FR2958974A1 - Moteur de turbine a gaz muni d'un echangeur de chaleur air-huile dans sa manche d'entree d'air - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un moteur à turbine à gaz (1) avec un circuit d'huile et une manche d'entrée d'air (12) dans le moteur (1). Selon l'invention, un échangeur de chaleur air-huile (14A,14B,14C) est disposé à l'intérieur de la manche (12) pour le refroidissement de l'huile.

Description

L'invention concerne le domaine de l'aéronautique et, plus particulièrement, un échangeur de chaleur air-huile pour le refroidissement de l'huile moteur et/ou de l'huile d'un équipement (réducteur, roulement, générateur électrique, etc.) installé dans le moteur d'un aéronef.

Les moteurs d'avion, tels que des turbomachines (ou turboréacteurs), dissipent une quantité importante de chaleur, du fait du fonctionnement des nombreux équipements mis en jeu. Afin de limiter la consommation de carburant, il importe que ces différents équipements puissent être lubrifiés et/ou refroidis, la chaleur générée étant généralement transportée par des circuits d'huile puis évacuée par des échangeurs de chaleur carburant-huile et/ou air-huile, comme cela est décrit par exemple dans le document de brevet FR 2 728 938 de la société SNECMA.

Ces échangeurs air-huile sont indispensables pour refroidir notamment l'huile du circuit moteur, en complément du refroidissement opéré par les échangeurs huile-carburant. Plus connus sous l'acronyme anglais « ACOC » qui signifie « Air Cooled Oil Cooler », ils fonctionnent grâce à un flux d'air û forcé ou pas û qui est guidé le long d'une surface d'échange avec un circuit d'huile. L'alimentation en air peut y être réalisée, par exemple, par écopes ou par piquage du flux d'air.

Toutefois, l'introduction d'un échangeur air-huile dans un turboréacteur engendre nécessairement des perturbations aérodynamiques du flux d'entrée et, de fait, une diminution du rendement global du moteur.

En effet, si l'on choisit de disposer un échangeur dans la veine secondaire du turboréacteur, par exemple au niveau du bec séparateur entre le flux primaire et le flux secondaire, comme cela est décrit dans le document de brevet EP 2 075 194, l'aérodynamisme de l'avion peut s'en trouver pénalisé.

Si l'on choisit de disposer l'échangeur sur le parcours du flux primaire entre un compresseur basse pression intermédiaire et un compresseur en aval dudit compresseur basse pression intermédiaire, comme cela est décrit dans le document de brevet FR 2 481 196 au nom de la Demanderesse, l'écoulement du flux primaire est modifié.

Si l'on choisit par ailleurs de disposer l'échangeur dans la nacelle, l'impact sur l'aérodynamisme peut être minimisé, puisqu'il est possible d'utiliser un débit d'air simplement dévié du flux secondaire, par exemple avec des écopes.

Toutefois, il résulte d'une telle disposition au sein du turboréacteur des difficultés d'installation, ainsi qu'un encombrement important, ce qui pénalise la mise en place du système de suspension et des autres équipements du moteur.

Afin de minimiser les pertes de performances liées à la présence d'un ACOC ou de son écope dans le turboréacteur, une solution alternative consiste à utiliser des échangeurs surfaciques que l'on dispose le long de parois des veines secondaires. Du fait de leur caractère surfacique, ces échangeurs de chaleur constituent un obstacle aérodynamique moindre.

Cette solution présente néanmoins l'inconvénient de nécessiter d'importantes surfaces d'échanges pour atteindre les niveaux de refroidissement souhaités. Or, de telles surfaces d'échanges peuvent ne pas être disponibles dans la veine ou bien encore déjà dédiées à d'autres fonctions, telles que le traitement acoustique. De plus, l'installation de tels échangeurs crée des contraintes mécaniques du fait de leur intégration aux parois de la veine (carters, capots de nacelle).

