FR2964731A1 - Dispositif d’echange thermique par jet impactant et utilisation d’un tel dispositif - Google Patents

Dispositif d’echange thermique par jet impactant et utilisation d’un tel dispositif Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'échange thermique (1) par jet impactant qui permet de refroidir ou de réchauffer un objet (2) en envoyant des jets de gaz (9) sur cet objet (2). Pour cela, le dispositif d'échange thermique (1) selon l'invention comporte une paroi (3) percée par au moins un orifice (4) apte à diriger le jet de gaz (9). Le dispositif est particulièrement remarquable en ce que l'orifice (4) présente une section convergente puis divergente.

Description

DISPOSITIF D'ECHANGE THERMIQUE PAR JET IMPACTANT ET UTILISATION D'UN TEL DISPOSITIF DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif d'échange thermique par jet impactant ainsi que l'utilisation d'un tel dispositif d'échange thermique. L'invention concerne également un turbomoteur comportant un tel dispositif d'échange thermique. 10 ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUR
Dans le domaine de l'aéronautique, de nombreuses pièces nécessitent d'être refroidies ou réchauffées, par exemple pour être dégivrées. Pour cela, le 15 refroidissement ou le chauffage par jets impactant est largement utilisé. Les procédés d'échange thermique par jet impactant consistent généralement à faire passer un jet d'air à travers un orifice qui permet de diriger le jet d'air sur l'objet à refroidir ou à réchauffer. Ces procédés sont par exemple utilisés pour refroidir des chambres de combustion de moteur nouvelle génération ou pour refroidir des 20 aubes de turbines, comme décrit dans le document FR2519374. Ces procédés sont également utilisés pour dégivrer des carter d'entrée d'air de moteur ou d'autres pièces utilisés en aéronautique.
Les procédés de refroidissement ou de réchauffage par jet impactant permettent 25 d'obtenir des coefficients d'échange thermique importants et par conséquent, ils sont très efficaces.
Toutefois, en aéronautique, il existe parfois un écoulement d'air entre l'orifice par lequel sort le jet d'air et la pièce à refroidir ou à réchauffer, la direction 30 d'écoulement de cet écoulement d'air étant sécante à la direction d'écoulement du jet d'air. Un tel écoulement est dit « écoulement cisaillant ». La présence de cet écoulement cisaillant limite l'efficacité du jet d'air pour réchauffer ou refroidir5 l'objet, notamment quand le débit de l'écoulement cisaillant est important par rapport au jet d'air. De même, lorsque la distance entre l'objet à refroidir ou réchauffer et l'orifice par lequel sort le jet d'air est trop élevée, l'efficacité du jet d'air diminue. EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant un dispositif d'échange thermique par jet impactant dont l'efficacité est 10 améliorée en cas d'écoulement cisaillant ou lorsque l'orifice par lequel le jet d'air sort est éloigné de l'objet à refroidir.
Pour ce faire, est proposé selon un premier aspect de l'invention, un dispositif d'échange thermique à l'aide d'au moins un jet de gaz, le dispositif comportant 15 une paroi percée par au moins un orifice apte à diriger le jet de gaz, l'orifice présentant une section convergente puis divergente.
Ainsi, l'orifice par lequel le jet de gaz sort présente une entrée, une sortie et un col situé entre l'entrée et la sortie. La section de l'orifice diminue depuis l'entrée de 20 l'orifice jusqu'au col où l'orifice présente une section minimale. La section de l'orifice augmente ensuite du col jusqu'à la sortie où l'orifice présente une section supérieure à la section du col.
Cette géométrie de l'orifice permet d'accélérer le jet de gaz qui traverse l'orifice, 25 ce qui permet d'avoir un jet de gaz qui impacte avec une vitesse plus élevée l'objet à refroidir ou réchauffer. Ainsi, même lorsqu'il existe un écoulement cisaillant ou que l'orifice est éloigné de l'objet à refroidir ou à réchauffer, l'efficacité du jet de gaz est améliorée par rapport à l'état de la technique.
30 Le dispositif d'échange thermique selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniques possibles.5 Selon un mode de réalisation préférentiel, le jet de gaz en sortie de l'orifice est supersonique. Ainsi, le jet de gaz en sortie de l'orifice est assez puissant pour impacter l'objet que l'on veut refroidir ou réchauffer. Selon un mode de réalisation non limitatif, le dispositif d'échange thermique comporte des moyens d'envoi aptes à envoyer le jet de gaz à travers l'orifice. Ces moyens d'envoi peuvent par exemple comporter un ventilateur, une vanne ou encore un distributeur de gaz. 10 Selon un mode de réalisation non limitatif, la paroi est disposée entre deux cavités présentant des pressions internes différentes. Ainsi, la différence de pression entre les deux cavités produit un jet d'air à travers l'orifice. La cavité de pression supérieure, en amont des orifices, peut, par exemple, être alimentée par de l'air 15 prélevé sur un étage du compresseur.
Selon un mode de réalisation non limitatif, les orifices sont intégrés à une pièce d'un turbomoteur. Les orifices peuvent par exemple être intégré dans un conduit extérieur ou à une pièce interne au turbomoteur. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un turbomoteur comportant un dispositif d'échange thermique tel que décrit précédemment.
Selon un troisième aspect, l'invention concerne également l'utilisation d'un 25 dispositif d'échange thermique tel que décrit dans ce document pour refroidir au moins une aube de turbine, le dispositif pouvant être avantageusement intégré dans la pièce elle-même.
