FR2902831A1

FR2902831A1 - Turboreacteur pour aeronef

Info

Publication number: FR2902831A1
Application number: FR0652654A
Authority: FR
Inventors: Guillaume Bulin; Patrick Oberle
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2007-12-28
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: FR2902831B1; US20100028139A1; US8235657B2

Abstract

L'invention concerne un turboréacteur (100) pour aéronef comportant un moteur (102) logé dans une nacelle (101) et un échangeur thermique (106) apte à être traversé par un fluide chaud destiné à être refroidi par échange thermique avec un fluide froid externe à l'échangeur thermique, caractérisé en ce que l'échangeur thermique est disposé dans un volume interne (103) de la nacelle, entre une paroi interne (104) de la nacelle et une paroi externe (108) du moteur, de manière à présenter deux surfaces d'échange thermique (109, 110) dans l'écoulement du flux d'air du turboréacteur. L'invention concerne également un aéronef muni d'un tel turboréacteur.

Description

TURBOREACTEUR POUR AERONEF

L'invention concerne un turboréacteur pour aéronef. Plus précisément l'invention concerne un échangeur thermique, également appelé échangeur surfacique, logé dans un turboréacteur. L'échangeur thermique selon l'invention est par exemple destiné à refroidir un fluide du système propulsif du turboréacteur, tel que de l'huile, afin qu'il puisse être réinjecté dans ledit système propulsif au moins partiellement refroidi. L'invention concerne également un aéronef comportant au moins un tel turboréacteur. D'une manière générale, l'échangeur thermique selon l'invention trouve des applications dès lors qu'il est nécessaire de refroidir un fluide destiné à circuler dans ou à la périphérie d'un turboréacteur. Dans le domaine de l'aviation civile, il est connu d'utiliser un échangeur thermique annexe pour refroidir l'huile qui circule dans le moteur du turboréacteur. L'huile chaude est amenée dans l'échangeur thermique pour y être refroidie avant d'être réutilisée dans le système propulsif. Sur la figure 1 de l'état de la technique est représenté, en coupe, un turboréacteur 1 ainsi que deux échangeur thermiques 2 et 12 de l'état de la technique. Le turboréacteur 1 comporte une nacelle 2 dans laquelle est logé un moteur 3. Le moteur 3 est fixé à une paroi interne 4 de la nacelle 2 par l'intermédiaire de bifurcations d'air 5. Dans l'état de la technique, il existe de manière générale deux positionnement possibles pour l'échangeur thermique. En effet, l'échangeur thermique peut être positionné au niveau du corps du moteur 3, ou au niveau de la nacelle 2. Lorsque l'échangeur thermique est 6 monté au niveau du corps du moteur 3, il est plus précisément logé dans un volume interne 7 ménagé entre un capot moteur 8 entourant au moins partiellement le moteur 3, et le moteur 3 lui-même. Une entrée d'air 9 prélève de l'air froid dans le flux d'air froid traversant le turboréacteur 1, pour l'amener à l'intérieur de l'échangeur thermique 6. L'air froid traverse la matrice de l'échangeur thermique, dans lequel circule l'huile chaude à refroidir. Les deux fluides sont séparés l'un de l'autre par des cloisons, et ne se mélangent pas. L'échange calorifique se fait à l'intérieur de la matrice. L'air partiellement réchauffé sort de l'échangeur thermique 6, par une sortie d'air 10, pour être réinjecté dans le flux d'air secondaire sortant de la nacelle. Dans le cas où l'échangeur thermique 12 est positionné au niveau de la nacelle 2, il est plus précisément logé dans le volume interne de ladite nacelle 2. Une entrée d'air 13 prélève de l'air froid dans le flux d'air froid traversant le turboréacteur 1, pour l'amener à l'intérieur dudit échangeur thermique 12. Après avoir traversé la matrice de l'échangeur thermique 12, ce débit d'air est soit éjecté à l'extérieur de la nacelle 2 par une sortie d'air 14, soit réintroduit dans l'écoulement interne du moteur par une sortie d'air spécifique (non représentée). De tels échangeurs thermiques ne se révèlent pas être une solution optimale en terme de rendement propulsif et d'impact aérodynamique sur le moteur, et ce pour plusieurs raisons. Dans le cas où l'air qui traverse la matrice de l'échangeur est rejeté à l'extérieur de l'écoulement interne du moteur, c'est-à-dire dans le cas d'un montage dans la nacelle avec sortie d'air vers l'extérieur, le prélèvement d'air constitue une perte directe de rendement propulsif dans la mesure où il ne contribue pas ou peu à la poussée du moteur. Dans le cas où l'air qui traverse la matrice de l'échangeur thermique est ré-introduit dans l'écoulement interne du moteur, cas d'un montage dans le corps du moteur, la matrice de l'échangeur thermique induit de par son architecture interne une forte perte de charge dans l'écoulement et tend à perturber de façon plus ou moins significative l'écoulement aérodynamique aval du moteur. Par ailleurs, la présence d'une entrée d'air, d'un ou plusieurs conduits internes, ainsi que d'une sortie d'air engendre des pertes de charge et perturbe de façon plus ou moins significative l'écoulement interne du moteur. Une autre solution connue est d'utiliser un échangeur à plaques. On connaît notamment un échangeur à plaques épousant localement la forme de la paroi interne 4 de la nacelle 2 à laquelle elle est accolée. Une face supérieure de l'échangeur thermique est accolée à la paroi interne 4 de la nacelle, tandis qu'une face inférieure est située dans le flux d'air froid qui traverse le volume interne de la nacelle 2. La chaleur transportée au sein de l'échangeur est transférée par conduction thermique à la surface interne de la plaque formant la face inférieure dudit échangeur thermique. Cette plaque chaude est léchée par le flux d'air froid s'écoulant dans la nacelle 2. La chaleur emmagasinée dans la plaque chaude est ainsi dissipée par convection forcée vers l'écoulement aérodynamique du turboréacteur 1. Un inconvénient de ce deuxième mode de réalisation d'un échangeur thermique de l'état de la technique est qu'il est incompatible avec les systèmes actuels de réduction des nuisances sonores sortant du turboréacteur. En effet, pour réduire ces nuisances sonores, il est connu de recouvrir au moins partiellement la paroi interne 4 de la nacelle 2 d'un revêtement acoustique 11. Plus généralement, ce revêtement acoustique 11 recouvre les parois internes et externes de la nacelle 2 et du capot moteur 8 dès lors que deux de ces parois sont en regard l'une de l'autre. La présence de ce revêtement acoustique 11 est incompatible avec l'accolement de l'échangeur thermique à plaques sur la paroi interne 4 de la nacelle 2. Il serait nécessaire, pour utiliser un tel échangeur thermique à plaques, de supprimer localement le revêtement acoustique 11, ce qui s'avère difficile au vu des critères de dimensionnement relatifs aux nuisances sonores. Dans l'invention, on cherche à fournir un échangeur thermique, apte à refroidir un fluide, tel que de l'huile ou autre fluide caloporteur participant au système propulsif du moteur, qui puisse s'installer aisément dans un turboréacteur et s'adapter aux normes et contraintes actuelles, notamment acoustiques. On cherche également à fournir un échangeur thermique ayant un rendement accru par rapport au rendement des échangeurs thermiques de l'état de la technique, c'est-à-dire ayant des capacités de refroidissement plus importantes.