Les inconvénients présentés ci-dessus sont particulièrement sensibles dans le cas d'un turboréacteur à soufflante non carénée, c'est-à-dire dont la soufflante est fixée directement sur la turbine de puissance et en dehors de la nacelle, un tel turboréacteur fonctionnant généralement avec des hélices contrarotatives arrière, la deuxième hélice officiant en tant que redresseur de flux. En effet, dans une telle configuration, un réducteur est généralement utilisé pour faire tourner la soufflante d'entrée plus lentement (et donc permettre qu'elle soit de plus grandes dimensions), ce qui engendre une importante dissipation d'énergie et nécessite donc l'installation d'un nombre d'autant plus important d'échangeurs air-huile.

L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients, et propose à cet effet un moteur à turbine à gaz avec un échangeur air-huile qui puisse impacter de façon négligeable le profil aérodynamique du moteur avec une surface d'intégration limitée.

Dans ce but, l'invention propose un moteur à turbine à gaz avec un circuit d'huile et une manche d'entrée d'air dans le moteur, caractérisé par le fait qu'un échangeur de chaleur air-huile est disposé à l'intérieur de la manche pour le refroidissement de l'huile.

Plus précisément, la manche d'entrée d'air étant creuse et définissant un volume intérieur, l'échangeur est disposé à l'intérieur de ce volume.

Ainsi, grâce à l'invention, l'échangeur air-huile est disposé dans une zone inattendue qui permet de refroidir suffisamment l'huile par ailleurs utilisée pour le refroidissement des différents équipements du moteur à turbine à gaz, sans toutefois encombrer le moteur ni interférer sur les lignes aérodynamiques des écoulements dans ce dernier.

L'invention est particulièrement surprenante en ce qu'elle propose de disposer un échangeur de chaleur dans un espace qui avait toujours été considéré comme inapte à recevoir tout type d'équipement structurel en raison des risques importants d'impacts d'oiseaux dans cette zone. C'est contre ces préjugés que la Demanderesse a proposé cette nouvelle disposition, qui tout en créant un potentiel problème quant aux collisions, résout l'ensemble des problèmes exposés en introduction, la résolution de ceux-ci l'emportant sur la création de celui-là.

Si l'invention est issue d'une problématique particulièrement critique dans les turbomoteurs à soufflante non carénée, il va de soi qu'elle s'applique également à tout type de turbomoteur, notamment du type caréné, en particulier à double-flux et double-corps, dans la mesure où celui-ci comporte une manche d'entrée creuse, puisque l'invention résout un problème technique (hausse de température des équipements et perturbations aérodynamiques) inhérent au fonctionnement des turbomoteurs en général.

Selon une forme de réalisation, ladite manche d'entrée étant creuse et présentant la forme d'une lèvre annulaire formée par deux parois aérodynamiques annulaires respectivement externe et interne raccordées au niveau d'un bord d'attaque, l'échangeur est fixé sur une paroi intermédiaire reliant lesdites parois aérodynamiques annulaires respectivement externe et interne. Une telle paroi intermédiaire renforce la structure de la lèvre annulaire et peut remplir une fonction de protection de l'échangeur en particulier contre les impacts d'oiseaux. On notera que cette protection est d'autant plus efficace que l'échangeur est fixé sur une surface aval de la paroi intermédiaire.

Selon une forme de réalisation, la manche d'entrée d'air ayant un axe confondu avec celui du moteur, il est avantageux que l'échangeur air-huile soit disposé de façon sensiblement transversale à l'axe dudit manche et dudit moteur, c'est-à-dire qu'il présente une surface d'entrée d'air transversale à l'axe du moteur, le flux d'air de refroidissement étant guidé et s'écoulant parallèlement à cet axe.

De préférence, le moteur comporte au moins un renfort longitudinal reliant le bord d'attaque de la lèvre annulaire avec la paroi intermédiaire, ce qui permet d'augmenter la rigidité de la manche d'entrée d'air et donc sa résistance aux éventuels impacts d'oiseaux.

Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le moteur comporte 5 une pluralité d'échangeurs air-huile disposés à l'intérieur de la manche pour le refroidissement de l'huile.

