l’invention ;
[Fig. 11] La figure 11 est une vue très schématique en coupe axiale d’un système d’échange de chaleur selon un quatrième mode de réalisation de l’invention ;
[Fig. 12] La figure 12 est une vue très schématique en coupe axiale d’un système d’échange de chaleur selon un cinquième mode de réalisation de l’invention ;
[Fig. 13] La figure 13 est une vue très schématique en coupe axiale d’un système d’échange de chaleur selon un sixième mode de réalisation de l’invention ;
[Fig. 14] la figure 14 est une vue très schématique en coupe axiale d’un système d’échange de chaleur selon un septième mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée de l’invention
La figure 1 montre une vue en coupe axiale d’une turbomachine d’axe longitudinal X à laquelle s’applique l’invention. La turbomachine représentée est une turbomachine 1 double flux destinée à être montée sur un aéronef. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à ce type de turbomachine.
Cette turbomachine 1 double flux comprend de manière générale un générateur de gaz 2 en amont duquel est montée une soufflante ou module de soufflante 3.
Dans la présente invention, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation des gaz dans la turbomachine 1 et ici suivant l’axe longitudinal X.
Le générateur de gaz 2 comprend un ensemble de compresseur de gaz (comportant ici un compresseur basse pression 4a et un compresseur haute pression 4b), une chambre de combustion 5 et un ensemble de turbine (comportant ici une turbine haute pression 6a et une turbine basse pression 6b). Classiquement la turbomachine 1 comprend un arbre basse pression 7 qui relie le compresseur basse pression 4a et la turbine basse pression 6a pour former un corps basse pression, et un arbre haute pression 8 qui relie le compresseur haute pression 4b et la turbine haute pression 6b pour former un corps haute pression. L’arbre basse pression 7, centré sur l’axe longitudinal X, entraîne ici un arbre de soufflante 9 grâce à un réducteur de vitesse 10. Des paliers de guidage 15 en rotation permettent également de guider en rotation l’arbre basse pression 7 par rapport à une structure fixe ou stator de la turbomachine. L’arbre haute pression 8 est également guidé en rotation par des paliers de guidage (non représentés).
La soufflante 3 est carénée par un carter de soufflante 11 portée par une nacelle 12 et génère un flux d’air primaire F1 qui circule à travers le générateur de gaz 2 dans une veine primaire V1 , et un flux d’air secondaire F2 qui circule dans une veine secondaire V2 autour du générateur de gaz 2.
Le flux d’air secondaire F2 est éjecté par une tuyère secondaire 13 terminant la nacelle alors que le flux d’air primaire F1 est éjecté à l’extérieur de la turbomachine 1 via une tuyère d’éjection 14 située en aval du générateur de gaz 2.
Dans la suite de la description, le carter de soufflante 11 et la nacelle 12 sont considérés comme une seule et même pièce.
Les paliers de guidage 15 et le réducteur de vitesse 10 dans cet exemple de configuration de la turbomachine 1 doivent être lubrifiés et/ ou refroidis pour assurer la performance de la turbomachine 1 . La puissance générée par ceux-ci est dissipée dans un fluide provenant d’une source d’alimentation en fluide installée dans la turbomachine 1 et qui permet de lubrifier et/ou de refroidir divers organes et/ou équipements de la turbomachine 1. Bien entendu d’autres équipements de la turbomachine 1 génèrent beaucoup de chaleur devant être extraite de leur environnement.
A cet effet, la turbomachine 1 comprend un système d’échange de chaleur 20 qui permet de refroidir le fluide destiné à lubrifier et/ou refroidir ces organes et/ou équipements. Dans le présent exemple, le fluide est une huile et la source froide destinée à refroidir l’huile est un flux de gaz circulant dans la turbomachine, notamment le flux d’air secondaire F2.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par un système d’échange de chaleur 20 un système comportant : - deux parois annulaires, respectivement externe et interne, qui s’étendent l’une autour de l’autre et autour d’un même axe, et qui sont configurées pour définir entre elles une veine d’écoulement d’un flux de gaz, et
- au moins un dispositif annulaire d’échange de chaleur situé dans cette veine.
