FR3027958A1

FR3027958A1 - Procede et circuit de ventilation d'equipements d'un turboreacteur par thermoelectricite

Info

Publication number: FR3027958A1
Application number: FR1460426A
Authority: FR
Inventors: Pache Gwenole Yann Le; Lise Domecq
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-05-06
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: US20160123185A1; FR3027958B1

Abstract

L'invention concerne un procédé et un circuit de ventilation d'équipements d'un turboréacteur, le turboréacteur (10) comprenant une zone froide (ZF) ayant une soufflante (14) en amont d'une zone chaude (Zc), les équipements (32) du turboréacteur à ventiler étant disposés dans un espace de ventilation (30) disponible autour de la zone chaude entre une veine de flux d'air primaire (26) et une veine de flux d'air secondaire (28) issus du turboréacteur, le procédé comprenant le prélèvement d'air de ventilation dans l'une des veines de flux d'air pour l'acheminer vers l'espace de ventilation et la circulation forcée de l'air de ventilation par l'intermédiaire d'au moins un ventilateur électrique (36) positionné à l'intérieur de l'espace de ventilation et alimenté en courant électrique par une pluralité de générateurs thermoélectriques (38) positionnés dans une paroi (40) séparant l'espace de ventilation de la veine de flux d'air secondaire.

Description

02 79 5 8 1 Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général de la ventilation d'équipements disposés au voisinage de la zone chaude d'un turboréacteur. Un turboréacteur comprend un grand nombre d'équipements annexes. Il s'agit en particulier 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, etc., ainsi que l'unité hydromécanique du turboréacteur (ou HMU pour « Hydromechanical Unit ») qui permet de commander les servovalves utilisées pour doser le débit de carburant envoyé vers les vérins hydrauliques d'actionnement de géométries variables du turboréacteur et les vannes à air du circuit d'air moteur. De tels équipements sont sensibles à la chaleur et doivent donc être disposés de préférence au voisinage de la zone froide du turboréacteur, c'est-à-dire autour de la soufflante de celui-ci, afin d'éviter de voir leur fiabilité affectée par les fortes contraintes thermiques auxquelles ils sont soumis. Or, pour des turboréacteurs ayant un taux de dilution élevé, disposer des équipements autour de la soufflante contribuerait à augmenter la traînée des turboréacteurs. Aussi, il est devenu courant de positionner certains équipements au voisinage de la zone chaude du turboréacteur. Cette zone chaude qui se situe typiquement en aval de la zone froide (autour du corps haute-pression du turboréacteur - appelé « core » - comprenant notamment le compresseur haute-pression et de la chambre de combustion) offre de l'espace disponible pour loger les équipements du turboréacteur.

Pour limiter la température des équipements pendant le fonctionnement du turboréacteur, il est connu de disposer des écrans thermiques autour du corps haute-pression du turboréacteur et de ventiler l'espace où sont disposés les équipements par prélèvement d'air frais issu de la soufflante.

