1 Dispositif de refroidissement d'un équipement électrique dans une1 Device for cooling an electrical equipment in a
turbomachineturbine engine
La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'un équipement électrique ou électronique dans une turbomachine. Une turbomachine comporte un certain nombre d'équipements électriques ou électroniques, tels que des boîtiers de commande d'actionneurs de géométries variables, qui génèrent en fonctionnement une grande quantité de chaleur qui doit être évacuée afin de maintenir des températures acceptables au niveau de ces équipements électriques ainsi qu'au niveau de certains éléments de la turbomachine situés au voisinage de ces équipements. Les dispositifs de refroidissement connus comprennent en général des moyens de circulation d'un fluide de refroidissement tel que de l'huile, du carburant ou de l'air, et sont souvent volumineux et complexes à mettre en oeuvre. De plus, ces dispositifs présentent des risques de fuite et doivent faire l'objet d'opérations régulières de maintenance, qui sont longues et coûteuses. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple 20 efficace et économique à ces problèmes. Elle propose à cet effet un dispositif de refroidissement d'un équipement électrique dans une turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tube Vortex comportant une entrée raccordée à des moyens d'alimentation en air pressurisé, et une sortie d'air froid raccordée 25 à des moyens de refroidissement de l'équipement électrique. De façon connue, le tube Vortex, aussi appelé tube de Ranque, permet de créer par effet vortex un flux d'air froid et un flux d'air chaud à partir d'un flux d'air comprimé à température intermédiaire. L'air en entrée est injecté tangentiellement dans une chambre raccordée au tube pour 30 créer un écoulement tourbillonnaire rapide qui se dirige vers une extrémité du tube, équipée d'une valve conique de sortie. Une partie de cet air sort The present invention relates to a device for cooling an electrical or electronic equipment in a turbomachine. A turbomachine comprises a certain number of electrical or electronic equipment, such as actuator control boxes of variable geometries, which generate in operation a large quantity of heat which must be evacuated in order to maintain acceptable temperatures at this equipment. as well as at the level of certain elements of the turbomachine situated in the vicinity of this equipment. Known cooling devices generally comprise means for circulating a cooling fluid such as oil, fuel or air, and are often bulky and complex to implement. In addition, these devices have risks of leakage and must be the subject of regular maintenance operations, which are long and expensive. The object of the invention is in particular to provide a simple, effective and economical solution to these problems. It proposes for this purpose a device for cooling an electrical equipment in a turbomachine, characterized in that it comprises at least one Vortex tube comprising an inlet connected to means for supplying pressurized air, and an air outlet cold connected to cooling means of the electrical equipment. In known manner, the Vortex tube, also called Ranque tube, allows to create by vortex effect a flow of cold air and a hot air flow from a stream of compressed air at intermediate temperature. The inlet air is injected tangentially into a chamber connected to the tube to create a rapid swirling flow which is directed to one end of the tube, equipped with a conical outlet valve. Part of this air comes out
2 du tube par cette valve, et l'autre partie de cet air est réfléchie sur cette valve et progresse alors dans le tube en sens inverse en tourbillonnant à l'intérieur de l'air injecté et en cédant de la chaleur à cet air, puis sort par l'extrémité opposée du tube. 2 of the tube by this valve, and the other part of this air is reflected on this valve and then progresses in the tube in opposite direction by swirling inside the injected air and yielding heat to this air, then exit through the opposite end of the tube.