Selon une forme de réalisation dans ce cas, ladite manche d'entrée étant creuse et présentant la forme d'une lèvre annulaire formée par deux parois 10 aérodynamiques annulaires respectivement externe et interne raccordées au niveau d'un bord d'attaque, les échangeurs sont fixés sur une unique paroi intermédiaire reliant lesdites parois aérodynamiques annulaires respectivement externe et interne. L'agencement de ces différents échangeurs permet ainsi d'optimiser la surface disponible à l'intérieur de la lèvre annulaire, ceux-ci 15 pouvant couvrir une grande partie de la surface transversale annulaire pour un refroidissement d'autant mieux optimisé.

Dans ce dernier mode de réalisation, afin de favoriser un refroidissement uniforme de l'huile autour de l'axe du moteur, les échangeurs air-huile sont de 20 préférence répartis régulièrement autour de l'axe du moteur, c'est-à-dire qu'ils sont répartis à des positions angulaires régulières et sont donc équidistants les uns des autres le long de l'étendue sensiblement annulaire de la surface intermédiaire.

De préférence encore, le moteur comporte des moyens d'éjection d'air agencés 25 pour éjecter û par exemple dans la nacelle û l'air circulant au sein dudit échangeur. On s'assure ainsi que l'air puisse circuler de manière optimale dans l'échangeur air-huile, l'éjection d'air permettant d'aspirer l'air et de forcer son passage - et donc d'augmenter son débit - au travers de l'échangeur.

De préférence, le moteur comprend des moyens de guidage d'air agencés pour guider l'air vers ledit échangeur. Ces moyens de guidage peuvent comporter des moyens de déviation ou prélèvement du flux d'air d'entrée vers l'échangeur.

Selon une forme de réalisation particulière dans ce cas, ces moyens de guidage comprennent au moins un orifice de prélèvement d'air ménagé dans une surface annulaire aérodynamique interne de guidage d'air dans le moteur, en amont de l'échangeur ; cette surface annulaire aérodynamique est de préférence formée dans le prolongement de la surface interne de la manche d'entrée d'air et délimite l'enveloppe extérieure de la veine d'air. Ces orifices permettent de prélever de l'air à l'intérieur de la manche d'entrée et donc d'alimenter directement l'échangeur avec une partie du flux total d'entrée.

Selon une forme de réalisation, le moteur comporte des moyens d'obturation des 15 orifices, par exemple des trappes mobiles pilotées.

Selon une forme de réalisation particulière, le moteur comportant au moins un étage de compression, les moyens de guidage comprennent un extracteur agencé pour prélever une partie de l'air circulant au sein de l'étage de compression et 20 pour guider ledit air prélevé en amont d'au moins un échangeur. De cette manière, on injecte dans l'échangeur de l'air pressurisé, ce qui permet d'augmenter la pression et le débit d'air et donc de favoriser la circulation de l'air au sein dudit échangeur.

25 Dans ce dernier cas, il est particulièrement avantageux que le moteur comprenne des moyens de commande d'au moins un extracteur ; de tels moyens de commande peuvent en particulier être agencés pour commander le prélèvement d'une partie de l'air circulant au sein de l'étage de compression uniquement lors des phases de décollage et de ralenti au sol du moteur. C'est en effet durant ces 30 phases que la hausse de température est la plus importante et qu'il est le plus opportun de limiter cette hausse par la mise en circulation d'air pressurisé dans les échangeurs. Pendant les phases de croisière, il peut ne pas être nécessaire de refroidir l'huile de cette manière et l'alimentation en air des échangeurs peut être effectuée d'une autre façon, notamment par des orifices de prélèvement d'air dans la veine ménagée par la manche d'entrée d'air.

De préférence, le moteur comporte des moyens d'entraînement de l'air dans les échangeurs.

Selon une forme de réalisation, ces moyens d'entraînement sont ménagés dans les moyens de guidage d'air en amont des échangeurs.

Selon une forme de réalisation, ces moyens d'entraînement comportent des moyens d'éjection d'air montés en aval desdits échangeurs. Ces deux dernières 15 formes de réalisation peuvent bien entendu être combinées.