Cependant, après l'arrêt du moteur, il n'y a plus d'air frais qui est acheminé vers les équipements pour les ventiler alors que le corps 302 7 9 5 8 2 haute-pression du turboréacteur est encore très chaud et continue à rayonner de sorte que les équipements montent en température avant de se refroidir très progressivement. Ce phénomène (appelée « soakback ») qui voit la température ambiante dans le moteur augmenter peut durer 5 longtemps après l'arrêt du moteur, le pic de température étant généralement atteint jusqu'à plusieurs heures après l'arrêt. Pour tenter de remédier à cet inconvénient, une solution consiste à dimensionner les équipements pour tenir aux températures atteintes lors de ce phénomène de « soakback ». Toutefois, l'arrivée dans 10 l'espace disponible autour du corps haute-pression du turboréacteur de nombreux équipements supplémentaires qui ne sont usuellement pas conçus pour tenir à de telles températures rend cette solution inefficace. Une autre solution connue consiste à prévoir une ventilation forcée d'air dans l'espace dans lequel sont logés les équipements après 15 l'arrêt du moteur jusqu'à ce que leur température redescende. On pourra notamment se référer aux documents FR 2,955,896 et FR 2,955,896 qui décrivent des circuits de ventilation mettant en oeuvre un ventilateur à vitesse variable qui est piloté depuis le cockpit ou le calculateur électronique du turboréacteur et alimenté en courant électrique par 20 l'intermédiaire des groupes auxiliaires de puissance (ou APU pour « Auxiliary Power Unit »), soit par le groupe d'alimentation au sol fournie par l'aéroport, soit par les batteries de l'avion. Pour fonctionner, cette solution nécessite donc que l'une des sources électriques mentionnées ci-dessus pour l'alimentation des 25 ventilateurs soit disponible après l'arrêt du moteur. Or, lorsque le moteur est arrêté, il est préférable que l'avion, et donc l'APU, soient également éteints. De plus, pour des raisons d'indépendance des systèmes, les avionneurs sont généralement réticents à fournir de l'énergie auxiliaire au moteur lorsque celui-ci est arrêté. En outre, l'alimentation des ventilateurs 30 par des batteries de l'avion nécessite de dimensionner celles-ci en conséquence, ce qui augmente nécessairement leur masse. Enfin, l'alimentation par le groupe d'alimentation au sol est contraignante d'un point de vue opérationnel car elle monopolise l'avion, du personnel et du matériel. 35 3 02 79 5 8 3 Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour objet un procédé et un circuit de ventilation active des équipements d'un turboréacteur qui ne présentent pas les inconvénients précités. 5 Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un procédé de ventilation d'équipements d'un turboréacteur, le turboréacteur comprenant une zone froide ayant une soufflante en amont d'une zone chaude, les équipements du turboréacteur à ventiler étant disposés dans un espace de ventilation disponible autour de la zone chaude entre une 10 veine de flux d'air primaire et une veine de flux d'air secondaire issus du turboréacteur, le procédé comprenant le prélèvement d'air de ventilation dans l'une des veines de flux d'air pour l'acheminer vers l'espace de ventilation et la circulation forcée de l'air de ventilation par l'intermédiaire d'au moins un ventilateur électrique positionné à l'intérieur de l'espace de 15 ventilation et alimenté en courant électrique par une pluralité de générateurs thermoélectriques positionnés dans une paroi séparant l'espace de ventilation de la veine de flux d'air secondaire. Corrélativement, l'invention a également pour objet un circuit de ventilation d'équipements d'un turboréacteur, le turboréacteur comprenant 20 une zone froide ayant une soufflante en amont d'une zone chaude, les équipements du turboréacteur à ventiler étant disposés dans un espace de ventilation disponible autour de la zone chaude entre une veine de flux d'air primaire et une veine de flux d'air secondaire issus du turboréacteur, le circuit comprenant des moyens pour prélever de l'air de ventilation dans 25 l'une des veines de flux d'air et l'acheminer dans l'espace de ventilation et au moins un ventilateur électrique positionné à l'intérieur de l'espace de ventilation et alimenté en courant électrique par une pluralité de générateurs thermoélectriques positionnés dans une paroi séparant l'espace de ventilation de la veine de flux d'air secondaire. 