Le dispositif de refroidissement selon l'invention comprend un ou plusieurs tubes Vortex qui sont alimentés en air pressurisé prélevé par des moyens appropriés sur un compresseur de la turbomachine ou dans une conduite annulaire d'écoulement d'un flux d'air secondaire telle que la conduite de soufflante de la turbomachine. La sortie d'air froid de chaque tube Vortex est raccordée à un échangeur de chaleur associé à l'équipement à refroidir, ou à un système d'injection d'air de l'équipement électrique à refroidir. Les tubes Vortex sont simples à réaliser et à mettre en oeuvre et permettent de produire de l'air froid avec les ressources disponibles localement. Ils sont alimentés en air à une pression de plusieurs bars (typiquement comprise entre 5 et 10 bars) et génèrent de l'air froid à une température qui peut être d'environ 50 C inférieure à la température de l'air en entrée. Par ailleurs, les tubes Vortex sont peu coûteux, fiables et ont une durée de vie relativement grande sans nécessiter d'entretien particulier, car ils ne comportent pas de pièce mobile. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de refroidissement comprend un échangeur thermique dont un circuit primaire a une entrée raccordée à la sortie des moyens de prélèvement d'air et une sortie raccordée à l'entrée du tube Vortex, et dont un circuit secondaire est alimenté en fluide de refroidissement. L'échangeur peut également ne pas comporter de circuit secondaire, et fonctionner alors par convection et/ou radiation naturelle. Une partie au moins de l'air ayant servi à refroidir l'équipement électrique peut être injectée dans un circuit secondaire de l'échangeur pour aider à refroidir l'air prélevé sur la turbomachine. De même, l'air provenant de la sortie chaude du tube Vortex peut être injecté dans un circuit The cooling device according to the invention comprises one or more Vortex tubes which are supplied with pressurized air taken by appropriate means on a compressor of the turbomachine or in an annular flow duct of a secondary air stream such that the fan duct of the turbomachine. The cold air outlet of each Vortex tube is connected to a heat exchanger associated with the equipment to be cooled, or to an air injection system of the electrical equipment to be cooled. Vortex tubes are simple to make and use and allow the production of cold air with locally available resources. They are supplied with air at a pressure of several bars (typically between 5 and 10 bar) and generate cold air at a temperature that can be about 50 C below the inlet air temperature. In addition, Vortex tubes are inexpensive, reliable and have a relatively long service life without requiring any particular maintenance, because they do not have moving parts. In one embodiment of the invention, the cooling device comprises a heat exchanger of which a primary circuit has an input connected to the outlet of the air sampling means and an outlet connected to the inlet of the Vortex tube, and of which a secondary circuit is supplied with cooling fluid. The exchanger may also have no secondary circuit, and then operate by convection and / or natural radiation. At least a portion of the air used to cool the electrical equipment can be injected into a secondary circuit of the exchanger to help cool the air taken from the turbomachine. Similarly, the air coming from the hot outlet of the Vortex tube can be injected into a circuit
3 secondaire de cet échangeur pour aider à refroidir l'air prélevé lorsque sa température est inférieure à celle de l'air prélevé sur la turbomachine. Le tube Vortex peut être du type à double circuit et comprend alors une seconde entrée raccordée aux moyens d'alimentation en air pressurisé, cette disposition permettant de doubler le rendement. On peut par ailleurs utiliser plusieurs tubes Vortex associés en série ou en parallèle pour refroidir les équipements électriques ou électroniques. L'invention concerne également une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de refroidissement d'équipements électriques ou électroniques tel que décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente très schématiquement un dispositif selon l'invention de refroidissement d'un équipement électrique d'une turbomachine, - la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'un tube Vortex du dispositif de refroidissement selon l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2. 3 secondary of this exchanger to help cool the air taken when its temperature is lower than that of the air taken from the turbomachine. The Vortex tube may be of the double circuit type and then comprises a second input connected to the pressurized air supply means, this arrangement making it possible to double the efficiency. It is also possible to use several Vortex tubes associated in series or in parallel to cool the electrical or electronic equipment. The invention also relates to a turbomachine, characterized in that it comprises a device for cooling electrical or electronic equipment as described above. The invention will be better understood and other details, characteristics and advantages of the present invention will become apparent on reading the following description given by way of nonlimiting example and with reference to the appended drawings, in which: FIG. very schematically a device according to the invention for cooling an electrical equipment of a turbomachine, - Figure 2 is a schematic axial sectional view of a Vortex tube of the cooling device according to the invention; FIG. 3 is a sectional view along line III - III of FIG. 2.
La figure 1 représente de rnanière très schématique un dispositif selon l'invention de refroidissement d'un équipement électrique ou électronique 12 dans une turbomachine 10, ce dispositif comprenant un tube Vortex 14 ou tube de Ranque alimenté en air pressurisé qui est prélevé sur un élément 16 de la turbomachine, cet élément 16 étant par exemple une conduite de soufflante, un compresseur basse-pression ou haute-pression, ou un compresseur auxiliaire de plus petite taille entraîné par un boîtier d'accessoires de la turbomachine. Le tube Vortex 14 comprend une entrée 18 qui débouche dans une chambre 20 formée entre les extrémités du tube, celui-ci comportant une sortie 22 d'air chaud à l'une de ses extrémités et à l'autre de ses extrémités FIG. 1 very schematically shows a device according to the invention for cooling an electrical or electronic equipment 12 in a turbomachine 10, this device comprising a Vortex tube 14 or Ranque tube fed with pressurized air which is taken from an element 16 of the turbomachine, this element 16 being, for example, a fan duct, a low-pressure or high-pressure compressor, or a smaller auxiliary compressor driven by an accessory casing of the turbomachine. The Vortex tube 14 comprises an inlet 18 which opens into a chamber 20 formed between the ends of the tube, the latter having an outlet 22 of hot air at one of its ends and at the other of its ends.