L'invention sera mieux comprise à l'aide du dessin annexé sur lequel : la figure 1 est une vue en coupe longitudinale de la forme de réalisation préférée du moteur de l'invention, en l'espèce un turboréacteur à double-20 flux et double-corps, muni de deux échangeurs, la figure 2 est une vue en trois dimensions de la manche d'entrée d'une deuxième forme de réalisation préférée du moteur de l'invention, en l'espèce un turboréacteur à soufflante non carénée, muni de trois d'échangeurs et 25 la figure 3 est une vue de face du turboréacteur de la figure 2.

Pour une meilleure lisibilité des figures et de la description, des références numériques identiques pour les deux formes de réalisations décrites désignent des éléments de structure ou fonction identique, équivalente, similaire ou 30 comparable.

Le turboréacteur 1 de la figure 1 est du type à double-flux et double-corps, présentant une symétrie de révolution autour d'un axe X-X'. De manière connue, ce turboréacteur 1 comprend, au sein d'une nacelle 2 servant d'enveloppe à ses différents organes, une entrée d'air 3 par laquelle un flux d'air entrant F peut pénétrer pour traverser ensuite une soufflante d'entrée 4. Ce flux d'air F est alors séparé en deux flux respectivement primaire FP et secondaire FS, via un carter intermédiaire 5 dont l'extrémité forme un bec séparateur.

Dans la suite de la description, les termes « amont » et « aval » se rapportent à des positions axiales le long de l'axe X-X' dans le sens de l'écoulement du flux d'air dans le turboréacteur 1.

Le flux secondaire FS traverse un étage de redresseur pour ensuite être éjecté en aval du turboréacteur. Le flux primaire FP traverse successivement un étage de compression basse pression 7, un étage de compression haute pression 8, une chambre de combustion 9, un étage de turbine haute pression 10 et un étage de turbine basse pression 11, pour, enfin, être éjecté hors du turboréacteur dans une tuyère (non référencée).

L'entrée d'air 3, dont l'axe est confondu avec l'axe X-X' de révolution de la turbomachine 1, comporte une manche 12 d'entrée d'air et un cône 13 d'entrée d'air. La manche d'entrée 12 présente la forme d'une lèvre annulaire comportant deux surfaces aérodynamiques annulaires respectivement externe 12Ex et interne 12In par rapport au turboréacteur, ces deux surfaces étant raccordées au niveau d'un bord d'attaque 12B. Le cône d'entrée 13 permet le guidage aérodynamique et la répartition du flux total F l autour de l'axe X-X'.

La manche d'entrée 12 définit l'ouverture amont du turboréacteur 1 pour l'entrée d'air en son sein, sa surface aérodynamique interne 12In formant l'enveloppe externe amont de la veine d'air au sein du turboréacteur 1.

La manche d'entrée d'air (ou lèvre annulaire) 12 est creuse, si bien que les surfaces aérodynamiques annulaires 12Ex et 12In forment un caisson dans lequel sont logés deux échangeurs de chaleur air-huile 14A et 14B, dont la réalisation pratique est connue de l'homme du métier. Ces échangeurs sont en l'espèce disposés en amont de la soufflante d'entrée d'air 4 ; ils se présentent ici de manière transversale l'axe X-X' du turboréacteur. Les échangeurs 14A, 14B sont en l'espèce fixés à une unique paroi intermédiaire annulaire 15, elle aussi perpendiculaire à l'axe X-X' de la turbomachine 1.

Cette paroi intermédiaire 15 couvre angulairement l'intégralité de l'anneau transversal ménagé par le creux à l'intérieur de la manche d'entrée d'air 12, de manière à relier lesdites surfaces aérodynamiques annulaires externe 12Ex et interne 12In, ce qui renforce la solidité de la manche d'entrée 12, eu égard notamment aux impacts d'oiseaux.

En l'espèce, les échangeurs 14A et 14B sont fixés sur une surface amont de cette paroi intermédiaire 15, ce qui rend leur section d'entrée très accessible. Selon une autre forme de réalisation non représentée, les échangeurs 14A, 14B sont fixés sur une surface aval de cette paroi intermédiaire 15, des moyens de passage de l'air au travers de cette paroi 15 étant alors ménagés ; dans cette forme de réalisation, les échangeurs 14A, 14B sont protégés û notamment des impacts d'oiseaux û par la paroi 15.

