FR2889297A1 - Echangeur thermique, ensemble propulseur, et aeronef comportant un tel ensemble propulseur - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un échangeur thermique (1) comportant un boîtier principal (5) d'échange thermique, un conduit d'arrivée d'air de refroidissement (3) et un conduit d'arrivée d'air chaud (4) pour amener un flux d'air de refroidissement et un flux d'air chaud dans le boîtier principal, caractérisé en ce qu'il comporte un pré-échangeur thermique (2) disposé en amont du boîtier principal, le pré-échangeur thermique étant apte à être traversé par le flux d'air de refroidissement et le flux d'air chaud préalablement au boîtier principal. L'invention concerne également un ensemble propulseur et un aéronef comportant un tel échangeur thermique.
Description
Echangeur thermique, ensemble propulseur, et aéronef comportant un tel
ensemble propulseur.
L'invention concerne un échangeur thermique apte à refroidir, au moins partiellement, un flux d'air très chaud au moyen d'un flux d'air froid. L'invention concerne plus particulièrement une position de conduits d'arrivée d'air froid et d'arrivée d'air chaud par rapport à un boîtier de l'échangeur thermique. L'invention concerne également un ensemble propulseur comportant un turboréacteur et un tel échangeur thermique. L'invention concerne aussi un aéronef comportant au moins un ensemble propulseur selon l'invention.
Dans le domaine de l'aéronautique, il est connu d'utiliser de l'air chaud, prélevé à l'endroit des compresseurs des turboréacteurs d'un aéronef, pour alimenter des circuits de conditionnement d'air dudit aéronef.
Les circuits de conditionnement d'air étant destinés au poste de pilotage et aux cabines transportant les passagers, il est nécessaire de refroidir cet air chaud avant de l'injecter dans lesdits circuits.
Pour cela, on utilise un échangeur thermique, dans lequel un flux d'air chaud, prélevé au niveau d'un compresseur d'un turboréacteur, croise un flux d'air froid, prélevé au sortir d'une soufflante d'un turboréacteur. Le flux d'air froid et le flux d'air chaud circulent à l'intérieur d'un boîtier de l'échangeur thermique de telle manière qu'un échange calorifique peut avoir lieu. Au sortir du boîtier de l'échangeur thermique, le flux d'air chaud est partiellement refroidi et est envoyé en direction du circuit de conditionnement d'air. Le flux d'air froid ayant permis le refroidissement est quant à lui rejeté à l'extérieur.
Un inconvénient majeur des échangeurs thermiques actuels est son encombrement. En effet, l'échangeur thermique est généralement disposé sur une face supérieure d'un mât de fixation qui relie le turboréacteur à la voilure de l'aéronef. Les conduits d'arrivée d'air froid et d'arrivée d'air chaud, du fait de la position du mât au-dessus du turboréacteur, doivent traverser la structure forte du mât. Le passage des conduits d'arrivée d'air froid et d'air chaud dans la structure forte, ou caisson, du mât nécessite de renforcer la structure du mât au niveau du passage desdits conduits d'arrivée d'air. Cela tend notamment à alourdir la structure.
Pour pallier cet inconvénient, il est possible de ménager les conduits d'arrivée d'air froid et d'arrivée d'air chaud de manière à ce que le conduit d'arrivée d'air chaud traverse une pyramide du mât, qui est une structure creuse située en avant du caisson du mât. Le conduit d'arrivée d'air froid, lui, transite au-dessus de la pyramide du mât et ne traverse donc pas ledit mât.
Cependant, une telle solution est difficile à mettre en oeuvre. En effet, le conduit d'arrivée d'air chaud est situé sous le conduit d'arrivée d'air froid, alors que les conduits d'arrivée d'air froid et d'arrivée d'air chaud pénètrent dans le boîtier de l'échangeur thermique respectivement par la face inférieure et par la face avant dudit boîtier. Ainsi, le conduit d'arrivée d'air froid peut gêner le passage du conduit d'arrivée d'air chaud.
Dans l'invention, on cherche à trouver une solution permettant de diminuer la masse totale de l'échangeur thermique, ainsi que l'encombrement dudit échangeur thermique.