Dans le cas de la figure 1 par exemple, le système d’échange de chaleur 20 de la turbomachine 1 comprend une paroi externe 22 formée par le carter de soufflante 11 et/ou la nacelle 12, une paroi interne 23 formée par un carter du générateur de gaz 2, et un dispositif d’échange de chaleur 21 qui est ici porté par la paroi externe 22 et situé dans la veine V2.
Le dispositif d’échange de chaleur 21 est par exemple du type surfacique (par exemple du type SACOC) et de préférence du type air/huile.
Le dispositif 21 comprend un circuit d’huile et une matrice d’échange thermique située dans la veine V2 et configurée pour être balayée par ledit flux de gaz F2. Comme évoqué dans ce qui précède, la matrice d’échange thermique peut comprendre des ailettes et/ou des plaques et/ou des tubes. Une matrice peut être étagée et comprendre par exemple un empilement de plusieurs couches, chacune des couches comportant des ailettes, ou au moins une plaque ou au moins un tube. Les ailettes sont destinées à être balayées par un flux de gaz, et les plaques ou tubes sont traversées par exemple par un circuit d’huile ou comprennent un tel circuit d’huile.
Les figures 2 et 3 montrent de manière schématique un système d’échange de chaleur 20 de ce type. On constate que le dispositif d’échange de chaleur 21 de ce système 20 est annulaire et s’étend en continu sur 360° autour de l’axe X.
On constate aussi qu’il occupe une partie seulement de la hauteur H de la veine V2. Le dispositif 21 a une hauteur h ou dimension radiale qui représente une partie seulement de la hauteur H ou dimension radiale de la veine V2. Ces hauteurs H, h sont mesurées en direction radiale vis-à-vis de l’axe X, dans une zone de la veine V2 dans laquelle est situé ce dispositif 21. La hauteur H de la veine V2 est susceptible d’évoluer le long de l’axe X.
L’une des problématiques observées dans un dispositif 21 de ce type est les perturbations et les pertes de charge générées dans le flux de gaz F2, ce qui a pour effet d’augmenter la consommation spécifique et en carburant de la turbomachine 1 . D’où l’intérêt d’optimiser la performance aérothermique de ce système 20. Dans les documents précités, la Demanderesse a proposé une solution pour optimiser l’intégration de ce type de dispositif 21 dans une veine, qui est illustrée à la figure 4. L’idée consiste à ralentir la vitesse du flux de gaz traversant le dispositif 21 . En effet, l’écoulement de gaz traversant le dispositif 21 est très turbulent. Le fait de ralentir la vitesse d’écoulement du flux d’air en entrée du dispositif 21 permet d’optimiser ses performances aérothermiques et ainsi de minimiser la perte de charge pour une dissipation thermique donnée. Le contrôle de l’écoulement traversant le dispositif 21 peut se faire en associant au dispositif 21 un divergent 24 en entrée et un convergent 25. Le divergent 24 en amont du dispositif 21 est configuré de manière à comprimer et ralentir le flux de gaz entrant dans le dispositif 21 , et le convergent 25 disposé en aval du dispositif 21 est configuré de manière à accélérer et détendre le flux de gaz sortant du dispositifErreur ! Source du renvoi introuvable.. En entrée du dispositif 21 , le facteur de ralentissement est inversement proportionnel au ratio des hauteurs h/hO, h étant la hauteur précitée et hO étant la hauteur en entrée du divergent 24. A noter que plus l’écoulement est ralenti, plus la perte de charge générée par le dispositif 21 diminue. En sortie du dispositif 21 , le facteur d’accélération est inversement proportionnel au ratio des hauteurs h/h3, h3 étant la hauteur en sortie du convergent 25.