Le turboréacteur comporte en l'espèce des moyens de guidage d'air vers lesdits échangeurs, en amont de ces derniers.30 De préférence, le turboréacteur comporte par ailleurs des moyens d'entraînement de l'air dans les échangeurs 14A ,14B, pour accroître le débit d'air dans ces derniers. Selon une forme de réalisation non représentée, ces moyens d'entraînement sont ménagés dans les moyens de guidage d'air en amont des échangeurs. En l'espèce, ces moyens d'entraînement comporte des moyens d'éjection d'air montés en aval desdits échangeurs et entraînant de ce fait l'air dans les échangeurs.

Dans la forme de réalisation décrite, le flux d'air en sortie des échangeurs 14A, 14B û et en l'espèce éjecté par les éjecteurs û est dirigé vers l'intérieur de la nacelle 2. Ainsi disposés, les échangeurs 14A et 14B peuvent éjecter de l'air dans la nacelle 2 en vue de remplir une fonction supplémentaire de refroidissement des différents organes qui la composent.

La turbomachine de la figure 2 est un turboréacteur à symétrie de révolution, dont la soufflante n'est pas carénée. Ce type de turboréacteur se caractérise par une fixation de la soufflante directement sur la turbine et en dehors de la nacelle 2, dans le but de réduire la consommation en carburant. Le fait que la soufflante ne soit pas carénée permet en effet d'augmenter son diamètre et donc le taux de dilution du moteur et, par-là même, de réduire sa consommation en carburant.

De même que précédemment, l'entrée d'air 3 comporte une manche d'entrée 12, formant une lèvre annulaire formée de deux parois aérodynamiques annulaires externe 12Ex et interne 12In raccordées au niveau d'un bord d'attaque 12B et entre lesquelles est montée une paroi intermédiaire annulaire 15. Sur la paroi intermédiaire annulaire 15 sont disposés trois échangeurs de chaleur air-huile 14A, 14B et 14C qui sont en l'espèce répartis régulièrement autour de l'axe du moteur.

Entre les échangeurs adjacents (14A, 14B), (14B, 14C), (14C, 14A) est disposé un renfort longitudinal 16 rejoignant, d'une part, la paroi intermédiaire 15 et le bord d'attaque 12B, et, d'autre part, les parois aérodynamiques annulaires externes 12Ex et interne 12In. Ces renforts permettent la consolidation de la lèvre annulaire 12, celle-ci étant susceptible d'être endommagée notamment par des impacts d'oiseaux.

De même que précédemment, chacun des échangeurs 14A, 14B et 14C comprend des moyens d'éjection (non visibles), vers la nacelle 2, de l'air ayant circulé dans ledit échangeur. Ces moyens d'éjection permettent alors, d'une part, de refroidir les différents organes au sein de ladite nacelle et, d'autre part, de forcer l'aspiration de l'air et donc la circulation de l'air dans l'échangeur. Ces moyens d'éjection remplissent ainsi une double fonction. Pour le refroidissement de la nacelle, il est opportun de réaliser l'éjection dans une zone de Mach faible, par exemple la veine secondaire.

Chacun des échangeurs 14A, 14B et 14C comprend également des moyens de guidage d'air, agencés pour alimenter en air ledit échangeur. Deux types de moyens de guidage sont en l'espèce prévus à cet effet. Un premier moyen de guidage comporte un orifice 17 ménagé au niveau de la surface aérodynamique annulaire interne 12In, en amont des échangeurs. Cet orifice permet de dévier (ou prélever) une partie de l'air d'entrée vers les échangeurs. 25 Un second moyen de guidage comporte un extracteur 18 se présentant sous la forme d'un tube disposé de façon à prélever de l'air comprimé dans l'étage de compression basse pression au niveau d'une première extrémité (non visible) et guider cet air vers l'amont des échangeurs au niveau d'une seconde extrémité 30 18A, comme représenté également sur la figure 3. L' air est ainsi conduit dans un20 caisson formé par la lèvre annulaire et la surface intermédiaire, pour ensuite alimenter les échangeurs, induisant ainsi une différence de pression entre l'air au sein dudit caisson et celui au sein de la nacelle (qui est dès lors à une pression inférieure), cette différence de pression contraignant l'air à circuler au sein des échangeurs.