30 Le procédé selon l'invention peut avantageusement être mis en oeuvre après l'arrêt du moteur. Après un arrêt, la température du corps haute-pression du turboréacteur dépasse significativement la température ambiante qu'il fait à l'intérieur de la veine de flux d'air secondaire. Un gradient thermique important est donc disponible entre le corps haute- 35 pression et la veine de flux d'air secondaire. Le procédé et le circuit selon l'invention sont ainsi remarquables en ce qu'ils utilisent ce gradient 302 795 8 4 thermique comme source d'énergie pour réaliser une circulation forcée de l'air de ventilation dans l'espace de ventilation dans lequel sont disposés les équipements. En effet, les générateurs thermoélectriques sont des dispositifs qui convertissent la chaleur (ici le gradient thermique disponible 5 entre le corps haute-pression et la veine de flux secondaire) en énergie électrique venant alimenter un ventilateur positionné à l'intérieur de l'espace de ventilation. Ainsi alimenté en courant électrique, le ventilateur permet de ventiler l'espace de ventilation et donc de refroidir les équipements. Le 10 gradient thermique entre le corps haute-pression et la veine de flux d'air secondaire diminue en conséquence. Comme l'énergie électrique produite par les générateurs thermoélectriques est proportionnelle au gradient thermique auquel ils sont soumis, la diminution de ce dernier entraîne une diminution de l'énergie électrique produite et donc une baisse de la 15 ventilation des équipements. Le ventilateur s'arrête alors de lui-même lorsque le gradient thermique entre le corps haute-pression et la veine de flux d'air secondaire atteint un certain seuil. A ce stade, l'espace de ventilation a été suffisamment refroidi et a atteint un équilibre thermique avec la veine de flux d'air secondaire. 20 Le procédé et le circuit selon l'invention ont ainsi pour avantage de réguler efficacement la température dans l'espace de ventilation dans lequel sont disposés les équipements sans nécessiter un apport d'énergie électrique extérieur au turboréacteur. Le circuit de ventilation selon l'invention est ainsi totalement autonome et s'autorégule sans avoir besoin 25 de recourir à un capteur de température ou à tout autre système de contrôle. Enfin, ce circuit de ventilation est fiable et simple de mise en oeuvre. Le ventilateur électrique peut être arrêté dès que la température à l'intérieur de l'espace de ventilation devient inférieure à une température 30 de seuil prédéterminée. Corrélativement, le circuit peut comprendre des moyens pour arrêter le ventilateur électrique en-dessous d'une température de seuil prédéterminée à l'intérieur de l'espace de ventilation. Cette caractéristique vise à arrêter la ventilation des équipements avant qu'un équilibre thermique ne s'établisse entre l'espace 35 de ventilation et la veine de flux d'air secondaire. Ceci permet de limiter la sur-utilisation du circuit de ventilation lorsqu'il n'est pas nécessaire de porter la température des équipements à une température aussi basse. Le fonctionnement du ventilateur électrique peut être surveillé afin de détecter tout éventuel disfonctionnement. Corrélativement, le 5 circuit peut comprendre des moyens pour détecter un disfonctionnement éventuel du ventilateur. Le ventilateur électrique peut être alimenté en courant électrique pendant une phase de fonctionnement du turboréacteur de sorte à ventiler les équipements pendant le vol. 10 Chaque générateur thermoélectrique du circuit de ventilation peut comprendre une pluralité d'éléments