Pour cela, l'invention propose un échangeur thermique dans lequel le flux d'air froid et le flux d'air chaud se croisent non seulement dans le boîtier de l'échangeur thermique, mais également en amont dudit boîtier, de manière à ce qu'un échange thermique préalable ait lieu. Le canal d'arrivée d'air chaud traverse le canal d'arrivée d'air froid, ou inversement, avant que les deux canaux ne pénètrent dans le boîtier de l'échangeur thermique. Ainsi, on diminue l'encombrement de l'échangeur thermique en amont du boîtier puisque les deux canaux d'arrivée d'air ne se croisent plus, mais l'un traverse l'autre. Par amont, on entend par rapport à la direction des flux d'air dans les canaux d'arrivée d'air. Par ailleurs, on permet un pré-échange thermique entre le flux d'air froid et le flux d'air chaud. Il est donc possible de réduire le volume du boîtier de l'échangeur thermique. On diminue ainsi l'encombrement du boîtier de l'échangeur thermique au-dessus du mât de liaison du turboréacteur à la voilure de l'aéronef. Ce croisement physique des flux d'air froid et d'air chaud, en amont du boîtier dans lequel a lieu l'échange calorifique principal, peut se faire par simple croisement physique des tuyauteries formant les canaux d'arrivée d'air froid et d'air chaud, mais également au moyen d'un boîtier secondaire. Le boîtier secondaire a, par exemple, une structure semblable à celle du boîtier principal, et peut être de taille réduite par rapport audit boîtier principal. De même, il est possible de prévoir que le boîtier secondaire et le boîtier principal soient de tailles réduites par rapport à un boîtier conventionnel de l'état de la technique. Par exemple, il est possible d'utiliser un boîtier principal et un boîtier secondaire tels que le volume cumulé de ces deux boîtiers correspond au volume d'un boîtier conventionnel de l'état de la technique.
L'invention a donc pour objet un échangeur thermique comportant un boîtier principal d'échange thermique, un conduit d'arrivée d'air de refroidissement et un conduit d'arrivée d'air chaud pour amener un flux d'air de refroidissement et un flux d'air chaud dans le boîtier principal, caractérisé en ce qu'il comporte un pré-échangeur thermique disposé en amont du boîtier principal, de manière à ce que le flux d'air de refroidissement et le flux d'air chaud traversent le pré-échangeur thermique avant le boîtier principal.
Par en amont, on entend selon le sens de l'écoulement des flux d'air de refroidissement et d'air chaud dans les conduits d'arrivée d'air. Le prééchangeur est donc disposé entre la source de flux d'air de refroidissement et le boîtier principal.
Selon des exemples de réalisation de l'échangeur thermique de l'invention, ledit échangeur peut comporter tout ou parties des caractéristiques supplémentaires suivantes: - Le pré-échangeur comporte une section du conduit d'arrivée d'air de refroidissement et une section du conduit d'arrivée d'air chaud.
- La section du conduit d'arrivée d'air chaud traverse la section du conduit d'arrivée d'air de refroidissement.
- La section du conduit d'arrivée d'air de refroidissement traverse la section du conduit d'arrivée d'air chaud.
- Le pré-échangeur comporte un boîtier secondaire d'échange thermique, dans lequel le flux d'air de refroidissement et le flux d'air chaud peuvent circuler.
- Le conduit d'arrivée d'air de refroidissement pénètre dans le boîtier principal par une face inférieure dudit boîtier principal.
- Le conduit d'arrivée d'air chaud pénètre dans ledit boîtier principal par une face avant dudit boîtier principal.
L'invention concerne également un ensemble propulseur pour aéronef, comportant un turboréacteur et un échangeur thermique selon l'invention.
Selon des exemples de réalisation de l'ensemble propulseur selon l'invention, ledit ensemble peut comporter tout ou partie des caractéristiques supplémentaires suivantes: - Le boîtier principal de l'échangeur thermique est fixé à une face supérieure d'un mât de liaison pour fixer le turboréacteur à la voilure d'un aéronef.
- Le conduit d'arrivée d'air chaud traverse la pyramide du mât, le conduit d'arrivée d'air de refroidissement transitant au-dessus de ladite pyramide.
- Le conduit d'arrivée d'air de refroidissement prélève le flux d'air de refroidissement dans une zone de bifurcation des flux d'air dans le turboréacteur, en amont des capots d'inverseur du turboréacteur.
L'invention concerne également un aéronef comportant au moins un ensemble propulseur selon l'invention.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures représentent: - Figure 1: une représentation schématique d'un échangeur thermique selon un premier exemple de réalisation de l'invention.
- Figure 2: un agrandissement de la figure 1 au niveau du croisement entre le conduit d'arrivée d'air de refroidissement et le conduit d'arrivée d'air chaud.
- Figure 3: une représentation schématique d'un échangeur thermique selon un second exemple de réalisation de l'invention.
