FR3023587A1 - Turbomachine a systeme de refroidissement autonome d'equipements. - Google Patents

Turbomachine a systeme de refroidissement autonome d'equipements. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une turbomachine (1) comprenant : - au moins un compresseur (10), - au moins un équipement (2), et - un système (3) de refroidissement de l'équipement (2), caractérisée en ce que le système (3) de refroidissement de l'équipement (2) comprend : - un échangeur (4), - au moins un premier conduit (8) connectant une entrée (15) d'air de la turbomachine (1) avec une entrée (13) de l'échangeur (4), et - au moins un second conduit (9) connectant une sortie (14) de l'échangeur (4) avec une veine du compresseur (10).

Description

Domaine de l'invention L'invention concerne une turbomachine comprenant un système de refroidissement d'un équipement de la turbomachine.
Présentation de l'Art Antérieur Une turbomachine comprend une multitude d'équipements. Il s'agit par exemple de calculateurs, ou des différents accessoires du boîtier AGB (pour « Accessory GearBox »), tels que les pompes pour la production d'énergie hydraulique, l'alimentation en carburant, la lubrification, les générateurs électriques pour la production de puissance électrique, ainsi que l'unité hydromécanique de la turbomachine (ou HMU pour « Hydromechanical Unit »). Les turbomachines, génératrices de chaleur, étant de plus en plus chargées en équipements, les températures des turbomachines ont également tendance à s'accroître. Or, dans de tels environnements, certains équipements disposés dans le compartiment de la turbomachine sont soumis à des contraintes thermiques supérieures à leur capacité thermique maximale. Une solution consiste à déplacer les équipements en dehors de 20 l'enceinte interne de la turbomachine. Toutefois, cette solution est contraignante pour les avionneurs. Des systèmes de refroidissement des équipements sont donc nécessaires afin de pouvoir disposer les équipements dans le compartiment de la turbomachine. 25 Diverses solutions ont été proposées dans l'art antérieur. Il est connu de ventiler l'enceinte interne du compartiment de la turbomachine par convection, par l'utilisation d'un éjecteur ou la mise en place d'ouvertures sur les capots de la turbomachine. Une autre solution consiste à utiliser un ventilateur pour faire circuler 30 de l'air ambiant dans l'enceinte interne de la turbomachine. Ces solutions présentent toutefois des inconvénients. Ce type de refroidissement s'avère inefficace pour certains types d'équipements (par exemple les calculateurs). En outre, les performances de la turbomachine dépendent de systèmes externes, mises en place par l'avionneur. Les interfaces avec les autres systèmes de l'aéronef sont donc également complexifiées. Enfin, ces solutions sont complexes à mettre au point et à maîtriser sur l'ensemble du domaine de vol de l'aéronef. D'autres solutions incluent la circulation forcée d'huile ou de carburant afin de refroidir l'équipement. Toutefois, en cas de fuite, il existe un risque d'incendie. Enfin, il est possible de ne pas utiliser un système de refroidissement 10 en choisissant des équipements plus performants, dont la capacité thermique est supérieure aux équipements standards. Ce type de modifications a un impact important sur le coût de l'installation. Présentation de l'invention 15 Afin de pallier les inconvénients de l'art antérieur, l'invention propose une turbomachine comprenant au moins un compresseur, au moins un équipement, et un système de refroidissement de l'équipement, caractérisée en ce que le système de refroidissement de l'équipement comprend au moins un échangeur, au moins un premier conduit connectant 20 une entrée d'air de la turbomachine avec une entrée de l'échangeur, et au moins un second conduit connectant une sortie de l'échangeur avec une veine du compresseur. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison 25 techniquement possible : l'échangeur est disposé en contact avec l'équipement ; l'échangeur est un échangeur à ailettes, à spirales ou à plaques ; le premier conduit connecte un point de prélèvement de l'entrée d'air de la turbomachine avec l'entrée de l'échangeur, et le second conduit 30 connecte la sortie de l'échangeur avec un point de refoulement dans la veine du compresseur, le point de refoulement présentant une pression inférieure à la pression du point de prélèvement, la différence entre les pressions étant supérieure à la perte de charge du système de refroidissement ; la turbomachine comprend au moins un capteur de température, configuré pour mesurer la température de l'équipement, et déclencher une alerte en cas de dépassement d'une température seuil ; la turbomachine comprend un dispositif de protection contre l'obturation, protégeant contre l'obturation du premier conduit ; le premier conduit est connecté à un point de prélèvement disposé en aval du dispositif de protection contre l'obturation ; le dispositif de protection contre l'obturation est un coude, un capot de protection ou une grille de protection ; le dispositif de protection contre l'obturation est une grille de protection de la turbomachine, le premier conduit étant connecté à un point de prélèvement disposé en aval de ladite grille de protection ; le dispositif de protection contre l'obturation est distinct d'une grille de protection de la turbomachine. L'invention présente de nombreux avantages. La turbomachine est autonome et ne nécessite pas de systèmes externes pour le refroidissement des équipements. Le nombre d'interfaces avec l'avionneur est réduit. Ainsi, l'avionneur dispose d'une turbomachine plus simple à mettre en oeuvre. En outre, le refroidissement est fonction de la vitesse de la turbomachine, et par conséquent fonction de sa réjection thermique, ce qui est avantageux et efficace. Le système de refroidissement est simple et induit peu de modifications de la turbomachine. Il est robuste et réduit les risques d'incendie ou de perturbations en cas de rupture du système. Enfin, le système a peu d'impact sur l'architecture de la turbomachine et sur sa modularité.