4 une sortie 24 d'air froid. Le fonctionnement bien connu du tube Vortex sera décrit en détail dans ce qui suit en référence aux figures 2 et 3. Dans l'exemple représenté, le dispositif de refroidissement comprend en outre un échangeur thermique 30 à un ou plusieurs étages comprenant un circuit primaire dont une entrée 32 est raccordée à des moyens de prélèvement d'air sur l'élément 16 de la turbomachine, et dont la sortie 36 est raccordée par un conduit 38 à l'entrée 18 du tube Vortex 14. L'air prélevé est refroidi dans l'échangeur 30 par convection (et également par radiation) naturelle et/ou par échange de chaleur avec un fluide de refroidissement passant dans un circuit secondaire 31 de l'échangeur 30. Eventuellement, l'échangeur thermique 30 peut comprendre un autre circuit secondaire de fluide de refroidissement, dont l'entrée 40 est ici reliée par un conduit 42 à la sortie d'un échangeur 50 servant à refroidir l'équipement électrique, l'air rejeté à la sortie 44 de ce circuit secondaire de l'échangeur thermique 30 pouvant être utilisé pour refroidir des éléments de la turbomachine. De même, la sortie 22 d'air chaud du tube Vortex 14 peut être raccordée par un conduit 46 à une entrée 34 d'un autre circuit secondaire 20 de l'échangeur 30. La sortie d'air froid 24 du tube Vortex est raccordée à soit à l'échangeur 50 soit à un système d'injection d'air associé à l'équipement électrique 12, cet élément électrique étant par exemple un boîtier électronique de commande de géométries variables de la turbomachine. 4 an outlet 24 of cold air. The well-known operation of the Vortex tube will be described in detail in the following with reference to FIGS. 2 and 3. In the example shown, the cooling device further comprises a heat exchanger 30 with one or more stages comprising a primary circuit of which an inlet 32 is connected to means for withdrawing air from the element 16 of the turbomachine, and whose outlet 36 is connected via a duct 38 to the inlet 18 of the Vortex tube 14. The air taken is cooled in the exchanger 30 by convection (and also by radiation) natural and / or by heat exchange with a cooling fluid passing through a secondary circuit 31 of the exchanger 30. Optionally, the heat exchanger 30 may comprise another secondary circuit of cooling fluid, whose input 40 is here connected by a conduit 42 to the outlet of an exchanger 50 for cooling the electrical equipment, the air rejected at the output 44 of this circ secondary of the heat exchanger 30 can be used to cool elements of the turbomachine. Similarly, the hot air outlet 22 of the Vortex tube 14 may be connected via a duct 46 to an inlet 34 of another secondary circuit 20 of the exchanger 30. The cold air outlet 24 of the Vortex tube is connected either to the exchanger 50 or to an air injection system associated with the electrical equipment 12, this electrical element being for example an electronic control unit of variable geometries of the turbomachine.
25 Le dispositif peut aussi comprendre des moyens de filtrage de l'air pressurisé qui sont montés en 32 ou en 38 pour limiter l'usure du tube Vortex et ainsi augmenter sa durée de vie. Le dispositif de refroidissement selon l'invention fonctionne de la manière suivante : de l'air pressurisé est prélevé sur l'élément 16 et passe 30 dans le circuit primaire de l'échangeur thermique 30 pour être refroidi par échange de chaleur avec un fluide de refroidissement circulant dans le circuit secondaire 31 ainsi éventuellement qu'avec l'air circulant dans le circuit secondaire 40-44 de l'échangeur 30 et avec l'air chaud fourni par la sortie 22 du tube Vortex. L'air refroidi sortant de l'échangeur 30 est injecté tangentiellement dans la chambre 20 du tube qui est située au voisinage de la première extrémité 24 du tube (figure 2). Cette chambre 20 a une forme générale cylindrique de manière à mettre en mouvement l'air injecté et à créer un écoulement tourbillonnaire 52 rapide à l'intérieur du tube, cet écoulement se dirigeant vers la seconde extrémité 22 du tube (flèche 54). L'air à la périphérie extérieure du tourbillon est relativement chaud tandis que l'air situé sur la périphérie intérieure du tourbillon est relativement froid. Une valve de contrôle 56 tronconique est montée dans la seconde extrémité 22 du tube et définit avec la surface intérieure du tube un canal annulaire de sortie de l'air situé sur la périphérie extérieure du tourbillon, c'est-à-dire l'air chaud (flèches 58). La partie centrale de l'écoulement tourbillonnaire est réfléchie sur la valve 56 et forme un second tourbillon 60 qui s'écoule en sens inverse à l'intérieur du premier tourbillon 52 (flèche 62), en lui cédant de la chaleur, jusqu'à la première extrémité 24 du