La figure 5 illustre en perspective une partie d’un dispositif d’échange de chaleur 21. On y voit la matrice d’échange thermique 26 qui est intercalée ou prise en sandwich entre un capot 27 et la paroi 22, 23 qui porte ce dispositif 21. Le convergent 25 et le divergent 24 peuvent être formés par des extrémités du capot 26, comme dans l’exemple représenté.
Dans la figure 5 et les autres figures, des flèches sont utilisées pour représenter schématiquement le circuit d’huile 28.
Les figures 6a et 6b montrent de manière schématique des variantes de réalisation de systèmes d’échange de chaleur 20.
Dans le cas de la figure 6a, le système 20 comprend un dispositif annulaire d’échange de chaleur 21 qui est sectorisé et comprend deux secteurs ayant chacun une étendue angulaire de 180° environ.
Dans le cas de la figure 6b, le système 20 comprend un dispositif annulaire d’échange de chaleur 21 qui est sectorisé et comprend quatre secteurs ayant chacun une étendue angulaire de 90° environ. Par ailleurs, dans ces figures 6a-6b, le dispositif d’échange de chaleur 21 s’étend sur toute la hauteur H de la veine et est reliée aux deux parois 22, 23. La hauteur h du dispositif 21 est alors égale à la hauteur H de la veine (figure 7).
La présente invention propose un perfectionnement à cette technologie et propose plusieurs modes de réalisation qui sont illustrés aux figures 8 et suivantes.
Une des particularités de l’invention repose sur le fait que le système d’échange de chaleur comprend au moins deux dispositifs annulaires d’échange de chaleur distincts et que chacun de ces dispositifs occupe au plus 75%, voire 50%, de la hauteur de la veine dans laquelle ils sont implantés.
Dans le premier mode de réalisation de l’invention représenté à la figure 8, le système d’échange de chaleur 20 comprend :
- deux parois annulaires, respectivement externe 22 et interne 23, qui s’étendent l’une autour de l’autre et autour d’un même axe X, et qui sont configurées pour définir entre elles une veine V2 d’écoulement d’un flux de gaz, tel qu’un flux secondaire F2,
- un premier dispositif annulaire d’échange de chaleur 21 qui s’étend autour de l’axe X et est porté par l’une desdites parois, ici la paroi externe 22, et qui est situé dans la veine V2, ce premier dispositif 21 occupant au plus 75%, voire 50%, d’une hauteur H de la veine V2, cette hauteur H étant mesurée en direction radiale dans une zone de la veine V2 dans laquelle est situé ce premier dispositif 21 , et
- un second dispositif annulaire d’échange de chaleur 30 qui s’étend autour de l’axe X et est porté par l’autre desdites parois, ici la paroi interne 23, et qui est situé dans la veine V2, ce second dispositif 30 occupant au plus 75%, voire 50%, d’une hauteur H’ de la veine V2, cette hauteur H’ étant mesurée en direction radiale dans une zone de la veine dans laquelle est situé ce second dispositif.
On constate à la figure 8 que les dispositifs 21 , 30 sont espacés axialement l’un de l’autre dans la veine V2. Ils sont espacés l’un de l’autre d’une distance axiale notée L. Le dispositif 21 situé sur la paroi externe 22 est situé en amont du dispositif 30 situé sur la paroi interne 23.
Ces dispositifs 21 , 30 sont de préférence du type air-huile et par exemple surfacique et comprennent chacun un circuit d’huile 28 et une matrice d’échange thermique 26 située dans la veine V2 et configurée pour être balayée par le flux de gaz F2, comme évoqué dans ce qui précède. La matrice d’échange thermique 26 de chacun des dispositifs 21 , 30 sont recouvertes par un capot annulaire 27 qui comprend une première extrémité 27a située en amont de la matrice d’échange thermique 26 par rapport à l’écoulement du flux de gaz F2, et qui a une forme divergente vis-à-vis de ce flux de gaz F2, et une seconde extrémité 27b située en aval de la matrice d’échange thermique 26 par rapport à l’écoulement du flux de gaz F2, et qui a une forme convergente vis-à- vis de ce flux de gaz F2.