Présentation des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - La Figure 1 représente un schéma général d'une turbomachine connectée à la boîte de transmission d'un rotor ; - La Figure 2 représente une vue de dessus d'un mode de réalisation d'une turbomachine comprenant un système de refroidissement selon l'invention ; - La Figure 3 représente une vue en coupe partielle d'un mode de réalisation d'une turbomachine comprenant un système de refroidissement selon l'invention.
Description détaillée On a représenté en Figure 1 une turbomachine 1 comprenant une entrée 15 d'air. L'entrée 15 d'air est alimentée par de l'air ambiant. La turbomachine 1 comprend également une sortie 16 d'échappement des gaz. La turbomachine 1 est par exemple connectée au mécanisme d'entraînement 28 d'un rotor. La Figure 2 représente une vue de dessus de la turbomachine 1, et la Figure 3, une vue en coupe partielle de la turbomachine 1. Comme illustré sur les Figures, la turbomachine 1 comprend au moins un compresseur 10. Il s'agit par exemple, mais non limitativement, du 25 compresseur basse pression. La turbomachine 1 comprend typiquement une enveloppe (nacelle) qui entoure ses différents composants comme le compresseur, la soufflante, la turbine, etc. L'intérieur de l'enveloppe définit l'enceinte de la turbomachine. 30 La turbomachine 1 comprend au moins un équipement 2. Des exemples d'équipements 2 incluent par exemple des calculateurs, ou des accessoires du boîtier AGB (pour « Accessory GearBox »), tels que les pompes pour la production d'énergie hydraulique, l'alimentation en carburant, la lubrification, les générateurs électriques pour la production de puissance électrique, ainsi que l'unité hydromécanique du turboréacteur (ou HMU pour « Hydromechanical Unit »).
L'équipement 2 est disposé dans la turbomachine 1. L'équipement 2 est par exemple disposé dans l'enceinte de la turbomachine (dans la nacelle). Etant donné que l'équipement est en général disposé à proximité d'une zone chaude de la turbomachine (par exemple à proximité du compresseur ou de la chambre de combustion), la turbomachine 1 comprend en outre un système 3 de refroidissement de l'équipement 2, afin de refroidir l'équipement 2. Le système 3 de refroidissement de l'équipement 2 comprend : - au moins un échangeur 4, - au moins un premier conduit 8 connectant l'entrée 15 d'air de la turbomachine 1 avec une entrée 13 de l'échangeur 4, et - au moins un second conduit 9 connectant une sortie 14 de l'échangeur 4 avec une veine 29 du compresseur 10. On note que plusieurs premiers conduits, et/ou plusieurs seconds conduits peuvent être prévus, afin d'augmenter la circulation d'air à travers 20 l'échangeur. La pression de l'air au niveau de l'entrée 15 d'air de la turbomachine 1 est dénommée P amont. Cette pression P amont est proche de la pression atmosphérique, étant donné que l'air prélevé est l'air ambiant. La pression au niveau de la veine du compresseur 10 est dénommée 25 Pavai. Cette pression Pavai est inférieure à la pression P amont. La différence de pression AP = Pavai - Pamont est par exemple de l'ordre de quelques kPa. Cette dépression AP permet de créer une circulation d'air à travers l'échangeur 4. Cette circulation d'air permet ainsi de refroidir l'équipement 2. Selon un autre exemple, le premier conduit 8 est connecté à un fan 30 préexistant d'un autre élément ou d'un autre équipement de la turbomachine.