Sur la figure 1 est représenté un échangeur thermique 1 selon l'invention comportant un conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3, un conduit d'arrivée d'air chaud 4, un boîtier principal 5 et un pré-échangeur thermique 2. Le pré-échangeur thermique 2 est constitué d'un croisement physique entre le conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3 et le conduit d'arrivée d'air chaud 4, en amont du boîtier principal 5. Plus précisément le conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3, de plus grande section, est traversé par le conduit d'arrivée d'air chaud 4, de plus petite section. Dans un autre exemple de réalisation, il est possible à l'inverse que le conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3 traverse le conduit d'arrivée d'air chaud 4.
Le boîtier principal 5, dans lequel un flux d'air de refroidissement et un flux d'air chaud sont destinés à circuler afin de refroidir au moins partiellement le flux d'air chaud, a une forme générale rectangulaire. Le boîtier principal 5 est partiellement solidaire d'une face supérieure 7 d'un caisson 8 d'un mât 6. Le mât 6 permet de fixer un turboréacteur sur une voilure d'un aéronef (non représentés). Le mât 6 comporte le caisson 8 ainsi qu'une pyramide 9. La pyramide 9 forme l'extrémité avant du mât 6, c'est-à- dire l'extrémité du mât 6 dirigée vers l'avant de l'aéronef. Le caisson 8 est une structure forte du mât 6. La pyramide 9, elle, est une structure creuse délimitée par quatre bras 10 (trois bras visibles sur la figure 1). Le boîtier d'échangeur thermique de l'état de la technique est pleinement solidarisé à la face supérieure du mât, c'est à dire que toute la surface de la face inférieure du boîtier est solidaire du mât. Dans l'exemple selon l'invention, le boîtier principal 5 est légèrement en avant sur le caisson 8 du mât, de sorte que seulement une surface partielle de la face inférieure 12 du boîtier principal 5 est solidaire de la face supérieure 7 du caisson 8 mât 6. Par face inférieure, on entend la face du boîtier 5 dirigée vers la face supérieure 7 du caisson 8 du mât 6. La partie avant du boîtier principal 5 est au devant du caisson 8 du mât 6, au-dessus de la pyramide 9.
Une face avant 11 du boîtier 5 reçoit le conduit d'arrivée d'air chaud 4. Par face avant, on entend la face du boîtier 5 dirigée vers l'avant de l'aéronef. Le conduit d'arrivée d'air chaud 4 prélève l'air chaud dans le moteur du turboréacteur, situé sous le mât 6. Ainsi, le conduit d'arrivée d'air chaud 4 doit traverser le mât 6 pour pouvoir amener le flux d'air chaud dans le boîtier principal 5 de l'échangeur thermique 1 situé audessus du mât 6. Pour cela, le conduit d'arrivée d'air chaud traverse le volume interne, creux, de la pyramide 9.
La face inférieure 12 du boîtier principal 5 reçoit le conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3. Le conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3 prélève le flux d'air de refroidissement au niveau de la soufflante du turboréacteur (non représenté). Le flux d'air de refroidissement est par exemple prélevé frontalement par le conduit d'arrivée d'air de refroidissement, afin de pouvoir arriver de face sur le boîtier principal 5. Le conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3 transite au-dessus de la pyramide 9 du mât 6, et ne traverse donc pas ledit mât 6.
Sur la figure 2, on peut voir plus en détails le pré-échangeur 2. Une section 13 du conduit d'arrivée d'air chaud 4 traverse une section 14 du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3. Le flux d'air chaud et le flux d'air froid se croisent perpendiculairement l'un à l'autre. La paroi externe 15 de la section 13 du conduit d'arrivée d'air chaud 4 est léchée par le flux d'air de refroidissement traversant la section 11 du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3. Ainsi, le flux d'air chaud traversant la section 13 du conduit d'arrivée d'air chaud 4 est partiellement refroidi par le flux d'air de refroidissement. Plus précisément, l'air chaud en contact avec la paroi interne 16 de la section 13 du conduit d'arrivée d'air chaud 4 est plus refroidi que l'air chaud situé au coeur de la section 13 du conduit d'arrivée d'air chaud 4. L'importance de l'échange calorifique entre le flux d'air chaud et le flux d'air de refroidissement dans le pré-echangeur 2 dépend notamment de la pression de ces deux flux dans les conduits d'arrivée d'air chaud 4 et d'air de refroidissement 3.
Pour réaliser un tel pré-échangeur 2, il est possible de ménager un orifice traversant dans la section 14 du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3, dont le diamètre est au moins égal au diamètre externe du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 4. On introduit alors le conduit d'arrivée d'air de refroidissement 4 dans l'orifice, de manière à ce que la section 13 du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3 soit logée dans la section 14 du conduit d'arrivée d'air chaud 4.