Selon un quatrième aspect, l'invention concerne également l'utilisation d'un 30 dispositif d'échange thermique tel que décrit dans ce document pour refroidir un anneau de turbine. 20 Selon un cinquième aspect, l'invention concerne également l'utilisation d'un dispositif d'échange thermique tel que décrit dans ce document pour dégivrer au moins un carter d'entrée d'air de moteur à réaction.
Selon un sixième aspect, l'invention concerne également l'utilisation d'un dispositif d'échange thermique tel que décrit dans ce document pour réchauffer un bec de séparation.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence à la figure annexée, qui illustre : - la figure 1, une représentation schématique d'un dispositif d'échange thermique selon un mode de réalisation de l'invention. 15 DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION
La figure 1 représente schématiquement un dispositif d'échange thermique 1 selon un mode de réalisation non limitatif de l'invention. Ce dispositif d'échange 20 thermique 1 permet de réchauffer ou de refroidir un objet 2. Ce dispositif d'échange thermique 1 comporte une paroi 3 percée par plusieurs orifices 4.
Chacun des orifices 4 présente une section s qui est convergente puis divergente. Chaque orifice 4 a donc une géométrie dite de « tuyère de Laval ». En effet 25 chaque orifice 4 présente une entrée 6, une sortie 7 et un col 8. La section de chaque orifice diminue entre l'entrée 6 et le col 8, puis elle augmente à nouveau entre le col 8 et la sortie 7.
La section de chaque orifice 4 est de préférence circulaire, bien que d'autres 30 géométries soient possibles.10 Chaque orifice 4 présente de préférence une section de diamètre compris entre 1 à 20 mm. Chaque orifice 4 est traversé par un jet de gaz 9, qui est de préférence un jet d'air. Les jets de gaz 9 sont dirigés par les orifices 4 en direction de l'objet 2. 5 Afin de créer des jets de gaz 9 qui traversent les orifices 4 en direction de l'objet 2, différents modes de réalisation peuvent être envisagés. Ainsi, des moyens d'envoi 15 aptes à envoyer des jets de gaz 9 à travers les orifices 4 peuvent être placés en amont des orifices 4. Ces moyens d'envoi 15 peuvent comporter un 10 ventilateur, des moyens de propulsion de gaz, des vannes...
On peut également envisager que la paroi 3 sépare une première et une deuxième cavités 10 et 11, la première cavité étant en amont des orifices 4 et la deuxième cavité 11 étant en aval des orifices 4, la première cavité 10 présentant 15 une pression supérieure à la pression de la deuxième cavité 11, de sorte que des jets de gaz 9 se créent à travers les orifices 5.
Dans ce cas, la différence de pression entre la première et la deuxième cavité doit être suffisante pour que le jet de gaz 9 en sortie de chaque orifice 4 soit 20 supersonique.
Grâce à la géométrie de chaque orifice 4, le jet de gaz 9 qui traverse chacun des orifices 4 est accéléré, de sorte qu'il impacte avec une vitesse plus élevée l'objet 2 à refroidir ou à réchauffer. Ainsi, le dispositif d'échange thermique 1 permet de 25 réchauffer ou de refroidir des objets 2 qui sont plus éloignés des orifices 4 que dans l'art antérieur.
En outre, la géométrie des orifices 4 est particulièrement avantageuse en cas d'écoulement cisaillant 12. On appelle « écoulement cisaillant » une écoulement 30 de gaz 12 qui s'écoule suivant une direction d'écoulement 13 qui est sécante à la direction d'écoulement 14 des jets de gaz 9.
En effet, en cas d'écoulement cisaillant 12, comme les jets de gaz 9 sont accélérés par les orifices 4, les jets de gaz sont moins déviés et ont par conséquent une efficacité supérieure pour l'échange thermique avec l'objet 2 que dans les dispositifs de l'art antérieur.
Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, les orifices pourraient être conformés de manière à diriger l'air de manière oblique sur l'objet 2. On pourrait également envisager d'avoir des orifices qui ne sont pas équidistants.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'échange thermique (1) à l'aide d'au moins un jet de gaz (9), le dispositif comportant une paroi (3) percée par au moins un orifice (4) apte à diriger le jet de gaz (3), caractérisé en ce que l'orifice (4) présente une section convergente puis divergente.
  2. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il 10 comporte en outre des moyens d'envoi (15) aptes à envoyer un jet de gaz (9) à travers l'orifice (4).
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi (3) est disposée entre deux cavités (10, 11) présentant des pressions internes 15 différentes.
  4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le jet de gaz (9) en sortie de l'orifice (4) est supersonique.
  5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi (3) est intégrée à une pièce d'un turbomoteur. 25
  6. 6. Turbomoteur comportant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  7. 7. Utilisation d'un dispositif d'échange thermique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour refroidir au moins une aube de turbine.
  8. 8. Utilisation d'un dispositif d'échange thermique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour refroidir un anneau de turbine. 20 30 5
  9. 9. Utilisation d'un dispositif d'échange thermique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour dégivrer au moins un carter d'entrée d'air de moteur à réaction.
  10. 10. Utilisation d'un dispositif d'échange thermique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour réchauffer un bec de séparation.
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