Dans l’exemple représenté, les extrémités 27a, 27b ont chacune une forme tronconique.
Chacun des dispositifs 21 , 30 peut comprendre un échangeur de chaleur unique, ou être sectorisé et comprendre deux ou plus échangeurs de chaleur répartis autour de l’axe X, comme évoqué dans ce qui précède.
Dans l’exemple représenté, le premier dispositif 21 situé à gauche sur le dessin, est un dispositif amont qui occupe une hauteur h dans la veine comprise entre 20 et 50% de la hauteur H. Le second dispositif 30 situé à droite sur le dessin, est un dispositif aval qui occupe une hauteur h’ dans la veine comprise entre 20 et 50% de la hauteur H’.
La différence de hauteurs H-h peut être égale à la différence de hauteurs H’-h’ ou différente de cette différence de hauteurs. Par ailleurs, h ‘ peut être supérieure ou inférieure à h.
On comprend qu’une partie périphérique externe du flux d’air F2 (par exemple 5 à 30% du débit) s’écoulant dans la veine va pénétrer dans le dispositif 21 alors que le reste va contourner le dispositif 21 . Parmi ce reste, une partie périphérique interne va pénétrer dans le dispositif 30 (par exemple 5 à 30% du débit) alors que la partie médiane restant du flux va contourner ce dispositif 30.
Le dispositif 30 est ainsi traversé par un flux d’air prélevé différent de celui du dispositif 21 . En effet, un des avantages d’installer les deux dispositifs de part et d’autre des parois de la veine permet de ne pas se servir du même flux d’air en sortie du premier pour effectuer l’échange dans le deuxième, vu que l’air en sortie du premier est réchauffé par de l’huile et donc a un faible potentiel de refroidissement. Ainsi l’air en entrée de chaque dispositif a la même température qui est celle en entrée veine (au degré kelvin près). En variante, L pourrait être nulle, ou bien négative dans le cadre d’un chevauchement axial des dispositifs 21 , 30.
Le second mode de réalisation illustré à la figure 9 diffère du premier mode de réalisation notamment en ce que le dispositif 21 situé sur la paroi externe 22 est situé en aval du dispositif 30 situé sur la paroi interne 23.
Les dispositifs 21 , 30 sont espacés axialement l’un de l’autre d’une distance qui est notée L0 et qui peut être proche de zéro voire égale à zéro (et donc nulle), c’est-à- dire que les dispositifs 21 , 30 peuvent être disposés directement l’un derrière l’autre dans la veine V2.
Par ailleurs, les extrémités 27a, 27b des capots 28 ont ici des formes incurvées et non plus tronconiques.
On comprend qu’une partie périphérique interne du flux d’air F2 s’écoulant dans la veine va pénétrer dans le dispositif 30 alors que le reste va contourner le dispositif 30. Parmi ce reste, une partie périphérique externe va pénétrer dans le dispositif 21 alors que la partie médiane restant du flux va contourner ce dispositif 21 .
En variante, L0 pourrait être positive et non nulle, ou bien négative dans le cadre d’un chevauchement axial des dispositifs 21 , 30.
Le troisième mode de réalisation illustré à la figure 10 diffère du second mode de réalisation notamment en ce que les dispositifs 21 , 30 sont encore plus rapprochés axialement l’un de l’autre et se chevauchent même mutuellement en direction axiale.
Les matrices d’échange thermique 26 des dispositifs 21 , 30 sont espacées axialement les unes des autres. Le capot 27 du dispositif 30 a son extrémité aval 27b qui chevauche axialement l’extrémité amont 27a du capot 27 du dispositif 21 . Le fonctionnement de ce mode de réalisation est similaire à celui de la figure 9.