La section 13 du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 4 peut également être un tube rapporté indépendant. Le conduit d'arrivée d'air chaud 4 est alors formé d'au moins trois tronçons, le tronçon central formant la section 13 du conduit d'arrivée d'air chaud 4. Il est également possible de réaliser un conduit d'arrivée d'air chaud 4 en deux tronçons ou plus. La liaison entre les différents tronçons du conduit d'arrivée d'air chaud 4 peut être réalisée par tout moyen assurant une étanchéité au fluide. Par exemple, on utilise des colliers d'étanchéité 18. Un collier d'étanchéité 18 entoure les extrémités de deux tronçons adjacents du conduit d'arrivée d'air chaud 4, et enserre lesdits tronçons de manière étanche.
La section 13 du conduit d'arrivée d'air chaud 4 est par exemple soudée à la paroi de la section 14 du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3 bordant l'orifice traversant, afin d'être maintenue en position dans ledit orifice traversant. Par ailleurs, les soudures 17 peuvent assurer une étanchéité de la section 14 du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3. Le flux d'air de refroidissement ne peut ainsi pas sortir hors du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3, au niveau de la liaison entre les deux sectionsl3 et 14. Il est également possible d'utiliser des joints d'étanchéité à la place ou en complément des soudures 17 pour garantir l'étanchéité.
Dans l'exemple représenté à la figure 1, le conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3 est sensiblement parallèle au mât 6, ce qui permet notamment d'acheminer le flux d'air de refroidissement jusqu'au boîtier principal 5 sans que le conduit d'arrivée d'air de refroidissement 3 traverse le mât 6. Cela est notamment possible en prélevant le flux d'air de refroidissement frontalement dans le turboréacteur, par exemple au niveau d'une zone de bifurcation des flux dans le turboréacteur, en amont des capots d'inverseur, de sorte que le flux d'air de refroidissement est prélevé de face sur le turboréacteur. Bien entendu, dans d'autres exemples de réalisation, le flux d'air de refroidissement peut être prélevé, comme cela est fait d'ordinaire dans l'état de la technique, de manière latérale, au niveau d'un des deux capots d'inverseur du turboréacteur.
Sur la figure 3 est représenté un deuxième exemple de réalisation d'un échangeur thermique 1 selon l'invention.
L'échangeur thermique 1 comporte une conduite d'arrivée d'air de refroidissement 23, un conduit d'arrivée d'air chaud 24, un boîtier principal 21, et un pré-échangeur 20 disposé en amont du boîtier principal 20.
Le pré-échangeur thermique 20 comporte un boîtier secondaire 22 dans lequel le flux d'air de refroidissement et le flux d'air chaud circulent perpendiculairement l'un à l'autre, avant de circuler dans le boîtier principal 21. Le boîtier secondaire 22 a une forme générale rectangulaire.
Une section inférieure 25 du conduit d'arrivée d'air chaud 24 amène le flux d'air chaud depuis le moteur du turboréacteur jusqu'à boîtier secondaire 22. Par section inférieure 25, on entend la section du conduit d'arrivée d'air chaud 24 située sous le boîtier secondaire 22. La section inférieure 25 du conduit d'arrivée d'air chaud 24 débouche sur une face inférieure 27 du boîtier secondaire 22. Une section supérieure 26 du conduit d'arrivée d'air chaud 24 amène le flux d'air chaud depuis le boîtier secondaire 22 jusqu'au boîtier principal 21. Par section supérieure 26, on entend la section du conduit d'arrivée d'air chaud 24 située au-dessus du boîtier secondaire 22.
La section supérieure 26 du conduit d'arrivée d'air chaud 24 ressort du boîtier secondaire 22 par une face supérieure 28 dudit boîtier secondaire 22, opposée à la face inférieure 25. La face supérieure 28 du boîtier secondaire 22 est la face dirigée vers le boîtier principal 21. Le flux d'air chaud traverse donc verticalement le boîtier secondaire 22.
Une section avant 29 du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 23 amène le flux d'air de refroidissement depuis le turboréacteur jusqu'au boîtier secondaire 22. Par section avant, on entend la section du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 23 située en amont du boîtier second 22. La section avant 29 du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 23 débouche sur une face avant 30 du boîtier secondaire 22. Une section arrière 31 du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 23 amène le flux d'air de refroidissement depuis le boîtier secondaire 22 jusqu'au boîtier principal 21. Par section arrière, on entend la section du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 23 située en aval du boîtier secondaire 22. La section arrière 31 du conduit d'arrivée d'air de refroidissement 23 ressort du boîtier secondaire 22 par une face arrière 32 dudit boîtier secondaire 22. Le flux d'air de refroidissement traverse donc horizontalement le boîtier secondaire 22.