semi-conducteurs à propriétés thermoélectriques reliés à deux plaques conductrices, celles-ci étant recouvertes chacune par un substrat formant isolant électrique, l'un des substrats étant disposé du côté de la veine de flux d'air secondaire et 15 l'autre substrat étant disposé du côté de l'espace de ventilation. L'invention a encore pour objet un turboréacteur comprenant un circuit de ventilation tel que défini ci-dessus. Brève description des dessins 20 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique et en coupe d'un 25 turboréacteur équipé d'un circuit de ventilation selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique d'un générateur thermoélectrique utilisé pour le circuit de ventilation de la figure 1; et - la figure 3 est une vue fonctionnelle du circuit de ventilation de la figure 1. 30 Description détaillée de l'invention La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un turboréacteur 10 d'aéronef du type à double corps et double flux et entouré d'une nacelle 12. De façon connue en soi, le turboréacteur 10 35 comprend, d'amont en aval, une soufflante 14, un compresseur basse pression 16, un compresseur haute pression 18, une chambre de 302 7 9 5 8 6 combustion 20, une turbine haute pression 22 et une turbine basse pression 24 qui sont centrés sur un axe longitudinal X-X. Le turboréacteur 10 comprend également une veine de flux d'air primaire 26 (ou flux chaud) et une veine de flux d'air secondaire 28 (ou flux froid) formée autour de la veine de flux primaire. Le turboréacteur 10 comprend encore une zone froide ZF (incluant notamment la soufflante 14 et le compresseur basse pression 16) en amont d'une zone chaude Zc (correspondant au corps haute-pression et incluant notamment le compresseur haute-pression 18 et la chambre de combustion 20). Au sein de la zone chaude Zc, est délimité un espace de ventilation 30 où sont disposés différents équipements 32 du turboréacteur (tels que des accessoires de l'AGB, le HMU, etc.). Sur l'exemple de la figure 1, cet espace de ventilation est situé autour du compresseur haute-pression 18 et de la chambre de combustion 20 et communique avec l'extérieur du turboréacteur (c'est-à-dire qu'il est soumis à la pression ambiante). L'espace de ventilation 30 étant positionné au niveau de la zone chaude Zc du turboréacteur, les équipements 32 disposés à l'intérieur de 20 celui-ci sont exposés aux fortes températures régnant dans cette zone chaude. Aussi, pour ventiler les équipements 32 afin de limiter leur montée en température, il est prévu, conformément à l'invention, de réaliser un circuit de ventilation pour prélever de l'air de ventilation dans la 25 veine de flux d'air secondaire 28 en aval de la soufflante 14 pour l'acheminer à l'intérieur de l'espace de ventilation 30. Selon l'invention, ce circuit de ventilation comprend notamment au moins une écope 34 s'ouvrant dans la veine de flux d'air secondaire 28 en aval de la soufflante 14 et débouchant dans l'espace de ventilation 30 30 où sont disposés les équipements 32. Le circuit de ventilation selon l'invention comprend également au moins un ventilateur électrique 36 positionné à l'intérieur de l'espace de ventilation 30 en aval de l'écope 34 et en amont des équipements 32 à ventiler. 35 Ce ventilateur 36 a pour fonction d'entretenir, après l'arrêt du turboréacteur voire pendant son fonctionnement, une circulation forcée de l'air de ventilation dans l'espace de ventilation 30 pour que la température des équipements 32 baisse. Le circuit de ventilation selon l'invention comprend encore une pluralité de générateurs thermoélectriques 38 qui sont destinés à alimenter le ventilateur 36 en courant électrique. Ces générateurs thermoélectriques 38 sont reliés entre eux et sont positionnés sur toute ou partie d'une paroi 40 séparant l'espace de ventilation 30 de la veine de flux d'air secondaire 28, cette paroi 40 pouvant également accueillir un revêtement de protection thermique (non représenté sur les figures).