Le chevauchement permet d’avoir une variation plus progressive de la section de passage pour le flux contournant les deux dispositifs, évitant ainsi une variation significative de la section du débit contournant les dispositifs lors de son passage dans la zone où se trouvent ces deux dispositifs. Le quatrième mode de réalisation illustré à la figure 11 diffère du second mode de réalisation notamment en ce que le dispositif 30 est sectorisé et comprend deux ou plus échangeurs de chaleur répartis autour de l’axe X. Ce principe est expliqué dans ce qui précède et illustré aux figures 6a et 6b par exemple.
Le dispositif 21 pourrait également être sectorisé.
Le fonctionnement de ce mode de réalisation est similaire à celui de la figure 9.
Les modes de réalisation des figures 12 et suivantes diffèrent des précédents modes de réalisation notamment par le fait qu’ils comprennent un troisième dispositif annulaire d’échange de chaleur 40 qui s’étend autour de l’axe X et est situé dans la veine V2.
Dans le cinquième mode de réalisation de la figure 12, les dispositifs 21 et 30 sont similaires à ceux de la figure 8. Le troisième dispositif 40 est situé à distance radiale des parois 22, 23 et occupe au plus 75%, voire 50%, d’une hauteur H” de la veine V2, cette hauteur H” étant mesurée en direction radiale dans une zone de la veine V2 dans laquelle est situé ce troisième dispositif 40.
Le troisième dispositif 40 est situé axialement entre les premier et second dispositifs 21 , 30.
Les premier et troisième dispositifs 21 , 40 peuvent être espacés axialement l’un de l’autre, peuvent être situés directement l’une derrière l’autre, ou peuvent se chevaucher mutuellement axialement dans la veine.
De la même façon, les troisième et second dispositifs 40, 30 peuvent être espacés axialement l’un de l’autre, peuvent être situés directement l’une derrière l’autre, ou peuvent se chevaucher mutuellement axialement dans la veine.
Le troisième dispositif 40 comprend une matrice d’échange thermique 41 qui est prise en sandwich entre deux capots annulaires, respectivement interne 42 et externe 43.
Dans l’exemple représenté, les capots 42, 43 sont indépendants et à distance des capots 27 des premier et second dispositifs 21 , 30.
Comme les capots 27 des dispositifs 21 , 30, les capots 42, 43 du dispositif 40 peuvent être incurvés ou en variante tronconique. La différence de hauteurs H-h peut être égale à la différence de hauteurs H’-h’ et peut encore être égale à la différence de hauteur H”-h”, comme illustré schématiquement dans le dessin.
On comprend qu’une partie périphérique externe du flux d’air F2 s’écoulant dans la veine va pénétrer dans le dispositif 21 alors que le reste va contourner le dispositif
21 . Parmi ce reste, une partie médiane va pénétrer dans le dispositif 40 alors que les parties périphériques du flux vont contourner ce dispositif 40. La partie périphérique interne de ce reste va en partie pénétrer dans le dispositif 30 et le reste va le contourner pour rejoindre la partie périphérique externe du flux qui a contourné le dispositif 40.
Dans le sixième mode de réalisation de la figure 13, les dispositifs 21 et 30 sont similaires à ceux de la figure 9. Le troisième dispositif 40 s’étend entre les parois
22, 23 et est relié à ces parois 22, 23.
Dans l’exemple représenté, le troisième dispositif 40 est situé en amont des dispositifs 21 , 30.
Ce troisième dispositif 40 comprend une matrice d’échange thermique 41 qui est reliée directement aux parois 22, 23. Le troisième dispositif 40 a donc une hauteur h” égale à la hauteur H” de la veine V2.
On comprend que la totalité du flux d’air F2 pénètre dans le dispositif 40. Puis une partie périphérique interne de flux va pénétrer dans le dispositif 30 alors que le reste va contourner le dispositif 30. Parmi ce reste, une partie périphérique externe va pénétrer dans le dispositif 21 alors que reste va contourner ce dispositif 21 .
Il s’agit d’une configuration d’installation hybride (série/parallèle), le troisième dispositif 40 étant installé en série des deux autres dispositifs 21 , 30, qui à leur tour sont installés en parallèle.