tube (flèche 64). Le tube Vortex peut être du type à double circuit et comprend alors une seconde entrée d'air à son extrémité 22 opposée à la chambre 20 pour améliorer le rendement du tube, comme cela est bien connu dans la technique. Dans l'exemple représenté, un orifice 66 coaxial au tube est formé dans la valve de contrôle 56 et peut être raccordé à des moyens d'alimentation en air (flèche 68), cet air ayant par exemple la même température et une pression moins grande que l'air injecté dans la chambre 20. Dans un exemple particulier de réalisation de l'invention, le débit clair prélevé sur l'élément 16 et passant dans l'échangeur thermique 30 est de 2833L/min, cet air ayant une pression de 6,3 bars et une température de 200 C. Le fluide de refroidissement qui alimente le circuit secondaire 31 de l'échangeur thermique 30 est de l'air à une température de 90 C et permet de diminuer la température de l'air pressurisé alimentant le tube Vortex 14 jusqu'à 100 C. L'échangeur 50 est alimenté en air froid à un débit de 184OL/min, cet air ayant à l'entrée de l'échangeur 50 une température de 57 C et à la sortie de l'échangeur une température de l'ordre de 80-90 C, cet air pouvant par la suite être injecté dans un circuit secondaire de l'échangeur via le conduit 42. Plusieurs tubes Vortex 14 peuvent être montés en série ou en parallèle pour assurer le refroidissement d'un ou de plusieurs équipements électriques ou électroniques. Le dimensionnement du ou de chaque tube Vortex dépend du débit et de la température de l'air froid en sortie du tube qui sont déterminés en fonction du type d'équipement à refroidir.The device may also include means for filtering pressurized air which are mounted at 32 or 38 to limit the wear of the Vortex tube and thus increase its service life. The cooling device according to the invention operates in the following manner: pressurized air is taken from the element 16 and passes through the primary circuit of the heat exchanger 30 to be cooled by heat exchange with a fluid of cooling circulating in the secondary circuit 31 and possibly with the air circulating in the secondary circuit 40-44 of the exchanger 30 and with the hot air supplied by the outlet 22 of the Vortex tube. The cooled air leaving the exchanger 30 is injected tangentially into the chamber 20 of the tube which is located near the first end 24 of the tube (FIG. 2). This chamber 20 has a generally cylindrical shape so as to move the injected air and to create a swirling flow 52 fast inside the tube, this flow towards the second end 22 of the tube (arrow 54). The air at the outer periphery of the vortex is relatively hot while the air on the inner periphery of the vortex is relatively cold. A frustoconical control valve 56 is mounted in the second end 22 of the tube and defines with the inner surface of the tube an annular air outlet channel located on the outer periphery of the vortex, that is to say the air hot (arrows 58). The central part of the vortex flow is reflected on the valve 56 and forms a second vortex 60 which flows in the opposite direction inside the first vortex 52 (arrow 62), yielding heat thereto, the first end 24 of the tube (arrow 64). The vortex tube may be of the dual circuit type and then include a second air inlet at its end 22 opposite the chamber 20 to improve the efficiency of the tube, as is well known in the art. In the example shown, an orifice 66 coaxial with the tube is formed in the control valve 56 and can be connected to air supply means (arrow 68), this air having for example the same temperature and a lower pressure. the air injected into the chamber 20. In a particular embodiment of the invention, the clear flow taken from the element 16 and passing through the heat exchanger 30 is 2833L / min, this air having a pressure of 6.3 bars and a temperature of 200 C. The cooling fluid which feeds the secondary circuit 31 of the heat exchanger 30 is air at a temperature of 90 C and makes it possible to reduce the temperature of the pressurized air supplying the Vortex tube 14 up to 100 C. The heat exchanger 50 is supplied with cold air at a flow rate of 184 L / min, this air having at the inlet of the exchanger 50 a temperature of 57 C and at the outlet of the exchanger a temperature of the order of 80-90 C, this air being able to then be injected into a secondary circuit of the exchanger via the conduit 42. Several Vortex tubes 14 can be connected in series or in parallel to ensure the cooling of one or more electrical or electronic equipment. The sizing of the or each Vortex tube depends on the flow rate and temperature of the cold air at the outlet of the tube which are determined according to the type of equipment to be cooled.