De façon connue, un générateur thermoélectrique (appelé « Seebeck generator » en anglais) est un dispositif qui convertit la chaleur (i.e. un gradient thermique) directement en énergie électrique, en utilisant l'effet Seebeck (c'est-à-dire par différence de potentiel électrique). Un exemple de réalisation d'un générateur thermoélectrique 38 15 est représenté sur la figure 2. Typiquement, celui-ci comprend une pluralité d'éléments semi-conducteurs 42 à propriétés thermoélectriques et respectivement dopés de type N et de type P qui sont reliés à deux plaques conductrices 44, ces plaques conductrices étant recouvertes chacune par un substrat 46 formant isolant électrique. Les plaques 20 conductrices 44 sont également reliées à des bornes électriques 48 connectées au ventilateur 36 pour l'alimenter en courant électrique. Le fonctionnement d'un tel générateur thermoélectrique 38 est connu en soi et ne sera donc pas décrit en détails. Brièvement, lorsque les deux substrats 46 sont soumis à un gradient thermique (l'un des substrats 25 étant ici positionné du côté de la veine de flux d'air secondaire 28 et l'autre substrat étant positionné du côté de l'espace de ventilation 30), le déplacement de chaleur induit une différence de charge suffisante pour induire une différence de potentiel permettant d'alimenter un courant électrique. 30 La figure 3 représente schématiquement le fonctionnement d'un tel circuit de ventilation après l'arrêt du turboréacteur. Typiquement, après l'arrêt du turboréacteur, la température du corps haute-pression du turboréacteur (et notamment de la chambre de combustion 20) dépasse significativement la température ambiante 35 Tambiante qu'il fait à l'intérieur de la veine de flux d'air secondaire 28. Un 302 7 9 5 8 8 gradient thermique AT important est alors disponible entre le corps haute-pression et la veine de flux d'air secondaire. Ce gradient thermique AT est utilisé comme source d'énergie par les générateurs thermoélectriques 38 pour induire une différence de 5 potentiel AV proportionnelle au gradient de température AT qui est utilisée pour alimenter le ventilateur électrique 36. Ce dernier va donc ventiler l'espace de ventilation 30 en réalisant une circulation forcée d'air à l'intérieur de celui-ci (l'air de ventilation est réinjecté en aval dans la veine de flux d'air secondaire 28 par des ouvertures 50 pratiquées dans la paroi 10 40 - voir figure 1). Cette ventilation permet ainsi de refroidir les équipements 32. Au fur et à mesure que l'espace de ventilation 30 est ainsi ventilé par le ventilateur 36, le gradient thermique AT entre le corps haute-pression et la veine de flux d'air secondaire du turboréacteur diminue en conséquence. Comme la différence de potentiel AV induite par les générateurs thermoélectriques 38 est proportionnelle à ce gradient thermique AT, l'énergie électrique produite diminue également, ce qui entraîne une baisse de la ventilation. Ainsi, le ventilateur 36 s'arrête de lui-même lorsque le gradient thermique AT n'est plus assez élevé pour induire une différence de potentielle AV. A ce stade, les équipements 32 présents dans l'espace de ventilation 30 ont été refroidis et l'espace de ventilation a atteint un équilibre thermique avec la veine de flux d'air secondaire 28. De la sorte, on obtient une ventilation de l'espace de ventilation qui est autorégulé et qui ne nécessite donc pas la présence de capteurs de température et de dispositif de commande (le ventilateur 36 se déclenche et s'arrête seul) avec la certitude que l'arrêt du ventilateur corresponde à un équilibre thermique entre l'espace de ventilation et la veine de flux d'air secondaire ne nécessitant plus une telle ventilation. De plus, cette ventilation ne nécessite pas que le turboréacteur fonctionne, ni l'apport d'énergie électrique extérieure. On notera que le fonctionnement du circuit de ventilation selon l'invention est tout aussi bien valable pendant le fonctionnement du turboréacteur (notamment en vol). En effet, lorsque le turboréacteur fonctionne, le gradient thermique AT entre la veine de flux d'air primaire et la veine de flux d'air secondaire est également disponible.