Pour cela, l'échangeur thermique selon l'invention est disposé dans un volume interne de la nacelle du turboréacteur, sans être accolé ni à la paroi interne de la nacelle, ni à la paroi externe du moteur. Ainsi, l'échangeur thermique selon l'invention présente deux surfaces d'échange thermique, chacune des surfaces étant au contact de l'écoulement d'air froid traversant la nacelle. La présence de ces deux surfaces d'échange thermique permet d'augmenter les capacités de refroidissement dudit échangeur thermique. L'échangeur thermique selon l'invention est disposé autour du moteur sans être accolé à celui-ci. L'échangeur thermique selon l'invention est traversé par un fluide chaud, tel que de l'huile chaude. La chaleur ainsi transportée au sein de l'échangeur thermique est transférée par conduction thermique à la surface interne dudit échangeur thermique, pour être dissipé par convection forcée vers l'écoulement aérodynamique dans lequel ledit échangeur thermique est immergé. Les parois de l'échangeur thermique ne sont accolées ni à la paroi interne froide de la nacelle, ni à la paroi externe chaude du turboréacteur. On optimise l'échange thermique grâce à l'augmentation de la surface au niveau de laquelle l'échange thermique peut avoir lieu. Par ailleurs, aucun aménagement spécifique des structures du turboréacteur n'est nécessaire. L'échangeur thermique est rapporté dans la nacelle sans interférer avec les structures existantes.