L'échangeur 4 est par exemple disposé en contact avec l'équipement 2, ou à proximité dudit équipement 2. Différentes technologies peuvent être utilisées pour l'échangeur 4. Selon un exemple de réalisation, l'échangeur 4 est un échangeur à ailettes.
D'autres technologies incluent les échangeurs à spirales, à plaques, ou autres. Il peut également s'agir d'un radiateur. Comme énoncé ci-dessus, le premier conduit 8 connecte un point 22 de prélèvement de l'entrée 15 d'air de la turbomachine 1 avec l'entrée 13 de l'échangeur 4, et le second conduit 9 connecte la sortie 14 de l'échangeur 4 10 avec un point 21 de refoulement dans la veine 29 du compresseur 10. Le point 21 de refoulement présentant une pression inférieure à la pression du point 22 de prélèvement, la différence entre les pressions étant supérieure à la perte de charge du système 3 de refroidissement. Les positions du point 21 de refoulement et du point 22 de 15 prélèvement peuvent être optimisées afin de maximiser la différence de pression AP, et ainsi, favoriser la circulation de l'air. Au niveau du point 21 de refoulement, une étude aérodynamique peut être menée afin de maximiser le AP tout en minimisant l'impact aérodynamique de l'introduction d'un flux d'air supplémentaire dans le flux 20 d'air principal de la turbomachine. Au niveau du point 22 de prélèvement, il existe un risque que des particules indésirables s'introduisent dans le premier conduit 8 et viennent l'obturer. Un dispositif 32 de protection contre l'obturation peut être prévu, ledit 25 dispositif 32 venant empêcher ou limiter l'introduction de particules indésirables dans le premier conduit 8. Ce dispositif 32 est en général prévu à proximité ou en amont du point 22 de prélèvement. Les particules indésirables sont par exemple du sable, de la neige ou de la glace. Selon un exemple de réalisation, le dispositif 32 est constitué d'un 30 élément déjà présent dans la turbomachine 1. En effet, en général, la turbomachine 1 comprend déjà une grille 25 de protection, disposée dans l'entrée 15 d'air de la turbomachine 1. Cette grille 25 de protection vise à filtrer l'air entrant des particules indésirables qui y sont présentes. Dans cet exemple, le premier conduit 8 est connecté à un point 22 de prélèvement disposé en aval de ladite grille 25 de protection. Le sens amont-aval est le sens d'écoulement de l'air dans la turbomachine. Ainsi, le point 22 de prélèvement est protégé par la grille 25 de protection, qui joue le rôle de dispositif 32 de protection contre l'obturation. Cette solution présente l'avantage de réduire le nombre d'interfaces avec l'avionneur, car le point de prélèvement est disposé à l'intérieur de la turbomachine. En outre, elle favorise la protection contre l'obturation du système de refroidissement. Alternativement, le dispositif 32 de protection contre l'obturation est distinct d'une grille 25 de protection de la turbomachine. Dans ce cas, le point 22 de prélèvement peut être disposé en amont de la grille 25 de protection de la turbomachine, mais est disposé en aval du dispositif 32. Le point 22 de prélèvement peut également être disposé en aval de la grille 25 de protection, et ainsi bénéficier de la protection de la part du dispositif 32 et de la part de la grille 25. Par exemple, le dispositif 32 comprend un coude de prélèvement, 20 permettant de disposer la point 22 de prélèvement hors du sens de l'écoulement, ou un capot de protection orienté par rapport à l'écoulement du flux, ou une grille de protection (grille « crépine » ou autre). Afin de limiter les pertes de charge dans le système 3 de refroidissement, l'équipement 2 est avantageusement disposé au plus près 25 du point 21 de refoulement et du point 22 de prélèvement. Par exemple, le nombre de coudes et la longueur des conduits 8, 9 sont minimisés. Dans un mode de réalisation, le système 3 de refroidissement comprend au moins un capteur 19 de température, configuré pour mesurer la température de l'équipement 2, et déclencher une alerte en cas de 30 dépassement d'une température seuil. Ce capteur 19 peut par exemple être connecté au calculateur 30 de l'aéronef, afin que l'alerte produite par ledit capteur 19 soit affichée dans le cockpit du pilote, ce qui permet de déclencher une opération de maintenance. En particulier, un dispositif de surveillance prédictif basé sur des mesures de température réalisées par le capteur 19 de température en interne de l'équipement 2, avertit le pilote de niveaux de températures internes de l'équipement 2 croissants à iso-conditions. La perte de performances, en particulier due à des problématiques de pollution, pourrait engendrer des conséquences sur la sécurité en raison d'une surchauffe de l'équipement 2.