On notera également qu'il est possible d'arrêter le fonctionnement du ventilateur 36 avant que ne soit atteint l'équilibre thermique entre l'espace de ventilation et la veine de flux d'air secondaire (c'est-à-dire dès que la température à l'intérieur de l'espace de ventilation devient inférieure à une température de seuil prédéterminée supérieure à la température régnant dans la veine de flux d'air secondaire 28). Cette option de fonctionnement permet de limiter la sur-utilisation du circuit de ventilation. A cet effet, une solution consiste à régler la tension de démarrage du ventilateur pour que celui-ci s'arrête de fonctionner dès qu'un gradient thermique déterminé est atteint (c'est-à-dire sous un seuil de différence de potentiel AV induite par les générateurs thermoélectriques). Une autre solution consiste à recourir à une commutation non-commandée de l'alimentation du ventilateur. Encore une autre solution peut être basée sur un dispositif électronique de commande du ventilateur qui ne serait pas reliée au calculateur électronique du moteur et qui serait présent dans l'espace de ventilation. Selon une disposition avantageuse, le circuit de ventilation comprend également des moyens de surveillance du fonctionnement du ventilateur 36 afin de détecter tout éventuel disfonctionnement de celui-ci. Cette surveillance peut être réalisée par un capteur adéquat monté sur le ventilateur ou par un capteur de température déjà présent dans l'espace de ventilation. On notera encore que les générateurs thermoélectriques 38 peuvent être redondés et/ou répartis en plusieurs voies d'alimentation du ventilateur 36 indépendantes pour baisser les risques d'occurrence d'un disfonctionnement de ces générateurs. Enfin, dans une variante de réalisation non représentée, le circuit de ventilation peut comprendre en outre une ventilation forcée d'une zone froide de l'espace de ventilation par le même ventilateur 36. Cette ventilation additionnelle permet d'améliorer le rendement du circuit de ventilation des équipements 38 et d'éviter la formation d'une couche limite nuisible pour la ventilation entre cette zone froide et la zone chaude de l'espace de ventilation. En pratique, cette ventilation additionnelle nécessite d'ajouter un ventilateur dédié à l'intérieur de l'espace de ventilation et dirigé vers la zone froide de celui-ci.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de ventilation d'équipements d'un turboréacteur, le turboréacteur (10) comprenant une zone froide (ZF) ayant une soufflante (14) en amont d'une zone chaude (Zc), les équipements (32) du turboréacteur à ventiler étant disposés dans un espace de ventilation (30) disponible autour de la zone chaude entre une veine de flux d'air primaire (26) et une veine de flux d'air secondaire (28) issus du turboréacteur, le procédé comprenant le prélèvement d'air de ventilation dans l'une des veines de flux d'air pour l'acheminer vers l'espace de ventilation et la circulation forcée de l'air de ventilation par l'intermédiaire d'au moins un ventilateur électrique (36) positionné à l'intérieur de l'espace de ventilation et alimenté en courant électrique par une pluralité de générateurs thermoélectriques (38) positionnés dans une paroi (40) séparant l'espace de ventilation de la veine de flux d'air secondaire.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le ventilateur électrique est alimenté en courant électrique après l'arrêt du turboréacteur.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le ventilateur électrique est arrêté dès que la température à l'intérieur de l'espace de ventilation devient inférieure à une température de seuil prédéterminée.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le fonctionnement du ventilateur électrique est surveillé afin de détecter tout éventuel disfonctionnement.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le ventilateur électrique est alimenté en courant électrique pendant une phase de fonctionnement du turboréacteur.
6. Circuit de ventilation d'équipements d'un turboréacteur, le 35 turboréacteur (10) comprenant une zone froide (ZF) ayant une soufflante (14) en amont d'une zone chaude (Zc), les équipements (32) du 3 0 2 7 9 5 8 11 turboréacteur à ventiler étant disposés dans un espace de ventilation (30) disponible autour de la zone chaude entre une veine de flux d'air primaire (26) et une veine de flux d'air secondaire (28) issus du turboréacteur, le circuit comprenant des moyens (34) pour prélever de l'air de ventilation 5 dans l'une des veines de flux d'air et l'acheminer dans l'espace de ventilation et au moins un ventilateur électrique (36) positionné à l'intérieur de l'espace de ventilation et alimenté en courant électrique par une pluralité de générateurs thermoélectriques (38) positionnés dans une paroi (40) séparant l'espace de ventilation de la veine de flux d'air 10 secondaire.
7. Circuit selon la revendication 6, comprenant en outre des moyens pour arrêter le ventilateur électrique en-dessous d'une température de seuil prédéterminée à l'intérieur de l'espace de ventilation. 15
8. Circuit selon l'une des revendications 6 et 7, comprenant en outre des moyens pour détecter un disfonctionnement éventuel du ventilateur. 20
9. Circuit selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel chaque générateur thermoélectrique comprend une pluralité d'éléments semi-conducteurs (42) à propriétés thermoélectriques reliés à deux plaques conductrices (44), celles-ci étant recouvertes chacune par un substrat (46) formant isolant électrique, l'un des substrats étant 25 disposé du côté de la veine de flux d'air secondaire et l'autre substrat étant disposé du côté de l'espace de ventilation.
10. Turboréacteur comprenant un circuit de ventilation selon l'une quelconque des revendications 6 à 9.