Le flux d'air de refroidissement traverse d'avant en arrière le boîtier secondaire 22, tandis que le flux d'air chaud traverse le boîtier secondaire 22 de bas en haut. A l'inverse, le flux d'air chaud traverse le boîtier principal 21 d'avant en arrière, tandis que le flux d'air de refroidissement transverse boîtier principal 21 de bas en haut. Le flux d'air de refroidissement et le flux d'air chaud sont donc perpendiculaires l'un à l'autre dans le boîtier secondaire 22 et dans le boîtier principal 21.
L'étanchéité entre les différentes sections 25, 26, 29, 31 des conduits d'arrivée d'air chaud 24 et d'air de refroidissement 23 et le boîtier secondaire 22 peut être assurée par tout moyen, notamment en utilisant, de la même manière que dans le premier exemple de réalisation, des soudures et/ou des colliers d'étanchéité.
Le boîtier principal 21 peut avoir un volume réduit par rapport aux boîtiers des échangeurs thermiques classiques du fait de la présence de ce pré-échangeur 20. En effet, un échange thermique important a déjà lieu dans le boîtier secondaire 22. En diminuant la taille, et donc le volume du boîtier principal 21, on diminue l'encombrement de l'échangeur thermique au- dessus du mât 6, et on diminue ainsi la traînée aérodynamique due à cet échangeur thermique 1.
Un aéronef comporte généralement deux ensembles propulseurs, comportant chacun un turboréacteur, disposés respectivement sous chaque aile de la voilure de l'aéronef. Il est possible de munir chaque ensemble propulseur de l'aéronef, ou un seul des deux, d'un échangeur thermique 1 selon l'invention. Il existe aussi certains aéronefs munis de deux ensembles propulseurs sous chaque aile de la voilure. Dans ce cas, il est possible de munir un, deux, trois ou les quatre ensembles propulseurs d'un échangeur thermique 1 selon l'invention.
Claims (12)
1- Echangeur thermique (1) comportant un boîtier principal (5, 21) d'échange thermique, un conduit d'arrivée d'air de refroidissement (3, 23) et un conduit d'arrivée d'air chaud (4, 24) pour amener un flux d'air de refroidissement et un flux d'air chaud dans le boîtier principal, caractérisé en ce qu'il comporte un pré-échangeur thermique (2, 20) disposé en amont du boîtier principal, de manière à ce que le flux d'air de refroidissement et le flux d'air chaud traversent le pré-échangeur thermique avant le boîtier principal.
2- Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pré-échangeur comporte une section (14) du conduit d'arrivée d'air de refroidissement et une section (13) du conduit d'arrivée d'air chaud.
3- Echangeur thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section du conduit d'arrivée d'air chaud traverse la section du conduit d'arrivée d'air de refroidissement.
4- Echangeur thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section du conduit d'arrivée d'air de refroidissement traverse la section du conduit d'arrivée d'air chaud.
5- Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le pré-échangeur comporte un boîtier secondaire (22) d'échange thermique.
6- Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le conduit d'arrivée d'air de refroidissement pénètre dans le boîtier principal par une face inférieure (12) dudit boîtier.
7- Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le conduit d'arrivée d'air chaud pénètre dans le boîtier principal par une face avant (11) dudit boîtier.
8- Ensemble propulseur pour aéronef, comportant un turboréacteur et un échangeur thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 7.
9- Ensemble propulseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le boîtier principal de l'échangeur thermique est fixé à une face supérieure (7) d'un mât (6) de liaison pour fixer le turboréacteur à une voilure de l'aéronef.
10- Ensemble propulseur selon l'une des revendications 8 à 9, caractérisé en ce que le conduit d'arrivée d'air chaud traverse la pyramide (9) du mât, le conduit d'arrivée d'air de refroidissement transitant au-dessus de ladite pyramide.
11- Ensemble propulseur selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le conduit d'arrivée d'air de refroidissement prélève le flux d'air de refroidissement dans une zone de bifurcation des flux d'air dans le turboréacteur, en amont des capots d'inverseur du turboréacteur.
12- Aéronef caractérisé en ce qu'il comporte au moins un ensemble propulseur selon l'une des revendications 8 à 11.
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| FR2889297B1 (fr) | 2010-11-26 |
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