L'invention a donc pour objet un turboréacteur pour aéronef comportant un moteur logé dans une nacelle et un échangeur thermique apte à être traversé par un fluide chaud, destiné à être refroidi par échange thermique avec un fluide froid externe à l'échangeur thermique, caractérisé en ce que l'échangeur thermique est disposé dans un volume interne de la nacelle, entre une paroi interne de la nacelle et une paroi externe du moteur, de manière à présenter au moins deux surfaces d'échange thermique dans l'écoulement du flux d'air du turboréacteur. La présence des deux surfaces d'échange thermique optimise les capacités de refroidissement de l'échangeur thermique selon l'invention. Par ailleurs, l'échangeur thermique selon l'invention est disposé à distance de la paroi interne de la nacelle et de la paroi externe du moteur. Il est donc tout à fait possible de maintenir un éventuel revêtement acoustique sur les parois du turboréacteur. Avantageusement, l'échangeur thermique selon l'invention est disposé autour du moteur, un contour interne dudit échangeur suivant au moins partiellement un contour externe dudit moteur. Par exemple, l'échangeur thermique a une forme générale en anneau fermé. Dans un autre exemple de réalisation, on peut prévoir que l'échangeur thermique a une forme générale en arc de cercle, c'est-à-dire ne couvre pas un secteur de 360 , mais un secteur partiel de 90 , 180 , 240 ou autre. La forme générale en arc de cercle ouvert ou fermé de l'échangeur thermique selon l'invention peut dépendre notamment des contraintes aérodynamiques et de l'espace interne du système propulsif fournissant le fluide à refroidir de même qu'en fonction des exigences de refroidissement dudit fluide. Notamment, plus la quantité de fluide à refroidir est importante, et/ou plus la température du fluide à refroidir est élevée, plus il peut être intéressant d'augmenter la surface d'échange de l'échangeur thermique, et donc d'utiliser un échangeur thermique en forme générale d'anneau fermé de manière à augmenter la surface à parcourir par le fluide à refroidir. Préférentiellement, l'échangeur thermique est disposé en aval de la soufflante. D'une manière générale, on préfère ne pas disposer l'échangeur thermique selon l'invention en amont de la soufflante, du fait des contraintes aérodynamiques du turboréacteur, puisque la présence physique de l'échangeur thermique peut perturber l'écoulement au niveau de l'écoulement aérodynamique de la soufflante. Dans un exemple particulier de réalisation de l'invention, l'échangeur thermique a une section ovale profilée. Par section ovale, on entend que la section a une faible épaisseur par rapport à la longueur. Par longueur, on entend la dimension s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du turboréacteur, tandis que par épaisseur on entend la dimension s'étendant radialement par rapport à l'axe longitudinal du turboréacteur. Par profilée, on entend de manière plus générale, une forme aérodynamique, de manière à ne pas perturber l'écoulement de l'air dans la nacelle. La forme torique ovoïde profilée de l'échangeur thermique selon l'invention permet d'optimiser les surfaces d'échanges thermiques tout en ne perturbant qu'au minimum l'écoulement de l'air, puisque le volume du corps pouvant perturber ledit écoulement est minimisé. On limite au maximum les perturbations aérodynamiques engendrées par la présence même de l'échangeur thermique. Par exemple, l'échangeur thermique est solidaire d'au moins une bifurcation du turboréacteur. Préférentiellement, l'échangeur thermique est au moins solidaire de la bifurcation supérieure, qui sépare le flux d'air traversant la nacelle en deux flux d'air secondaire. Il est également possible de fixer l'échangeur thermique au sortir de la soufflante, sur les pales de guidage du turboréacteur, ou redresseur de fan. L'échangeur thermique peut comporter un circuit d'acheminement de fluide caloporteur, tel que de l'huile ou de l'eau, destiné à acheminer un fluide caloporteur depuis un système propulsif du moteur jusqu'à l'échangeur thermique et le fluide caloporteur refroidi depuis l'échangeur thermique jusqu'au système propulsif. Préférentiellement, le liquide caloporteur est ni corrosif ni inflammable. Le fluide à refroidir circule dans un volume interne de l'échangeur thermique, qui peut être compartimenté en fonction du volume à refroidir par exemple. Dans une variante de réalisation de l'invention, tout ou partie des surfaces de l'échangeur thermique non utilisées pour l'échange de chaleur peuvent recevoir un traitement acoustique de surface.