Dans le septième mode de réalisation de la figure 14, les dispositifs 21 et 30 sont similaires à ceux de la figure 8. Le troisième dispositif 40 est situé axialement entre les premier et second dispositifs 21 , 30.
On constate également que le troisième dispositif 40 est situé radialement entre les premier et second dispositifs 21 , 30. Le troisième dispositif 40 comprend une matrice d’échange thermique 41 qui est prise en sandwich entre deux capots annulaires, le capot interne du dispositif 40 étant formé par l’extrémité amont 27a du capot 27 du dispositif 30, et le capot externe du dispositif 40 étant formé par l’extrémité aval 27b du capot 27 du dispositif 30.
On comprend ainsi que l’intégralité de la hauteur de la veine est occupée par les dispositifs 21 , 30, 40 dans la mesure où il n’y a pas une partie du flux de gaz F2 qui peut contourner les dispositifs, l’intégralité du flux de gaz participant ainsi à l’échange de calories avec l’huile du circuit 28.
On comprend qu’une partie périphérique externe du flux d’air F2 s’écoulant dans la veine va pénétrer dans le dispositif 21 alors que le reste va contourner le dispositif 21 . Une partie médiane de ce reste va pénétrer dans le dispositif 40 et une partie périphérique interne de ce reste va pénétrer dans le dispositif 30 de sorte que l’intégralité du flux d’air soit utilisée pour participer à l’échange de calories avec les dispositifs.
L’invention apporte plusieurs avantages parmi lesquels :
• Amélioration des performances aérothermiques des dispositifs : le concept proposé permet d’optimiser l’écoulement d’un point de vue aérothermique dans chaque dispositif. En effet, le système d’échange de chaleur n’occupe pas forcément toute la hauteur radiale disponible, ce qui rend possible d’installer un dispositif divergent/convergent en amont/aval pour mieux gérer l’écoulement dans chacun des échangeurs, sans obstruer la veine, et ainsi de réaliser un ralentissement important du flux traversant chaque dispositif. Cela permet d’optimiser les performances aérothermiques de chaque dispositif, de réduire les pertes de charges côté air, et d’avoir des dispositifs plus efficaces.
• Le fait d’installer les dispositifs de part et d’autre des parois de la veine permet de prélever de l’air à la même température en entrée de ces deux dispositifs, qui est approximativement la même que celle en entrée veine. Cela évite de réutiliser le même flux d’air réchauffé en sortie du premier échangeur pour refroidir l’huile dans le deuxième échangeur, et ainsi d’augmenter les performances aérothermiques des deux dispositifs. • Le décalage axial entre les deux dispositifs permet de désencombrer la veine dans la direction radiale.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système d’échange de chaleur (20), en particulier pour une turbomachine (1 ) d’aéronef, ce système comportant :
- deux parois annulaires, respectivement externe (22) et interne (23), qui s’étendent l’une autour de l’autre et autour d’un même axe (X), et qui sont configurées pour définir entre elles une veine (V2) d’écoulement d’un flux de gaz (F2),
- un premier dispositif annulaire d’échange de chaleur (21 ) qui s’étend autour de l’axe (X) et est porté par l’une desdites parois (22), et qui est situé dans la veine (V2), ce premier dispositif (21 ) occupant au plus 75% d’une hauteur (H) de la veine (V2), cette hauteur (H) étant mesurée en direction radiale dans une zone de la veine (V2) dans laquelle est situé ce premier dispositif (21 ), caractérisé en ce qu’il comprend en outre :
- un second dispositif annulaire d’échange de chaleur (30) qui s’étend autour de l’axe (X) et est porté par l’autre desdites parois (23), et qui est situé dans la veine (V2), ce second dispositif (30) occupant au plus 75% d’une hauteur (H’) de la veine (V2), cette hauteur (H’) étant mesurée en direction radiale dans une zone de la veine (V2) dans laquelle est situé ce second dispositif (30), et en ce que la matrice d’échange thermique (26) de chacun des premier et second dispositifs (21 , 30) sont recouvertes par un capot annulaire (27) qui comprend une première extrémité (27a) située en amont de la matrice d’échange thermique (26) par rapport à l’écoulement du flux de gaz, et qui a une forme divergente vis-à-vis de ce flux de gaz (F2), et une seconde extrémité (27b) située en aval de la matrice d’échange thermique (26) par rapport à l’écoulement du flux de gaz, et qui a une forme convergente vis-à- vis de ce flux de gaz (F2)..