Dans un mode de réalisation, un principe de contrôle visuel de l'équipement 2 est instauré, qui peut compléter la surveillance de la température de l'équipement 2 via le capteur 19 de température. Le revêtement (par exemple une double peau) de l'équipement 2, qui laisse passer le flux d'air assurant la convection (échangeur intégré à l'équipement), est conçu de sorte à être transparent et démontable. Cet artifice permet un contrôle visuel rapide à chaque ouverture des capots de l'avion (environ toutes les 50 heures), et éventuellement un démontage/nettoyage de l'échangeur si les ailettes de refroidissement sont encrassées.
Il est également possible de prévoir un capteur 31 de pression dans le premier conduit 8 et/ou le second conduit 9, afin de détecter une obstruction desdits conduits. Ce capteur 31 de pression peut également être connecté au calculateur 30 de l'aéronef pour le déclenchement d'une alerte.
Le système de refroidissement s'applique à différents aéronefs : avions, hélicoptères ou tout autre aéronef comprenant un équipement à refroidir. Comme on le comprend, ce système présente de nombreux avantages.
La turbomachine est, grâce à ce système, autonome pour le refroidissement de l'équipement, et ne dépend pas de systèmes additionnels ou extérieurs. Les interfaces avec l'avionneur sont donc réduites et simplifiées. En outre, le refroidissement est fonction de la vitesse de fonctionnement de la turbomachine, et donc de sa dissipation thermique sous le capot. Plus le compresseur tourne à haute vitesse, plus l'équipement a tendance à s'échauffer. D'autre part, plus le compresseur tourne à haute vitesse, plus la circulation d'air dans l'échangeur est importante, et donc plus le refroidissement est efficace. Le refroidissement est donc adapté à l'échauffement de l'équipement.
Le système se caractérise en outre par sa robustesse, étant donné que les composants du système sont simples et efficaces. En cas de rupture du système de refroidissement, le système évite ou limite tout rejet d'air ou de fluide sous pression vers le compartiment moteur, comparativement à l'utilisation d'un fluide de refroidissement de type huile ou carburant. Enfin, le système a peu d'impact sur l'architecture de la turbomachine et sur sa modularité.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Turbomachine (1) comprenant : - au moins un compresseur (10), - au moins un équipement (2), et - un système (3) de refroidissement de l'équipement (2), caractérisée en ce que le système (3) de refroidissement de l'équipement (2) comprend : - au moins un échangeur (4), - au moins un premier conduit (8) connectant une entrée (15) d'air de la turbomachine (1) avec une entrée (13) de l'échangeur (4), et - au moins un second conduit (9) connectant une sortie (14) de l'échangeur (4) avec une veine (29) du compresseur (10).
  2. 2. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle l'échangeur (4) est disposé en contact avec l'équipement (2).
  3. 3. Turbomachine selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle l'équipement (2) est un échangeur à ailettes, à spirales ou à plaques. 20
  4. 4. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle : le premier conduit (8) connecte un point (22) de prélèvement de l'entrée (15) d'air de la turbomachine (1) avec l'entrée (13) de l'échangeur (4), et 25 le second conduit (9) connecte la sortie (14) de l'échangeur (4) avec un point (21) de refoulement dans la veine du compresseur (10), le point (21) de refoulement présentant une pression inférieure à la pression du point (22) de prélèvement, la différence entre les pressions étant supérieure à la perte de charge du système (3) de refroidissement. 30
  5. 5. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant au moins un capteur (19) de température, configuré pourmesurer la température de l'équipement (2), et déclencher une alerte en cas de dépassement d'une température seuil.
  6. 6. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant un dispositif (21) de protection contre l'obturation, protégeant contre l'obturation du premier conduit (8).
  7. 7. Turbomachine selon la revendication 6, dans lequel le premier conduit (8) est connecté à un point (22) de prélèvement disposé en aval du dispositif (21) de protection contre l'obturation.
  8. 8. Turbomachine selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel le dispositif (21) de protection contre l'obturation est un coude, un capot de protection ou une grille de protection.
  9. 9. Turbomachine selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel le dispositif (21) de protection contre l'obturation est une grille (25) de protection de la turbomachine (1), le premier conduit (8) étant connecté à un point (22) de prélèvement disposé en aval de ladite grille (25) de protection.
  10. 10. Turbomachine selon la revendication 6 à 8, dans lequel le dispositif (21) de protection contre l'obturation est distinct d'une grille (25) de protection de la turbomachine.25
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