L'invention concerne également un aéronef comportant au moins un tel turboréacteur. Avantageusement, chacun des turboréacteurs de l'aéronef est conforme au turboréacteur 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 coupe transversale d'un turboréacteur muni d'un échangeur thermique de l'état de la technique déjà décrit ; - figure 2 : une vue écorchée d'un turboréacteur muni de deux exemples d'échangeurs thermique selon l'invention ; - figure 3A, 3B, 3C : trois exemples de sections ovoïdes d'échangeur thermique selon l'invention ; - figure 4 : une représentation schématique d'un dispositif d'acheminement de fluide à refroidir et d'un échangeur thermique selon l'invention.

Sur la figure 2 est représenté un turboréacteur 100 selon l'invention. Le turboréacteur 100 comporte une nacelle 101 et un moteur 102. Le moteur 102 est logé dans un volume interne 103 de la nacelle 101. Le moteur 102 est solidarisé à une paroi interne 104 de la nacelle, notamment par une bifurcation longitudinale 105.

Un échangeur thermique 106 circulaire est logé dans le volume interne 103 de la nacelle 101. Comme cela est plus visible sur la figure 4, l'échangeur thermique 106 est solidarisé à la nacelle 101 et au moteur 102 par la bifurcation longitudinales 105 et des pales de guidage 107 radiales. L'échangeur thermique 106 est disposé en aval du canal de soufflante du turboréacteur, au niveau des pales de guidage 107, mais pourrait également, comme cela est représenté sur la figure 2, en pointillés, être disposé plus en arrière dans la nacelle 101. Dans ce cas, l'échangeur thermique 106 peut être solidarisé au turboréacteur 100 par la bifurcation longitudinale 105 et/ou par des entretoises rapportées (non représentées) traversantes, permettant de relier l'échangeur thermique à la paroi interne 104 de la nacelle 101 et/ou à la paroi externe 108 du moteur 102. L'échangeur thermique 106 présente une surface inférieure 109 et une surface supérieure 110, toutes deux destinées à être léchées par le flux d'air traversant la nacelle 101. Par surface inférieure, on entend la surface, ou paroi externe, de l'échangeur thermique dirigée vers le moteur et par surface supérieure, la surface ou paroi de l'échangeur thermique dirigée vers la paroi interne de la nacelle. Ni la surface inférieure 109, ni la surface supérieure 110 de l'échangeur thermique 106, ne sont accolées à une autre surface, froide ou chaude, du turboréacteur 100. Ces deux surfaces chaudes 109, 110 sont toutes deux refroidies par le flux d'air traversant la nacelle 101, ce refroidissement des parois 10, 110 permettant par conduction le refroidissement du fluide circulant dans le volume interne de l'échangeur thermique 106. Sur les figures 3A, 3B et 3C sont représentés trois exemples de réalisation d'un agencement du volume interne 113 de l'échangeur thermique 106 selon l'invention. Dans les trois cas, la section de l'échangeur thermique 106 a une forme générale ovale profilée, c'est-à-dire aérodynamique. Le bord d'attaque 111 comme le bord de fuite 112 dudit échangeur thermique 106 sont effilés, de manière à ne pas perturber l'écoulement aérodynamique à l'intérieur de la nacelle 101. Le volume interne 113 de l'échangeur thermique 106 est avantageusement subdivisé en plusieurs compartiments 114 (figures 3A, 3C) de manière à adapter le volume dans lequel circule le fluide à refroidir au volume de fluide disponible. Avantageusement, chacun des compartiments 114 destiné à être traversé par le fluide à refroidir a au moins une paroi formée par une surface d'échange 109, 110 de l'échangeur thermique 106. Ainsi, dans l'exemple représenté à la figure 3C, le compartiment central 115 quasiment dépourvu de contact avec les surfaces d'échange 109, 110, n'est avantageusement pas traversé par le fluide à refroidir.