L'extracteur 18 présente l'avantage de permettre d'alimenter en air pressurisé les échangeurs, ce qui peut être nécessaire suivant les conditions de fonctionnement du turboréacteur, et en particulier lors des phases de décollage et de ralenti au sol de l'aéronef équipé de la turbomachine selon l'invention. Aussi, il est prévu des moyens de commande pour actionner l'extracteur 18 lors de desdites phases et pour le mettre en veille en conditions de croisière.

Lorsque l'aéronef vole, il peut être plus opportun d'utiliser uniquement les 15 orifices 17, qui sont ainsi prévus sous la forme de trappes pilotées aptes à être actionnées dans des conditions de vol.

De cette manière, les injecteurs 17 et 18 peuvent jouer des rôles complémentaires lors des phases successives de fonctionnement de la turbomachine 1. Bien sûr, ils 20 peuvent également être utilisés concomitamment.

De la même façon, il n'est pas opportun d'utiliser l'éjecteur en croisière, car celui-ci abaisse le rendement moteur, alors qu'à ce moment-là la veine secondaire n'est pas à haute température et ne nécessite donc pas un important 25 refroidissement. Des moyens de commande sont ainsi prévus pour actionner l'éjecteur uniquement lors des phases de décollage et de ralenti au sol.

Claims (10)

1. Revendications1. Moteur à turbine à gaz (1) avec un circuit d'huile et une manche d'entrée d'air (12) dans le moteur (1), moteur caractérisé par le fait qu'un échangeur de chaleur air-huile (14A,14B,14C) est disposé à l'intérieur de la manche (12) pour le refroidissement de l'huile.
2. 2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel, la manche d'entrée d'air (12) étant creuse et définissant un volume intérieur, l'échangeur (14A,14B,14C) est disposé à l'intérieur de ce volume.
3. 3. Moteur selon la revendication 2, dans lequel, la manche d'entrée (12) présentant la forme d'une lèvre annulaire formée par deux parois aérodynamiques annulaires respectivement externe (12Ex) et interne (12In) raccordées au niveau d'un bord d'attaque (12B), l'échangeur (14A,14B,14C) est fixé sur une paroi intermédiaire (15) reliant lesdites parois aérodynamiques annulaires respectivement externe (12Ex) et interne (12In).
4. 4. Moteur selon la revendication 3, comportant au moins un renfort longitudinal (16) reliant le bord d'attaque (12B) de la lèvre annulaire (12) avec la paroi intermédiaire (15).
5. 5. Moteur selon l'une des revendications précédentes dans lequel, la manche d'entrée d'air (12) ayant un axe (X-X') confondu avec celui du moteur (1), l'échangeur (14A,14B,14C) est disposé de façon sensiblement transversale à l'axe (X-X') dudit manche (12) et dudit moteur (1).
6. 6. Moteur selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens d'éjection d'air agencés pour éjecter l'air circulant au sein dudit échangeur (14).
7. 7. Moteur selon l'une des revendications précédentes comportant des moyens de guidage d'air vers l'échangeur.
8. 8. Moteur selon la revendication 7, dans lequel lesdits moyens de guidage (17,18) comprennent au moins un orifice (17) de prélèvement d'air ménagé dans une surface annulaire aérodynamique interne (12In) de guidage d'air dans le moteur, en amont de l'échangeur (14A,14B,14C).
9. 9. Moteur selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel, ledit moteur (1) comportant au moins un étage de compression (7,8), lesdits moyens de guidage (17,18) comprennent un extracteur (18) agencé pour prélever une partie de l'air circulant au sein de l'étage de compression (7,8) et pour guider ledit air prélevé en amont d'au moins un échangeur (14A,14B,14C).
10. 10. Moteur selon l'une des revendications précédentes comportant des moyens d'entraînement de l'air dans les échangeurs.