2. Système d’échange de chaleur (20) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les dispositifs (21 , 30) sont espacés axialement l’un de l’autre dans la veine (V2).
3. Système d’échange de chaleur (20) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les dispositifs (20) se chevauchent mutuellement axialement dans la veine (V2).
4. Système d’échange de chaleur (20) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un troisième dispositif annulaire d’échange de chaleur (40), de préférence du type surfacique, qui s’étend autour de l’axe (X) et est situé dans la veine (V2).
5. Système d’échange de chaleur (20) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le troisième dispositif (40) est situé à distance radiale desdites parois (22, 23) et occupe au plus 50% d’une hauteur (H”) de la veine (V2), cette hauteur (H”) étant mesurée en direction radiale dans une zone de la veine (V2) dans laquelle est situé ce troisième dispositif (40).
6. Système d’échange de chaleur (20) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le troisième dispositif (40) est situé axialement entre les premier et second dispositifs (21 , 30), les premier et troisième dispositifs (21 , 40) se chevauchant mutuellement axialement dans la veine (V2), et/ou les troisième et second dispositifs (40, 30) se chevauchant mutuellement axialement dans la veine (V2).
7. Système d’échange de chaleur (20) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le troisième dispositif (40) s’étend entre lesdites parois (22, 23) et est relié à ces parois.
8. Système d’échange de chaleur (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les dispositifs (21 , 30, 40) sont du type air-huile et comprennent un circuit d’huile (28) et une matrice d’échange thermique (26, 41 ) située dans la veine (V2) et configurée pour être balayée par ledit flux de gaz (F2).
9. Système d’échange de chaleur (20) selon la revendication 8en dépendance de la revendication 3, caractérisé en ce que les matrices d’échange thermique (26) des premier et seconds dispositifs (21 , 30) sont espacées axialement les unes des autres, et la seconde extrémité (27b) du capot (27) de l’un des premier et second dispositifs (21 , 30) chevauche axialement la première extrémité (27a) du capot (27) de l’autre des premier et second dispositifs (21 , 30).
10. Système d’échange de chaleur (20) selon la revendication 8, en dépendance de la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la matrice d’échange thermique (41 ) du troisième dispositif (40) est prise en sandwich entre deux capots annulaires (42, 43) qui sont indépendants et à distance des capots (27) des premier et second dispositifs (21 , 30).
11 . Système d’échange de chaleur (20) selon la revendication 8, en dépendance de la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la matrice d’échange thermique (41 ) du troisième dispositif (40) est prise en sandwich entre deux capots annulaires dont un premier capot qui est relié au capot ou forme le capot (27) du premier dispositif (21 ), et dont un second capot est relié au capot ou forme le capot (27) du second dispositif (30).
12. Système d’échange de chaleur (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce que chacun des dispositifs (21 , 30, 40) occupe au moins 10% de la hauteur (H, H’, H”) précitée de la veine (V2).
13. Système d’échange de chaleur (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que chacun des dispositifs (21 , 30, 40) comprend un échangeur de chaleur unique, ou est sectorisé et comprend deux ou plus échangeurs de chaleur répartis autour de l’axe (X).
14. Système d’échange de chaleur (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le premier dispositif occupe au plus 50% de la hauteur de la veine, et le second dispositif occupe au plus 50% de la hauteur de la veine.
15. Système d’échange de chaleur (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que chacune des formes divergente et convergente a une forme tronconique ou arrondie.
16. Turbomachine (1 ) ou appareil électronique comprenant au moins un système d’échange de chaleur (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 15.
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