A la figure 3B est représenté un autre exemple de réalisation de la compartimentation du volume interne 113 de l'échangeur thermique 106. Des tuyaux 116, dans lesquels sont destinés à circuler le liquide à refroidir, sont disposés dans le volume interne 113 de l'échangeur thermique 106, accolés à la paroi interne des surfaces d'échange 109, 110. Cette solution est particulièrement adaptée lorsque seulement de très petites quantités de fluide doivent être refroidies dans l'échangeur thermique. Les tuyaux 116 sont par exemple soudés ou collées à la paroi interne des surfaces d'échanges 109, 110.

Dans un autre exemple de réalisation, on peut prévoir de réaliser un échangeur thermique 106 muni de deux sections ovoïdes emboîtées. Une plus petite section est logée dans une plus grande section, de manière à ménager deux volumes internes superposés dans l'échangeur thermique. Seul le volume le plus externe est destiné à recevoir le fluide à refroidir.

Sur la figure 4 est représenté un dispositif 117 d'acheminement de fluide, tels que de l'huile, provenant d'un système propulsif du moteur 102. Le dispositif d'acheminement 117 est muni d'un tuyau d'arrivée de fluide chaud 118, amenant l'huile chaude sous pression dans l'échangeur thermique 106. L'huile chaude sous pression est injectée dans le volume interne 113 de l'échangeur thermique 106, et traverse tout un périmètre du volume interne 113 dudit échangeur thermique 106. Au cours de ce cheminement, l'huile chaude est partiellement refroidie par conduction thermique forcée. L'huile partiellement refroidie est alors évacuée hors de l'échangeur thermique 106 par un tuyau d'évacuation 119 ramenant l'huile partiellement refroidie dans le dispositif d'acheminement 117. L'huile refroidie est acheminée par le dispositif d'acheminement 117 vers le système propulsif dans lequel il est réutilisé. En utilisant un échangeur thermique 106 de forme générale en anneau fermé, on augmente le périmètre dudit échangeur thermique 106, et donc le temps de séjour du fluide à refroidir dans l'échangeur, ainsi que la surface totale de contact entre le liquide à refroidir et les surfaces d'échange thermique 109, 110, ce qui participe à un meilleur refroidissement du fluide. Cependant, lorsque la quantité de fluide à refroidir est peu élevée, et/ou que l'espace disponible dans le volume interne de la nacelle 101 est insuffisant, on peut prévoir un échangeur thermique de forme générale en anneau ouvert, c'est-à-dire en arc de cercle ne faisant pas le tour complet du moteur 102. '10

Claims

REVENDICATIONS

1- Turboréacteur (100) pour aéronef comportant un moteur (102) logé dans une nacelle (101) et un échangeur thermique (106) apte à être traversé par un fluide chaud destiné à être refroidi par échange thermique avec un fluide froid externe à l'échangeur thermique, caractérisé en ce que l'échangeur thermique est disposé dans un volume interne (103) de la nacelle, à distance d'une paroi interne (104) de la nacelle et d'une paroi externe (108) du moteur, de manière à présenter au moins deux surfaces d'échange thermique (109, 110) dans l'écoulement du flux d'air du turboréacteur.

2- Turboréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur thermique est disposé autour du moteur.

3- Turboréacteur selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'échangeur thermique a une forme générale en anneau fermé.

4- Turboréacteur selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'échangeur thermique a une forme générale en arc de cercle.

5- Turboréacteur selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'échangeur thermique a une section ovale profilée.

6- Turboréacteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'échangeur thermique est disposé en aval de la soufflante.

7- Turboréacteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'échangeur thermique est solidaire d'au moins une bifurcation (105) du turboréacteur.

8- Turboréacteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit d'acheminement (117, 118, 119) de fluide caloporteur, destiné à acheminer un fluide caloporteur depuis un système propulsif du moteur jusqu'à l'échangeur thermique et le fluide caloporteur refroidi depuis l'échangeur thermique jusqu'au système propulsif.

9- Turboréacteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le volume interne (113) de l'échangeur thermique est divisé en compartiments (114), le fluide chaud à refroidir circulant dans au moins un desdits compartiments. 2902831 'l1

10- Aéronef comportant au moins un turboréacteur selon l'une des revendications 1 à 9.